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中国沙漠, 2025, 45(4): 34-42 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00098

沙地生态系统碳循环：奈曼沙漠化研究站1985—2025年主要研究进展

李玉强,1,2,4, 郑成卓1,2,4, 向宇1,2,4, 牛亚毅1,3, 王旭洋1,2,4, 牟晓明1,2

1.中国科学院西北生态环境资源研究院，干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，奈曼沙漠化研究站，甘肃 兰州 730000

3.中国科学院西北生态环境资源研究院，文献情报中心，甘肃 兰州 730000

4.中国科学院大学，北京 100049

Carbon cycle in sandy ecosystems： major research advances of the Naiman Desertification Research Station from 1985 to 2025

Li Yuqiang,1,2,4, Zheng Chengzhuo1,2,4, Xiang Yu1,2,4, Niu Yayi1,3, Wang Xuyang1,2,4, Mou Xiaoming1,2

1.State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands /, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.Naiman Desertification Research Station /, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.Documentation and Information Center, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

4.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

收稿日期: 2025-05-21   修回日期: 2025-06-16  

基金资助: 内蒙古自治区科技创新重大示范工程“揭榜挂帅”项目.  2024JBGS000701
国家自然科学基金项目.  31971466

Received: 2025-05-21   Revised: 2025-06-16  

作者简介 About authors

李玉强（1975—），男，甘肃庄浪人，研究员，主要从事干旱区恢复生态学研究E-mail：liyq@lzb.ac.cn , E-mail：liyq@lzb.ac.cn

摘要

科尔沁沙地是中国北方半干旱草原地带土地沙漠化演变的典型区域，是国家防沙治沙的核心阵地，也是全球变化背景下陆地生态系统碳循环研究的热点区。位于科尔沁沙地西南部的奈曼沙漠化研究站，是中国科学院在北方农牧交错带建立的专门从事土地沙漠化防治的长期定位观测研究平台。本文聚焦植物-土壤系统碳含量/储量动态、土壤呼吸特征、生态系统碳通量变化以及生态修复固碳效应，梳理了该站建站40年来在科尔沁沙地生态系统碳循环研究方面取得的主要进展。研究揭示了沙漠化正逆过程中植被与土壤碳库的变化特征，认知了区域尺度土壤有机碳时空格局及其驱动机制，确定了土壤呼吸对温湿度的响应阈值及其组分在不同生境的贡献比变化，基于长期通量观测明晰了不同类型生态系统碳汇功能年际变异的主控因子，量化了不同生态修复措施的固碳速率与潜力，并阐释了其固碳机理。这些成果对于深化半干旱风沙区生态修复固碳增汇的途径、过程与机理研究，以及为国家“双碳”目标在生态脆弱区的精准实施提供科学支撑与实践指导具有重要意义。

关键词： 草原风沙区 ; 沙地生态系统 ; 植物土壤碳 ; 碳循环 ; 碳固存

Abstract

The Horqin Sandy Land is a typical area of land desertification evolution in the semi-arid grassland region of northern China. It is a core area for national efforts to control desertification and studying the terrestrial ecosystem's carbon cycle in response to global changes. The Naiman Desertification Research Station， located in the southwestern part of the Horqin Sandy Land and established by the Chinese Academy of Sciences， is a long-term observation and research platform. It is dedicated to preventing and controlling land desertification in the northern agro-pastoral transition zone. This paper reviews four decades of the station's research on carbon cycling in the Horqin Sandy Land， with a focus on the following four areas： ①the carbon content and storage dynamics in the plant-soil systems， ②the soil respiration characteristics， ③the ecosystem carbon flux evolution， and ④the carbon sequestration effects of ecological restoration. This research reveals changes in vegetation and soil carbon pools during both desertification progression and reversal， clarifies the spatiotemporal patterns of regional-scale soil organic carbon and its driving mechanisms， and determines the response thresholds of soil respiration to temperature and moisture alongside shifts in the contribution ratios of its components across different habitats. It also identifies the dominant factors controlling the variability of the carbon sink function in diverse ecosystems over time， based on long-term flux observations， and quantifies the carbon sequestration rates and potential of various ecological restoration measures， elucidating their underlying mechanisms. These findings are profoundly significant in deepening our understanding of the pathways， processes， and mechanisms involved in carbon sequestration and sink enhancement through ecological restoration in semi-arid sandy regions. They also provide crucial scientific support and practical guidance for the precise implementation of China's dual-carbon strategy （carbon peaking and carbon neutrality） in ecologically fragile areas.

Keywords： grassland wind-sandy area ; desert ecosystem ; plant-soil carbon ; carbon cycle ; carbon sequestration

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李玉强, 郑成卓, 向宇, 牛亚毅, 王旭洋, 牟晓明. 沙地生态系统碳循环：奈曼沙漠化研究站1985—2025年主要研究进展. 中国沙漠[J], 2025, 45(4): 34-42 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00098

Li Yuqiang, Zheng Chengzhuo, Xiang Yu, Niu Yayi, Wang Xuyang, Mou Xiaoming. Carbon cycle in sandy ecosystems： major research advances of the Naiman Desertification Research Station from 1985 to 2025. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(4): 34-42 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00098

0 引言

碳元素作为地球生命体系的基石，不仅是构成有机物质的核心成分，更承载着人类文明发展所需的能量载体。地球上大部分的碳储存在岩石中，其余的存在于海洋、大气、植物、土壤和化石燃料中。碳在这些储存库之间的流动，形成了维持地球系统稳定的关键生物地球化学循环——碳循环，并且全球气候变暖趋势加剧与工业革命以来大气二氧化碳（CO2）浓度显著攀升，致使碳循环研究成为地球科学领域的前沿热点［1］。人类对气候系统的影响明确无疑，化石燃料燃烧、土地利用变化等人类活动产生的温室气体排放是全球变暖的重要原因，预计2030年全球温室气体排放量可能会导致21世纪全球温升超过1.5 ℃；如果任其发展，气候变化对人类和生态系统造成严重、普遍和不可逆转影响的可能性将会增强［2-3］。因此，控制大气中以CO2为主的温室气体浓度（即“减排增汇”）是应对气候危机、维护生态平衡的核心策略。大气、海洋和陆地生态系统是人工源温室气体的3个可能的容纳汇。在关键性、颠覆性能源技术还没有取得突破之前，通过人为生态工程建设、巩固和提升陆地生态系统碳汇功能，是最为行之有效、最绿色、最经济、最具规模的碳中和技术途径［4］。

沙地泛指草原地带内出现的沙质土地，早在20世纪60年代，沙地在中国已经是很常见的地理学名词，通常用在对毛乌素、浑善达克、科尔沁和呼伦贝尔四大沙地的称呼上［5］。沙地的地理学概念主要是指分布于干旱、极干旱地区以外的沙质土地中以固定、半固定沙丘或以沙质覆盖为主的区域。中国地理学界把降水200~400 mm的半干旱地区和400~600 mm的半湿润地区、温度条件跨越暖温带和温带区、植被生物带自东南向西北为森林草原过渡带和干草原地区的类沙漠景观称为沙地［6］。中国的四大沙地虽然南北跨越10个纬度，东西跨越16个经度，但从植被区划上看全都分布在温带草原区域［7］。沙漠化是指使原非沙漠地区出现了以风沙活动为主要特征的类似沙漠景观的土地退化［8］。草地沙漠化是草地退化的特殊类型［9］，属于草地退化最严重的阶段［10］。因此，生态学视角下，中国四大沙地的形成实质是温带草原沙漠化的产物。这种特殊的自然地理条件决定了沙地既区别于干旱、极干旱地区的典型沙漠，又具有独特的生态脆弱性。全球变化背景下，土地沙漠化与大气CO2浓度升高存在必然联系［11-12］，干旱半干旱区因其广域性分布和严重退化被认为是固碳潜力最大的区域［13］，以及退化生态系统的恢复或土地利用的有效管理可以蓄积、维持和增大植被及土壤碳库［14］等科学共识，推动中国沙地生态系统碳循环过程、固碳现状和潜力评估等方面的研究自20世纪末以来进入快速发展阶段。

中国科学院西北生态环境资源研究院奈曼沙漠化研究站（简称奈曼站）始建于1985年，是中国科学院在北方农牧交错带建立的专门从事土地沙漠化防治的野外观测研究站。该站地处科尔沁沙地南缘的内蒙古自治区奈曼旗境内（42°55′N、120°42′E，海拔345 m），属温带大陆性半干旱气候，年平均气温和降水量分别为6.95 ℃和345 mm［15］；≥10 ℃的积温为3 000~3 400 ℃，年均潜在蒸发量1 973 mm，年平均风速3.5 m·s⁻¹，年大风日数20~60 d；地带性土壤为沙质栗钙土，但在风蚀作用下多已退化为风沙土［16］。奈曼站的建站动因源于京通（北京-通辽）铁路奈曼段的防沙治沙需求，自1966年起，奈曼站科研人员即配合铁路部门开展线路踏勘与选线工作，1970—1983年相继开展了流沙固定试验、铁路防沙技术体系构建与示范，以及防护体系生态效益研究等工作，应国家及地方防沙治沙需求于1985年正式建站，定位于“研究半干旱农牧交错区沙漠化土地发生发展与建立最佳农业生态系统结构、功能，生产力及其演变规律，为高效合理利用沙漠化土地提供理论依据及示范样板”。奈曼站于1992年成为中国生态系统研究网络（CERN）站，2003年被遴选为国家林业局沙尘暴地面监测站，2005年成为国家生态系统研究网络（CNERN）站（内蒙古奈曼农田生态系统国家野外科学观测研究站）；先后被认定为国家自然科学基金委奈曼青少年科学教育基地（2004年）、通辽市青少年生态文明教育基地（2015年）、内蒙古自治区科普示范基地（2018年）、第一批全国科普教育基地（2022年）；2023年入选为水利部国家水土保持监测站，2024年入选为生态环境部生态质量综合监测站。40年来，奈曼站立足科尔沁沙地，定位于“半干旱农牧交错区土地沙漠化及其治理的应用基础研究”，围绕土地沙漠化发生机制、退化生态系统恢复机理、区域生态建设与可持续发展模式示范，以及沙地生态系统变化长期定位监测等研究方向，取得了一系列重要的原创性成果，为“三北”防护林建设、京津风沙源治理、退耕还林还草等国家重大生态工程建设提供了有力的理论基础和技术支撑。其中，“奈曼沙漠化土地综合整治模式”及相关理论和技术被联合国环境规划署（UNEP）、联合国开发计划署（UNDP）等机构列入防沙治沙基本培训教材。

在全球气候变化加剧和“双碳”目标深入推进的双重背景下，中国沙地生态系统因其独特的脆弱性特征与生态修复高固碳潜力，已成为生态安全屏障建设的核心阵地和陆地碳循环研究的关键区域。科尔沁沙地是中国四大沙地中面积较大且唯一位于大兴安岭以东的沙地，水热条件较好，植被区划上属于温带草原地带，原始景观是水草丰美的疏林草地，但是脆弱的生态环境基质条件叠加不合理的人类活动导致该区沙漠化急剧发展；以地跨内蒙古、辽宁、吉林三省区的19个县级行政区（总面积14.36 万km2）作为科尔沁沙地的界定范围［17］，其1975、1990、2000、2010、2020年的沙漠化土地面积占该区总土地面积的比例分别为25.2%、32.0%、36.8%、36.2%、36.1%（数据来源于http：// www.geodata.cn国家地球系统科学数据中心中国北方1∶10万沙漠化土地分布），而奈曼旗作为科尔沁沙地沙漠化发展最为严重的旗县之一，其沙漠化土地面积占全旗总土地面积的比例高达69.5%［18］。因此，科尔沁沙地不仅是国家防沙治沙的重中之重，亦是当前基于生态修复助推中国实现“双碳”目标的重点区域。本文以奈曼站建站40周年为契机，通过系统梳理总结建站以来围绕科尔沁沙地生态系统碳循环所取得的主要研究进展，以期推动半干旱风沙区生态修复固碳增汇途径、过程与机理等的深化研究，为国家“双碳”目标在生态脆弱区的精准实施提供科学依据和实践路径。

1 沙漠化正逆过程中植被与土壤碳含量/储量变化

在20世纪80年代中期至21世纪初的科研实践中，奈曼站的研究重点聚焦于揭示土地沙漠化正逆过程中植被生物量与土壤质量的动态演变规律。虽然该阶段尚未形成明确的“碳”研究主题，但基于植物生物量干重、土壤有机质含量与碳当量之间的转换系数，可有效反演出植被与土壤的碳含量/储量数据，为后续区域碳循环研究提供了珍贵的本底数据支撑。这一时期取得的相关研究结果主要有：流动-半流动沙丘封育后的植被总生物量干重从1 089 kg·hm-2增加到4 676 kg·hm-2［18］；人工固沙植被建设明显提升土壤有机质含量，但不同模式的作用效果有差异（樟子松+小叶锦鸡儿固沙区>小叶锦鸡儿固沙区>樟子松+差巴嘎蒿固沙区>樟子松固沙区>流沙区）［19］；农田沙漠化过程中土壤有机质下降幅度达71.2%［20］；沙漠化导致沙丘草地土壤有机质从14.0 g·kg-1下降到2.1 g·kg-1、地上部生物量从3 750~6 000 kg·hm-2下降到300~750 kg·hm-2［21］；流动沙地转换为沙地薄膜稻田后土壤有机质从0.82 g·kg-1增加到1.80 g·kg-1［22］；沙丘不同部位植被枯落物年均产量分别为丘间地94.8 g·m-2、沙丘顶40.4 g·m-2、迎风坡35.5 g·m-2和背风坡37.4 g·m-2，枯落物的平均分解转化率为0.11%~0.18%［23］；流动沙丘铺设草方格、秸秆栅栏沙障和栽植差巴嘎蒿后，植被生物量（地上+地下）分别增加116.4、94.5、91.0 g·m-2［24］。

随着全球气候变化问题日益严峻，奈曼站自21世纪以来逐步建立起以“碳”为核心的系统性研究体系。针对植被与土壤碳含量/储量及其变化方面的研究主要有：持续放牧的退化沙质草地围封5年和10年后，土壤有机碳（SOC）储量从493 g·m-2分别增加到524 g·m-2和584 g·m-2，植物系统碳储量从95 g·m-2分别增加到146 g·m⁻²和309 g·m-2［25］；土壤黏粉粒吹蚀1%则SOC含量下降0.169 g·kg-1，沙漠化程度增加1级土壤颗粒有机碳（POC）下降0.430 g·kg-1，首次从稳定/非稳定性碳的角度探究了沙漠化过程中SOC衰减的机理［26］；小叶锦鸡儿固沙林建植5、13、21、28年后灌丛下0~5 cm层SOC含量分别比流动沙丘（0.284 g·kg-1）增加了4.6、13.3、16.5、20.5倍［27］；从潜在沙漠化农田向严重沙漠化农田转变过程中，SOC含量下降了65%［28］；农田严重风蚀和风积分别导致SOC含量下降71%和19%［29］；随沙漠化的发展从丘间低地到固定、半固定、半流动和流动沙丘，植被（地上和地下）生物量碳储量分别降低26%、51%、79%和91%，SOC储量分别降低52%、76%、87%和90%［30］；20世纪科尔沁沙地沙漠化导致植物-土壤系统有机碳损失总量为107.53 Mt（3.6 kg·m-2），其中SOC的损失量占94.5%［31］，单位面积SOC损失量草地（1 116 g·m-2）高于农田（324 g·m-2）［32］。

上述研究表明，21世纪前十年研究重点聚焦于沙漠化发展过程中的碳损失。2010年以后的相关研究聚焦于沙漠化恢复过程中的碳固存，取得的主要进展包括：以流动沙丘为主要地貌景观的严重沙漠化草地围封自然恢复8年后，0~100 cm SOC平均含量从0.339 g·kg⁻¹增加到0.585 g‧kg-1，土壤无机碳（SIC）从0.042 g‧kg-1增加到0.054 g‧kg-1［33］；流动沙丘围封7、12、25年后，植物-土壤系统有机碳储量分别增加341、822、1 786 g·m-2，其中SOC增量分别为245、522、1 414 g·m-2［34］；流动沙丘营造樟子松乔木固沙林28、38年后，植物-土壤系统碳储量分别是造林前的72、160倍，其中SOC增量分别为5 729、8 289 kg·hm-2，SIC增量分别为797、2 043 kg·hm-2［35］；流动沙丘营造小叶锦鸡儿灌木固沙林9、15、31年后，SOC储量分别增加88%、74%、145%［36］；随沙漠化的逆转从流动沙丘到半固定沙丘、固定沙丘、沙质草地，植物-土壤系统碳储量分别增加1.9、4.8、7.1倍［37］；上面的结果普遍源于“空间代替时间法”，而一项基于“原位重采样法”的沙漠化草地长期围封恢复研究表明在围封8、13、15年的时间尺度上SOC含量比参照基准（2.93 g‧kg-1）分别增加49.8%、62.8%、107.5%［38］。

2 区域尺度土壤有机碳时空分布变化特征

奈曼站研究团队以科尔沁沙地（采样面积12.03 万km2）为核心研究区辐射整个北方农牧交错带（采样面积65.46 万km2），开展了迄今为止在该区域关于SOC研究覆盖面积最大、样点密度最高的野外调查取样工作，以及精度最高的SOC储量估算［17，39-42］，取得重大进展。

2.1　SOC垂直分布特征

以西辽河为界将科尔沁沙地分为南北两部分，SOC含量随土层深度增加均呈递减趋势，同一土层SOC含量均表现为北半部显著（P<0.05）高于南半部，北半部0~10、10~20、20~40、40~60、60~100 cm土层SOC含量分别为13.3、10.62、8.23、6.24、4.81 g·kg-1，而南半部分别为6.08、4.59、3.77、3.25、2.97 g·kg-1，北半部、南半部0~100 cm土层SOC平均含量分别为8.64、4.13 g·kg-1。北方农牧交错带0~20、20~30 cm土层SOC含量分别为10.74、7.72 g·kg-1。

2.2　SOC水平分布特征

科尔沁沙地0~100 cm和北方农牧交错带0~30 cm土层SOC储量分别为863 Tg和2 248 Tg。科尔沁沙地0~100 cm平均SOC密度为6.84 kg·m-2，低于相同深度的中国和全球SOC密度（分别为9.60 kg·m-2和10.40 kg·m-2）；北半部SOC密度（8.85 kg·m-2）高于南半部（4.84 kg·m-2）。北方农牧交错带0~30 cm SOC密度变化范围为0.16~18.47 kg·m-2，平均为3.60 kg·m-2，表现为从西南向东北先增大后减小，接着又增大的趋势；最小值主要位于西南部的毛乌素沙地和黄土高原，以及东部的科尔沁沙地腹地，最大值主要分布在呼伦贝尔草原和大兴安岭东麓。

科尔沁沙地草地、农田、林地SOC储量分别占总储量的39%、26%、22%；不同土壤类型而言，地带性土壤黑钙土SOC储量占比最高（34%），其次为风沙土和栗钙土（分别为23%和21%）。北方农牧交错带草地、农田和林地SOC储量分别占总储量的37%、27%和23%；栗钙土SOC储量最高（25%），其次为黑钙土（23%），风沙土占10%，草甸土、黑垆土和褐土占比均为8%。依据土壤有机质划分的六级地力等级（一级最好、六级最差），科尔沁沙地和北方农牧交错带均以四级和五级为主，占比分别为37.2%和25.8%（科尔沁沙地）、41.6%和24.7%（北方农牧交错带）。

不同区域尺度上，SOC空间分布与经纬度均存在显著（P<0.01）的函数关系，与年均气温和干燥度显著负相关，与归一化植被指数（NDVI）、湿润指数和坡度显著正相关。然而，与降雨和海拔之间的关系在不同区域尺度上存在差异：科尔沁沙地北半部SOC空间分布与降雨表现为显著正相关、南半部不显著，北方农牧交错带SOC含量与降雨表现为显著正相关；科尔沁沙地SOC空间分布与海拔表现为显著正相关，而在北方农牧交错带不显著。对北方农牧交错带SOC密度与影响因子进行冗余分析（RDA），发现环境因子对SOC密度空间变异的累计解释率为49.5%，气温是影响该区域SOC空间变异最主要的因子。在科尔沁沙地以县域为计算单元，发现SOC密度与有林地、灌木林地、高覆盖度草地面积比例，以及地带性土壤类型（黑钙土、栗钙土）占比显著正相关，与沙漠化土地面积和风沙土占比显著负相关，表明了人类活动对SOC空间分布的显著影响作用。

2.3　近30年区域SOC储量变化

以20世纪80年代的第二次全国土壤普查数据为参比基准，发现近30年科尔沁沙地（0~20 cm）SOC储量减少44 Tg、速率为-12.29 g·m-2·a-1，北方农牧交错带（0~30 cm）SOC储量减少545 Tg、速率为-29.29 g·m-2·a-1。基于土地利用/覆被数据进行转移矩阵分析，表明退耕还林还草以及沙漠化土地恢复是区域SOC储量增加的主要因素，而草地退化或转换是SOC储量减少的主要因素。科尔沁沙地35.3%的区域表现为SOC储量增加，而64.7%的区域表现为减少：增加的13.4 Tg碳中，造林的贡献率为66%，草地面积增加的贡献率为30%；减少的57.7 Tg碳中，草地退化或转换的贡献率为54%，林地退化或转换的贡献率为23%，农田退化或转换的贡献率为17%。北方农牧交错带31.2%的区域表现为SOC储量增加，而68.8%的区域表现为减少：增加的64.8 Tg碳中，造林的贡献率为53%，草地面积增加的贡献率为40%；减少的609.6 Tg碳中，草地退化或转换的贡献率为61%，林地退化或转换的贡献率为17%，农田退化或转换的贡献率为12%。

气候变化分析表明，近30年科尔沁沙地年均气温以0.29 ℃/10a的速率显著增加（Z=2.74，P<0.01），年降雨量以19.01 mm/10a的速率不显著下降（Z=-1.40，P>0.05）。整个北方农牧交错带也表现为相同的变化趋势，年均气温以0.36 ℃/10a的速率显著增加（Z=3.64，P<0.01），年降雨量以14.44 mm/10a的速率不显著下降（Z=-1.38，P>0.05）。回归分析表明，气温与降雨变化对不同区域尺度SOC变化存在显著的协同影响（P<0.05），但决定系数非常低，表明二者并非主要影响因素。总体而言，退耕还林、还草等重大生态工程对北方农牧交错生态脆弱带的SOC储量增加发挥了巨大的作用。但是，该区域草地、林地和农田退化形势依然严峻，其造成的SOC损失完全湮没了生态工程实施带来的增碳效应，使整个区域土壤近30年总体表现为碳释放。因此，要合理调整研究区的农林牧业结构、加强草地的保护和可持续利用、实施农田保护性耕作措施，提升脆弱区生态系统的固碳功能。

3 沙地土壤呼吸特征及其影响因素

土壤呼吸是通过根呼吸、微生物对凋落物和土壤有机质分解以及动物呼吸从土壤中释放CO2的生态系统过程，代表了大气与陆地生态系统之间碳循环的第二大通量［43］。土壤呼吸作为土壤碳的主要输出途径和大气CO2重要的源，其精确测定是全球变化研究中的关键问题。奈曼站在沙地土壤呼吸方面开展的研究主要有：基于4个温度和4个土壤含水量梯度，认知了不同类型沙丘土壤呼吸对温湿度的响应特征，确定了温度系数Q10值的变化范围为流动沙丘1.90~2.15、半固定沙丘1.80~2.13、固定沙丘1.82~2.16［44］；不同强度放牧后自然恢复的沙质草地土壤呼吸速率表现为轻牧>无牧>中牧>重牧；结合碳平衡分析，沙漠化草地的恢复有益于大气CO2的固存，而适度（轻度和中度）放牧后的恢复更有利于增强碳汇功能［45］；采用封闭式动态气室法（closed dynamic chamber，CDC）和碱液吸收法（alkali absorption，AA）测定沙地不同生境土壤呼吸，结果表明两种方法具有很好的相关性，土壤呼吸速率均表现为固定沙丘>半固定沙丘>流动沙丘，但是AA测定的平均值比CDC低42%［46］；沙地生物结皮的形成能有效抑制土壤中的CO2向大气排放，其效应与生物结皮的厚度和黏粉粒含量成正比［47］；樟子松固沙林在干旱条件下的土壤呼吸随气温升高呈现指数下降，降雨后土壤呼吸显著增加，固沙林土壤呼吸对干湿变化的响应幅度明显大于流动沙丘［48］；科尔沁沙地典型玉米农田生长季土壤呼吸速率日均值为1.491~7.490 μmol·m-2·s-1 CO2，根系生物量是其关键影响因子［49］；生长季农田土壤总呼吸（RS）、异养呼吸（RH）和自养呼吸（RA）的Q10值为RA（4.35）>RS（3.10）>RH（2.08），RH和RA分别占RS的44.4%和55.6%［50］；首次基于LI-8150土壤碳通量自动测量系统以30 min频率获取的连续观测数据，发现沙质草地土壤呼吸与土壤含水量和土壤温度均符合二次多项式关系，并且当土壤含水量低于4.87%、土壤温度低于25.94 ℃时，土壤呼吸速率随含水量、温度的增加而增加［51］；生长于两类沙丘土壤中的4种沙生植物根系呼吸对土壤总呼吸的贡献率为57.16%~92.50%，物种间的差异表现为狗尾草>差巴嘎蒿>扁蓿豆>沙米［52］。

4 生态系统碳通量特征及其影响因素

基于微气象学理论的涡动相关技术，已成为国际通量观测研究网络直接测定植被与大气间碳、水交换通量的标准观测方法。奈曼站于2009年建立首个碳通量涡动观测系统，用于沙质草地生态系统碳通量的观测，此后陆续增设针对农田生态系统和沙丘草地（沙地）生态系统的涡动观测系统。近年来相关研究的主要结果如下［53-58］：

沙地、草地和农田生态系统生长季生态系统净碳交换量（NEE）日变化模式均表现为“U”型曲线，农田生态系统NEE的特征参数高于沙地和草地，沙地NEE月均日变化的吸收和排放峰值分别为-9.29、7.58 μmol·m-2·s-1，草地分别为-9.28、3.94 μmol·m-2·s-1，农田分别为-46.05、14.88 μmol·m-2·s-1；沙地、草地、农田生态系统生长季平均固碳量分别为60.06、52.53、485.29 g·m-2；年时间尺度上3类生态系统碳源/汇强度亦不尽相同，植被类型、降水及灌溉强度、耕作措施是影响同一生态系统内及不同生态系统间碳通量年际差异的主要因素；小时尺度上的通径分析结果表明，沙地、草地和农田生态系统白天NEE的主要影响因子均为光量子通量密度（PPFD），其次为空气温度（Ta），夜间NEE的主要影响因子为Ta，其次为表层（10 cm）土壤含水量（SWC）；随机森林模型可以较好地模拟沙地、草地和农田生态系统日尺度上的NEE变化（R2为0.94~0.96，RMSE为0.25~1.84），影响沙地生态系统碳通量的变量按重要性依次为深层（40 cm）土壤含水量、温度、降水量及PPFD等，影响草地碳通量的为地表10 cm土壤温度、PPFD、降水及土壤含水量等，影响农田碳通量的为饱和水汽压差、PPFD、土壤含水量及土壤温度等；基于对土壤自养和异养呼吸的区分，结合涡动通量观测结果，初步刻画了沙质草地生态系统的碳收支结构——土壤异养呼吸占土壤总呼吸的72%，土壤总呼吸占生态系统呼吸的77%，植物地上呼吸是根系呼吸的1.1倍，总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）分别为283、146 g·m-2·a-1；科尔沁沙地处于沙漠化恢复阶段的沙地和草地生态系统，受环境因素尤其是降水的影响，碳源/汇强度存在较大的不确定性，若未来区域降水量增加，研究区沙地和草地生态系统固定大气CO2的潜力将提升。

5 沙地退化生态系统修复的碳固存特征与机理

土地利用变化是影响陆地碳源和碳汇动态的主要因素，退化生态系统的恢复可以有效提升植被与土壤碳库。奈曼站开展的研究已充分证明了沙漠化土地生态修复的碳固存能力。2001—2023年，科尔沁沙地植被固碳能力以4.78 g·m-2·a-1的速率极显著上升，极显著恢复区域占比高达89.3%。气候从过去的暖干化向近期的暖湿化趋势转变是科尔沁沙地植被固碳能力提升的主要驱动力（贡献率54.4%），而在植被固碳能力退化的区域，人类活动主导作用仍不容忽视。针对科尔沁沙地以流动沙丘为主要地貌构成单元的严重沙漠化草地采取围封和造林措施后的碳固存研究表明，在禁牧围封25年［33］、樟子松造林28年［34］、小叶锦鸡儿造林31年［35］后，假定SOC随生态修复时间线性增加，1 m深SOC固存速率分别可达56.6、20.5、36.0 g·m-2·a-1；基于此速率，若严重沙漠化草地SOC含量要恢复到疏林草地原生景观的水平则通过禁牧围封和造林需74~205 a［42］，从土壤碳固存的角度反映出沙漠化土地的生态修复是一个漫长的过程。

在生态恢复的土壤碳固存机理解析方面，奈曼站研究团队从土壤轻组有机碳（LFC）［59-61］、土壤颗粒有机碳（POC）［62-63］、土壤微生物残体碳（MNC）［37］等角度开展了积极探索，主要研究结果如下：流动沙丘营造樟子松林25年和35年后，LFC占SOC的比例从14.50%分别增加到46.46%和50.38%；经长期过度放牧形成的沙漠化沙质草地围封12年后，0~100 cm SOC增加1 174.4 g‧m-2，LFC增加267.2 g‧m-2，LFC/SOC从13.6%增加到16.4%；流动沙丘围封和造林后有机碳在粗粒级（2.00~0.25 mm）中的积累速率分别为4.3、8.0 g·m-2·a-1，细粒级（0.25~0.10 mm）中为5.0、3.4 g·m-2·a-1，极细粒级（0.10~0.05 mm）中为4.5、4.2 g·m-2·a-1，黏粉粒（<0.05 mm）中为1.8、1.8 g·m-2·a-1；不同土地利用/覆盖类型土壤中各粒级结合有机碳占总SOC的比例排序，非沙漠化草地为粗粒级=极细粒级>细粒级>黏粉粒，30年樟子松林和30年农田为粗粒级>极细粒级>细粒级>黏粉粒，长期放牧和16年围封恢复草地为极细粒级>粗粒级>细粒级>黏粉粒；沙漠化沙质草地随围封恢复年限增加，MNC对SOC的贡献降低，而LFC的贡献增加，意味着沙漠化草地在恢复后期植物源C在SOC积累中起关键作用。总体而言，沙漠化土地生态修复过程中SOC积累主要发生在表层20 cm深度，土壤轻组有机碳和细颗粒结合的有机碳的增加是SOC固存的主要途径。基于对877个样品的综合分析表明SOC含量与土壤轻组干物质含量（r=0.792）、极细沙（r=0.248）和黏粉粒（r=0.696）含量极显著（P<0.01）正相关，与中粗沙（r=-0.558）含量极显著（P<0.01）负相关。

6 研究展望

科尔沁沙地作为中国北方重要的生态屏障和碳循环敏感区，其防沙治沙与生态修复固碳实践，不仅关乎国家生态安全与“双碳”目标的实现，更需立足科学前沿，深化机理探索与技术应用，为全球半干旱区生态修复与碳管理贡献中国方案，打造国际示范标杆，显著提升中国在防沙治沙领域的全球影响力与引领作用。未来工作应着力强化长期观测体系、促进多尺度整合研究、加强政策协同，加速科研成果向生态工程实践转化，推动沙区从“绿进沙退”迈向“碳汇富民”的可持续发展。结合当前国际前沿热点与区域实践，未来研究可重点关注以下方向。

多尺度碳循环动态监测网络的完善与数据整合。当前科尔沁沙地碳循环研究缺乏跨尺度、跨介质的系统观测网络。建议构建空-天-地一体化的长期定位监测体系，集成涡度相关法、遥感反演、同位素示踪技术等，实现植被-土壤-大气界面的碳通量动态解析。同时需加强历史数据与新建数据库的融合，量化气候变化与人类活动对碳源/汇时空格局的耦合效应。此外，科尔沁沙地综合治理工程中人工林与自然恢复区的碳固存速率差异、光伏治沙等新型模式对碳循环的调控机制研究，均需基于长期连续观测数据支撑。

生态修复措施对碳循环的影响机制。科尔沁沙地生态修复工程虽显著提升植被覆盖与土壤碳储量，但其碳固存的长期稳定性及生态阈值仍需深入探讨。未来可聚焦：①不同固沙措施对土壤有机碳库形成与稳定性的影响机制，尤其是微生物群落与酶活性的驱动作用；②植被恢复过程中植物功能性状（如根系分布、凋落物质量）与碳分配策略的关系，解析乔-灌-草配置模式的碳汇效率；③极端气候事件（如干旱、高温）对生态修复区碳循环的干扰与恢复力，评估碳库的脆弱性及适应性管理策略。

气候变化与人类活动的耦合效应研究。生态系统碳循环对气候变暖与降水格局改变的响应具有高度非线性特征，未来需结合区域气候模型，预测升温背景下碳汇功能的时空分异规律。此外，如放牧管理、土地利用转换等人类活动对碳循环过程的叠加效应尚未明晰，需量化自然过程与人为干扰的交互作用，为“双碳”目标下的生态-生产协同发展提供依据。

碳汇潜力评估与生态工程优化。科尔沁沙地碳汇潜力受限于水资源承载力与土壤养分条件，需从量-质-效多维度构建评估框架。例如：①基于土壤-植被系统水分利用效率（WUE）的季节动态，优化造林密度与物种选择，避免过度耗水导致的碳汇衰减；②探索“光伏+治沙”“林光互补”等新模式的碳-能-水协同增益机制；③将碳汇计量与生态补偿机制结合，推动沙区碳汇交易与生态产品价值实现，激发农牧民参与碳管理的积极性。

多学科交叉与技术方法创新。未来需强化生态学、地理学、遥感科学及社会经济学等多学科融合。例如：①开发适用于半干旱沙区的生态系统模型，耦合植被动态、土壤碳周转与风沙过程；②应用人工智能与大数据技术，提升碳循环模拟的时空分辨率与预测精度；③加强基于自然的解决方案（NbS）研究实现经济-生态协同发展，如利用乡土物种的适应性进化特征，设计低维护、高韧性的碳增汇模式。

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