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2019-12-13
以南小河沟人工植树造林和植被自然恢复对比小流域为研究对象,研究了近60年黄土高原人工植树造林和植被自然恢复

黄土高原是世界上最大的黄土分布区,也是中华文明的重要发祥地。该区域土壤侵蚀剧烈,生态环境脆弱,因其维系了约1亿人口的生存和发展,并且和黄河的健康运行密切相关,因此一直是国家生态治理的重点区域。近60年来,黄土高原先后经历坡面治理、沟坡联合治理、小流域综合治理以及退耕还林还草工程等,取得了十分显著的成就。特别是近10多年来实施的退耕还林还草工程,已经得到普通民众、学术界和政府部门的一直认可:植被覆盖度大幅增加,水土流失减弱,入黄泥沙减少。新近研究表明,退耕还林还草工程不仅在控制水土流失方面起到了十分重要的作用,而且具有十分显著的生态固碳功能。如最新研究表明,2000-2008年退耕还林还草实施期间,黄土高原生态系统净固定了约0.961 亿吨碳,相当于我国2006年总化石能源消耗释放CO2量的6.4%。因此,黄土高原大规模的植被生态恢复具有重要的固碳效益。

中科院地球环境所 植被自然恢复更利于黄土高原有机碳积累

人工植树造林和植被自然恢复是黄土高原坡面生态治理最主要的措施。近年来,大量的研究表明,黄土高原自1999年以来大规模的植被恢复措施显著改变了地表的物质和能量平衡,如侵蚀泥沙显著减少,流域产水量降低,土壤干燥化加剧,地表反照率和区域气候发生改变。当前,多种证据表明,黄河的水沙情势和黄土高原的生态条件进入一个全新的时期,表现为四大特征:黄河输沙量降低至历史低值水平;黄土高原植被覆盖度急剧增加;黄土高原水资源可持续利用趋近植被恢复的极限;人类活动的贡献率达到前所未有的高度。以上四大特征和历史上任何一个时期都不相同。因此,从科学机理上清晰认识黄土高原长期植被恢复背景下物质和能量平衡的未来变化趋势,辨识自然和人为因素的影响,对于制定科学合理的生态恢复政策和可持续发展模式至关重要。

人工植树造林和植被自然恢复是黄土高原最为重要的两种生态恢复方式,也是黄土高原固碳能力提高的主要贡献者。当前,这两种生态恢复方式,其土壤固碳效应如何,有何差异;如果存在差异,机制是什么,一直缺乏充分的科学认识。此外,当前对黄土高原固碳能力的提高主要考虑有机碳,对无机碳的碳汇功能考虑较少。研究表明,黄土高原1m 土层深度无机碳储量是有机碳储量的2倍多,约占全国总无机碳储量的21.66%。因此,黄土高原无机碳的迁移转化及产生的碳汇功能不可忽视。针对上述科学问题,地环所金钊副研究员及其合作者在中国科学院重点部署项目及国家自然科学基金的资助下,选择黄土高原西峰南小河沟流域的对比沟董庄沟和杨家沟为研究对象,研究了近60年黄土高原人工植树造林和植被自然恢复方式下1 m深度土层有机碳积累和无机碳迁移转化的差异。董庄沟和杨家沟均为1954年设置的对比沟,其中董庄沟自1954年开始实施植被自然恢复措施,现形成天然的草地生态系统,杨家沟自1954-1958年实施人工植树造林措施,现形成人工的森林生态系统。这两个对比沟为研究黄土高原自然和人为生态管理方式土壤有机和无机固碳的差异提供了良好的自然条件。

本报讯近日,中国科学院地球环境所副研究员金钊及其合作者发现,和人工植树造林相比,植被自然恢复更有利于黄土高原表层土壤有机碳的积累。相关研究日前发表于《环境科学》。

188金宝搏备用网址 ,基于这一重大科学问题和国家需求,近5年来,中国科学院地球环境研究所研究员金钊与黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站合作,以南小河沟人工植树造林和植被自然恢复对比小流域为研究对象,建设了“中国科学院地球环境研究所南小河沟水土保持和生态恢复试验基地”,对长期自然和人为植被恢复模式下小流域的物质和能量平衡进行了连续观测研究,获得系统性进展。两条小流域从1954年开始设置对比,至今已超过60年时间;其中董庄沟进行植被自然恢复,目前已形成自然草地小流域;杨家沟进行人工植树造林(1954-1958),目前已形成人工森林小流域。前人研究结果表明,和天然草地小流域相比,人工造林小流域在前20年(1956-1980)径流量减少了32%;根据最新的观测结果(2016-2018年),人工造林小流域径流量减少现今已超过90%,即使在强降雨条件下也很难产生明显的径流。因此,该研究得出结论认为,黄土高原人工造林小流域在长远背景下,将可能彻底抑制地表径流的产生,导致小流域无法形成径流输出,这对黄土高原可持续性的水资源利用将产生较大的负面影响。

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黄土高原是世界上最大的黄土分布区,也是生态环境脆弱区。人工植树造林和植被自然恢复是黄土高原最为重要的两种生态恢复方式,也是黄土高原固碳能力提高的主要贡献者。但是,科学界对这两种生态恢复方式,土壤固碳效应存在差异与机制的研究和认识尚有欠缺或不明。

由于人工造林极大地改变了小流域的水文过程和水文环境,使得小流域的物质迁移、能量平衡和侵蚀热点也发生了显著改变,包括碳氮循环、土壤水分、温度、蒸散发、地表反照率、侵蚀泥沙等。研究结果表明,和人工造林小流域相比,草地小流域由于具有更好的水文环境和更高的径流输出,类似于“大浪淘沙”,不断淋洗流域表层可溶性物质,包括碳氮元素等(图2,Jin et al., 2014; Jin et al., 2016),使得草地小流域发生了更多的横向物质迁移和流动。这一认识拓展了传统生态学的学科范畴,将生态-水文-地貌-生物地球化学循环更好地耦合在一起。

图1 西峰南小河沟流域中的对比沟:董庄沟(植被自然恢复,DZG-grassland);杨家沟(人工植树造林,YJG-forestland)

为此,在中国科学院重点部署项目及国家自然科学基金的资助下,上述研究团队选择黄土高原西峰南小河沟流域的对比沟董庄沟和杨家沟为研究对象,研究了近60年来黄土高原人工植树造林和植被自然恢复方式下1米深度土层有机碳积累和无机碳迁移转化的差异。

有关能量平衡的研究结果表明,人工造林小流域通过改变地表反照率和蒸散发,显著改变了流域地表的能量平衡,但局部地形对能量平衡的影响不可忽视(Jin et al., 2019)。在冬春季节,地形对地表能量的影响起主导作用;夏季,ET增强,植树造林的影响超过地形起主导作用;秋季,植被的影响减弱,地形的影响逐步增强。因此,在一年之中,植被和地形对地表能量平衡的影响随着季节的变化此消彼长,互为耦合,这为遥感反演和模型模拟区域尺度地表能量平衡的变化提供了更为精细的认识。

研究结果表明,两个对比小流域土壤容重、土壤有机和无机碳储量、土壤有机和无机碳同位素比值存在显著差异。和人工植树造林相比,植被自然恢复更有利于表层土壤有机碳的积累,因此具有更高的有机碳储量(草地: 67.84 吨/公顷;森林:52.94吨/公顷)。与此相反,人工植树造林小流域具有更高的无机碳储量(草地:194.29吨/公顷;233.28 194.29吨/公顷)。然而,通过土壤碳酸盐同位素比值的分析发现,人工植树造林小流域土壤碳酸盐同位素比值显著高于植被自然恢复小流域(森林:-5.30‰;草地:-6.01‰)。因黄土沉积来自于沙漠源区,原生碳酸盐同位素比值偏正,经过成壤作用形成的次生碳酸盐同位素比值偏负。因此,人工植树造林小流域碳酸盐同位素比值偏正可能指示土壤中含有更多的原生碳酸盐,而植被自然恢复小流域碳酸盐同位素比值偏负可能指示土壤中含有更多的次生碳酸盐。观测结果表明,植被自然恢复小流域的水分条件、径流量、输沙量均显著高于人工植树造林小流域。因此,植被自然恢复小流域较好的水分条件和较高有机碳积累,导致更多的原生碳酸盐转化为次生碳酸盐,从而使土壤碳酸盐同位素比值偏负。此外,植被自然恢复小流域较高的径流量,可能使大量的土壤碳酸盐和土壤呼吸形成的CO2溶解于水,并通过洪水径流带入到河流系统,并最终沉积在河流和水库沉积物中,还可能进入到海洋沉积物中,形成一个被忽视的、更大的潜在无机碳汇。

研究结果显示,董庄沟和杨家沟两个小河沟流域的土壤容重、土壤有机和无机碳储量、土壤有机和无机碳同位素比值存在显著差异。和人工植树造林相比,植被自然恢复更有利于表层土壤有机碳的积累,能够实现更高的有机碳储量。

有关长期植被恢复背景下土壤水分补给阈值和补给机制问题,通过高精度降雨-土壤水分观测,精细分析了每一场降雨入渗到土壤的过程。研究结果表明,自然草地小流域,单次或连续降雨量达到9 mm才能入渗到表层土壤;而对于高植被覆盖的沟谷森林,降雨量达到14 mm才能有效补给到表层土壤。该研究对清晰认识黄土高原在长期植被恢复背景下,多大的降雨才能入渗到土壤的问题具有重要的指示意义。

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据了解,董庄沟和杨家沟均为1954年设置的对比沟,其中董庄沟自1954年开始实施植被自然恢复措施,现已形成天然草地生态系统,杨家沟自1954~1958年实施人工植树造林措施,现已形成人工森林生态系统。

有关长期植被恢复背景下小流域产流阈值和控制因素问题,通过降雨、土壤水分和流域产流的长期定位观测和对比分析,发现小流域产流存在三种模式:高降雨强度和中等的表层土壤含水量;低降雨强度、中等降雨量和较高的深层土壤含水量;土壤含水量较低但降雨量足够大(Jin et al., 2019, prepared)。同时发现,除降雨强度和降雨总量外,前期土壤含水量在流域产流中起着至关重要的作用。研究结果对清晰认识黄土高原长期植被恢复背景下小流域的产流条件和受控因素具有重要的指示意义。

图2 人工植树造林和植被自然恢复小流域水分循环强弱的差异

《中国科学报》 (2014-05-08 第4版 综合)

相关论文:

该研究成果发表在国际环境类综合期刊Science of the Total Environment (Jin Zhao, Dong Yunshe, Wang Yunqiang, Wei Xiaorong, Wang Yafeng, Cui Buli, Zhou Weijian. Natural vegetation restoration is more beneficial to soil surface organic and inorganic carbon sequestration than tree plantation on the Loess Plateau of China. Science of the Total Environment, 2014,485-486: 615-623).

Jin et al. Controlling factors of runoff generation in a pair of catchments on the Chinese Loess Plateau after a long-term vegetation rehabilitation. 2019, prepared for submission.

Jin et al. Effects of afforestation on soil and ambient air temperature in a pair of catchments on the Chinese Loess Plateau. Catena, 2019, 175:356-366.

Jin et al. Soil moisture response to rainfall on the Chinese Loess Plateau after a long-term vegetation rehabilitation. Hydrological Processes, 2018, 32:1738-1754.

Jin et al. Comparing watershed black locust afforestation and natural revegetation impacts on soil nitrogen on the Loess Plateau of China. Scientific Reports, 2016, 6: 25048, DOI: 10.1038/srep250489.

Jin et al. Natural vegetation restoration is more beneficial to soil surface organic and inorganic carbon sequestration than tree plantation on the Loess Plateau of China. Science of the Total Environment, 2014, 485-486: 615-623.

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图1 2016-2018年人工植树造林和植被自然恢复小流域径流量的差异

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图2 人工植树造林和植被自然恢复小流域水文环境的差异导致无机碳迁移输出发生显著差异的模式图

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图3 人工植树造林和植被自然恢复小流域不同季节和不同地形条件下土壤温度的变化

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图4 人工植树造林和植被自然恢复小流域不同地形条件下高精度降雨-土壤水分响应分析

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图5 人工植树造林和植被自然恢复小流域降雨、土壤水分和流域产流对比分析