随着城市面积扩张和城市绿化率提升，全球城市绿地面积持续增长。表层土壤通常有较高的有机碳含量，在植物养分供给与生态系统服务支持方面起到关键作用。然而，有关全球城市绿地表层土壤有机碳的空间格局及其储量尚缺乏定量认识。地理科学学部自然资源学院生物地理与资源生态研究中心杜恩在教授团队与合作者构建了全球城市绿地表层土壤（0–20cm）有机碳数据库（SOC-U），揭示了城市绿地表层土壤有机碳密度空间格局及其关键影响因素，完成了全球城市绿地表层土壤有机碳密度制图，估算了城市、国家和全球尺度上城市绿地表层土壤有机碳储量，相关研究结果于1月27日发表在自然-通讯（Nature Communications）。
该研究基于实测数据分析发现，城市绿地表层土壤有机碳密度随着纬度增加而显著增加，其纬度格局与自然土壤类似。在全球尺度上，城市绿地表层土壤有机碳密度的空间格局主要受年均温、温度季节性、降水季节性和城市绿度指数等因素的影响（图1）。城市绿地表层土壤有机碳密度随年均温升高、温度季节性和降水季节性增强以及城市绿度指数降低而显著降低。然而，年降水量、城市绿地类型、人为因素（如热岛效应、人均GDP和人口密度）和海拔等因素对全球尺度绿地表层土壤有机碳空间分布的影响较为有限（图1）。
图1. 全球城市绿地表层土壤有机碳密度影响因素相对重要性（a. 基于线性模型；b.基于随机森林模型）
该研究基于随机森林模型，完成了当前全球城市绿地表层土壤（0–20cm）有机碳密度制图（图2a）。结果表明，全球城市绿地表层土壤有机碳密度均值为55.2 (51.9–58.6) Mg C ha−1，低于北方针叶林（93 Mg C ha−1），但高于热带/亚热带森林（38 Mg C ha−1）、 温带森林（48 Mg C ha−1）以及草地和灌丛（26 Mg C ha−1）。总体而言，全球城市绿地表层土壤有机碳密度比同层自然土壤有机碳密度均值（43 Mg C ha−1）高出28 % 。城市绿地表层土壤有机碳密度均值排名前十位的国家均为较高纬度的欧洲发达国家（图2b）。与此相比，发展中国家有较大面积的新增城市绿地，虽然目前土壤有机碳密度较低，但在未来有可观的增长潜力。
图2. 全球主要城市绿地表层土壤有机碳密度（SOCD）的空间分布（a）及国家间比较（b）
该研究通过估算发现，全球城市绿地表层土壤（0–20cm）有机碳总储量为1.46（1.37–1.54）Pg C，约占全球陆地表层土壤有机碳储量的2.7‰。城市绿地表层土壤有机碳储量在不同国家之间表现出较大差异（图3）。其中，美国城市绿地表层土壤有机碳储量为0.37 Pg C，约占全球总量的1/4。中国和印度城市绿地总面积超过了美国（6.4 vs 5.7 万km2），但中国（0.15 Pg C）和印度（0.12 Pg C）城市绿地表层土壤有机碳总储量（0.27 Pg C）在全球总量中占比却低于1/5，这可能与中国和印度较大比例的新增城市绿地有关。在未来城市面积持续扩张和城市绿化率不断增长的背景下，全球城市绿地土壤有机碳储量将进一步增加，该研究为未来城市绿地土壤碳评估提供了基准，也为城市绿地土壤碳管理提供了一定的科学支撑。
图3. 全球主要城市绿地表层土壤有机碳储量（SOCS）的空间分布（a）及国家间比较（b）
该论文以地表过程与资源生态国家重点实验室为第一单位，第一作者为北京师范大学地理科学学部自然资源学院生物地理与资源生态研究中心2020级研究生郭泓伯，通讯作者为杜恩在教授，合作作者包括麻省理工学院助理教授César Terrer和斯坦福大学教授Robert Jackson。该研究受到中央高校基本科研业务费专项资金（2233200006）、地表过程与资源生态国家重点实验室项目自主研究课题（2021-TS-02 ）和霍英东青年教师基金（161015）资助。
杜恩在教授长期从事关键元素循环的地理格局与生态环境效应相关教学与研究工作，基于野外实验、样带调查和数据整合等手段，在大气元素沉降的时空变化与生态环境影响、陆地植被氮磷限制格局及其机制、城市森林生物地球化学循环特征、气候变暖背景下北方针叶林动态响应等方面取得了系列研究进展。相关研究结果发表在Nature Geoscience、Nature Communications、PNAS、Global Change Biology等学术期刊，部分成果入选中国百篇最具影响国际学术论文和入编国际著名植物生理生态学教科书，出版《Atmospheric Nitrogen Deposition to Global Forests》（Academic Press）和《Atmospheric Reactive Nitrogen in China》（Springer）英文专著2部及著作章节多篇，对相关研究领域研究工作起到了积极推动作用。
论文链接：
Guo, H., Du, E., Terrer, C., Jackson, R. B. 2024. Global distribution of surface soil organic carbon in urban greenspaces. Nature Communications, 15: 806. https://www.nature.com/articles/s41467-024-44887-y