土壤有機質是陸地生態系統中重要的碳庫之一，其微小的改變都可能影響到地球系統內溫室氣體的濃度變化，進而影響到地球表面溫度。土壤有機碳週轉速率的估算一直是土壤科學研究的重點和難點問題，特別是如何選擇一個簡潔、有效的參數來指示全球尺度上土壤有機碳的週轉速率，一直還沒有得到解決。
碳同位素（13C）能夠指示土壤中碳的來源及週轉途徑。研究發現，隨著土壤深度的增加土壤碳同位素值逐漸升高，而土壤碳含量則逐漸降低。造成這種現象有如下原因：一是由於化石燃料燃燒使大氣中貧化的碳逐漸增多，造成13C貧化的有機物積累到土壤表面；二是根系的碳同位素比植物高出1-2個單位，使得底層土壤同位素高於表層土壤；三是微生物在分解土壤有機質的過程中對碳的分餾作用，造成12C通過呼吸離開系統，而13C則大量累積到土壤中，形成隨著深度增加土壤碳同位素信號逐漸升高的趨勢。大量的研究認為，微生物分解土壤有機碳是造成土壤13C隨深度升高的主要原因，並且這種趨勢能夠有效指示土壤碳的週轉速率。
基於以上研究，中國科學院瀋陽應用生態研究所生物地球化學組助理研究員王超及其合作者，分析了中國北方草地27個土壤剖面碳同位素和碳含量的變化特徵，同時整理了全球149個1米深度的土壤剖面數據，結果發現：（1）所有剖面上碳同位素值逐漸升高而含量逐漸降低，兩種呈現顯著負相關性，並且證明了這種負相關性能夠很好地指示土壤碳的週轉速率；（2）在全球尺度上土壤有機碳的週轉速率與植物凋落物的週轉速率存在顯著正相關性；（3）氣候因子結合土壤理化性質能夠很好地解釋土壤有機碳週轉的變化速率。本研究結果為區域和全球尺度上土壤碳的週轉提供了研究思路，同時也為生物地球化學模型提供了新的參數數據。
研究成果以Stable isotopic constraints on global soil organic carbon turnover 為題，發表於Biogeosciences。王超為第一作者，瀋陽生態所研究員白娥為通訊作者。研究得到了青年973項目、國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目和中科院青年創新促進會的支持。
圖1. 全球範圍內1米深度土壤剖面的分佈圖
圖2. 全球土壤碳週轉速率beta與凋落物和根系分解速率k的迴歸分析
圖3. 土壤有機碳分解速率與氣候因子及土壤因子的迴歸分析
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