礫石是指粒徑大于2mm的礦物顆粒，其廣泛分布在全球土壤中。以往的研究中，礫石分布特征對(duì)土壤水文過(guò)程和土壤理化性質(zhì)的影響機(jī)制受到了一定的關(guān)注。但當(dāng)前研究尚不清楚礫石如何作用于土壤碳氮輸移循環(huán)，從而影響水環(huán)境與溫室氣體排放。 

　　基于以上科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所朱青研究員團(tuán)隊(duì)，通過(guò)收集和測(cè)定的全球和流域尺度的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合模型情景模擬等手段，探索了全球礫石的空間分布規(guī)律，提出了礫石對(duì)土壤碳氮循環(huán)過(guò)程的影響機(jī)制，并揭示了土壤碳氮排放通量對(duì)礫石分布的響應(yīng)規(guī)律。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Geoderma和Catena等期刊上，文章第一作者為賴曉明助理研究員。 

　　通過(guò)全球尺度研究發(fā)現(xiàn)，氣候（氣溫和降雨等）和地形（高程等）通過(guò)影響土壤成土和重分布過(guò)程，影響全球尺度上土壤礫石的空間分布。基于全球尺度表層土壤礫石含量與氣溫、降雨及高程的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：（1）多年平均氣溫< 20℃，礫石含量隨溫度升高而減少，這是由于溫度升高促進(jìn)了母巖風(fēng)化成土；而氣溫>20℃時(shí)，在高溫干旱環(huán)境下，礫石風(fēng)化成土速率受到抑制。（2）礫石含量隨降雨增加而減少，這是因?yàn)闈駶?rùn)的環(huán)境促進(jìn)母巖的物理、生物和化學(xué)風(fēng)化成土。（3）礫石含量隨高程降低而減少，這是由于低海拔下高溫和濕潤(rùn)環(huán)境更有利于母巖的風(fēng)化成土。 

圖1. 全球表層土壤礫石含量與多年平均氣溫、多年平均降雨和高程的關(guān)系 

　　通過(guò)文獻(xiàn)綜述，發(fā)現(xiàn)礫石的存在影響土壤理化性質(zhì)，進(jìn)一步引起土壤碳氮庫(kù)、土壤水文、土壤熱傳導(dǎo)、植被生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)等的變化，從而改變土壤碳氮輸移循環(huán)。礫石對(duì)土壤理化性質(zhì)影響主要通過(guò)以下三個(gè)途徑：（1）礫石具有跟土壤基質(zhì)組分不同的理化性質(zhì)（孔隙度、密度、導(dǎo)熱等）；（2）礫石的存在產(chǎn)生礫石-礫石界面和礫石-基質(zhì)界面的孔隙；（3）礫石的存在會(huì)引起土壤基質(zhì)理化性質(zhì)的改變。研究指出了目前針對(duì)礫石的研究在采樣、監(jiān)測(cè)、制圖和模擬等方面的不足，提出了未來(lái)可能的解決方案。 

圖2. 從地球關(guān)鍵帶視角到全球尺度揭示礫石在土壤碳氮循環(huán)過(guò)程中扮演的角色 

　　通過(guò)模型情景模擬，揭示了土壤碳氮循環(huán)過(guò)程對(duì)礫石的響應(yīng)規(guī)律。研究基于野外數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化了礫石對(duì)土壤碳氮庫(kù)和水力參數(shù)的影響機(jī)制，構(gòu)建了多組礫石影響下的參數(shù)情景，并通過(guò)DNDC和DayCent兩種在模型結(jié)構(gòu)存在差異的生物地球化學(xué)模型模擬了不同礫石含量下土壤CO₂和N₂O排放及N淋失通量。結(jié)果表明：（1）在綜合考慮礫石影響土壤碳氮庫(kù)和水力參數(shù)下，DNDC模型和DayCent模型均得出土壤CO₂和N₂O排放及N淋失通量隨礫石增加出現(xiàn)先增后減的規(guī)律；（2）礫石對(duì)土壤碳氮庫(kù)的影響主導(dǎo)著土壤CO₂排放通量的變化；然而，礫石對(duì)土壤碳氮庫(kù)的影響和對(duì)土壤水力性質(zhì)的影響，在土壤N₂O排放和N淋失中的貢獻(xiàn)率相當(dāng)。 

圖3. 土壤CO₂和N₂O排放及N淋失通量的相對(duì)增長(zhǎng)率隨礫石含量的變化 

　　論文鏈接： 

　　礫石的全球分布機(jī)制 

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S034181622100610X 

　　礫石影響土壤碳氮循環(huán)過(guò)程機(jī)制綜述 

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706121006108 

　　土壤碳氮循環(huán)通量對(duì)礫石的響應(yīng)規(guī)律 

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816221002289