根系分布、降水和土壤结构三者共同影响土壤有机碳深度分布

Fig. 1. 利用土壤有机碳浓度（ a ）和土壤有机碳储量（ b ）对 PEDS 数据库中的土壤有机碳数据进行了模拟指数衰减，将土壤有机碳深度分布缩小到 500 厘米。显示的数据反映了文本中描述的区域 ; 我们通过计算每增加 1 cm 深度时剖面中总 SOC 的比例来对数据进行缩放，以便比较 2,606 个剖面中变化很大的 SOC 值。    

Fig. 2. 基于 PEDS 数据的土壤有机碳浓度随深度指数衰减的参数估计值 ln(β) 与有效降水（ E _f P ）的关系。（ a ） PEDS 中所选 Mollisol pedons 的地图符合描述 SOC 浓度随深度下降的指数衰减模型。我们使用每个建模 pedon 的 R ² 作为拟合优度度量，并将 0.8 作为统计分析中可供选择的最小阈值。闭合点表示 R ² 大于等于 0.8 的轮廓，开放三角形表示 R ² 小于 0.8 的轮廓。 E _f P 的空间表征基于 PRISM （ 2021 ）的降水数据和 Trabucco 和 Zomer （ 2018 ）的蒸散数据。（ b 和 c ）来自模型的参数 β 适合美国中西部的概况，因为它分别随农业和原生草原站点的有效降水而变化。（ b ）和（ c ）中的统计量对应于 Spearman 相关， ρ ， p 值和斜率， Δln(β) ，从分位数回归估计，以及分析的 n 个 β 估计值。    

Fig. 3. 基于 PEDS 数据的土壤有机碳储量随深度呈指数衰减的参数估计值 ln(β) 与有效降水的关系。（ a ） PEDS 中选定的黑土剖面图符合描述 SOC 储量随深度下降的指数衰减模型。我们使用每个建模 pedon 的 R ² 作为拟合优度度量，并将 0.8 作为统计分析中可供选择的最小阈值。闭合点表示 R ² 大于等于 0.8 的轮廓，开放三角形表示 R ² 小于 0.8 的轮廓。 E _f P 的空间表征基于 PRISM （ 2021 ）的降水数据和 Trabucco 和 Zomer （ 2018 ）的蒸散数据。（ b 和 c ）来自模型的参数 β 适合美国中西部的概况，因为它分别随农业和原生草原站点的有效降水而变化。（ b ）和（ c ）中的统计量对应于 Spearman 相关， ρ ， p 值和斜率， Δln(β) ，从分位数回归估计，以及分析的 n 个 β 估计值。    

Fig. 4. 从 SOC 浓度深度分布获得的参数 β 的对数转换值与从 PEDS 获得的 SOC 储量的值之间的关系（ a ）。从 PEDS 获得的农业（ b ）和原生草原（ c ）剖面的 SOC 浓度深度分布（ % ）和计算的 SOC 储量（ gC cm ^{? 3} ）的范例比较。（ b ）和（ c ）中，实线表示 SOC 浓度的预测深度分布，虚线表示 SOC 储量的预测深度分布。（ b ）和（ c ）显示每条曲线的估计参数。    

Fig. 5. 对于指数模型拟合并满足拟合优度标准的所有 PEDS 剖面， z _SOC 与 SOC _f 变得不可区分的深度分布。因此， z _SOC 项代表 SOC 变为常数的深度。显示的数据是使用 SOC 浓度（ a ）和 SOC 储量（ b ）计算的估计值。虚线代表每个土地利用的平均 zSOC 。在农业样地中，分别有 839 和 153 个剖面的土壤有机碳浓度和储量 ≥500 cm ；以 SOC 浓度和储量计算，分别有 208 和 30 个剖面的 z _SOC 达到 500 cm 。 y 轴值被截断在这些值以下，以允许以较低的值显示模式。    

Fig. 6. 堪萨斯州有效降水（ EfP ）梯度上 SOC 深度分布函数的估计参数。（ a ）在美国堪萨斯州有效降水梯度上采样的位置。站点缩写表示使用 Giddings 探针（ Giddings Machine 公司，美国）采样的位置。带下划线的位点缩写表示为遗传视野额外采样的位置。完整的站点名称和信息见表 1 。 E _f P 的空间表征基于 PRISM （ 2021 ）的降水数据和 Trabucco 和 Zomer （ 2018 ）的蒸散数据。（ b ）定义 SOC 的对数转换度量随深度减少， β 随有效降水变化。（ c ） SOC 变得恒定的估计深度， zSOC ，因为它随着有效降水的变化而变化。有关有效降水估算的详细信息，请参见文本。 Ag 对应于农业数据的统计。 Np 对应于原生草原数据的统计量。    

Fig. 7. 细根深度分布在堪萨斯州，美国。（ a, b ）的结果是绝对根丰度，表示为含有细根的 1 cm 厚层的分数。绝对根丰度值越大，表明每 1 cm 土层细根的存在越多。（ c, d ）的结果是归一化的根系丰度，表示为每个含有细根的 1 cm 厚土层相对于整个剖面观察到的总根的百分比。归一化根系丰度值越大，表明 1 cm 土层根系相对于总根系的贡献越大。农业系统显示在（ a, c ）中，原生草原系统显示在（ b, d ）中。    

Fig. 8. 粗根深度分布在堪萨斯州，美国。（ a, b ）的结果是绝对根丰度，表示为含有粗根的 1 cm 厚层的分数。绝对根丰度值越大，表明每 1 cm 土层粗根的存在越多。（ c, d ）的结果是归一化的根系丰度，表示为每个含有粗根的 1 cm 厚土层相对于整个剖面观察到的总根的百分比。归一化根系丰度值越大，表明 1 cm 土层粗根相对于总根系的贡献越大。农业系统显示在（ a, c ）中，原生草原系统显示在（ b, d ）中。    

Fig. 9. 美国堪萨斯州 6 个剖面中根丰度标准化的可提取有机碳（ EOC ）。所显示的数据对应于（ a ）农业和（ b ）原生草原系统的概况。（ a ）中的插入图显示了单位总根丰度 EOC 的较短间隔内的数据。（ a ） x 轴内的小断裂代表（ b ） x 轴上的大断裂。    

Fig. 10. 来自 Δ ¹⁴ C 的现代 C 分数，用于在美国堪萨斯州一个有效降水梯度内采样的 6 个土壤剖面。    

Fig. 11. 对堪萨斯州有效降水梯度的 6 个土壤剖面的水稳性团聚体丰度进行 SOC 归一化。（ a ）及（ b ）显示每个层之平均聚集直径。（ c ）及（ d ）显示每层每克 OC 的中等大团聚体大小（直径在 0.21 至 4.75 毫米之间）所占的比例。误差条表示实验室重复实验的标准偏差。

我们的工作调查了生态系统特征，如有效降水和土地利用转换，在多大程度上影响了美国中西部跨气候梯度的有机碳深度分布。 我们发现，原生草原土壤有机碳的垂直分布在水分增加的表层和深层更耦合。一旦草地转为农业，这一趋势就会动摇。与我们的假设一致，我们的研究表明，这种变化是根系丰度变化的结果，进一步，减少的根系丰度通过促进水的垂直流动和向下剖面的碳传输的方式影响土壤结构，从而有助于团聚体的稳定和 SOC 的保护。我们的研究强调了研究驱动碳输入和深度分布的生态系统特征的重要性，这些特征与土地转换传播的深度和土壤结构变化可能发生的时间尺度相一致。