水土保持植物措施碳汇研究综述

张杰铭,赵广举,金 秋,张永娥,丁 琳,张续军

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029;2.中国水利水电科学研究院,北京 100048; 3.水利部 水土保持监测中心,北京 100053)

气候变化给人类生存和发展带来了严峻的威胁和挑战,在众多影响因素中,人类活动引起大气环境中温室气体浓度升高已成为全球气候加速变暖的主要根源[1]。联合国气候变化框架公约定义温室气体“源”为产生温室气体、气溶胶或温室气体前体的过程、活动或机制,将从大气环境中去除温室气体、气溶胶或温室气体前体的过程、活动或机制,定义为温室气体“汇”[2]。而碳循环,作为全球最重要的生物地球化学循环过程之一,深刻影响着人类的生存环境,同时也是衡量全球生态系统是否健康的重要标志[3]。

水土流失是目前我国面临的最严重的生态环境问题之一,水土流失不仅造成了水土资源流失,同时也导致土壤中的有机碳在水平空间位置上发生迁移。受植被生产力降低和土壤有机碳迁移的强烈影响,全球每年因水土流失问题造成土壤有机碳的水平迁移总量约为2.7万亿t[4]。LAL[5]研究表明,虽然因水土流失而发生转移的一部分碳(0.4万亿～0.6万亿t)可能被掩埋而成为碳汇,但是大部分的碳(0.8万亿～1.2万亿t)通过矿化作用排放到大气环境中,成为碳源(形式为二氧化碳或甲烷)。此外,水土流失还破坏土壤本身的团聚体结构,造成土壤中的有机碳成分出露,导致土壤中有机碳的矿化速率进一步加快。一些研究表明,土壤侵蚀和沉积过程伴随着碳迁移过程,侵蚀土壤中70%～80%的有机质被矿化[6]。2021年,国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》,对推进碳达峰工作进行了总体部署,制定了各个领域和行业的碳达峰实施方案和保障计划,提出了加强退化土地的恢复和管理措施,并将水土流失综合治理作为“巩固和提高碳汇能力行动”的一部分,要求各地区、各部门、各行业重点开展“碳达峰十大行动”。2022年,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于加强新时代水土保持工作的意见》,明确了现阶段和今后一个时期水土保持碳汇领域迫切需要开展的重点研究方向主要围绕水土保持碳汇能力提升基础理论和关键技术研发、水土保持碳汇纳入温室气体自愿减排交易机制、水土保持碳汇能力评价指标和核算方法的提出和构建等几个方面。

近年来,我国持续推进水土保持措施建设,水土保持工作成效显著。其中水土保持植物措施面积约占水土保持措施面积的79%[7],是防治水土流失、恢复植被覆盖的重要技术手段,然而目前关于系统评价水土保持植物措施碳汇能力的研究还比较少。本研究通过总结水土保持植物措施的碳汇意义、内涵及其机理、计算方法、国内外研究进展等,以期为水土保持领域实现更高水平的固碳增汇、陆地生态系统的提质增效提供理论支撑。

1 水土保持植物措施的碳汇意义

为了应对气候变化,早日实现“双碳”目标,我国将减排固碳增汇和生态环境保护作为主要任务。森林和草原生态系统作为陆地上最大的碳库,是陆地生态系统的重要支柱,也是应对气候变化的关键因素[8]。森林、草原等植被通过光合作用吸收并固定大气中的二氧化碳,降低空气中二氧化碳浓度,在应对全球气候变化方面具有重要地位,是全球生态系统碳循环研究中的热点。

防治水土流失,保护、改善和合理利用水土资源,既是生态文明建设的要求,也是早日实现“双碳”目标的重要途径[9]。水土保持植物措施可以增加土壤有机碳含量,实现土壤改良,同时提升生态系统的水土保持效益和水土保持碳汇能力。与工业上应用较为广泛的碳捕集、碳封存、碳利用技术相比,水土保持植物措施通过对受损的现有生态系统实施生态修复,对生态系统结构和功能进行优化,可显著提升植被和土壤的碳储存和碳吸收能力,且其固碳增汇功能具有环境友好、可持续发展的优势,既是实现“双碳”目标的重要途径[10],也是全球范围内各国采取的最经济、最安全、最有效的固碳手段和应对全球气候变化问题的重要技术手段[11]。

2 水土保持植物措施碳汇功能的内涵和机理

水土保持植物措施碳汇功能是指利用森林、草原等植被的碳储存功能,通过植树造林、种草、封禁治理、加强森林管理等方式,促进植被吸收和固定大气中的二氧化碳,降低因土壤侵蚀而损失的土壤碳储量的能力。水土保持植物措施碳汇功能包括植被碳汇、土壤碳汇和保土固碳3个方面。其中:①植被碳汇指水土保持植物措施通过栽植植被的光合作用吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被内部,降低空气中二氧化碳浓度,增加植被的碳储量。值得注意的是,由于植被叶片的季节性枯落、果实的成熟收获等,部分固定的碳储量又回到大气中或进入土壤中,因此乔灌木的花、枝叶、果实等不计入植被的碳汇量。②土壤碳汇指水土保持植物措施可以改善土壤结构,加快土壤有机质分解速度,提升土壤的储碳能力,增加土壤有机质含量。③保土固碳指水土保持植物措施可减少径流量和流速,使水流挟沙能力下降,土壤有机碳的迁移量减少,土壤有机碳的矿化速率减慢,进而提高土壤的固碳功能。

3 水土保持植物措施碳汇量的计算方法

3.1 植被碳汇量计算方法

3.1.1 生物量法

生物量法是目前碳汇量计算中应用最为广泛的方法之一,其优点是技术原理简单、参数易获取、易操作、成本低等。主要参数指标包括单位面积范围内的生物量、森林面积、草地面积、树木各器官中生物量的分配比例以及各器官的平均含碳量等[12-13]。其中可以采取皆伐法[14]、相关曲线法[15-16]和标准木法[17]获得样地植被的平均生物量。方精云等[18]利用生物量法推算了中国森林植被碳库;周玉荣等[19]利用生物量法对我国主要森林生态系统中植被碳储库进行了测算。

3.1.2 固碳系数法

固碳系数法是通过在研究区域内进行抽样调查,确定乔木、灌木、草等主要植被类型的平均固碳速率,再结合主要植被类型的种植面积和时长来估算总固碳量[20]。固碳系数法可以连续测量和模拟植被碳汇量的变化情况,具有操作性强、计算结果稳定性高等优点。

3.1.3 蓄积量法

蓄积量法的基本原理是对森林样地中的林木进行实测,基于林木的平均密度和森林总蓄积量计算森林平均生物量,再通过森林生物量和碳含量之间的转换系数计算得到森林碳汇量[21]。由于大部分学者仅对地表以上的森林碳汇量进行测量,经常忽视林下植物固碳量、地下腐殖质等,因此目前许多研究基于蓄积量法得到的森林碳汇量结果普遍较低。蓄积量扩展法是基于蓄积量法的原理,将森林碳汇量分为森林碳汇、林下植物碳汇、林地碳汇3个部分[22],其中森林碳汇是以森林蓄积量为基础,通过蓄积量扩大系数、容积密度、含碳率计算获得;林下植物碳汇和林地碳汇是通过森林蓄积量和转换因子计算获得。该方法简单易行,可对大范围的森林碳汇量进行宏观估算。

3.1.4 生物量转换因子法

生物量转换因子法又称为材积源生物量法,是将生物量转换因子看作是一个恒定的常数,根据生物量和蓄积量之间的回归方程计算得到总生物量,再通过生物量与植被碳含量得到碳储量[23]。其优点是简单易行,可推算大尺度森林碳储量,不因时段不同而发生变化;缺点是实际情况中生物量转换因子不是常数,与林木的林龄、种类组成以及林地条件和林分密度等诸多因素有关,只有当材积很大时才趋于一个常数。在实际运用中,通常将木材密度和生物量转换因子定为常数,对于未受干扰的天然林,湿润、干旱、半干旱地区的木材密度通常为1.57、1.95、1.74 g/cm3,生物量转换因子通常为1.6[24]。

3.2 土壤碳汇量计算方法

3.2.1 土壤有机碳质量比方法

根据土壤普查数据和农田肥力调查数据中各土壤属性的有机碳比例,计算土壤有机碳质量比和土壤有机碳库,主要包括面积加权平均有机碳质量比法、有机碳密度法和有机碳库法3种方法。其中:面积加权平均有机碳质量比法涉及的参数有土壤有机碳质量比、土壤有机碳质量分数、土壤有机碳单位折算系数、土地面积和土属数量等;有机碳密度法涉及的参数有表层土壤厚度、表层土壤容重、表层土壤有机碳密度、表层土壤温室气体有机碳质量比、面积转换系数等;有机碳库法涉及的参数有土壤有机碳库、土地面积等。

3.2.2 基于土壤有机碳密度的计算方法

程先富等[25]提出了基于土壤有机碳密度的土壤碳汇量计算方法。土壤有机碳密度指单位面积和一定深度范围内土层中土壤有机碳储量,基于土壤有机碳密度的计算方法涉及的参数有区域内各土壤类型的土壤有机碳密度、各土壤类型的地块数量和面积等。

4 水土保持植物措施碳汇研究

4.1 水土保持植物措施对生态系统固碳能力的影响

国外一些学者对植被不同部位、不同类型和不同区域的碳储量差异性进行了研究。SAEED et al.[26]以巴基斯坦杰赫勒姆地区旁遮普省的贝拉森林为研究对象,对贝拉人工林上层植被、下层植被和土壤中的碳储量进行了评估,研究发现,在不同的碳库中,上层植被生物量储存的碳量最多(约占83.53%),土壤储存的碳量最少(约占15.23%)。KHANAL et al.[27]在阿根廷西北部胡胡伊省帕尔帕拉县Jarneldhara和Lipindevi Thulopakho森林的每个样地采集了不同深度的土壤样本,对2个研究区森林样地中的单棵树木进行了测量,研究发现,Jarneldhara和Lipindevi Thulopakho森林的地上碳库和地下(根)碳库分别为36.6±3.4、10.5±1.0 t/hm2,40.2±4.0、11.4±1.1 t/hm2,Jarneldhara和Lipindevi Thulopakho森林的土壤有机碳库分别为121.4±7.4、94.6±4.4 t/hm2,研究区气候环境差异是造成碳储量差异的主要原因。DASS et al.[28]通过一系列建模试验,发现在应对21世纪气候变化时,美国加利福尼亚州的草地比森林更具碳汇弹性,草地对温度升高、干旱和火灾的适应能力,再加上地下碳汇的优先碳库,可对固存在陆地上的碳起到保护作用,使其不会再进入大气层中,而加利福尼亚森林似乎无法应对全球气候变化,至少到21世纪中叶就会从大量的碳汇转变为碳源。

国内许多学者以植被碳储量的差异性研究为基础,分析不同植被恢复方式对生态系统固碳功能的影响。许小明[29]以北洛河黄土丘陵地貌区为研究区,对不同植被恢复方式的生态系统固碳功能进行了深入分析。研究发现:生态系统的固碳功能在人工植被恢复和自然演替过程中均得到提升,植被长期恢复产生的碳汇作用更为明显;植物多样性的增加有助于生态系统碳密度的增加,在人工和自然恢复方式下,地上部分、地下根系和枯枝落叶的碳密度总体上按降序排列依次为乔木、灌木、草地和坡耕地;随着恢复时间的增加,在不同的植物组分和土层中,植被碳密度和土壤有机碳密度均普遍升高;不同人工林生态系统类型的碳密度差异比较明显,草地、沙棘、柠条、刺槐和小叶杨碳密度分别是坡耕地碳密度的1.49、2.53、2.25、2.66、6.31倍;与坡耕地相比,乔、灌木和草地的固碳能力分别提高到4.09、1.70、1.48倍;群落盖度、玛格列夫指数、香农-威纳多样性指数、地上生物量、根系生物量及枯落物的蓄积量对生态系统碳密度的影响也较为显著(p<0.05)。李智广等[30]通过收集广东省新增水土保持措施及其水土保持功能等方面的监测统计数据,运用碳汇速率方法对2021年广东省新增水土保持措施的碳汇能力进行了评估。结果显示:2021年广东省新增水土保持措施的碳汇能力约为49万t/hm2,其中封禁治理林地的碳汇能力、水土保持保土固碳效益和乔木林地的碳汇能力这三方面的占比相对较大,分别占总碳汇量的44.50%、27.27%、27.09%;广东省北部山区和高丘陵地区的碳汇能力较强,中部盆地地区的碳汇能力总体处于全省中等偏上的位置,而南部地区和沿海地区的碳汇能力则较低。钟小剑等[31]以福建省罗地河小流域为研究对象,围绕小流域综合治理时水土保持林草措施实施后的碳汇效应开展了研究。研究表明,采取水土保持林草措施后,小流域碳汇能力得到显著提升,土壤和植被的碳储量年均分别增长3.35%和15.75%,且各树种碳汇效应存在差异,树种碳增汇能力从大到小排序为板栗、马尾松、杨梅。

4.2 水土保持植物措施对植被固碳的影响

国内许多学者针对不同植被类型区开展水土保持植物措施对植被固碳功能影响的研究。高春泥等[32]运用林业碳汇项目方法学对长江上游地区“十三五”期间(2016—2020年)新增水土保持植物措施后的净碳汇量进行了测算。结果表明:新增植物措施面积是影响林木净碳储量变化的重要因素,各碳层净碳汇量随碳层面积的增加而增加,各碳层净碳汇量与各碳层内林木生长量息息相关,当林木生长到一定程度后,其生物量逐渐维持至恒定水平,同理,年净碳汇量也趋于稳定;影响林木净碳储量变化的重要因素包括林木的生长速度和生长状况,在水土保持林中,针叶林、阔叶林及针阔混交林的净碳储量变化趋势相同,长江上游地区的水土保持林草措施中针叶林占比大,因此其净碳储量最大;不同省份的碳汇价值存在差异,甘肃、湖北、陕西和云南等省的碳汇价值较高,而重庆、西藏碳汇价值较低,且水土保持植物措施所创造经济价值也与地区间差异直接相关。

水与二氧化碳的交换关系对于土地管理和相关政策制定十分重要,尤其是对于荒漠化土地恢复,然而沙漠中人工种植林地的水利用和碳封存仍然存在不确定性。YU et al.[33]利用涡度协方差结合水文气象测量数据,对2020年7月至2021年中国腾格里沙漠人工种植的灌木梭梭林进行了连续的水和碳通量测量。研究发现,2021年蒸散量为189.5 mm,其中85%发生在生长季节,与降水量、露水和其他潜在来源(如深层地下水)的总和相当;灌木梭梭林生态系统是一个强大的碳汇,其生态系统年净生产量高达446.4 g/m2,远高于周围的地点,灌木林地的总初级生产力与其他灌木林地相当,而生态系统呼吸作用则较低;环境因子对水分和碳交换的影响是不同的,即土壤水热因子(土壤含水量和土壤温度)决定蒸散发和蒸腾量的大小和季节模式,而空气动力学因子(净辐射、大气温度和风速)决定总初级生产力和净生产量。结果表明,鉴于梭梭林的低用水量和高固碳量,它是适合在干旱地区大规模种植的植物种。

樟子松是我国“三北”地区造林的重要树种之一,研究樟子松人工林生态系统净交换及其影响因素对我国“三北”地区生态修复有着重要意义。高翔等[34]利用涡度协方差系统及其辅助仪器测量了2020年辽西樟子松人工林净生态系统碳交换及其环境因子。结果表明:在半小时尺度上,人工林在夜间排放碳,在白天固碳,5—8月碳固存受到下午干旱胁迫的抑制;在日尺度上,夜间净排放效应的季节动态主要受土壤温度和水分的控制,而白天净排放效应的季节动态主要受土壤水分和干旱胁迫导致的水汽压差的控制,当土壤干燥时,降水促进了夜间和白天的净能效,并改善了光合和呼吸参数;在月尺度上,白天生态系统净交换与生态系统表观量子产率和生态系统最大光合能力呈显著的负线性关系。当空气温度低于5 ℃时,10 ℃生态系统呼吸速率和生态系统呼吸温度敏感性随气温降低而呈线性增加。2020年,辽西樟子松人工林的年累积生态系统净交换为-145.17 g/m2,说明总体上碳汇能力较弱。

荒漠生态系统的二氧化碳交换在全球碳循环中发挥了重要作用,针对以灌木为主的荒漠生态系统的二氧化碳交换对降水变化的响应问题,XU et al.[35]以我国西北部的唐古拉山荒漠生态系统为研究对象,开展了为期10 a的长期增雨试验,在2016年和2017年的生长季和3种增雨处理(自然降水不增加、增加50%和增加100%)下,测量了生态系统总光合作用、生态系统呼吸作用和生态系统净二氧化碳交换量,研究沙漠生态系统中生长季生态系统二氧化碳通量对增雨的不同响应。研究发现,总光合作用与降雨量呈非线性响应,而呼吸作用与降雨量呈线性关系;生态系统净二氧化碳交换量沿降雨量梯度呈非线性响应,降雨量饱和阈值在+50%到+100%之间;生长季净二氧化碳吸收效应在增雨处理下显著增强;虽然2016年和2017年生长季的自然降雨量波动很大,分别达到历史平均值的134.8%和44.0%,但碳吸收效应值保持稳定。结果表明,在降雨量不断增加的背景下,荒漠生态系统的生长季二氧化碳同化量将会增加,在水土保持植物措施实施时,应考虑到荒漠生态系统的总光合作用和呼吸作用在降雨情况变化下的不同响应。

4.3 水土保持植物措施对土壤碳库的影响

退耕还林、人工造林、梯田和淤地坝建设等均是黄土高原水土保持的主要措施,这些有效的保水固土措施对土壤有机碳分布产生重要影响。众多学者针对生态修复后黄土高原是土壤碳的“源”还是“汇”,开展了大量研究。SHI et al.[36]在黄土高原某流域100 cm土壤剖面上采集了1 060个土壤样本,研究土地利用变化与拦水坝建设相结合对土壤有机碳分布的影响。研究发现:0～20 cm土层的土壤有机碳浓度高于20～40、40～60、60～80和80～100 cm土层;林地、灌木林地和台地0～20 cm土层的土壤有机碳浓度明显高于坡耕地和坝耕地(p<0.05)。结果表明,土壤有机碳通过土地利用变化在流域内重新分布,地形因素(包括海拔、坡度和坡向)对土壤有机碳浓度有影响,在评估土壤侵蚀子系统内的碳固存情况时,应考虑对山坡和河道沿线进行水文控制。FENG et al.[37]利用遥感技术和生态系统模型,以2000—2008年实施的退耕还林工程为切入点,对我国生态系统中固碳量的变化进行了定量评估。袁和第[38]以我国水土流失重点治理区域——黄土高原中的黄土丘陵沟壑区为主要调查对象,以土壤有机碳为指标评价,以人工干预恢复措施为重点,开展林草措施土壤改良效益研究。研究发现,退耕还林工程实施以来,黄土高原生态系统由2000年的净碳源向2008年的净碳汇转变,产生了显著的碳汇效益。许明祥等[39]研究表明,水土保持植物措施对土壤养分的影响主要体现在土壤表层,对距地表20 cm范围内的土层影响最大,对20～40 cm土层的影响次之,而对40 cm深度以下土层的影响最小。

黄土高原植被恢复中不同植被类型的固碳效果同样存在差异。谭清月[40]以退耕后不同植被恢复类型(包括乔木林地、灌木林地及撂荒草地)为研究对象,通过野外调查采样(267个样点)和文献数据整合(537个样点)相结合的方式,构建了黄土高原植被和土壤固碳量数据库,系统研究了黄土高原植被恢复过程中碳汇功能的变化特征以及区域分异规律,提出了人工植被恢复方式下碳汇功能提升策略与管理措施优化方案。结果表明:黄土高原的植被恢复使得该区域植被固碳量和0～200 cm土层范围内的土壤碳储量显著增加,与农田相比,植被固碳量和土壤碳储量分别提高74.44%和41.29%,不同植被类型中,槐树人工林植被固碳量增加效果最明显,土壤碳储量的增幅效果最优,分别增加108.27%和68.65%;植被恢复方式对植被和土壤碳储量的增加效应,均随着恢复时间和降雨量的增加而提升,草地的土壤固碳速率高于乔木和灌木,且在0～20 cm土层范围内更为明显,植被恢复措施不仅增加了植被本身的固碳量,还会显著增加土壤中的碳储量;在植被恢复过程中,浅层土壤碳储量与深层土壤碳储量呈显著正相关,0～100 cm土层范围内,土壤碳储量每年增加1 t/hm2,而100～200 cm土层范围内,土壤碳储量相应地增加0.21 t/hm2。

ZHAO et al.[41]研究了黄土高原地区纸坊沟流域不同植被类型和坡度条件下土壤有机碳和无机碳的垂直分布与转化。结果表明:土层深度在0～200 cm范围内时,土壤有机碳与土壤深度呈指数函数关系,枯落物与土壤接触处的有机碳初始积累量随着植被枯落物碳氮比的降低而增加,其排序为灌木、森林、草地;与阴坡相比,阳坡上枯落物分解形成的土壤有机碳量相对较少,枯落物与土壤接触处的有机碳理论初始积累量较低;当土层深度在0～50 cm范围内时,与有机碳的变化趋势相反的是土壤无机碳的变化趋势,土壤碳酸盐迁移速率随土壤含水量的降低而减慢,土壤无机碳含量与土壤含水量呈显著负相关(r=-0.400,p<0.001)。在灌木、森林、草地中,灌木对无机碳汇贡献最大。

梁爱华[42]以陕北纸坊沟流域退耕还林恢复植被为研究对象,开展了不同植被恢复模式(人工和自然恢复)、林分组成(纯林及混交林)、植被类型(乔、灌木及草地)、树木种类(油松、刺槐)的土壤碳、氮、水生态效应及其对群落生态系统功能发挥影响等研究。结果表明,退耕还林措施显著增加了土壤总有机碳含量,与自然恢复相比较,在短期内进行人工植被恢复对碳固存效应具有优越性,表现出人工植被恢复措施能更有效、更快速提升土壤碳固存效应的巨大潜力,并且不同植被类型下,土壤碳库的增加效应由大到小排序依次为乔木、灌木和撂荒;无论是采取退耕还林人工恢复植被还是撂荒地自然恢复植被,初期土壤含水量均降低,至26 a时出现拐点,此后土壤含水量开始逐渐恢复,但恢复速率总体上较为缓慢;在不同季节、各个土层深度和植被恢复模式,退耕地的土壤碳汇效应与土壤含水量间均呈反比关系,即采取退耕还林人工恢复植被方式下生态系统的碳储存功能提升是以消耗土壤水分作为代价。研究还表明,0～20 cm土层中土壤碳储量和含水量之间相关性最大,随土壤深度加深呈依次递减趋势。随退耕还林植被恢复年限的增加,土壤碳储量和含水量关系趋于互惠,26 a(拐点)后由负相关关系转变为正相关关系,至35 a时表现为显著正相关关系。与自然修复方式相比较,退耕还林人工恢复方式下土壤碳储量和土壤含水量之间的相关性更大。土壤碳储量和含水量之间的关系具有重要的应用价值,当有机碳积累量超过30 t/hm2时,土壤含水量已降低至6%以下(该数值已接近当地土壤的枯萎系数)。因此,在实践中可以通过适当的人工干扰,如控制森林生态系统中群落密度等途径使土壤碳库维持在一定水平以内,以利于林内土壤间的碳水平衡。

与种植单一植被相比,营造混交林是储存土壤碳的一种富有前景的方法。然而在我国森林面积快速增长过程中,单一植被类型面积一直占据主导地位。为优化植树造林策略,最大程度发挥森林的固碳潜力,XIANG et al.[43]对我国176个研究地点的427个观测数据进行了荟萃分析,量化混交种植园与单一种植园的土壤有机碳储量变化,并确定土壤有机碳储量的主要驱动因素,包括地理位置、气候因素、土地利用历史、土壤特性、种植年限、固氮树种、混交比例和混交植物类型。结果表明:与种植单一植被相比,混合种植能显著增加12%的土壤有机碳储量;混合种植的混合比例不应超过55%,以产生更高的土壤有机碳储量。此外,在贫瘠的土地上混合种植,当生长所需的水分有限或温度较低时,最有可能增加土壤有机碳储量。在华北、华中和西北地区,应探索其他措施来增加土壤有机碳储量,而不是混合种植。研究表明了混交林对土壤有机碳储存的时空变异性,对造林的建立和管理具有重要意义。LUAN et al.[44]在我国暖温带地区的一处落叶阔叶林和一处针叶阔叶混交林中,测量了土壤呼吸作用和树种多样性指数,包括物种丰富度、伯杰-帕克指数、辛普森指数、香农指数和皮卢均匀度指数,探究树种多样性与土壤碳稳定性之间的关系。研究发现,在两个林分中,土壤呼吸作用的温度敏感性与辛普森指数呈正相关关系,但与香农指数、伯杰-帕克指数和皮卢均匀度指数均呈负相关关系,与物种丰富度无关,而且土壤呼吸作用与多样性指数无关。树种多样性通过抑制土壤呼吸作用的温度敏感性来促进土壤碳稳定性。此外,不同的生物和非生物变量解释了阔叶林及混交林物种多样性与土壤呼吸作用温度敏感性的变化,这表明两种森林类型的树种多样性对土壤呼吸作用温度敏感性的影响机制是不同的。这也表明,提高树种多样性的可持续森林管理可增加土壤碳稳定性,有利于减缓气候变化。

5 结束语

水土保持植物措施可以显著提高生态系统碳汇能力,而其碳固存效率与措施实施年限、植物物种选择、植物群落结构、植物生长环境等多种因素有关,在开展以固碳增汇为目标的水土保持造林种草措施时,宜选择适当的恢复类型(乔木、灌木和草地),优化树种选择、加强森林经营管理等措施,对生态系统中植被和土壤固碳量的提高具有良好的促进作用。与坡耕地相比,乔木碳密度最优,灌木次之,草地则较差。随着恢复时间的增加,不同植被组分的碳密度总体上呈上升趋势,土壤中的有机碳密度在不同土层中也呈上升趋势。水土保持植物措施碳汇设计时应考虑各地间的差异,若该地区水土保持率现状值与阈值之间存在较大差距,则各类水土保持措施的搭配要合理,同时应根据植被种类、工程规格及工艺特点,设计和配置好各措施的数量、种类及其空间结构,保证各类措施能够持续且高效地发挥固碳增汇作用;若该地区水土保持率现状值与阈值差距较小,则应着力提升水土保持植物措施的质量,增加生态系统的碳汇效应。然而,国内众多学者虽然对我国现阶段水土保持植物措施的碳汇功能进行了估算,但是数据资料、研究方法等不一致,导致估算结果存在较大的差异性和不确定性,水土保持植物措施碳汇功能的监测规范建立、研究方法开发仍是未来的研究热点。