土壤中储存的碳是地球碳循环的重要组成部分。
全球土壤中储存着大量碳，因此，了解并量化土壤可能释放的碳至关重要。
全球土壤是地球陆地表面最大的活跃碳库，其储碳量至少是森林和植物的三倍。
根据最新的《全球碳预算》，再向大气排放1200亿吨碳，很可能就足以使全球变暖超过1.5°C的限值。与全球土壤中估计储存的估计2万亿至4万亿吨碳相比，这只是一个很小的数字。
如此庞大的碳库意味着，如果气候变化导致其中哪怕只有一小部分碳释放到大气中，也可能产生显著的正向气候反馈，引发进一步变暖。
全球气候模型使科学家能够预测地球变暖时土壤碳未来可能发生的变化。然而，影响土壤碳吸收和流失的因素众多，情况十分复杂。
在一项发表于《生物地球科学》的新研究中，我们检验了最新模型重现当下观测情况的能力。这让我们得以了解模型的未来预测有多可信，并指出模型可以改进之处。
我们的研究发现，模型在模拟土壤吸收多少碳方面有所进步，但在再现土壤微生物分解碳并将其释放到大气中所造成的碳损失方面，仍有待改进。
未来模型的进一步进步至关重要，这将有助于准确预测土壤碳会受到变暖怎样的影响，以及它将助力还是阻碍全球减排努力。
气候变化下的土壤碳
土壤中储存的碳是地球碳循环的重要组成部分；碳循环是碳在大气、陆地和海洋之间的自然循环。
碳循环对判定未来气候变化十分重要，因为它会受到大气二氧化碳浓度上升及其引发的变暖影响。
如果没有气候变化，土壤吸收的碳通常会与碳损失保持长期平衡，使土壤中储存的碳总量保持稳定。
从全球尺度看，土壤碳的波动幅度很大，约为当前人类每年造成的二氧化碳排放量的五倍。随着气候变暖，这种波动也预计会加剧，因此，厘清其对未来土壤碳的总体影响是一项重大挑战。
土壤碳的主要输入来源是植被“凋落物”：枯叶和碎屑最终以碳的形式进入土壤。大气二氧化碳浓度上升时，植物和树木往往会更“高产”，因为光合作用可利用的二氧化碳更多。这会使陆地表面从大气中吸收更多碳，并可能使更多碳进入土壤。
然而，还必须考虑其他会抵消这一作用的因素。其中之一是，全球变暖导致气温升高，使土壤微生物分解碳的速度加快。这会使更多碳从土壤释放到大气中，减少土壤储碳量。一个典型例子是冻结的永久冻土，它对气候变化尤其敏感，并对未来气候变化构成重大威胁。
这些会影响大气中二氧化碳含量的碳循环变化称为碳循环反馈，它们可能加速或减缓气候变化。因此，土壤碳的未来变化对量化未来变暖程度有重大影响。
建模
为预测土壤碳的未来变化，气候科学家使用地球系统模型（ESM）。这类气候模型能够模拟气候和碳循环过程，是预测未来气候变化的最佳工具。
地球系统模型模拟碳循环及相关反馈；然而，对土壤碳及相关过程进行建模面临诸多挑战。
气候变化预计会使植物凋落物带来的碳输入增加，也会使微生物分解造成的碳输出增加。然而，这些因素对土壤碳变化的作用相互抵消。土壤碳建模的主要难点在于，我们不知道全球变暖会使碳输入和输出分别变化多少，而二者之间的平衡对预测气候的净效应至关重要。
要了解未来土壤碳变化，还有一个复杂之处：世界各地的土壤差异显著，这会影响碳在土壤中的储存方式。
例如，我们把某些碳称为“慢速土壤碳库”，这意味着土壤可能具有更能抵抗分解的性质；这种情况在较寒冷的北半球高纬度地区更为常见。同样，也有“快速土壤碳库”，其中碳在土壤中的存留时间较短，会迅速分解并回到大气中；这种情况在较温暖的热带地区更为常见。
不同类型碳库之间的平衡对全球土壤碳的变化规律有重要影响，而了解这种平衡将如何随时间变化，是土壤碳变化建模面临的一项重大挑战。
最新模型
我们的新研究评估了第六轮、也是最新一轮耦合模式比较计划（CMIP6）中最新一代地球系统模型对土壤碳的模拟情况。我们将研究结果与观测数据集以及上一代模型（CMIP5）进行比较。
耦合模式比较计划是一项全球协调的气候建模工作，为政府间气候变化专门委员会（IPCC）的评估工作提供依据。世界各地的多个建模中心开发了众多地球系统模型，并持续更新和改进。耦合模式比较计划制定一致的气候变化试验，以便比较各个地球系统模型以及不同代际的模型。
在研究中，我们比较了CMIP6和CMIP5的模型输出数据，以及来自现实世界的观测数据，例如卫星反演估算值。由此，我们可以看出相较于CMIP5，CMIP6取得了哪些改进，以及土壤碳建模仍存在哪些局限。
我们考察了全球土壤碳及影响碳吸收和流失的因素。对于碳吸收，我们重点关注陆地植被生产力带来的“地上”输入；对于碳流失，我们重点关注“地下”输出，研究碳在土壤中存留多久，之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进。这主要归功于CMIP6模型纳入了营养物质对植物生长的限制。植物进行光合作用需要二氧化碳、光和水，也需要充足的氮、磷等营养物质。因此，如果未来这些条件中任何一项受到限制，二氧化碳浓度升高所能带来的生产力和土壤碳输入增幅就会受限。
然而，对地下过程的模拟并未呈现同样一致的改进。如下方地图所示，与观测结果（下图）相比，CMIP6模型（上图）普遍低估了北半球高纬度地区的土壤碳。地图中，绿色阴影越深，表示土壤碳含量越高。
全球各地的土壤碳差异显著，土壤类型和储存的碳量都不尽相同。例如，在地球气温较高的热带地区，土壤碳储量往往较少。相比之下，在地球气温较低的北半球高纬度地区，土壤碳储量往往较大。
然而，多数CMIP6气候模型未能再现北半球高纬度地区的土壤碳状况。
关注地下过程
我们的研究结果表明，土壤碳建模中许多尚未解决的不确定性，都与地下过程的模拟有关。
这表明，下一代地球系统模型（用于CMIP7）需要更加重视改进对这些过程的模拟。
改进模型有助于降低气候变化下全球土壤碳释放预测的不确定性，并提高我们对与不同全球变暖程度相关的碳预算的信心。
全球土壤中储存着大量碳，因此，要实现《巴黎协定》规定的温度限制，了解并量化土壤可能释放的碳至关重要。
