水土保持植物措施碳匯研究綜述

張杰銘,趙廣舉,金 秋,張永娥,丁 琳,張續(xù)軍

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100048; 3.水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心,北京 100053)

氣候變化給人類生存和發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)峻的威脅和挑戰(zhàn),在眾多影響因素中,人類活動(dòng)引起大氣環(huán)境中溫室氣體濃度升高已成為全球氣候加速變暖的主要根源[1]。聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約定義溫室氣體“源”為產(chǎn)生溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體前體的過(guò)程、活動(dòng)或機(jī)制,將從大氣環(huán)境中去除溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體前體的過(guò)程、活動(dòng)或機(jī)制,定義為溫室氣體“匯”[2]。而碳循環(huán),作為全球最重要的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程之一,深刻影響著人類的生存環(huán)境,同時(shí)也是衡量全球生態(tài)系統(tǒng)是否健康的重要標(biāo)志[3]。

水土流失是目前我國(guó)面臨的最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一,水土流失不僅造成了水土資源流失,同時(shí)也導(dǎo)致土壤中的有機(jī)碳在水平空間位置上發(fā)生遷移。受植被生產(chǎn)力降低和土壤有機(jī)碳遷移的強(qiáng)烈影響,全球每年因水土流失問(wèn)題造成土壤有機(jī)碳的水平遷移總量約為2.7萬(wàn)億t[4]。LAL[5]研究表明,雖然因水土流失而發(fā)生轉(zhuǎn)移的一部分碳(0.4萬(wàn)億～0.6萬(wàn)億t)可能被掩埋而成為碳匯,但是大部分的碳(0.8萬(wàn)億～1.2萬(wàn)億t)通過(guò)礦化作用排放到大氣環(huán)境中,成為碳源(形式為二氧化碳或甲烷)。此外,水土流失還破壞土壤本身的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),造成土壤中的有機(jī)碳成分出露,導(dǎo)致土壤中有機(jī)碳的礦化速率進(jìn)一步加快。一些研究表明,土壤侵蝕和沉積過(guò)程伴隨著碳遷移過(guò)程,侵蝕土壤中70%～80%的有機(jī)質(zhì)被礦化[6]。2021年,國(guó)務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,對(duì)推進(jìn)碳達(dá)峰工作進(jìn)行了總體部署,制定了各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)的碳達(dá)峰實(shí)施方案和保障計(jì)劃,提出了加強(qiáng)退化土地的恢復(fù)和管理措施,并將水土流失綜合治理作為“鞏固和提高碳匯能力行動(dòng)”的一部分,要求各地區(qū)、各部門、各行業(yè)重點(diǎn)開展“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”。2022年,中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代水土保持工作的意見》,明確了現(xiàn)階段和今后一個(gè)時(shí)期水土保持碳匯領(lǐng)域迫切需要開展的重點(diǎn)研究方向主要圍繞水土保持碳匯能力提升基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、水土保持碳匯納入溫室氣體自愿減排交易機(jī)制、水土保持碳匯能力評(píng)價(jià)指標(biāo)和核算方法的提出和構(gòu)建等幾個(gè)方面。

近年來(lái),我國(guó)持續(xù)推進(jìn)水土保持措施建設(shè),水土保持工作成效顯著。其中水土保持植物措施面積約占水土保持措施面積的79%[7],是防治水土流失、恢復(fù)植被覆蓋的重要技術(shù)手段,然而目前關(guān)于系統(tǒng)評(píng)價(jià)水土保持植物措施碳匯能力的研究還比較少。本研究通過(guò)總結(jié)水土保持植物措施的碳匯意義、內(nèi)涵及其機(jī)理、計(jì)算方法、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展等,以期為水土保持領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高水平的固碳增匯、陸地生態(tài)系統(tǒng)的提質(zhì)增效提供理論支撐。

1 水土保持植物措施的碳匯意義

為了應(yīng)對(duì)氣候變化,早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),我國(guó)將減排固碳增匯和生態(tài)環(huán)境保護(hù)作為主要任務(wù)。森林和草原生態(tài)系統(tǒng)作為陸地上最大的碳庫(kù),是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要支柱,也是應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵因素[8]。森林、草原等植被通過(guò)光合作用吸收并固定大氣中的二氧化碳,降低空氣中二氧化碳濃度,在應(yīng)對(duì)全球氣候變化方面具有重要地位,是全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的熱點(diǎn)。

防治水土流失,保護(hù)、改善和合理利用水土資源,既是生態(tài)文明建設(shè)的要求,也是早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑[9]。水土保持植物措施可以增加土壤有機(jī)碳含量,實(shí)現(xiàn)土壤改良,同時(shí)提升生態(tài)系統(tǒng)的水土保持效益和水土保持碳匯能力。與工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的碳捕集、碳封存、碳利用技術(shù)相比,水土保持植物措施通過(guò)對(duì)受損的現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)實(shí)施生態(tài)修復(fù),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行優(yōu)化,可顯著提升植被和土壤的碳儲(chǔ)存和碳吸收能力,且其固碳增匯功能具有環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì),既是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑[10],也是全球范圍內(nèi)各國(guó)采取的最經(jīng)濟(jì)、最安全、最有效的固碳手段和應(yīng)對(duì)全球氣候變化問(wèn)題的重要技術(shù)手段[11]。

2 水土保持植物措施碳匯功能的內(nèi)涵和機(jī)理

水土保持植物措施碳匯功能是指利用森林、草原等植被的碳儲(chǔ)存功能,通過(guò)植樹造林、種草、封禁治理、加強(qiáng)森林管理等方式,促進(jìn)植被吸收和固定大氣中的二氧化碳,降低因土壤侵蝕而損失的土壤碳儲(chǔ)量的能力。水土保持植物措施碳匯功能包括植被碳匯、土壤碳匯和保土固碳3個(gè)方面。其中:①植被碳匯指水土保持植物措施通過(guò)栽植植被的光合作用吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被內(nèi)部,降低空氣中二氧化碳濃度,增加植被的碳儲(chǔ)量。值得注意的是,由于植被葉片的季節(jié)性枯落、果實(shí)的成熟收獲等,部分固定的碳儲(chǔ)量又回到大氣中或進(jìn)入土壤中,因此喬灌木的花、枝葉、果實(shí)等不計(jì)入植被的碳匯量。②土壤碳匯指水土保持植物措施可以改善土壤結(jié)構(gòu),加快土壤有機(jī)質(zhì)分解速度,提升土壤的儲(chǔ)碳能力,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。③保土固碳指水土保持植物措施可減少?gòu)搅髁亢土魉?使水流挾沙能力下降,土壤有機(jī)碳的遷移量減少,土壤有機(jī)碳的礦化速率減慢,進(jìn)而提高土壤的固碳功能。

3 水土保持植物措施碳匯量的計(jì)算方法

3.1 植被碳匯量計(jì)算方法

3.1.1 生物量法

生物量法是目前碳匯量計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的方法之一,其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)原理簡(jiǎn)單、參數(shù)易獲取、易操作、成本低等。主要參數(shù)指標(biāo)包括單位面積范圍內(nèi)的生物量、森林面積、草地面積、樹木各器官中生物量的分配比例以及各器官的平均含碳量等[12-13]。其中可以采取皆伐法[14]、相關(guān)曲線法[15-16]和標(biāo)準(zhǔn)木法[17]獲得樣地植被的平均生物量。方精云等[18]利用生物量法推算了中國(guó)森林植被碳庫(kù);周玉榮等[19]利用生物量法對(duì)我國(guó)主要森林生態(tài)系統(tǒng)中植被碳儲(chǔ)庫(kù)進(jìn)行了測(cè)算。

3.1.2 固碳系數(shù)法

固碳系數(shù)法是通過(guò)在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行抽樣調(diào)查,確定喬木、灌木、草等主要植被類型的平均固碳速率,再結(jié)合主要植被類型的種植面積和時(shí)長(zhǎng)來(lái)估算總固碳量[20]。固碳系數(shù)法可以連續(xù)測(cè)量和模擬植被碳匯量的變化情況,具有操作性強(qiáng)、計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 蓄積量法

蓄積量法的基本原理是對(duì)森林樣地中的林木進(jìn)行實(shí)測(cè),基于林木的平均密度和森林總蓄積量計(jì)算森林平均生物量,再通過(guò)森林生物量和碳含量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算得到森林碳匯量[21]。由于大部分學(xué)者僅對(duì)地表以上的森林碳匯量進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)常忽視林下植物固碳量、地下腐殖質(zhì)等,因此目前許多研究基于蓄積量法得到的森林碳匯量結(jié)果普遍較低。蓄積量擴(kuò)展法是基于蓄積量法的原理,將森林碳匯量分為森林碳匯、林下植物碳匯、林地碳匯3個(gè)部分[22],其中森林碳匯是以森林蓄積量為基礎(chǔ),通過(guò)蓄積量擴(kuò)大系數(shù)、容積密度、含碳率計(jì)算獲得;林下植物碳匯和林地碳匯是通過(guò)森林蓄積量和轉(zhuǎn)換因子計(jì)算獲得。該方法簡(jiǎn)單易行,可對(duì)大范圍的森林碳匯量進(jìn)行宏觀估算。

3.1.4 生物量轉(zhuǎn)換因子法

生物量轉(zhuǎn)換因子法又稱為材積源生物量法,是將生物量轉(zhuǎn)換因子看作是一個(gè)恒定的常數(shù),根據(jù)生物量和蓄積量之間的回歸方程計(jì)算得到總生物量,再通過(guò)生物量與植被碳含量得到碳儲(chǔ)量[23]。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行,可推算大尺度森林碳儲(chǔ)量,不因時(shí)段不同而發(fā)生變化;缺點(diǎn)是實(shí)際情況中生物量轉(zhuǎn)換因子不是常數(shù),與林木的林齡、種類組成以及林地條件和林分密度等諸多因素有關(guān),只有當(dāng)材積很大時(shí)才趨于一個(gè)常數(shù)。在實(shí)際運(yùn)用中,通常將木材密度和生物量轉(zhuǎn)換因子定為常數(shù),對(duì)于未受干擾的天然林,濕潤(rùn)、干旱、半干旱地區(qū)的木材密度通常為1.57、1.95、1.74 g/cm3,生物量轉(zhuǎn)換因子通常為1.6[24]。

3.2 土壤碳匯量計(jì)算方法

3.2.1 土壤有機(jī)碳質(zhì)量比方法

根據(jù)土壤普查數(shù)據(jù)和農(nóng)田肥力調(diào)查數(shù)據(jù)中各土壤屬性的有機(jī)碳比例,計(jì)算土壤有機(jī)碳質(zhì)量比和土壤有機(jī)碳庫(kù),主要包括面積加權(quán)平均有機(jī)碳質(zhì)量比法、有機(jī)碳密度法和有機(jī)碳庫(kù)法3種方法。其中:面積加權(quán)平均有機(jī)碳質(zhì)量比法涉及的參數(shù)有土壤有機(jī)碳質(zhì)量比、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤有機(jī)碳單位折算系數(shù)、土地面積和土屬數(shù)量等;有機(jī)碳密度法涉及的參數(shù)有表層土壤厚度、表層土壤容重、表層土壤有機(jī)碳密度、表層土壤溫室氣體有機(jī)碳質(zhì)量比、面積轉(zhuǎn)換系數(shù)等;有機(jī)碳庫(kù)法涉及的參數(shù)有土壤有機(jī)碳庫(kù)、土地面積等。

3.2.2 基于土壤有機(jī)碳密度的計(jì)算方法

程先富等[25]提出了基于土壤有機(jī)碳密度的土壤碳匯量計(jì)算方法。土壤有機(jī)碳密度指單位面積和一定深度范圍內(nèi)土層中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量,基于土壤有機(jī)碳密度的計(jì)算方法涉及的參數(shù)有區(qū)域內(nèi)各土壤類型的土壤有機(jī)碳密度、各土壤類型的地塊數(shù)量和面積等。

4 水土保持植物措施碳匯研究

4.1 水土保持植物措施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響

國(guó)外一些學(xué)者對(duì)植被不同部位、不同類型和不同區(qū)域的碳儲(chǔ)量差異性進(jìn)行了研究。SAEED et al.[26]以巴基斯坦杰赫勒姆地區(qū)旁遮普省的貝拉森林為研究對(duì)象,對(duì)貝拉人工林上層植被、下層植被和土壤中的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了評(píng)估,研究發(fā)現(xiàn),在不同的碳庫(kù)中,上層植被生物量?jī)?chǔ)存的碳量最多(約占83.53%),土壤儲(chǔ)存的碳量最少(約占15.23%)。KHANAL et al.[27]在阿根廷西北部胡胡伊省帕爾帕拉縣Jarneldhara和Lipindevi Thulopakho森林的每個(gè)樣地采集了不同深度的土壤樣本,對(duì)2個(gè)研究區(qū)森林樣地中的單棵樹木進(jìn)行了測(cè)量,研究發(fā)現(xiàn),Jarneldhara和Lipindevi Thulopakho森林的地上碳庫(kù)和地下(根)碳庫(kù)分別為36.6±3.4、10.5±1.0 t/hm2,40.2±4.0、11.4±1.1 t/hm2,Jarneldhara和Lipindevi Thulopakho森林的土壤有機(jī)碳庫(kù)分別為121.4±7.4、94.6±4.4 t/hm2,研究區(qū)氣候環(huán)境差異是造成碳儲(chǔ)量差異的主要原因。DASS et al.[28]通過(guò)一系列建模試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在應(yīng)對(duì)21世紀(jì)氣候變化時(shí),美國(guó)加利福尼亞州的草地比森林更具碳匯彈性,草地對(duì)溫度升高、干旱和火災(zāi)的適應(yīng)能力,再加上地下碳匯的優(yōu)先碳庫(kù),可對(duì)固存在陸地上的碳起到保護(hù)作用,使其不會(huì)再進(jìn)入大氣層中,而加利福尼亞森林似乎無(wú)法應(yīng)對(duì)全球氣候變化,至少到21世紀(jì)中葉就會(huì)從大量的碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚础?/p>

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者以植被碳儲(chǔ)量的差異性研究為基礎(chǔ),分析不同植被恢復(fù)方式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的影響。許小明[29]以北洛河黃土丘陵地貌區(qū)為研究區(qū),對(duì)不同植被恢復(fù)方式的生態(tài)系統(tǒng)固碳功能進(jìn)行了深入分析。研究發(fā)現(xiàn):生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能在人工植被恢復(fù)和自然演替過(guò)程中均得到提升,植被長(zhǎng)期恢復(fù)產(chǎn)生的碳匯作用更為明顯;植物多樣性的增加有助于生態(tài)系統(tǒng)碳密度的增加,在人工和自然恢復(fù)方式下,地上部分、地下根系和枯枝落葉的碳密度總體上按降序排列依次為喬木、灌木、草地和坡耕地;隨著恢復(fù)時(shí)間的增加,在不同的植物組分和土層中,植被碳密度和土壤有機(jī)碳密度均普遍升高;不同人工林生態(tài)系統(tǒng)類型的碳密度差異比較明顯,草地、沙棘、檸條、刺槐和小葉楊碳密度分別是坡耕地碳密度的1.49、2.53、2.25、2.66、6.31倍;與坡耕地相比,喬、灌木和草地的固碳能力分別提高到4.09、1.70、1.48倍;群落蓋度、瑪格列夫指數(shù)、香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)、地上生物量、根系生物量及枯落物的蓄積量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響也較為顯著(p<0.05)。李智廣等[30]通過(guò)收集廣東省新增水土保持措施及其水土保持功能等方面的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),運(yùn)用碳匯速率方法對(duì)2021年廣東省新增水土保持措施的碳匯能力進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果顯示:2021年廣東省新增水土保持措施的碳匯能力約為49萬(wàn)t/hm2,其中封禁治理林地的碳匯能力、水土保持保土固碳效益和喬木林地的碳匯能力這三方面的占比相對(duì)較大,分別占總碳匯量的44.50%、27.27%、27.09%;廣東省北部山區(qū)和高丘陵地區(qū)的碳匯能力較強(qiáng),中部盆地地區(qū)的碳匯能力總體處于全省中等偏上的位置,而南部地區(qū)和沿海地區(qū)的碳匯能力則較低。鐘小劍等[31]以福建省羅地河小流域?yàn)檠芯繉?duì)象,圍繞小流域綜合治理時(shí)水土保持林草措施實(shí)施后的碳匯效應(yīng)開展了研究。研究表明,采取水土保持林草措施后,小流域碳匯能力得到顯著提升,土壤和植被的碳儲(chǔ)量年均分別增長(zhǎng)3.35%和15.75%,且各樹種碳匯效應(yīng)存在差異,樹種碳增匯能力從大到小排序?yàn)榘謇?、馬尾松、楊梅。

4.2 水土保持植物措施對(duì)植被固碳的影響

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)不同植被類型區(qū)開展水土保持植物措施對(duì)植被固碳功能影響的研究。高春泥等[32]運(yùn)用林業(yè)碳匯項(xiàng)目方法學(xué)對(duì)長(zhǎng)江上游地區(qū)“十三五”期間(2016—2020年)新增水土保持植物措施后的凈碳匯量進(jìn)行了測(cè)算。結(jié)果表明:新增植物措施面積是影響林木凈碳儲(chǔ)量變化的重要因素,各碳層凈碳匯量隨碳層面積的增加而增加,各碳層凈碳匯量與各碳層內(nèi)林木生長(zhǎng)量息息相關(guān),當(dāng)林木生長(zhǎng)到一定程度后,其生物量逐漸維持至恒定水平,同理,年凈碳匯量也趨于穩(wěn)定;影響林木凈碳儲(chǔ)量變化的重要因素包括林木的生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)狀況,在水土保持林中,針葉林、闊葉林及針闊混交林的凈碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)相同,長(zhǎng)江上游地區(qū)的水土保持林草措施中針葉林占比大,因此其凈碳儲(chǔ)量最大;不同省份的碳匯價(jià)值存在差異,甘肅、湖北、陜西和云南等省的碳匯價(jià)值較高,而重慶、西藏碳匯價(jià)值較低,且水土保持植物措施所創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值也與地區(qū)間差異直接相關(guān)。

水與二氧化碳的交換關(guān)系對(duì)于土地管理和相關(guān)政策制定十分重要,尤其是對(duì)于荒漠化土地恢復(fù),然而沙漠中人工種植林地的水利用和碳封存仍然存在不確定性。YU et al.[33]利用渦度協(xié)方差結(jié)合水文氣象測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)2020年7月至2021年中國(guó)騰格里沙漠人工種植的灌木梭梭林進(jìn)行了連續(xù)的水和碳通量測(cè)量。研究發(fā)現(xiàn),2021年蒸散量為189.5 mm,其中85%發(fā)生在生長(zhǎng)季節(jié),與降水量、露水和其他潛在來(lái)源(如深層地下水)的總和相當(dāng);灌木梭梭林生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)大的碳匯,其生態(tài)系統(tǒng)年凈生產(chǎn)量高達(dá)446.4 g/m2,遠(yuǎn)高于周圍的地點(diǎn),灌木林地的總初級(jí)生產(chǎn)力與其他灌木林地相當(dāng),而生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用則較低;環(huán)境因子對(duì)水分和碳交換的影響是不同的,即土壤水熱因子(土壤含水量和土壤溫度)決定蒸散發(fā)和蒸騰量的大小和季節(jié)模式,而空氣動(dòng)力學(xué)因子(凈輻射、大氣溫度和風(fēng)速)決定總初級(jí)生產(chǎn)力和凈生產(chǎn)量。結(jié)果表明,鑒于梭梭林的低用水量和高固碳量,它是適合在干旱地區(qū)大規(guī)模種植的植物種。

樟子松是我國(guó)“三北”地區(qū)造林的重要樹種之一,研究樟子松人工林生態(tài)系統(tǒng)凈交換及其影響因素對(duì)我國(guó)“三北”地區(qū)生態(tài)修復(fù)有著重要意義。高翔等[34]利用渦度協(xié)方差系統(tǒng)及其輔助儀器測(cè)量了2020年遼西樟子松人工林凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換及其環(huán)境因子。結(jié)果表明:在半小時(shí)尺度上,人工林在夜間排放碳,在白天固碳,5—8月碳固存受到下午干旱脅迫的抑制;在日尺度上,夜間凈排放效應(yīng)的季節(jié)動(dòng)態(tài)主要受土壤溫度和水分的控制,而白天凈排放效應(yīng)的季節(jié)動(dòng)態(tài)主要受土壤水分和干旱脅迫導(dǎo)致的水汽壓差的控制,當(dāng)土壤干燥時(shí),降水促進(jìn)了夜間和白天的凈能效,并改善了光合和呼吸參數(shù);在月尺度上,白天生態(tài)系統(tǒng)凈交換與生態(tài)系統(tǒng)表觀量子產(chǎn)率和生態(tài)系統(tǒng)最大光合能力呈顯著的負(fù)線性關(guān)系。當(dāng)空氣溫度低于5 ℃時(shí),10 ℃生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率和生態(tài)系統(tǒng)呼吸溫度敏感性隨氣溫降低而呈線性增加。2020年,遼西樟子松人工林的年累積生態(tài)系統(tǒng)凈交換為-145.17 g/m2,說(shuō)明總體上碳匯能力較弱。

荒漠生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳交換在全球碳循環(huán)中發(fā)揮了重要作用,針對(duì)以灌木為主的荒漠生態(tài)系統(tǒng)的二氧化碳交換對(duì)降水變化的響應(yīng)問(wèn)題,XU et al.[35]以我國(guó)西北部的唐古拉山荒漠生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,開展了為期10 a的長(zhǎng)期增雨試驗(yàn),在2016年和2017年的生長(zhǎng)季和3種增雨處理(自然降水不增加、增加50%和增加100%)下,測(cè)量了生態(tài)系統(tǒng)總光合作用、生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用和生態(tài)系統(tǒng)凈二氧化碳交換量,研究沙漠生態(tài)系統(tǒng)中生長(zhǎng)季生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳通量對(duì)增雨的不同響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),總光合作用與降雨量呈非線性響應(yīng),而呼吸作用與降雨量呈線性關(guān)系;生態(tài)系統(tǒng)凈二氧化碳交換量沿降雨量梯度呈非線性響應(yīng),降雨量飽和閾值在+50%到+100%之間;生長(zhǎng)季凈二氧化碳吸收效應(yīng)在增雨處理下顯著增強(qiáng);雖然2016年和2017年生長(zhǎng)季的自然降雨量波動(dòng)很大,分別達(dá)到歷史平均值的134.8%和44.0%,但碳吸收效應(yīng)值保持穩(wěn)定。結(jié)果表明,在降雨量不斷增加的背景下,荒漠生態(tài)系統(tǒng)的生長(zhǎng)季二氧化碳同化量將會(huì)增加,在水土保持植物措施實(shí)施時(shí),應(yīng)考慮到荒漠生態(tài)系統(tǒng)的總光合作用和呼吸作用在降雨情況變化下的不同響應(yīng)。

4.3 水土保持植物措施對(duì)土壤碳庫(kù)的影響

退耕還林、人工造林、梯田和淤地壩建設(shè)等均是黃土高原水土保持的主要措施,這些有效的保水固土措施對(duì)土壤有機(jī)碳分布產(chǎn)生重要影響。眾多學(xué)者針對(duì)生態(tài)修復(fù)后黃土高原是土壤碳的“源”還是“匯”,開展了大量研究。SHI et al.[36]在黃土高原某流域100 cm土壤剖面上采集了1 060個(gè)土壤樣本,研究土地利用變化與攔水壩建設(shè)相結(jié)合對(duì)土壤有機(jī)碳分布的影響。研究發(fā)現(xiàn):0～20 cm土層的土壤有機(jī)碳濃度高于20～40、40～60、60～80和80～100 cm土層;林地、灌木林地和臺(tái)地0～20 cm土層的土壤有機(jī)碳濃度明顯高于坡耕地和壩耕地(p<0.05)。結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳通過(guò)土地利用變化在流域內(nèi)重新分布,地形因素(包括海拔、坡度和坡向)對(duì)土壤有機(jī)碳濃度有影響,在評(píng)估土壤侵蝕子系統(tǒng)內(nèi)的碳固存情況時(shí),應(yīng)考慮對(duì)山坡和河道沿線進(jìn)行水文控制。FENG et al.[37]利用遙感技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)模型,以2000—2008年實(shí)施的退耕還林工程為切入點(diǎn),對(duì)我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)中固碳量的變化進(jìn)行了定量評(píng)估。袁和第[38]以我國(guó)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)域——黃土高原中的黃土丘陵溝壑區(qū)為主要調(diào)查對(duì)象,以土壤有機(jī)碳為指標(biāo)評(píng)價(jià),以人工干預(yù)恢復(fù)措施為重點(diǎn),開展林草措施土壤改良效益研究。研究發(fā)現(xiàn),退耕還林工程實(shí)施以來(lái),黃土高原生態(tài)系統(tǒng)由2000年的凈碳源向2008年的凈碳匯轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生了顯著的碳匯效益。許明祥等[39]研究表明,水土保持植物措施對(duì)土壤養(yǎng)分的影響主要體現(xiàn)在土壤表層,對(duì)距地表20 cm范圍內(nèi)的土層影響最大,對(duì)20～40 cm土層的影響次之,而對(duì)40 cm深度以下土層的影響最小。

黃土高原植被恢復(fù)中不同植被類型的固碳效果同樣存在差異。譚清月[40]以退耕后不同植被恢復(fù)類型(包括喬木林地、灌木林地及撂荒草地)為研究對(duì)象,通過(guò)野外調(diào)查采樣(267個(gè)樣點(diǎn))和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)整合(537個(gè)樣點(diǎn))相結(jié)合的方式,構(gòu)建了黃土高原植被和土壤固碳量數(shù)據(jù)庫(kù),系統(tǒng)研究了黃土高原植被恢復(fù)過(guò)程中碳匯功能的變化特征以及區(qū)域分異規(guī)律,提出了人工植被恢復(fù)方式下碳匯功能提升策略與管理措施優(yōu)化方案。結(jié)果表明:黃土高原的植被恢復(fù)使得該區(qū)域植被固碳量和0～200 cm土層范圍內(nèi)的土壤碳儲(chǔ)量顯著增加,與農(nóng)田相比,植被固碳量和土壤碳儲(chǔ)量分別提高74.44%和41.29%,不同植被類型中,槐樹人工林植被固碳量增加效果最明顯,土壤碳儲(chǔ)量的增幅效果最優(yōu),分別增加108.27%和68.65%;植被恢復(fù)方式對(duì)植被和土壤碳儲(chǔ)量的增加效應(yīng),均隨著恢復(fù)時(shí)間和降雨量的增加而提升,草地的土壤固碳速率高于喬木和灌木,且在0～20 cm土層范圍內(nèi)更為明顯,植被恢復(fù)措施不僅增加了植被本身的固碳量,還會(huì)顯著增加土壤中的碳儲(chǔ)量;在植被恢復(fù)過(guò)程中,淺層土壤碳儲(chǔ)量與深層土壤碳儲(chǔ)量呈顯著正相關(guān),0～100 cm土層范圍內(nèi),土壤碳儲(chǔ)量每年增加1 t/hm2,而100～200 cm土層范圍內(nèi),土壤碳儲(chǔ)量相應(yīng)地增加0.21 t/hm2。

ZHAO et al.[41]研究了黃土高原地區(qū)紙坊溝流域不同植被類型和坡度條件下土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的垂直分布與轉(zhuǎn)化。結(jié)果表明:土層深度在0～200 cm范圍內(nèi)時(shí),土壤有機(jī)碳與土壤深度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,枯落物與土壤接觸處的有機(jī)碳初始積累量隨著植被枯落物碳氮比的降低而增加,其排序?yàn)楣嗄?、森林、草?與陰坡相比,陽(yáng)坡上枯落物分解形成的土壤有機(jī)碳量相對(duì)較少,枯落物與土壤接觸處的有機(jī)碳理論初始積累量較低;當(dāng)土層深度在0～50 cm范圍內(nèi)時(shí),與有機(jī)碳的變化趨勢(shì)相反的是土壤無(wú)機(jī)碳的變化趨勢(shì),土壤碳酸鹽遷移速率隨土壤含水量的降低而減慢,土壤無(wú)機(jī)碳含量與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.400,p<0.001)。在灌木、森林、草地中,灌木對(duì)無(wú)機(jī)碳匯貢獻(xiàn)最大。

梁愛華[42]以陜北紙坊溝流域退耕還林恢復(fù)植被為研究對(duì)象,開展了不同植被恢復(fù)模式(人工和自然恢復(fù))、林分組成(純林及混交林)、植被類型(喬、灌木及草地)、樹木種類(油松、刺槐)的土壤碳、氮、水生態(tài)效應(yīng)及其對(duì)群落生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮影響等研究。結(jié)果表明,退耕還林措施顯著增加了土壤總有機(jī)碳含量,與自然恢復(fù)相比較,在短期內(nèi)進(jìn)行人工植被恢復(fù)對(duì)碳固存效應(yīng)具有優(yōu)越性,表現(xiàn)出人工植被恢復(fù)措施能更有效、更快速提升土壤碳固存效應(yīng)的巨大潛力,并且不同植被類型下,土壤碳庫(kù)的增加效應(yīng)由大到小排序依次為喬木、灌木和撂荒;無(wú)論是采取退耕還林人工恢復(fù)植被還是撂荒地自然恢復(fù)植被,初期土壤含水量均降低,至26 a時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),此后土壤含水量開始逐漸恢復(fù),但恢復(fù)速率總體上較為緩慢;在不同季節(jié)、各個(gè)土層深度和植被恢復(fù)模式,退耕地的土壤碳匯效應(yīng)與土壤含水量間均呈反比關(guān)系,即采取退耕還林人工恢復(fù)植被方式下生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存功能提升是以消耗土壤水分作為代價(jià)。研究還表明,0～20 cm土層中土壤碳儲(chǔ)量和含水量之間相關(guān)性最大,隨土壤深度加深呈依次遞減趨勢(shì)。隨退耕還林植被恢復(fù)年限的增加,土壤碳儲(chǔ)量和含水量關(guān)系趨于互惠,26 a(拐點(diǎn))后由負(fù)相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)關(guān)系,至35 a時(shí)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系。與自然修復(fù)方式相比較,退耕還林人工恢復(fù)方式下土壤碳儲(chǔ)量和土壤含水量之間的相關(guān)性更大。土壤碳儲(chǔ)量和含水量之間的關(guān)系具有重要的應(yīng)用價(jià)值,當(dāng)有機(jī)碳積累量超過(guò)30 t/hm2時(shí),土壤含水量已降低至6%以下(該數(shù)值已接近當(dāng)?shù)赝寥赖目菸禂?shù))。因此,在實(shí)踐中可以通過(guò)適當(dāng)?shù)娜斯じ蓴_,如控制森林生態(tài)系統(tǒng)中群落密度等途徑使土壤碳庫(kù)維持在一定水平以內(nèi),以利于林內(nèi)土壤間的碳水平衡。

與種植單一植被相比,營(yíng)造混交林是儲(chǔ)存土壤碳的一種富有前景的方法。然而在我國(guó)森林面積快速增長(zhǎng)過(guò)程中,單一植被類型面積一直占據(jù)主導(dǎo)地位。為優(yōu)化植樹造林策略,最大程度發(fā)揮森林的固碳潛力,XIANG et al.[43]對(duì)我國(guó)176個(gè)研究地點(diǎn)的427個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了薈萃分析,量化混交種植園與單一種植園的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化,并確定土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的主要驅(qū)動(dòng)因素,包括地理位置、氣候因素、土地利用歷史、土壤特性、種植年限、固氮樹種、混交比例和混交植物類型。結(jié)果表明:與種植單一植被相比,混合種植能顯著增加12%的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量;混合種植的混合比例不應(yīng)超過(guò)55%,以產(chǎn)生更高的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。此外,在貧瘠的土地上混合種植,當(dāng)生長(zhǎng)所需的水分有限或溫度較低時(shí),最有可能增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。在華北、華中和西北地區(qū),應(yīng)探索其他措施來(lái)增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量,而不是混合種植。研究表明了混交林對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的時(shí)空變異性,對(duì)造林的建立和管理具有重要意義。LUAN et al.[44]在我國(guó)暖溫帶地區(qū)的一處落葉闊葉林和一處針葉闊葉混交林中,測(cè)量了土壤呼吸作用和樹種多樣性指數(shù),包括物種豐富度、伯杰-帕克指數(shù)、辛普森指數(shù)、香農(nóng)指數(shù)和皮盧均勻度指數(shù),探究樹種多樣性與土壤碳穩(wěn)定性之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),在兩個(gè)林分中,土壤呼吸作用的溫度敏感性與辛普森指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,但與香農(nóng)指數(shù)、伯杰-帕克指數(shù)和皮盧均勻度指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與物種豐富度無(wú)關(guān),而且土壤呼吸作用與多樣性指數(shù)無(wú)關(guān)。樹種多樣性通過(guò)抑制土壤呼吸作用的溫度敏感性來(lái)促進(jìn)土壤碳穩(wěn)定性。此外,不同的生物和非生物變量解釋了闊葉林及混交林物種多樣性與土壤呼吸作用溫度敏感性的變化,這表明兩種森林類型的樹種多樣性對(duì)土壤呼吸作用溫度敏感性的影響機(jī)制是不同的。這也表明,提高樹種多樣性的可持續(xù)森林管理可增加土壤碳穩(wěn)定性,有利于減緩氣候變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

水土保持植物措施可以顯著提高生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力,而其碳固存效率與措施實(shí)施年限、植物物種選擇、植物群落結(jié)構(gòu)、植物生長(zhǎng)環(huán)境等多種因素有關(guān),在開展以固碳增匯為目標(biāo)的水土保持造林種草措施時(shí),宜選擇適當(dāng)?shù)幕謴?fù)類型(喬木、灌木和草地),優(yōu)化樹種選擇、加強(qiáng)森林經(jīng)營(yíng)管理等措施,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤固碳量的提高具有良好的促進(jìn)作用。與坡耕地相比,喬木碳密度最優(yōu),灌木次之,草地則較差。隨著恢復(fù)時(shí)間的增加,不同植被組分的碳密度總體上呈上升趨勢(shì),土壤中的有機(jī)碳密度在不同土層中也呈上升趨勢(shì)。水土保持植物措施碳匯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各地間的差異,若該地區(qū)水土保持率現(xiàn)狀值與閾值之間存在較大差距,則各類水土保持措施的搭配要合理,同時(shí)應(yīng)根據(jù)植被種類、工程規(guī)格及工藝特點(diǎn),設(shè)計(jì)和配置好各措施的數(shù)量、種類及其空間結(jié)構(gòu),保證各類措施能夠持續(xù)且高效地發(fā)揮固碳增匯作用;若該地區(qū)水土保持率現(xiàn)狀值與閾值差距較小,則應(yīng)著力提升水土保持植物措施的質(zhì)量,增加生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效應(yīng)。然而,國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者雖然對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段水土保持植物措施的碳匯功能進(jìn)行了估算,但是數(shù)據(jù)資料、研究方法等不一致,導(dǎo)致估算結(jié)果存在較大的差異性和不確定性,水土保持植物措施碳匯功能的監(jiān)測(cè)規(guī)范建立、研究方法開發(fā)仍是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。