中国土地荒漠化对土壤碳的影响研究综述

姚 斌 王 锋 冯益明

(中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091)

荒漠化与全球气候变化是当今世界面临的两大主要环境问题，困扰着全人类的生存和发展[1-2]。根据联合国防治荒漠化《联合国关于在发生严重干旱和/或荒漠化的国家特别是在非洲防治荒漠化的公约》(简称《公约》)的定义，荒漠化是指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化[3]。

当今世界荒漠化面积广大，影响众多人口的生存[4]。中国是世界上荒漠化面积大、分布广、类型复杂、危害重的国家之一。中国的荒漠化土地分布在全国18个省区的498个县(旗)，全国荒漠化土地总面积占荒漠化可能发生区域总面积的79.47%，高于69%的世界平均水平[5]。为了客观反映中国荒漠化发生区域，吴波等[6]按照联合国防治荒漠化《公约》的定义对中国荒漠化潜在发生范围进行了重新修订，修订后的中国荒漠化潜在发生范围总面积约 4 524 089.1 km2，约占国土总面积的47.11%，荒漠化潜在发生范围修订后比修订前面积增加 1 207 056.9 km2。中国荒漠化的未来发展趋势也是人们关注的焦点问题，慈龙骏等[7]采用HADCM2模型模拟2种气候变化模式下荒漠化生物气候类型区变化，结果表明，中国未来荒漠化气侯类型区及荒漠化面积都将继续扩大，区域干旱化程度将进一步加剧。董光荣等[8]利用建立的沙区降水、气温回归模型对我国的荒漠化发展趋势作了更长时段的预测，预测结果显示,就整个北方沙区来讲，气温升高，降水减少，未来80年自然荒漠化仍有扩大的趋势。

1 土地荒漠化对土壤碳的影响研究现状

土地退化是影响陆地生态系统土壤碳库的主要因素之一，土地荒漠化会导致众多的环境和社会问题出现[9-10]。土地荒漠化的一个直接后果是导致封存的土壤碳释放[11]，其与现代工业化过程中大量化石燃料燃烧排放的温室气体产生叠加效应，增高了大气中主要温室气体CO2的浓度，导致全球变暖,气温升高[12-16]。

大气中温室气体浓度激增导致地球变暖升温已是不争的事实，如何有效控制大气中的CO2浓度成为世界各国关注的焦点。随着研究的深入，陆地生态系统活动碳库对大气中CO2浓度增加的贡献已引起研究者的广泛关注[17-19]。研究者普遍认为,增加活动碳库的汇有利于减少陆地生态系统释放CO2，从而在一定程度上控制大气中的CO2含量，进而缓解导致地球变暖升温的温室气体效应。当前，森林、草原、湿地、农田等陆地主要生态系统的碳源、碳汇研究成为热点，取得了大量的研究成果[20-24]。然而，由于荒漠化地区(土地)多位于发展中国家，且多数研究者认为,荒漠化地区地面植被少，以流沙等为主，土壤有机碳少，以无机碳为主，其对CO2浓度升高及全球碳库的贡献小[25]。因而，国内外学者对作为陆地生态系统主要碳库之一的荒漠生态系统碳库重视程度不够，研究成果不多。以下侧重对国内土地荒漠化对土壤碳的影响研究状况进行概述。

2 国内研究进展

土壤有机碳对土壤生产力和气候变化有着深远的影响，近年来，土壤有机质被越来越多地认为是影响全球变暖的温室气体的源和汇[26]。国外对干旱地区荒漠化土壤流失及固碳潜力已开展了较多的研究[15，18]，我国是世界上受荒漠化影响最严重的国家之一，以荒漠化发展迅速、对环境和社会的影响深刻而备受世人的注目。但对土地荒漠化影响土壤碳的研究尚处于初始阶段，研究成果不多[11，16，27-28]，有关荒漠化地区土壤碳的研究主要集中于青藏高原、西北干旱、半干旱区及南方的喀斯特石漠化地区。

2.1 青藏高原土地荒漠化对土壤碳的影响研究

作为地球陆地生态系统重要组成部分的青藏高原，以其对气候变化的敏感性和在全球气候变化中的重要作用，在全球气候变化研究中占有极其重要的地位[29]。

青藏高原广泛分布的高寒草甸、高寒草原与高寒沼泽草甸草地等均属自然控制类型，并占据青藏高原的绝大部分面积，这类地表在欧亚大陆具有相当的区域代表性[30]，同时，青藏高原草地发育的高山草甸土、亚高山草甸土以及高山草原草甸土等高山土壤富含有机质，土壤碳密度明显高于其他地域[22，31]。近年来，诸多研究表明[32-33]，广泛分布于青藏高原的高寒草甸生态系统在自然扰动与人为因素的干扰下，作为生态系统主要指标的植被覆盖在青藏高原呈现明显减少的趋势，呈现出明显的退化态势，土地退化减少了植被生产力和土壤有机质的输入量，并加快了土壤有机质的分解速率，从而影响到高寒生态系统的碳循环。过渡放牧导致青藏高原高寒草甸生态系统转为碳源，每年碳的净排放量约为0.87 t/hm[33]。根据测算，近30年来，由于土地利用变化和草地退化导致青藏高原草地土壤碳流失量约为30.23×108g[32]。青藏高原三江源地区不同退化梯度土壤碳素含量动态研究也表明，随着土层加深及海拔高度降低，土壤碳素含量均表现为逐渐减少[34]。

沙漠化过程会导致草地生态系统的退化和土壤有机碳的流失，增加陆地生态系统向大气释放CO2，使退化土地成为陆地重要的碳源之一。研究结果显示，1990—2000年青藏高原黄河源区沙漠化不仅表现为面积的扩展，而且表现为沙漠化程度的加重，其间黄河源区沙漠化导致土壤有机碳流失量达4.11 Mt，每年从土壤中流失的有机碳平均为0.40 Mt[35]。然而，通过有效的沙漠化防治，沙漠化过程能够得到一定程度的控制，退化土地也会得到恢复。沙漠化土地的恢复将是增加陆地碳汇，减少大气CO2的有效途径之一。曾永年等[36]的研究结果显示，青藏高原黄河源区沙漠化土壤具有较高的固碳潜力，通过对沙漠化土地的有效治理，不仅能够改善区域生态环境，促进区域社会经济的可持续发展，而且将使黄河源区成为增加陆地碳汇的重要区域之一。另有研究表明,青藏高原原生高寒嵩草草甸土壤退化后流失的碳比氮多，对原生高寒嵩草草甸重度退化地进行自然恢复或松耙混播重建多年生植被可以作为系统固定碳(碳汇)的一个途径[37]。

由以上分析可知，鉴于青藏高原区特殊的地理位置及恶劣的自然环境，目前国内对青藏高原地区土壤碳库收支的基础研究既少又缺乏系统性，尚无法全面、系统地评估该区域土壤碳源/汇的大小、分布及其变化。

2.2 西北干旱、半干旱区土地荒漠化对土壤碳的影响

2.2.1土地荒漠化对土壤碳的影响研究 我国西北干旱、半干旱地区面积广大，由于受自然条件和人为因素的综合影响，荒漠化趋势显著[6-8]，监测数据表明,我国北方沙质沙漠化在20世纪50年代以来一直呈现出扩展的趋势[5]。近年来,中国土壤碳库成为一个小小的碳源，其主要的原因之一是北方沙漠化严重，过度开垦和放牧导致土壤有机碳释放[38]，而土壤碳的丧失与沙漠化的发生与发展有必然的联系[39]。有研究表明，1950—1990年我国土壤沙漠化导致的碳排放总量为2.812 Pg[16]；据估测若中国所有的沙漠化土地退化一个类型级别，则释放的CO2量可达309.2 Mt[27]。Qi等用中国17个典型沙漠(地)不同退化程度地块1 m深土层内有机碳的含量及沙质荒漠化动态的评价结果，估算出中国沙质荒漠化土壤中有机碳储量为 7 184 Pg[11]，在过去40年中因沙质荒漠化而损失的土壤有机碳的净损失量为 2 168 Tg。如果沙质荒漠化扩展的速率保持不变，到2000年和2030年土壤有机碳的损失量将分别增加151 Tg和 1 243 Tg[28]。Duan等[16]的估算结果则显示,我国沙漠化土地0～50 cm土层中有机碳的总储量为 753.143 Mt，近40年来我国荒漠化土地净释放到大气中的CO2量为124.475 Mt。

科尔沁沙地是我国著名的4大沙地之一，处于典型的农牧交错区，因而在我国北方干旱、半干旱地区土地荒漠化对土壤碳的影响研究中对其关注程度较高。李玉强等[40]的研究结果表明,科尔沁沙地沙漠化过程中土壤碳含量衰减，质地变粗；沙漠化初期有机碳衰减速率快于沙漠化后期，沙漠化过程中土壤有机碳衰减速率快于全氮。科尔沁沙地不同退化沙地土壤碳的矿化潜力研究显示，流动沙地土壤有极低的土壤有机碳含量及微弱的土壤微生物呼吸，表明土壤沙漠化不仅导致土壤有机碳库衰竭，也使土壤微生物活性丧失[41]。

沙区人工造林被普遍认为是逆转土地沙化及增加碳汇的有效措施之一，干旱、半干旱区造林不仅能够改善当地的生态环境、防风固沙、防止水土流失、提高生产力，而且逐渐成为一个重要的陆地碳库[42-43]。根据预测，未来的50年间，干旱、半干旱地区每年能固定碳1.0×1015g[44]。相关数据显示，1985—2000年，我国科尔沁沙地以及周边地区约有 28 300 hm2的草地转变为人工林[45]。然而，胡亚林等[46]研究指出，沙质退化草地造林后地上植被覆盖的变化，引起土壤养分循环过程发生相应改变，半干旱区科尔沁沙质退化草地营造人工樟子松30多年后土壤有机碳含量有所下降，造林作为该地区退化生态系统的恢复手段具有一定的局限性。故而，虽然许多国家将干旱、半干旱区造林作为全球一个重要的碳汇，但干旱、半干旱区造林也能对区域生态环境产生一些负面影响，包括土壤质量下降、植被群落结构衰退、物种多样性降低以及病虫害爆发等[47]，沙区造林的实际生态效应需要谨慎评估。

近期的一些研究[48-49]认为，半干旱区沙漠化土地的治理有着较高的碳截存潜力，但碳截存的实现必须在大范围内实施合理的土地利用和土壤、植被管理措施。沙地草地是中国北方分布广泛的一类土地资源，也是易发生沙漠化的区域。禁牧作为目前正在广泛实施的一项恢复自然植被、保护生态环境的重要举措，将对区域碳的截存和循环产生显著影响[50-52]。科尔沁沙化草地持续放牧和围封恢复下土壤系统的碳储存研究结果表明，在风蚀严重的科尔沁沙地，沙化草地在采取有效的保护措施后，可以增加土壤的碳汇容量[50]。不同沙漠化阶段科尔沁沙地土壤碳储量的衰减表现为沙漠化初期快于沙漠化后期，沙漠化过程中土壤有机碳储量的衰减要快于全氮[51]。左小安等[52]分析了科尔沁沙地沙丘固定和植被恢复过程中土壤的理化性质，结果表明，沙丘植被修复过程中灌丛的发育对土壤有机碳存储具有明显的正向效应。He等[53]研究了沙地逆转过程中土壤颗粒碳、氮变化，结果表明，封育可使土壤颗粒碳、氮大幅度增加，尤其在0～10 cm土层中增加较多。沙漠化对科尔沁沙质草地土壤碳平衡的影响研究表明，草地碳储量随沙漠化的发展而明显降低；沙漠化可使草地碳平衡受到明显破坏，草地一旦沙漠化即成为“碳源”。为了促进沙漠化草地碳库的恢复，应加强沙漠化草地的治理，促进草地植被的恢复重建[54]。另有研究表明,从潜在沙漠化到严重沙漠化阶段，内蒙古科尔沁沙地土壤有机碳储量下降90.9%，沙漠化程度每加重一级，即从潜在退化到轻度，轻度退化到中度，中度退化到重度，重度退化到严重，科尔沁沙地土壤有机碳的储量分别下降52.2%、49.5%、46.2%和24.0%[55]。

2.2.2土地荒漠化逆转过程对土壤碳的影响研究

研究表明，荒漠化土地碳截留的潜力巨大[56-57]，荒漠化防治导致的沙漠化逆转不仅能改善生态环境，促进社会经济良性循环，而且土壤碳的固定对缓解CO2排放和全球气候变化具有重要意义。

土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)是反映土地荒漠化的重要指标，荒漠化和土壤有机碳受自然因素和人类活动因素的综合调控，其中土地利用、覆盖和管理方式的变更是最直接的驱动因子[56-58]。半干旱区沙漠化土地的治理有着较高的碳截存潜力，持续的恢复可以逐渐提高土壤有机质含量。中国是一个荒漠化非常严重的国家，荒漠化面积分别占干旱区面积和国土面积的79%和34%，我国干旱荒漠化土地对全球碳循环和缓解CO2的排放具有很大的潜力，在全球气候变化中具有重要意义[59]。根据Duan等[16]估算，我国荒漠化土地的固碳潜力为 360.04 Mt。中国北方在过去的40多年里因沙漠化的逆转而截存了59.12 Mt的碳，大约有10%的沙漠化土地已恢复到接近于其初始状态的碳含量水平[60]。如果中国所有的沙漠化土地能够逆转一个等级，则土壤可截存236.04 Mt碳，对应的CO2量为中国因土地沙漠化而释放的CO2总量的15.7%；若中国所有的沙漠化土地能够完全逆转，则土壤截存的碳量更为可观[16]。

具体实践过程中陈淑兰等[59]研究了陕西榆林市沙漠化逆转地区土壤有机碳的时空动态特征，指出沙漠化逆转能显著提高沙漠化地区土壤的固碳能力。Li等[61]对宁夏腾格里沙地的研究也得到了类似的结果。刘方明等[62]研究了科尔沁沙地小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)人工固沙林0～50 cm土层在0、5、10、22 a的时间序列上土壤有机碳的动态，结果表明，各层次土壤有机碳含量和储量随小叶锦鸡儿种植年限的增加而增加。随着沙漠化逆转时间的增加，土壤受到的扰动减少，地表植被类型和数量的增加，输入土壤中的有机物质增多，且风蚀等作用减少，导致土壤有机碳积累增多[63]。Lal和Follett[64]通过研究，估算出全球干旱土地通过恢复退化土壤和沙漠化治理，碳固存潜力将增加到0.9～1.9×1015g/a。沙漠化土地的持续恢复可以提高土壤有机质含量[50]，沙化土地恢复过程中植被防止了土壤风蚀，避免了有机碳含量较高的表层土壤流失，也有利于土壤碳的截存[65]。因而，退化生态系统恢复可增强陆地碳吸收量，减少陆地碳排放量，恢复与重建退化生态系统成为减缓土壤有机碳施加于环境的负面效应的主要调控对策，退化生态系统恢复后将成为中国未来一个极为重要的“碳汇”[66]。研究结果显示,20世纪50年代以来，我国最大的内流河塔里木河流域土地荒漠化趋势明显，荒漠化对塔里木河下游土壤有机碳影响较大，自1959年至1996年，塔里木河下游地区沙漠化面积不断扩大，有机碳含量下降显著，导致许多封存的土壤碳排向到大气。然而，近期的研究表明，在生态恢复过程中，塔里木河下游退化土壤中有机碳含量显著增加，但是，退化土壤有机碳的增加将是一个缓慢的过程[67]。

由以上分析可知，西北干旱、半干旱区土地荒漠化对土壤碳的影响实证研究相对较多，也取得了一定的成果。然而，由于欠缺该区域土壤碳循环方面的基础数据及荒漠生态系统碳库收支计算方法的不确定性，目前尚无法对该区域受荒漠化影响土地土壤碳的情况进行较为全面准确的估算及评估。

2.3 喀斯特土地石漠化对土壤碳的影响研究

石漠化即喀斯特荒漠化或石化，与我国西北一带沙漠化现状相似，是土地劣化演变的极端形式之一，是土地退化的一种特殊形式，我国的石漠化地区主要分布在南方喀斯特地区。喀斯特石漠化属于土地荒漠化的范畴，本质是土地生产力衰退甚至丧失的过程。

国内相关学者也对石漠化对土壤碳的影响做了研究[68-70]。卢红梅等对花江峡谷不同石漠化阶段土壤有机碳的变异特征研究表明，喀斯特生境中土壤具有高度异质性，人为干扰方式对土壤有机碳含量变异性的影响很大，随着石漠化程度的加剧，樵采和开垦系列样地土壤有机碳含量呈现不断降低的趋势[68]；土壤有机碳分组分析测试表明，随着石漠化程度的加剧，土壤总有机碳、轻组有机碳和重组有机碳含量均呈降低趋势，且轻组有机碳占总有机碳的比例有减少趋势[69]。我国西南喀斯特地区石漠化过程对喀斯特地区土壤中有机质组成有明显的影响，不同石漠化阶段土壤有机质组成有明显差异，土壤中胡敏素、富里酸与胡敏酸均表现出未石漠化>潜在石漠化>轻度石漠化>中度石漠化的趋势[70]。李孝良等[71]研究发现：在贵州省喀斯特地区随石漠化程度增加，土壤总有机碳、轻组有机碳和重组有机碳含量均呈降低趋势，且轻组有机碳占总有机碳的比例有减少趋势。在土体分布上，研究区土壤总有机碳含量从大到小均依次表现为表土层、心土层、底土层，且随石漠化程度加深，表现出表土侵蚀现象。

另有研究发现,在粤北石漠化从轻度向极重度发展的过程中，土层厚度、土壤覆盖度和土壤有机碳含量均呈显著下降趋势，土壤有机碳含量在石漠化初期下降幅度更大，而土层厚度、土壤覆盖度在石漠化发展的后期阶段下降程度更为明显，这些都在一定程度上体现了石漠化过程的土壤退化本质[72]。

由于我国西南地区特殊的生境及人文条件限制，石漠化成为制约我国西南地区社会经济发展的关键生态因素之一。然而受经济、自然地理条件及人们认识水平的制约，西南喀斯特石漠化地区的土壤碳研究尚处于起步阶段，鲜见全面系统的研究及成果报告。

3 研究展望

荒漠化是当今世界面临的主要环境问题之一，土地荒漠化能够导致封存的土壤碳释放，增高大气中主要的温室气体CO2的浓度，导致全球变暖、气温升高。在碳循环研究中，一个重要的科学问题是回答区域或全球的碳源、碳汇的大小、分布及其变化。然而，由于中国荒漠化地区土壤的碳汇资料奇缺，目前很难对中国广大荒漠化地区土壤的碳源、碳汇问题作出较为准确的评估。因而，针对我国荒漠化地区土壤碳的研究现状，加强对超过我国1/3的国土面积荒漠化及潜在荒漠化地区土壤碳循环的研究意义重大，是人们必须面对的重大现实科学问题。

针对我国广大荒漠化地区土壤碳循环研究缺失的现实，近期应加强下列研究工作：1)加强有关荒漠生态系统土壤碳循环方面的基础数据的收集整理工作，为今后具体工作的开展奠定基础；2)进一步加强荒漠生态系统碳库收支计算方法的研究，以便提高研究结果的准确性和精确性，为全面系统地评估荒漠化对我国土壤碳的影响提供技术支持；3)加强我国荒漠化地区土壤碳源、汇的实证研究，基本改变荒漠化地区土壤碳汇资料奇缺的现实；4)加强对青藏高原及我国南方喀斯特石漠化区等对维系我国可持续发展起关键作用的特定区域的土壤碳库收支的基础研究，以使能全面地、系统地估算和评估其区域碳源/碳汇的大小、分布及其变化。

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