退化和恢复过程驱动的荒漠草地生态系统有机碳密度变化

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00015

摘要/Abstract

摘要：

荒漠草地是陆地生态系统的重要组成部分，研究退化和恢复荒漠草地生态系统碳密度的变化特征，是精确评估荒漠草地在全球气候变化中作用的关键，也能为中国碳达峰和碳中和提供数据支撑和理论依据。通过野外调查取样和室内分析，研究了腾格里沙漠南缘天然荒漠草地、重度退化荒漠草地和通过植被建设恢复良好的人工-天然荒漠草地的生态系统碳密度，主要包括植被生物量碳和土壤有机碳。结果表明：天然荒漠草地灌木生物量碳密度（叶、新生枝、老龄枝、枯枝和根系）为213.234 g·m^-2（17.688、8.035、59.163、21.732 g·m^-2和106.617 g·m^-2），草本（地上部和根系）生物量碳密度为84.269 g·m^-2 （12.192 g·m^-2和72.077 g·m^-2），0—100 cm土壤剖面土壤有机碳密度为2.517 kg·m^-2。退化荒漠草地碳损失较为严重，其灌木、草本生物量碳和土壤有机碳密度仅为天然荒漠生态系统的14.901%、45.549%和26.852%。但是，退化荒漠草地具有较强的固碳潜力，在进行人工植被建设后，恢复荒漠草地灌木、草本生物量碳和0—100 cm土壤有机碳密度显著增加，分别为退化荒漠草地的2.463、5.305倍和2.392倍，总有机碳密度增加了1.152 kg·m^-2。恢复草地0—20 cm土层土壤有机碳密度和草本生物量碳密度已经达到天然荒漠草地水平，但生态系统总体上还具有较大的固碳潜力（0.916 kg·m^-2）。中国荒漠和沙漠化地区具有巨大的固碳潜力，进行合理的人工植被恢复措施是增加荒漠生态系统碳储量、减缓大气中CO₂浓度上升、实现中国碳达峰和碳中和以及应对全球气候变化的重要策略。

关键词: 荒漠草地, 生态恢复, 生物量碳, 土壤有机碳, 固碳潜力, 碳中和

Abstract:

Desert grassland is an important component of the terrestrial ecosystem， the study of carbon density in degraded and restored desert grassland ecosystem is important to evaluate the role of desert grassland in global climate change. It can also provide data support and theoretical basis for peaking carbon dioxide emissions by 2030 and carbon neutralization by 2060 of China. Field investigation， sampling and laboratory analysis were carried out for natural， heavily degraded and restored desert grassland in the southeastern fringe of the Tengger Desert， China. Differences of the total organic carbon density， soil organic carbon density （SOCD）， shrubs biomass carbon density （BCD）， and herb BCD among three ecosystems were examined. The results showed that shrub （leaves， new branches， aging branches， standing-dead and roots） BCD， herbage （shoot and root） BCD and SOCD of 0-100 cm soil profile of typical desert grassland were 213.234 g m^-2 （17.688 g·m^-2， 8.035 g·m^-2， 59.163 g·m^-2， 21.732 g·m^-2 and 106.617 g·m^-2）， 84.269 g·m^-2（12.192 g·m^-2 and 72.077 g·m^-2） and 2.517 kg·m^-2， respectively. The carbon loss of degraded desert grassland was serious， shrub BCD， herbage BCD and SOCD only accounted for 14.901%， 45.549% and 26.852% of natural desert grassland. Degraded desert grassland had strong carbon sequestration potential， shrub BCD， herbage BCD and SOCD of 0-100 cm soil profile of restored desert grassland increased significantly， they were 2.463 times， 5.305 times， and 2.392 times as much as that of degraded desert grassland， respectively. The total organic carbon density increased by 1.152 kg·m^-2. SOCD of 0-20 cm soil profile and herbage BCD have reached the level of typical desert grassland， however， there was a large carbon sequestration potential （0.916 kg·m^-2）. Our study suggests that the desert and desertification area in China has great carbon sequestration potential， reasonable restoration measures is important strategy to increase carbon storage of desert grassland， alleviate the increase of CO₂ concentration and mitigate global climate change.

Key words: desert grassland, ecology restoration, biomass carbon, soil organic carbon, carbon sequestration potential, carbon neutralization

中图分类号:

X142

于钊, 李奇铮, 王培源, 蒋齐. 退化和恢复过程驱动的荒漠草地生态系统有机碳密度变化[J]. 中国沙漠, 2022, 42(2): 215-222.

Zhao Yu, Qizheng Li, Peiyuan Wang, Qi Jiang. Changes of organic carbon density in desert steppe ecosystem driven by degradation and restoration[J]. Journal of Desert Research, 2022, 42(2): 215-222.

图/表 4

图1 灌木生物量碳密度特征

Fig.1 Biomass carbon density of shrub

图2 草本生物量碳密度特征

Fig.2 Biomass carbon density of herbage

图3 不同植被类型0—20 cm和0—100 cm土壤有机碳密度变化特征

Fig.3 Soil organic carbon density of 0-20 cm and 0-100 cm soil profile for different vegetation type

图4 荒漠草地生态系统总有机碳密度及分配特征

Fig.4 Total organic carbon density and distribution in different desert grassland ecosystems

参考文献 37

1	Reynolds J F.Desertification［M］//Church M，Böttjer，Daniela.Encyclopedia of Biodiversity.YorkNew，USA：Academic Press，2001：2，61-78.
2	Scurlock J M， Johnson K， Olson R J.Estimating net primary productivity from grassland biomass dynamics measurements［J］.Global Change Biology，2002，8：736-753.
3	Reynolds J F， Smith D M S， Lambin E F，et al.Global desertification： building a science for dryland development［J］.Science，2007，316：847-851.
4	Schlesinger W H， Reynolds J F， Cunningham G L，et al.Biological feedbacks in global desertification［J］.Science，1990，247：1043-1048.
5	Puigdefábregas J， Mendizabal T.Perspectives on desertification： western Mediterranean［J］.Journal of Arid Environments，1998，39：209-224.
6	Helldén U， Tottrup C.Regional desertification：a global synthesis［J］.Global and Planetary Change，2008，64：169-176.
7	Lal R.Potential of desertification control to sequester carbon and mitigate the greenhouse effect［J］.Climatic Change，2001，51：35-72.
8	Li X R， Xiao H L， Zhang J G，et al.Long-term ecosystem effects of sand-binding vegetation in the Tengger Desert，northern China［J］.Restoration Ecology，2004，12（3）：376-390.
9	Li X R， He M Z， Duan Z H，et al.Recovery of topsoil physicochemical properties in revegetated sites in the sand-burial ecosystems of the Tengger Desert，northern China［J］.Geomorphology，2007，88（3/4）：254-265.
10	Li X R， Kong D S， Tan H J，et al.Changes in soil and vegetation following stabilisation of dunes in the southeastern fringe of the Tengger Desert，China［J］.Plant and Soil，2007，300（1）： 221-231.
11	Yang H T， Li X R， Wang Z R，et al.Carbon sequestration capacity of shifting sand dune after establishing new vegetation in the Tengger Desert，northern China［J］.Science of the Total Environment，2014，478：1-11.
12	李新荣，张志山，刘玉冰，等.中国沙区生态重建与恢复的生态水文学基础［M］.北京：科学出版社，2016：460-473.
13	Yang H T， Wang Z R， Tan H J，et al.Allometric models for estimating shrub biomass in desert grassland in northern China［J］.Arid Land Research and Management，2017，31：1-18.
14	鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000.
15	Batjes N H.Total carbon and nitrogen in the soils of the world［J］.European Journal of Soil Science，1996，47：151-163.
16	Stockmann Uta， Padarian José， McBratney Alex，et al.Global soil organic carbon assessment［J］.Global Food Security，2015，6：9-16.
17	O'Rourke S M， Angers D A， Holden N M，et al.Soil organic carbon across scales［J］.Global Change Biology，2015，21（10）： 3561-3574.
18	Zhang L H， Xie Z K， Zhao R F，et al.The impact of land use change on soil organic carbon and labile organic carbon stocks in the Longzhong region of Loess Plateau［J］.Journal of Arid Land，2012，4（3）：241-250.
19	Wu H， Guo Z， Peng C.Land use induced changes of organic carbon storage in soils of China［J］.Global Change Biology，2010，9（3）：305-315.
20	Lal R， Kimble J， Follett R F.Pedospheric processes and the carbon cycle［M］//Lal R，Kimble J M，Follett R F，et al.Soil Processes and the Carbon Cycle.Boca Raton，USA：CRC Press，1998：1-8．
21	Feng Q， Cheng G， Kunihiko E.Carbon storage in desertified lands：a case study from North China［J］.Geo Journal，2000，51（3）：181-189.
22	Duan Z， Xiao H， Dong Z，et al.Estimate of total CO₂，output from desertified sandy land in China［J］.Atmospheric Environment，2001，35（34）：5915-5921.
23	李玉强，赵哈林，移小勇，等.沙漠化过程中科尔沁沙地植物-土壤系统碳氮储量动态［J］.环境科学，2006，27（4）：635-640.
24	Lal R.Soil management and restoration for C sequestration to mitigate the accelerated greenhouse effect［J］.Progress in Environmental Science，1999，1：307-326.
25	钟芳，柴晓虹，王国基，等.植被恢复方式对黄土丘陵区土壤理化性质及微生物特性的影响［J］.中国沙漠，2014，34（4）： 1064-1072.
26	马晓俊，李云飞.腾格里沙漠东南缘植被恢复过程中土壤微生物量及酶活性［J］.中国沙漠，2019，39（6）：159-166.
27	Post W M， Kwon K C.Soil carbon sequestration and land-use change： processes and potential［J］.Global Change Biology，2000，6：317-327.
28	Garcia C， Hemanderz T， Roldan A，et al.Effect of plant cover decline on chemical and microbiological parameters under Mediterranean climate［J］.Soil Biology and Biochemistry，2002，34：635-642.
29	Gilsotres F， Trasarcepeda C， Leiros M C，et al.Different approaches to evaluating soil quality using biochemical properties［J］.Soil Biology and Biochemistry，2005，37：877-887.
30	Xu Z， Li Z， Liu H，et al.Soil organic carbon in particle-size fractions under three grassland types in Inner Mongolia，China［J］.Journal of Soils & Sediments，2018，18（5）：1-10.
31	Chen Xiaohong， Duan Zhenghu， Tan Mingliang.Restoration affect soil organic carbon and nutrients in different particle-size fractions［J］.Land Degradation & Development，2016，27（3）：561-572.
32	安芳娇，苏永中，牛子儒，等.干旱区流动沙地建植梭梭（Haloxylon ammodendron）林后细粒物质输入对土壤碳氮积累的影响［J］.中国沙漠，2021，41（5）：1-10.
33	Li X R， Ma F Y， Xiao H L，et al.Long-term effects of revegetation on soil water content of sand dunes in arid region of Northern China［J］.Journal of Arid Environments，2004，57：1-16.
34	李新荣.荒漠生物土壤结皮生态与水文学研究［M］.北京：高等教育出版社，2012.
35	Yang H， Wang Z， Li X，et al.Vegetation restoration drives the dynamics and distribution of nitrogen and phosphorous pools in a temperate desert soil-plant system［J］.Journal of Environmental Management，2019，245：200-209.
36	杨昊天，李新荣，刘立超，等.荒漠草地4种灌木生物量分配特征［J］.中国沙漠，2013，33（5）：1340-1348.
37	杨昊天，李新荣，闫培洁，等.腾格里沙漠土壤类型空间分布特征［J］.中国沙漠，2020，40（4）：154-162.

[1]	马全林, 尚雯, 王新友, 马婧, 詹科杰, 王多泽. 风沙活动对人工梭梭（*Haloxylon ammodendron*）林土壤碳氮含量的影响[J]. 中国沙漠, 2022, 42(1): 71-78.
[2]	苏天燕, 刘文杰, 杨秋, 毛伟. 土壤碳循环对地下水位的响应研究进展[J]. 中国沙漠, 2020, 40(5): 180-189.
[3]	张梦旭, 刘蔚, 朱猛, 李若麟. 甘肃河西山地土壤有机碳储量及分布特征[J]. 中国沙漠, 2019, 39(4): 64-72.
[4]	苏永中, 杨荣, 刘婷娜. 施肥对新垦绿洲风沙土肥力及碳积累的影响[J]. 中国沙漠, 2019, 39(3): 1-6.
[5]	郭丁, 李旭东, 王静, 傅华. 黄土高原草地和农田生态系统碳滞留时间及固碳潜力[J]. 中国沙漠, 2018, 38(2): 363-371.
[6]	张建鹏, 李玉强, 赵学勇, 张铜会, 佘倩楠, 刘敏, 魏水莲. 围封对沙漠化草地土壤理化性质和固碳潜力恢复的影响[J]. 中国沙漠, 2017, 37(3): 491-499.
[7]	杨文斌, 王涛, 冯伟, 李卫, 李艳丽. 低覆盖度治沙的理论与沙漠科技进步[J]. 中国沙漠, 2017, 37(1): 1-6.
[8]	高亮, 高永, 王静, 罗凤敏, 吕新丰. 土地覆盖类型对科尔沁沙地南缘土壤有机碳储量的影响[J]. 中国沙漠, 2016, 36(5): 1357-1364.
[9]	刘文亭, 卫智军, 吕世杰, 孙世贤, 代景忠. 土地利用方式对荒漠草地生物量分配及碳密度的影响[J]. 中国沙漠, 2016, 36(3): 666-673.
[10]	朱猛, 刘蔚, 秦燕燕, 曹建军, 李会亚, 赵玉. 祁连山森林草原带坡面尺度土壤有机碳分布[J]. 中国沙漠, 2016, 36(3): 741-748.
[11]	牛赟, 刘贤德, 赵维俊, 张学龙. 祁连山青海云杉（Picea crassifolia）林浅层土壤碳、氮含量特征及其相互关系[J]. 中国沙漠, 2014, 34(2): 371-377.
[12]	张雪1, 乌云娜1, 林璐1,2, 赵晨羽1, 王雪婷1, 白佳忆1. 放牧梯度上草原植被土壤系统碳截存特征[J]. 中国沙漠, 2013, 33(6): 1789-1795.
[13]	杨昊天, 李新荣, 刘立超, 贾荣亮, 王增如, 李小军, 李刚. 荒漠草地4种灌木生物量分配特征[J]. 中国沙漠, 2013, 33(5): 1340-1348.
[14]	涂文霞1, 叶茂1, 徐海量2, 赵新风2 . 荒漠草地植物多样性对肥料添加的响应[J]. 中国沙漠, 2013, 33(5): 1349-1355.
[15]	杨荣1,2，苏永中1，王敏1，杜明武1，杨晓1，雷耀湖3. 新垦沙地农田土壤有机碳时空变异特征[J]. 中国沙漠, 2013, 33(4): 1078-1083.