测试最新的气候模型如何模拟全球土壤碳

世界上的土壤是地球表面最大的活跃碳库——至少在计时中是这样三倍以上比起森林和植物。

根据最新的全球碳预算在美国，再向大气中排放1200亿吨碳，可能足以将全球变暖推高至1.5摄氏度的上限。这是一个很小的数字估计全球土壤中储存的碳为2万亿至4万亿吨。

如此大量的碳储存的后果是，即使由于气候变化而释放到大气中的一小部分，也可能产生显著的积极影响气候反馈导致了更多的变暖。

全球气候模型使科学家能够预测未来随着地球变暖土壤碳的变化。然而，由于影响土壤碳的增加和减少的因素很多，这是一幅复杂的图景。

在一项新的研究中，发表在Biogeosciences，我们测试最新模型复制我们今天所看到的情况的能力。这让我们了解了我们可以在多大程度上相信他们对未来的预测，并强调了模型可以改进的地方。

我们的研究结果表明，模型在模拟进入土壤的碳量方面越来越好，但在模拟土壤中的微生物分解碳并将其释放到大气中时损失的碳量方面仍需改进。

未来模拟的进一步进展对于成功预测土壤碳将如何受到变暖的影响，以及它是否有助于或阻碍全球减少碳排放的努力至关重要。

土壤中储存的碳构成了地球碳循环的关键部分——大气、陆地和海洋之间的碳自然循环。

碳循环在决定未来气候变化方面很重要，因为它对大气中二氧化碳浓度的增加及其引起的变暖很敏感。

在没有气候变化的情况下，土壤对碳的吸收通常会与碳的损失长期保持平衡，从而保持土壤中碳的总储存量稳定。

在全球范围内，土壤碳的波动是巨大的-大约五倍大比目前每年人为排放的二氧化碳还要多。他们也是预计增加随着气候变暖，计算出对未来土壤碳的整体影响是一个重大挑战。

碳进入土壤的主要输入是来自植被的“凋落物”，其中枯叶和碎片最终成为土壤中的碳。在大气中二氧化碳含量增加的情况下，植物和树木往往更容易受到污染。富有成效的“因为有更多的二氧化碳可用于光合作用。这导致陆地表面从大气中吸收更多的碳，并可能导致更多的碳被添加到土壤中。

然而，抵消这种影响的其他因素也必须加以考虑。一是全球变暖导致的温度升高使得土壤中的微生物分解碳的速度更快．这会导致更多的碳从土壤中释放到大气中，减少碳的储存。一个很好的例子就是冷冻永冻层土壤众所周知，该地区对气候变化特别敏感，并对未来的气候变化构成巨大威胁。

这些影响大气中二氧化碳含量的碳循环变化被称为碳循环反馈这既可以加速也可以减缓气候变化。因此，土壤碳的未来命运在量化未来变暖方面起着很大的作用。

为了预测土壤碳的未来命运，气候科学家使用地球系统模型(esm)。这些气候模式可以模拟气候和碳循环过程，是预测未来气候变化的最佳工具。

esm模拟碳循环和相关反馈;然而，土壤碳及其相关过程的建模提出了许多挑战。

在气候变化下，来自植物凋落物的碳输入和来自微生物分解的碳输出预计都将增加。但这些因子对土壤碳的变化具有抵消作用。土壤碳模型的主要问题是，我们不知道在全球变暖的情况下，流入和流出的碳会发生多少变化，而它们之间的平衡对于预测对气候的净影响至关重要。

了解未来土壤碳变化的另一个复杂问题是，世界各地的土壤差异很大，这影响了碳的储存方式。

例如，我们将一些碳称为“慢土壤碳库”，这意味着土壤可能具有使其更不易分解的特性，这在北半球高纬度地区更常见。同样，我们有“快速土壤碳库”，碳在土壤中的寿命很短，很快就分解回大气中，这在温暖的热带地区更常见。

这些类型的碳库之间的平衡在全球土壤碳的行为中具有重要作用，在模拟土壤碳变化时，了解这种平衡将如何随时间变化是一个重大挑战。

我们的新研究评估了在耦合模型相互比较项目的第六次(也是最新的一次)迭代中最新一代esm中土壤碳的建模方式(CMIP6)．我们将我们的发现与观测数据集以及上一代模型(CMIP5)进行了比较。

CMIP是一项全球协调的气候模拟工作政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估过程。世界各地不同的建模中心已经开发了许多esm，并不断更新和改进。CMIP定义了一致的气候变化实验，以允许在每个esm之间和不同代之间进行比较。

在我们的研究中，我们比较了来自CMIP6和CMIP5的模式输出数据和来自现实世界的观测数据，例如卫星估算。由此，我们可以看到CMIP6相对于CMIP5在哪些方面有所改进，以及在土壤碳建模方面存在哪些局限性。

我们考虑了全球土壤碳以及影响碳吸收和损失的因素。对于吸收，我们重点关注来自陆地植被生产力的“地上”输入。对于损失，我们专注于“地下”产量，研究碳在土壤中存活的时间，然后被微生物分解并释放回大气。

与CMIP5相比，我们发现CMIP6模型对地上过程的模拟有所改善。这在很大程度上是由于CMIP6模型中包含了对植物生长的营养限制。植物进行光合作用需要二氧化碳、光和水，但也需要足够的氮和磷等营养物质。因此，如果这些要求中的任何一项在未来受到限制，随着二氧化碳的增加，它将限制生产力的潜在增长和土壤中的碳输入。

然而，在地下过程的模拟中没有看到同样一致的改进。如下图所示，与观测结果(下)相比，CMIP6模型(上)对高纬度地区土壤碳的普遍低估，主要体现了这一点。在地图中，深绿色阴影部分表示土壤碳含量较高。

土壤碳在全球范围内变化显著在土壤类型和储存的碳量方面。例如，在地球温度较高的热带地区，土壤碳储量往往较小。相比之下，那里往往更大土壤碳储量在地球上温度低得多的北纬高纬度地区。

然而，这种北半球高纬度土壤碳在大多数CMIP6气候模式中没有再现。

我们的研究结果表明，土壤碳建模中剩余的大部分不确定性与地下过程的模拟有关。

这表明需要在CMIP7的下一代esm中更加注重改进这些过程的模拟。

这些改进将有助于减少气候变化下全球土壤碳排放预测的不确定性，并增加对全球土壤碳排放预测的信心碳预算与不同程度的全球变暖有关。

由于全球土壤中储存了大量的碳，了解和量化土壤中潜在的碳释放是至关重要的巴黎协定必须满足温度限制。