文献信息：

原名：Decadal extreme drought reduces alpine subsoil carbon stocks. 

译名：十年极端干旱降低高寒草地亚表层土壤碳储量

期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）

IF：9.5

发表日期：2026年2月20日

第一作者：周荣磊 中国科学院地理科学与资源研究所（汪金松、牛书丽研究团队）。

背景:

土壤有机碳 (SOC) 是陆地生态系统最大的活跃碳库，在调节全球碳循环、缓解气候变化方面发挥着重要作用。全球草地覆盖约40%的陆地面积，储存了超过30%的陆地碳，其中相当大比例以土壤有机碳的形式存在。在全球变化背景下，极端干旱事件的频率和强度显著增加，对土壤碳库产生重要影响。然而，以往研究主要关注干旱对表层土壤有机碳的短期影响，学术界尚不清楚长期极端干旱对土壤剖面有机碳库的整体影响及其驱动机制。该研究基于SOC粒径分组、微生物¹⁸O同位素标记 (H₂¹⁸O)、矿物分析等方法，系统评估了轻度、中度和极端干旱对土壤剖面 (0-60cm) 有机碳库的影响及其机制。因此，本研究通过长期降水控制实验，分析不同强度干旱对高寒草地不同土层土壤有机碳及其组分的影响，并探讨植物碳输入、微生物过程和矿物保护机制在土壤碳变化中的作用。

科学问题：

1、长期极端干旱是否会导致深层土壤有机碳（SOC）的流失？

2、不同土壤有机碳组分（POC 与 MAOC）对干旱的响应是否存在差异？

3、深层土壤碳损失背后的驱动机制是什么？

材料与方法：

(1) 研究地点位于中国四川省红原县青藏高原东部高寒草地；自2014年起开展，持续观测10年。（东经 101°51′–103°23′ E，北纬 31°50′–33°22′ N），海拔约3500米。

(2) 实验设置：设置2 m × 3 m的样方，将土壤0–60 cm 垂直剖面，细分为 6 个土层。涵盖 5/4P（增水处理）、P（对照）、3/4P（轻度干旱）、1/2P（中度干旱）、1/4P （重度干旱）及 1/12P（极端干旱）。本研究聚焦于对比 P、1/2P、1/4P 和 1/12P（图1）。

(3) 关键指标测定： SOC 储量、POC（颗粒有机碳）与MAOC（矿物结合有机碳）； 生物量（MBC/MBN）、残体碳、碳利用效率（CUE）及群落结构；铁结合有机碳（OC-Fe）、可提取铁铝氧化物、pH；地上/地下净初级生产力（ANPP/BNPP）、根系分布及木质素酚。

图1 实验样地图及干旱对不同深度土壤有机碳影响的结果图

结果：

(1) 轻度和中度干旱并未显著改变土壤有机碳储量^（图1）；只有持续十年的极端干旱（1/12 P）才导致了显著的土壤碳损失；而且，这种碳损失并未发生在表层和更深层土壤，而是集中在20–40厘米的亚表层土壤中^（图1）。

(2) 极端干旱下，MAOC是SOC损失的唯一贡献组分（表层-0.43、亚表层-0.65 kg C·m⁻²），其主导作用随深度递增（占比41%→68%；R² 0.71→0.85），表明碳损失存在组分特异性与非线性阈值——仅当干旱突破临界强度时，亚表层MAOC库才发生显著损失^（图2）。

图2 POC和MAOC对干旱梯度的响应

(3) 随着干旱强度增加，地上净初级生产力下降，而地下净初级生产力增加，说明植物通过增加地下碳分配进行补偿适应，但亚表层植物碳输入总体变化不明显，因此植物输入并不是亚表层碳损失的主要原因^（图3）。

图3 干旱梯度中植物净初级生产力和植物碳输入的差异

(4) 极端干旱降低了微生物生物量、微生物残体碳以及微生物碳利用效率，从而减少了微生物残体的产生，限制了矿物结合有机碳的形成，碳损失与微生物–矿物–土壤相互作用的破坏密切相关。微生物功能衰退+矿物保护削弱+土壤环境恶化共同限制了MAOC形成与稳定（^图4）。

图4 土壤微生物、矿物和理化性质对不同土层干旱梯度的响应

(5) 极端干旱是打破高寒草甸 SOC 韧性的关键阈值，仅作用于亚表层土壤；亚表层碳流失由 MAOC 减少驱动，与植物碳输入无关；SOC 对干旱的响应具有显著土层特异性，其效应由植物适应策略、土壤理化、微生物功能及矿物保护共同决定（^图5）。

图5 SOC储量对长期极端干旱的深度依赖响应示意图

结论：

（1）在极端干旱条件下，亚表层（20-40 cm）发生的显著碳流失，主要是由矿物结合有机碳（MAOC）的大幅减少所引起的，而并非由植物残体组成的颗粒有机碳（POC）所驱动。

（2）极端干旱显著降低了亚表层土壤的氮素可用性与水分，造成了非生物环境的剧烈恶化。

（3）极端干旱导致亚表层微生物生物量和碳利用效率（CUE）显著下降，严重抑制了微生物功能，限制 MAOC 微生物前体物的积累。并减少了亚表层土壤中的矿物结合剂（如铁结合态有机碳），直接破坏了矿物对有机碳的吸附与稳定作用。

（4）长期极端干旱系统性地瓦解了“土壤-微生物-矿物”三者之间的相互作用，集体破坏了 MAOC 的形成与持久稳定，导致深层碳库变得极度脆弱。地球系统模型（ESMs）必须纳入亚表层土壤的垂直动态过程，才能准确预测未来干旱情景下的“土壤碳-气候”反馈效应。