4月15日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、水利水電學(xué)院水碳循環(huán)與碳中和研究所王綱勝教授團(tuán)隊(duì)在全球土壤有機(jī)碳分解動(dòng)力學(xué)方面的最新研究進(jìn)展。
論文題為“Global patterns and edaphic-climatic controls of soil carbon decomposition kinetics predicted from incubation experiments”（《土壤碳分解動(dòng)力學(xué)的全球模式及其土壤-氣候調(diào)控機(jī)制》）。博士生向代鋒為論文第一作者，王綱勝教授為論文通訊作者，博士生田競(jìng)和李宛諭為共同作者，武漢大學(xué)為唯一署名單位。
土壤有機(jī)碳是全球陸地最大的碳庫，解析不同土壤有機(jī)碳（SOC）庫分解動(dòng)力學(xué)的全球模式及其主控因素，對(duì)氣候變化背景下陸-氣碳通量的準(zhǔn)確估算至關(guān)重要。作為分析全球碳儲(chǔ)量與通量的重要手段，地球系統(tǒng)模式（Earth System Model）通常根據(jù)SOC分解速率的差異性，將SOC分為多個(gè)庫，如快速庫（周轉(zhuǎn)周期<1年）、慢速庫（周轉(zhuǎn)周期為數(shù)十年）和穩(wěn)定庫（周轉(zhuǎn)周期為數(shù)百至數(shù)千年）。然而，目前的地球系統(tǒng)模式普遍采用全球一致的SOC庫潛在分解速率（kref），雖然kref會(huì)進(jìn)一步在時(shí)間上隨環(huán)境因子變化而變化，但仍忽略了kref本身可能存在空間異質(zhì)性，這將可能導(dǎo)致全球尺度上的模擬與預(yù)測(cè)存在較大偏差。
該團(tuán)隊(duì)以SOC分解一階動(dòng)力學(xué)模型為切入點(diǎn)，基于已發(fā)表的關(guān)于SOC分解培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和一階動(dòng)力學(xué)模型有關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了包含11個(gè)地形/植被/土壤/氣候因子和SOC分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的全球數(shù)據(jù)集，然后利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法（Gradient Boosting Machine、Random Forest）建立了SOC分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)與潛在因子之間的量化模型，識(shí)別了影響不同SOC庫分解動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素及其調(diào)控機(jī)制（圖1）。
圖1土壤-氣候因子對(duì)不同SOC庫潛在分解速率的相對(duì)重要性
結(jié)果顯示，土壤質(zhì)地對(duì)快速SOC庫潛在分解速率（M3-k1ref）影響最為顯著，而土壤pH值是調(diào)節(jié)穩(wěn)定SOC庫（M3-k3ref）潛在分解速率的最關(guān)鍵因子。最后，該團(tuán)隊(duì)基于最優(yōu)模型和各土壤-氣候因子的全球尺度數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)了SOC分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的全球分布，并提供了1km分辨率的預(yù)測(cè)結(jié)果及其不確定性的數(shù)據(jù)集，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其存在顯著的空間異質(zhì)性，其中濱海地區(qū)的快速庫有較快的潛在分解速率，高原和沙漠地區(qū)的快速庫潛在分解速率較慢，而沙漠地區(qū)的穩(wěn)定庫潛在分解速率較快；SOM庫的相對(duì)大小預(yù)測(cè)結(jié)果顯示穩(wěn)定庫占比最大（平均值66.9%），而快速庫僅占3%（圖2）。
圖2潛在分解速率的全球分布與緯度變化格局（b、d、f中陰影表示90%置信區(qū)間）
該研究揭示了對(duì)pH值更為敏感的細(xì)菌分解者對(duì)穩(wěn)定SOC庫潛在分解速率的影響可能比此前認(rèn)為的更大，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法首次預(yù)測(cè)了土壤碳分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的全球分布，該數(shù)據(jù)集可以直接應(yīng)用于地球系統(tǒng)模式中生物地球化學(xué)循環(huán)過程的參數(shù)化，對(duì)全球尺度碳循環(huán)模擬和預(yù)測(cè)具有重要的參考和指導(dǎo)意義。
該工作得到海外青年人才項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37900-3.
（編輯：黃曉羽 審核：蔡瑞）
