黄土高原生态系统碳固持对植被恢复的响应机制

【摘要】植被恢复是区域退化生态系统恢复重建的主要措施，其固碳效益是衡量植被恢复生态成效的关键参数之一。本研究针对我国生态建设需求及生态学与环境科学研究的前沿问题，以黄土高原退化生态系统为研究对象，通过历史资料收集和野外调查，野外试验与室内分析相结合、典型样地与尺度拓展相结合的方法，在退耕还林（草）生态工程的大背景下，对生态恢复重建过程中固碳效益演变过程及其机制进行研究，评估黄土高原退耕还林（草）工程的固碳潜力和碳增汇效应，阐明生态恢复重建过程中固碳动态特性及限制性因子，揭示植被恢复重建与固碳效益演变的互动关系，对于评估植被恢复环境的碳汇效应具有重要的参考价值，从而为指导植被恢复与重建的生态工程提供重要的科学依据。本研究取得的主要结论如下：（1）黄土高原退耕还林（草）具有较大的碳汇功能和固碳潜力，退耕年限是影响土壤固碳量的主要因子，且在退耕还林（草）生态工程中，退耕还草的固碳速率较高黄土高原地区退耕还林（草）工程的固碳潜力为0.59Tgyr-1，平均固碳速率为0.29Mgha-1yr-1；退耕年限是影响土壤固碳量的主要因子，年均温度和初始土壤碳储量对土壤固碳量产生明显影响，但土地利用类型、气候区和年均降雨的影响不显著；在退耕还乔木、灌木和草中，退耕还草的固碳速率较高。因此，黄土高原土地利用变化是影响土壤碳储量的一个主要因子，退耕还林（草）工程对该区土壤碳汇的增加起着重要作用。（2）旱区生态恢复是一个缓慢的过程，土壤质量的改善需要相对较长的时间，且深层土壤的碳氮固定潜力随着植被恢复时间延长而增加农田弃耕后，随着植被恢复，表层土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）含量显著增加，尤其0-5cm土壤，深层SOC、TN含量先降低后增加；0-10cm土壤碳氮储量显著增加；0-100cm土壤碳氮储量先显著降低，直到弃耕30年时才增加到弃耕前水平。对土壤碳氮储量的研究不仅要关注表层土壤，而且要加强对深层土壤碳氮特征的监测与分析，植被恢复时间越久，深层土壤的碳氮的固定潜力越大。因此，在干旱半干旱地区，生态恢复是一个缓慢的过程，需要相对较长的时间才能提高退化土地的土壤质量水平。（3）长期植被恢复显著提高生态系统碳储量及固碳潜力，上层土壤碳储量高于下层土壤，但土壤固碳量主要发生在下层土壤通过对长期恢复草地生态系统固碳效益的监测，发现退耕以后，下层40-100cm土壤固碳量高于上层，0-40cm土壤碳储量基本不变；坡耕地和退耕23、35、58、78年草地生态系统的碳储量分别为7.69、14.58、16.25、19.22和19.95kgm-2，各阶段的固碳速率为299.1、139.6、129.0和36.8gm-2yr-1；表明植被封育以后具有较大的固碳能力，为人为管理提高陆地生态系统固碳功能提供重要的理论依据。（4）自然恢复措施下植被生态系统土壤碳储量的增加，主要源于土壤有机碳和其他营养元素在植被演替过程中的长期积累长期次生林演替过程中（~150年），土壤碳储量、SOC、全氮、C/N比均显著增加；SOC、全氮含量主要积累在植被恢复的早期阶段，恢复50年后，达到最大值，之后逐渐趋向平衡；土壤碳储量与SOC、全氮（TN）、C/N比成显著正相关，但在年降雨量接近600mm的子午岭林区，土壤水分不是影响土壤碳储量的关键因子；上层土壤碳储量高于下层土壤，但土壤的固碳量主要发生在下层土壤。因此，自然恢复能提高陆地生态系统的固碳能力，土壤碳储量的增加主要是SOC和其他营养元素在长期的植被演替过程中积累的结果。（5）草地植物碳储量主要由地下生物量决定，植被生态系统碳储量与土壤碳储量变化一致，土壤碳储量不仅受植被生产力的制约而且还受土壤有机碳和养分的影响不同种植年限紫花苜蓿人工草地0-100cm土壤碳储量与地下生物量碳储量的变化趋势一致，而且0-5cm土壤碳储量一直增加；在种植16年的过程中，0-100cm土壤碳储量表现为先减少后增加的趋势；种植30年以后，虽然苜蓿生产力较低，但是土壤碳储量恢复到种植前水平；植物碳储量主要有地下生物量决定，生态系统碳储量与土壤碳储量变化一致；苜蓿地碳储量主要受植物生物量、根茎比、SOC、TN和全磷（TP）的影响。本研究表明土壤碳储量不仅受植被生产力的制约而且还受SOC和养分的影响。（6）人工长期围封禁牧可显著增加植被群落生产力和土壤碳储量，围封后土壤碳库增量主要发生在深层土壤围封可增加退化草地群落的盖度、高度、植物多样性、生产力和枯落物累积，增加了禾草类比例，减少了根茎比，同时显著改善了土壤容重、土壤水分和pH；长期围封显著增加了SOC、TN、C/P、N/P、C/N和0-100cm土壤碳储量；围封后，土壤碳增量主要发生在30-100cm，受植被初级生产力和土壤养分共同影响。对草地进行长期围封禁牧和控制放牧干扰，可显著提高土壤碳储量。
【作者】邓蕾；
【导师】上官周平；武高林；
【作者基本信息】西北农林科技大学，生态学，2014，博士
【关键词】植被恢复；碳储量；固碳机制；退耕还林；黄土高原；

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