院士团队PNAS | 喜忧参半！一项40年“重采样”研究发现：中国农田表土在固碳，深土在失碳

过去40年中国农田土壤碳含量表层土壤在增加，而深层土壤碳在减少

徐明岗院士团队等在PNAS（综合领域顶级期刊, IF = 10）发表了题为Carbon gain in upper but loss in deeper cropland soils acrossChina over the last four decades的全国范围研究文章. 在过去几十年里，我们引以为豪的农业进步（如化肥、灌溉、高产品种）到底让我们的农田土壤碳库增加了还是减少了？ 一篇发表在《PNAS》上的最新研究，通过一项艰苦卓绝的、跨越43年（1980-2023）的全国性“重采样”调查，给出了一个喜忧参半的答案：总账是“盈余”的，但这个盈余掩盖了一个令人不安的“垂直分异”——表层土壤在固碳，而深层土壤在失碳。

土壤固碳（SOC）是实现“碳中和”的关键自然解决方案之一，尤其是农田。像“千分之四”倡议，其核心就是在农田表层（0-20或0-30厘米）增加碳储存。过去的研究（包括我们之前解读过的）已经证实，得益于农业管理进步（如化肥、灌溉、产量提高带来的更多根系和秸秆还田），中国农田的表层土壤（0-20 cm）确实在大量积累碳。“黑箱”——深层土壤：但是，地表一米深的整个剖面呢？我们对60厘米乃至100厘米深的土壤碳（即“深土”）在过去40年发生了什么，几乎一无所知。而这些深层碳更稳定，对长期气候反馈至关重要。

科学问题

40年间，中国农田的“碳家底”到底变了多少？

图1 中国旱地农田205个重采样点的空间分布

要回答这个问题，不能只靠模型模拟，必须有“实测”证据。但最大的困难在于，你怎么知道40年前的碳含量？因此，这项研究的核心科学问题是：如果我们重新回到40年前（1980年代“第二次全国土壤普查”）的同一个采样点，用同一种方法，挖同样深度的土壤剖面（0-100厘米），中国 upland（旱地）农田的碳储量到底发生了怎样的变化？

基线数据：他们利用了中国在1980年代进行的“第二次全国土壤普查”的1023个土壤剖面数据作为“1980年的账本”。精准重采：在2023年，研究团队克服了城市化和土地利用变化的巨大障碍，成功地在205个与1980年完全相同的地点（site by site）进行了重新采样。分层对比：他们严格按照0-20, 20-40, 40-60, 60-100厘米的深度，对这40年间的SOC储量变化进行了“逐层”对比。归因分析：他们使用模型分析了这些变化的主导驱动因子（如1980年的初始SOC、40年间的气候变化、产量变化、施肥变化等）。

图4 中国耕地土壤有机碳储量的变化（A）和以往研究（B）。误差线为100次自举法得到的5%和95%分位数。

发现一：算总账（0-100cm）—— 净固碳0.74 PgC（图4A）从1980年到2023年，中国旱地农田在1米深的土壤剖面中，总体上是一个净碳汇。总共净积累了 0.74 PgC（增加了7%）。平均固碳速率为 13.7 g SOC m⁻² yr⁻¹。这个结果证实了中国农业管理进步对固碳的巨大贡献。

发现二：“上增下减”的惊人分异（图3, 图4A）然而，这个“总盈利”掩盖了令人不安的垂直分异：表层和中层（0-60cm）：显著的碳增加。

0-20 cm：净增 0.66 PgC

20-40 cm：净增 0.16 PgC

40-60 cm：净增 0.04 PgC

总计：0-60厘米土层共净增 0.86 PgC。

深层（60-100cm）：显著的碳流失。

60-100 cm：净流失 0.12 PgC。

过去40年的净固碳（0.74 PgC），实际上是上层（0-60cm）固碳（0.86 PgC）和深层（60-100cm）失碳（-0.12 PgC）相互抵消后的结果。

发现三：驱动机制——“C输入”驱动上层，“升温”驱动下层（图2）为什么会发生这种分异？归因分析揭示了不同的主控因子：上层土壤（0-60cm）：SOC的变化主要由“农业管理”驱动。NPP（净初级生产力，代表更多生物量）和秸秆还田（Straw）是促进固碳的最重要因素。这证实了农业进步（更高的产量=更多的碳输入）是表层固碳的主因。深层土壤（60-100cm）：情况完全不同。NPP和秸秆还田的影响力几乎消失。相反，气候变暖（ΔMAT，过去40年的MAT变化）的负面影响开始凸显，成为驱动碳损失的关键因子。

图2 影响土壤深度 0 至 20 厘米 (A)、20 至 40 厘米 (B)、40 至 60 厘米 (C) 和 60 至 100 厘米 (D) 土壤有机碳储量变化的因素。

为什么深土在“失血”？】研究者给出了四大潜在机制：

升温的直接效应：全球变暖（尤其是高纬度地区）正在加热深层土壤。

深土对升温更敏感：深层土壤中的有机质更难分解，因此对温度升高的“敏感性”反而高于表层土壤。

犁底层阻隔：长期耕作形成的“犁底层”（plow hardpan）阻碍了秸秆等新碳向深层土壤的运输。

根系变浅：灌溉的普及和降雨的增加，可能导致作物不再需要扎深根系来找水，使得向深层土壤的碳输入减少。

这项研究的突出贡献在于，它用最扎实的“重采样”数据（而不是模型模拟），第一次揭示了全国尺度上“深层土壤失碳”的严峻现实。

这项研究是对全球“4 per mille”等“表层土壤固碳”倡议的重大提醒。我们不能只盯着表层土壤的“盈利”，而忽视深层土壤的“亏损”。真实的净碳汇必须进行全剖面核算。我们的固碳策略必须“下沉”。我们不能只满足于表层固碳，而必须开发新的技术（如深翻、深根作物品种），主动将碳输送到深层土壤，以对冲气候变暖带来的深层碳损失。

引用方式

Zhou, Zhenghu, et al. 'Carbon gain in upper but loss in deeper cropland soils across China over the last four decades.' Proceedings of the National Academy of Sciences 122.1 (2025): e2422371122. https://www./doi/abs/10.1073/pnas.2422371122