3.1 植被类型对土壤碳固存的影响
本研究表明,退耕还林显著提升了土壤有机碳固存量(图2)。这与以前的相关研究[10,17-18]一致。将农地转变为多年生植被后,有效的防控了土壤侵蚀,并改善了土壤物理(土壤孔隙、水稳性团聚体、土壤入渗等)、化学(全氮等)以及生物学(微生物量碳)质量[19-21]。此外,不同植被类型固碳效益存在差异(图2)。一般来说,乔木能够比灌木和草地产生更多的枯落物归还量[21],且许明祥[22]报道了退耕还乔后土壤质量提升最大。与灌木相比,草地根系较浅,因此,其生物量和枯落物归还量相对较低。尽管如此,乔灌草均显著提升了有机碳固存量。本研究表明,树种对土壤有机碳并没有显著影响(图2A,B,C)。落叶乔木在增加枯落物归还量等方面明显优于常绿乔木,这在诸多研究中均有报道[23],然而,与落叶乔木相比,常绿乔木能够形成长期有效的遮阴,降低了林下温度,减慢了有机碳的矿化速率[24]。有研究显示,常绿树种具有更为发达的细根系统,且与落叶林相比,常绿树种具有将更多光合产物固定到根部的能力,这可以有效增加土壤有机碳含量[25]。然而,黄土高原是干旱半干旱地区,受水分等条件限制,常绿树种与落叶树种的生理特性可能没有其他区域显著,导致二者在增加有机碳方面没有显著差异。此外,我们的研究表明,自然恢复草地在土壤固碳方面具有更大的优势(图2D)。这可能与人工草地刈割以及自然衰退有关,且人工草地的耗水量显著高于天然草地,其可持续性明显低于天然草地。综上,在黄土高原地区,在植被承载力范围内,优先配置适宜树种或草种将有利于优化土壤固碳格局,增加固碳潜力。
3.2 土壤有机碳固存影响因素
3.2.1 恢复年限 多项研究报道了在恢复初期,由于没有了施肥等管理措施,加之植被没有形成有效的侵蚀防控机制,在恢复初期往往有机碳为负增长[10]。这与本研究不同。这可能是与选取的不同时间段有关[4]。随着植被恢复年限的增加,枯落物及植被根系生物量的输入量也呈增加趋势[10]。诸多研究表明,土壤质量(土壤物理、化学、生物质量)均随恢复年限的增加显著提升[22]。这意味着恢复年限是土壤碳固存评估中应该考虑的重要因素之一。然而,值得一提的是,本研究将恢复年限分为0～10 a、10～20 a、20～30 a和>30 a,在更长久的恢复过程中(>30 a),有机碳固存是否持续增加值得商榷。可以预见的是,受干旱半干旱区域人工造林的影响,土壤水分的可持续性成为目前关注的焦点。如何识别水分与固碳的转折关系将是一个重要议题。水分与植被生长、根系生物量增加显著相关,水分的降低势必会阻碍植被的发育。
3.2.2 气候因子 我们的研究表明,不同植被类型在不同降雨带下的土壤碳固存存在显著差异(图4A)。例如,乔木与灌木的固碳量分别表现为450～550 mm降雨带最高,>550 mm次之,<450 mm降雨最低,而草地却表现为<450 mm降雨带固碳量最高,而随着降雨量的增加,固碳量逐渐减少。这与有机碳的输入与输出有关。例如,在<450 mm降雨带,土壤水分不足以支撑乔灌的正常生长,因此,更多的碳和养分均用于生物量的增加,有研究报道,在水分不足的情况下,生态系统碳的增加多集中在生物量中[4,26]; 而在>550 mm降雨带,较为充沛的降雨量加速了有机碳的矿化,导致其存留量相对低于450～550 mm降雨带。草地的枯落物积累量相对较低,然而,在降雨量较低的地区,其根系发达且多集中在地表,而在降雨较高的地区,较低的碳输入以及较高的分解量导致草地的固碳量随降雨量的增加而降低[7]。基于此,我们建议,气候因素是植被恢复必须考虑的重要因素,且在降雨量较高的地区种植乔、灌植被,而在降雨量低的地区以草地恢复为主。
3.2.3 地形因子 坡向和坡度显著影响了土壤有机碳固存(图4B,图4C)。总体来看,3种植被在阴坡的固碳量均最高。这与阴坡温度相对较低,而湿度相对较高有关。在黄土高原地区,由于较好的水分条件,阴坡植物的郁闭度和长势均优于阳坡,因此能够带来更多的碳输入。这表明,阴坡植被恢复能够产生更多的碳收益,且以乔灌为最高。从不同坡度来看,整体呈现坡度越大,有机碳增加的幅度越高。其中,>30°的坡有机碳增加最为明显。这可能与初始碳含量有关。退耕前,坡度越大,遭受的侵蚀越严重,土壤质量越低,Vesteral等[27]研究表明,初始养分含量越低,其增加的潜力越大,这也得到了诸多学者的支持[3,6]。这表明,陡坡植被恢复能够有效增加有机碳含量。
3.2.4 不确定性分析 与其他同类型的研究相比,本研究不仅大量增加了样本量,而且全面分析了不同植被类型、树种、恢复年限、气候因子(降雨)、地形因子(坡度、坡向)对土壤碳固存的影响。然而,本研究仍有不确定性问题需要指出。(1)受文章发表量及研究区的差异影响,样本并非均匀分布。这可能导致不同区域碳固存的权重存在差异,然而,本研究并未对这些样本的权重进行分析;(2)本研究在分析其变化速率时,假定碳固存为线性变化,然而,碳固存的变化并非都是线性变化,而是以非线性方式进行变化;(3)本研究所涉及的有机碳固存恢复年限最大为60 a,缺少更为长期的观测;(4)除有机碳外,影响碳固存的其他土壤因子并未获取,例如pH、土壤质地等。因此,综合以上不确定性因素,未来与大尺度土壤碳固存有关的研究应尽可能充分考虑以上因素,从而更为精准地估算退耕还林过程中土壤碳的动态变化。
3.3 本研究对区域生态恢复及碳交易的启示
本研究表明,黄土高原退耕还林草工程显著增加了土壤碳固存,平均增幅61.61%。而在土壤固碳过程中,植被类型(乔、灌、草)、乔木树种(常绿乔木、落叶乔木)、灌木树种(沙棘、柠条)以及草地类型(人工草地、天然草地)扮演了重要角色,显著影响了土壤固碳。在不同的恢复阶段,土壤固碳量不同,总体来看,恢复后期固碳效果最佳。此外,不论区域尺度还是坡面尺度,都应重视气候条件、坡向、坡度对土壤固碳的影响。整体来看,在降雨量较高的地区种植乔、灌,而在降雨量低的地区以草地恢复为主。且阴坡、陡坡植被恢复能够有效增加有机碳含量。结合生态学和经济学理论,本研究得出黄土高原0—20 cm,0—100 cm总固碳价值分别为3 601.5万元/年,9 089.5万元/年。因此,在碳汇交易过程中,黄土高原的土壤固碳效益应该考虑进去,且其长期效益值得更加深入的研究。
