GCB | 基于36年5个生态系统观测数据发现表层土壤深度提高生态系统的生产力和稳定性

陆地生态系统生产力对全球粮食安全和促进碳固存至关重要，但生产力受到气候变化以及火灾、干旱、洪水、霜冻频率增加和生物多样性减少的压力。了解控制生态系统初级生产力变异的不同因素和机制，为维持生态系统初级生产力和增强生态系统恢复力提供了科学依据。土壤是陆地碳、养分和生物群的主要储存库，是植物生长和全球生态系统繁荣的核心栖息地。肥沃的土壤不仅能提高作物产量，还能增强对气候变化的适应能力。大多数研究集中在生物方面或在农田中进行。然而，土壤性质和机制对所有陆地生态系统都很重要。

该研究团队利用36年间(1986-2021年)美国5个生态系统(农田、森林、草地、牧场、灌丛)的全国范围内的表层土壤深度观测数据(n = 2401)和总初级生产力(GPP)的多尺度数据集，研究表层土壤深度对生态系统生产力的控制作用。目标是解决以下问题:(1)表土深度与GPP的关系在不同的生态系统中是否一致(例如，自然生态系统与管理生态系统)?(2)这种关系是否受到不同气候条件的影响?(3)与其他环境控制因素相比，这种关系对GPP的影响有多强?(4)表层土壤深度对生态系统生产力对气候变化的敏感性有多大影响?

研究发现：表层土壤深度与GPP之间的关系主要与水分有效性有关，这在干旱地区的草地、灌丛和农田下尤为显著(r 分别为0.37、0.32、0.15,p＜ 0.0001)。在干旱区，表层土壤深度每增加10 cm, GPP增加114 ~ 128 g C m−2每年。在保持其他变量(气候、植被、母质、土壤类型)不变的情况下，表土深度对GPP的正向控制主要发生在农田(0.73，置信区间为0.57 ~ 0.84)和灌木地(0.75，置信区间为0.40 ~ 0.94)。深层表层土与浅层表层土的GPP差异较小，无统计学差异。表层土壤深度对干旱区生产力有正向控制作用，但其贡献(系数:0.09 ~ 0.33)与热(系数:0.06 ~ 0.39)相似，低于水(系数:0.07 ~ 0.87)。不同生态系统和气候区的生态系统生产力对极端气候的适应能力存在差异。表层土壤深度增加了极端气候条件下大多数生态系统的稳定性，降低了GPP的变异性，特别是在灌丛和草地中。干旱区表土的保持、土壤深度表征和水分保持机制的改善对气候变化下的固碳生态系统服务至关重要。这些发现和关系也应该包括在地球系统模型中。