王云强团队在黄土高原土壤固碳领域取得系列成果--陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站

王云强团队在黄土高原土壤固碳领域取得系列成果

发布时间：2023-10-12 | 【大中小】

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陆地生态系统固碳是当前减缓大气CO2浓度升高的重要途径之一。我国陆地生态系统是显著的碳汇，在过去几十年一直扮演着重要的碳汇角色，在以往研究中被严重低估。黄土高原是我国“一带一路”建设的倡议地、天然的西部生态屏障区和典型的生态脆弱区，在“黄河高质量发展”的重大战略背景下，黄土高原生态系统碳汇效应将迎来新的转机和严峻的挑战。在全球近20年的新增植被绿化面积中，我国的贡献比例最大，占比约为25%；其中，黄土高原是我国植被变绿增幅最大的区域之一（图1）。自1999年以来的一系列大规模的植被恢复和重建工程，黄土高原的生态环境有所改善，植被覆盖度显著提高，土壤碳汇能力显著提高。在气候变化和植被恢复的背景下，需要充分并全面提升黄土高原生态系统的碳汇功能。

图1 全球植被变绿和黄土高原植被覆盖度变化趋势（1982-2020）

为充分了解黄土高原在植被恢复过程中的土壤固碳机制，中国科学院地球环境研究所杨阳副研究员和王云强研究员等人联合德国哥廷根大学、俄罗斯秋明州立大学、西北农林科技大学、陕西师范大学、中国科学院西北生态环境资源研究院等多家单位，针对黄土高原植被恢复过程中的土壤固碳问题，通过对整个黄土高原大面积的野外采样和调查（图2），估算黄土高原整个生态系统碳储量为2.84 Pg，其中林地为0.36 Pg、灌丛为0.24 Pg、草地为1.18 Pg、农田为1.05 Pg；表层土壤(0 ~ 20 cm)中的碳储量占30%，地上生物量占53%，根系占17%（Yang et al, 2023, Carbon Neutrality）（图3）。进一步发现黄土高原生态系统碳储量的大尺度分布格局主要受气候调控，这为我国生态系统碳汇功能提升提供了可靠的科学依据。

图2 黄土高原采样点分布图

图3 黄土高原生态系统碳储量分布图

我们进一步将土壤有机碳（SOC）分为不同的功能型组分，例如颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC），二者的其比例的变化决定土壤有机碳的周转速率及稳定性，对于理解和预测SOC动态及其对全球环境变化的响应非常重要。先前的研究表明黄土高原草地恢复增加了土壤碳储量（Yang et al, 2022, Soil Biology and Biochemistry），针对黄土高原草地恢复过程中SOC的稳定机制，进一步的区分土壤POC和MAOC，发现黄土高原草地恢复30年后土壤MAOC增加了41%，土壤POC增加了47%（Liao et al, 2023, Journal of Environmental Management）（图4）。其中MAOC的增加主要是由土壤微生物残体和碱离子（Ca-bound C）淋溶的共同作用引起的；POC增加的主要是由植物生物量所导致。随着植被的恢复，SOC的累积由MAOC为主导转变为POC为主导，其中POC对植被恢复的响应更为敏感。由此可知，POC和MAOC的积累对黄土高原植被恢复过程中SOC的固存与稳定具有重要意义。

图4 黄土高原植被恢复过程中POC和MAOC对SOC累积的贡献

然而，黄土高原植被恢复与土壤有机碳的固存与稳定机制尚不明晰，通过查阅大量的文献资料进一步的总结，以土壤有机碳固存机制为核心，概括了黄土高原近40年土地利用变化（图1，杨阳等, 2023, 第四纪研究）、植被覆盖度变化趋势和土壤有机碳储量现状，在回顾植被恢复进程的基础上，建立了黄土高原生态系统中主要碳循环过程示意图（图5，杨阳等, 2023, 地球环境学报）；基于土壤物理、化学和生物学的固碳机制和原理，并结合土壤“微生物碳泵”核心调控理论，尝试性的论述了黄土高原植被恢复过程中土壤有机碳的固定过程（图6，Yang et al., 2023, Forests），同时总结了土壤有机碳固定过程中的驱动因素。

图5 黄土高原生态系统碳循环过程示意图

图6 黄土高原植被恢复过程中土壤有机碳的固定过程

针对黄土高原生态系统碳固定和排放过程，总结了黄土高原植被建设与碳汇平衡（碳中和）实现途径框架图（图7，杨阳等, 2023, 生态学报），同时也提出了一系列的增碳减排措施和对策，包括优化黄土高原植被建设和管理模式，加强科技顶层设计，提升植被建设的碳汇能力，并加快退耕还林/草的“碳交易”市场建设，健全法规规章标准和碳统计监测体系等；最后对黄土高原植被恢复过程中土壤碳汇效应可能出现的问题与挑战进行了展望，为黄土高原土壤碳汇功能和生态效益提升提供重要参考，同时也对我国陆地生态系统碳捕获、实现碳中和的目标具有重要意义。

图7 黄土高原植被建设与碳汇平衡（碳中和）实现途径框架图

　上述系列研究受到国家自然科学青年基金(42107282)和面上基金(42377241)、中国科学院青促会会员（2023430）等项目的资助。

　　相关文章列表：

　　1 Liao, J., Yang, X., Dou, Y., Wang, B., Xue, Z., Sun, H., Yang, Y*., An, S*. (2023). Divergent contribution of particulate and mineral-associated organic matter to soil carbon in grassland. Journal of Environmental Management, 344, 118536. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118536

　　2 Yang, Y., Liu, L., Zhang, P., Wu, F., Wang, Y., Xu, C., Wang, Y*.; An S, S*., Kuzyakov, Y. (2023). Large-scale ecosystem carbon stocks and their driving factors across Loess Plateau. Carbon Neutrality, 2(1), 5. https://doi.org/10.1007/s43979-023-00044-w

　　3 Yang, Y., Sun, H., Zhang, P., Wu, F., Qiao, J., Li, T., Wang, Y*., An S, S. (2023). Reviewing of managing soil organic C sequestration from vegetation restoration on the Loess Plateau. Forests, 14(10), 1964. https://doi.org/10.3390/f14101964

　　4 杨阳, 张萍萍, 吴凡, 周媛媛, 宋怡, 王云强*, 安韶山. (2023). 黄土高原植被建设及其对碳中和的意义与对策.生态学报. 43(21): 1-11.https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.2031.Q.20230625.1523.027.html

　　5 杨阳，刘良旭，童永平，张萍萍，吴凡，周媛媛，宋怡，王云强*，安韶山. (2023). 黄土高原植被恢复过程中土壤碳储量及影响因素研究进展. 地球环境学报.https://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1482.X.20230417.1708.002.html

　　6 杨阳，窦艳星，王宝荣，薛志婧，朱兆龙，黄懿梅，王云强*，安韶山*. (2023). 黄土高原土壤有机碳固存机制研究进展. 第四纪研究. 43(2): 509-522. https://doi.org/10.11928/j.issn.1001-7410.2023.02.18