黃土高原土壤有機碳固存對植被恢復的動態響應及其碳匯價值

林 楓, 王麗芳, 文 琦

(1.農業農村局, 山東 平邑 273300; 2.白彥鎮農村經濟管理站, 山東 平邑 273300; 3.寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021)

土壤侵蝕是導致土壤有機碳流失進而引起土地退化的重要原因[1]。黃土高原是世界上土壤侵蝕最為嚴重的地區之一，嚴重的土壤侵蝕導致該區土壤質量和生產力低下[2]。此外，不合理的土地利用加劇了該區的土地退化趨勢。為了遏制這種現象，我國政府在1999年在黃土高原地區全面實施了退耕還林(草)工程[3]。盡管工程實施的最初目標是為了防治土壤侵蝕，但是經過二十年的治理，已對該區土壤碳庫產生了深刻的影響[4-5]。

大量研究已經針對退耕還林草后土壤有機碳如何響應進行了廣泛而深入的研究，然而，退耕還林后，有機碳固存效應仍存在爭議。例如，Zhang等[6]研究表明退耕還林對中國碳匯貢獻巨大，不僅改變了區域養分循環，也顯著影響了其他生態過程，而Tuo等[7]報道了植被恢復并不總是能夠增加碳匯，這受到了氣候與植被類型的嚴格控制。此外，Zhang等[6]研究發現，黃土高原退耕還林后表層土壤有機碳固存速率為0.37 Mg/hm2，而Chang等[5]表明該區表層土壤固碳速率為0.173 Mg/hm2。與二者不同，Feng等[8]計算的該結果為0.085 Mg/(hm2·a)。這個數值遠低于前兩位學者所計算的結果。這意味著當前黃土高原碳固存速率的估算還存在較大不確定性。受氣候條件、恢復年限、地形、樹種的影響，土壤有機碳對生態修復的響應極為復雜，并呈現多樣性結果[5,9]。因此，基于更大樣本量的碳固存速率評估顯得尤為必要，這對進一步分析諸多因子的影響效應提供了可靠基礎。

文獻整合分析是解決這一問題行之有效的方法[10]。Deng等[11]利用該方法探討了全國尺度上有機碳對禁牧的動態響應；而Su等[12]利用該方法量化了黃土高原水分對植被恢復的響應。然而，僅有少數研究采用該方法系統分析了黃土高原土壤有機碳的變化[10]。在量化有機碳固存對植被恢復響應的基礎上，評估其經濟價值轉化的潛力，這有利于區域的碳交易評估。當前，關注碳匯價值的研究多采用參數衍生等辦法獲取數據，并采用相關模型進行模擬[13-14]。但是這種方法缺少詳實可靠的本地化參數。因此，基于文獻整合獲取最為可靠詳實的本地參數，并借助相關理論，在量化土壤有機碳生態過程的基礎上，進一步獲取其經濟轉化價值，不僅為兩種學科的交叉發展提供了可行路徑，也為區域生態修復提供了借鑒。基于此，本研究整合近20 a來黃土高原土壤有機碳相關研究，全面探討不同土地利用、樹種、坡度、坡向、恢復階段、氣候帶等對土壤有機碳的影響，并在此基礎上分析該區土壤碳匯價值，以期為區域碳匯、生態補償提供重要科學依據。

1 材料與方法

本研究中所用數據均來自發表于中國知網和Web of Science數據庫中1999—2020年的文獻。在進行文獻檢索時，以“黃土”、“有機碳”、“植被恢復”等為關鍵詞，共檢索文獻1 254篇，并進一步閱讀、分析，整理得到99篇可用文獻。在整理文獻時，遵循以下標準：(1) 土壤有機碳儲量可以直接或間接由土壤有機質、土壤有機碳以及容重計算得到；(2) 所有的試驗必須含有對照組和控制組；(3) 同一組數據(對照和控制)必須具有統一的土壤類型、地形等基本一致的背景；(4) 恢復年限可直接或間接得出。基于以上標準，本研究所用數據庫包含來自于5個省、自治區的935個觀測樣本(圖1)。原始數據由圖或表中獲取，其中圖片數字化所用的軟件為Getdata Graph Digitizer。每篇文獻記錄如下信息：(1) 文獻來源；(2) 氣候條件(年均溫、年均降雨量)；(3) 植被類型(人工喬木、人工灌木、自然草地)；(4) 樹種(常綠、落葉)；(5) 恢復年限；(6) 土壤容重；(7) 0—20 cm有機碳或有機質含量。根據黃土高原的實際生態背景與相關研究[3]，本研究將氣候帶分為<450 mm，450～550 mm，>550 mm 3個降雨帶。值得一提的是，本研究所有樣本的恢復年限位于>0 a和<60 a之間，因此，本研究中的固碳效應截止年限為<60 a。更為長期的固碳效應還需要更多的數據作為支撐。本研究樣點的空間分布見圖1。

圖1 土壤有機碳樣點空間分布

土壤碳儲量單位全部統一轉換為“Mg/hm2”，土壤有機質與土壤有機碳的轉換系數采用0.58。如果文獻中并未報道土壤容重，本研究采用鄧蕾[10]、Wu[15]等報道過的方法對容重進行計算：

BD=-0.1229ln(SOC)+1.2901 (有機碳含量<6%)

(1)

BD=1.377e-0.0413SOC(有機碳含量>6%)

(2)

土壤有機碳儲量使用下式進行計算：

SOCstock=SOC·BD·D/10

(3)

式中:SOCstock為有機碳儲量(Mg/hm2)；SOC為土壤有機碳含量(g/kg)；BD為土壤容重(g/cm3)；D為土層厚度(cm)。

本研究采用meta分析來量化退耕還林后土壤有機碳的變化程度。由于標準的meta分析需要同時具備均值、標準差、樣本量等信息，但是大部分的研究并未報道這些變量。因此，為了擴大樣本量，本研究采用非標準meta分析的方法進行數據計算。非標準meta分析在生態學中已有廣泛應用。本研究計算了響應比(響應比=xe/xc-1)，其中xe指植被恢復后的有機碳儲量；xc指的是退耕前農田有機碳儲量。同時采用Luo等[16]建立的方法計算95%置信區間。如果響應比的置信區間包含0在內，那么本研究認為有機碳增加不顯著，如果置信區間不包含0，則認為有機碳顯著增加(p<0.05)。

在本研究中，參照國家林業局《退耕還林工程生態效益監測國家報告》中的方法，土壤有機碳固存價值量評估由物質量轉價值量時，所采用的價格參數并非實時價格參數，因此需要使用貼現率將以前的價格參數換算為當前價格參數以計算土壤固碳效益價值量的體現。本評估中所使用的貼現率指將未來現金收益折合成當前收益的比率。貼現率是一種存貸款均衡利率，利率的大小，主要根據金融市場利率來決定，其計算公式為：

t=(Dr+Lr)/2

(4)

式中:t是指存貸款均衡利率(%)；Dr是指銀行的平均存款利率(%)；Lr是指銀行的平均貸款利率(%)。

貼現率利用存貸款均衡利率，將非當年價格參數逐年貼現至當前價格參數。貼現率的計算公式為：

d=(1+tn+1) (1+tn +2) …(1+tm)

(5)

式中：d為貼現率;t為存貸款均衡利率；n為價格參數可獲得年份；m為當前年份。

土壤碳固存價值量的計算采用以下公式：

U土壤碳=AC碳(1.63B年)Fd

(6)

式中：U土壤碳為土壤碳總固碳價值(元/a)；B年為單位面積土壤年固碳量[t/(hm2·a)]；C碳為固碳價格(元/t)；A為退耕面積(hm2)；F為生態功能修正系數；d為貼現率。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳對不同植被類型的響應

退耕還喬、灌、草顯著提高了土壤有機碳固存，與農田相比，分別提高88.20%，55.15%和43.18%，整體來看，黃土高原植被恢復平均增加了61.60%的碳固存(圖2A)。本研究結果顯示，不同喬木樹種(落葉喬木、常綠喬木，圖2B)和灌木樹種(檸條、沙棘，圖2C)在增加有機碳固存方面沒有顯著差異。相對來講，常綠喬木土壤固碳(114.86%)要優于落葉喬木(85.39%)，沙棘土壤固碳(81.43%)優于檸條(62.50%)。不同類型草地(自然恢復草地、人工草地)土壤碳固存變化存在顯著差異，天然草地碳固存量約為人工草地的4倍(圖2D)。

2.2 不同恢復階段土壤有機碳對植被類型的響應

隨著植被恢復時間的增加，不同植被類型下土壤有機碳固存均顯著增加，各植被類型的固碳效應在恢復后期得到顯著提升，喬木、灌木、草地土壤有機碳增加幅度的變化范圍分別為38.87%～154.80%，21.59%～98.07%，32.80%～85.65%。顯然，退耕還喬后土壤具有更高的固碳速率。值得注意的是，在恢復初期(<10 a)，并沒有出現有機碳的顯著降低。不同恢復階段(<10 a，10～20 a，20～30 a和>30 a)的土壤有機碳固存增加量分別為32.44%，53.16%，77.45%和121.55%(圖3)。

注：S1，S2，S3，S4分別代表0～10 a、10～20 a、20～30 a和>30 a。

2.3 土壤有機碳固存對氣候因子與地形因子的響應

不同植被類型在不同降雨帶下的土壤碳固存存在顯著差異(圖4A)。例如，喬木林地與灌木林地的固碳量分別表現為450～550 mm降雨帶最高，>550 mm次之，<450 mm降雨最低，而草地卻表現為<450 mm降雨帶固碳量最高，而隨著降雨量的增加，固碳量逐漸減少。

坡向和坡度顯著影響了土壤有機碳固存(圖4B，圖4C)。3種植被在陰坡的固碳量均最高。陰坡植被恢復能夠產生更多的碳收益，且以喬、灌為最優。從不同坡度來看，整體呈現坡度越大，有機碳增加的幅度越高。其中，>30°的坡有機碳增加最為明顯。這可能與初始碳含量有關。

注：圖中小寫字母代表同一植被類型下不同降雨帶之間的差異，不同字母代表具有顯著性差異，p<0.05。

2.4 區域尺度土壤有機碳固存速率及其貨幣轉化潛力

本研究表明，黃土高原土壤有機碳固存平均速率為0.21 Mg/(hm2·a)(圖5)，基于本研究結果以及可獲取的面積數據，截至2008年，黃土高原已退耕483萬hm2，按照本研究所計算的固碳速率，當前碳匯效益為2 535.75萬元/年。然而，如果根據Deng等人[4]建立的0—20 cm與0—100 cm碳固存的關系式(y=2.46x+0.01,R2=0.95)，黃土高原0—100 cm土壤碳固存速率約為0.53 Mg/(hm2·a)，那么其碳匯效益將為6 399.75萬元/年。

注：R2代表模型擬合度；***代表p<0.001;n代表樣本量。

Chang等[5]根據黃土高原地區2000年的TM和ETM的遙感影像，分辨率為200 m，解譯出黃土高原大約有2.03×106hm2坡度大于15°的坡耕地可以退耕為林地和草地，所以我們就用該數據作為黃土高原地區退耕還林(草)工程實施的理想面積，然后結合退耕還林(草)后的平均固碳速率對黃土高原退耕還林(草)工程覆蓋區域的年平均固碳潛力進行評估，結果表明，黃土高原地區整個退耕還林(草)工程的0—20 cm固碳潛力為0.43 Tg C/a，0—100 cm固碳潛力為1.08 Tg C/hm2。這意味著黃土高原的0—20 cm，0—100 cm土壤固碳價值潛力為1 065.75萬元/年、2 689.75萬元/年。若全部坡耕地完成退耕還林，該區每年0—20 cm和0—100 cm的碳匯效益將分別為3 601.5萬元/年，9 089.5萬元/年。

3 討論及結論

3.1 植被類型對土壤碳固存的影響

本研究表明，退耕還林顯著提升了土壤有機碳固存量(圖2)。這與以前的相關研究[10,17-18]一致。將農地轉變為多年生植被后，有效的防控了土壤侵蝕，并改善了土壤物理(土壤孔隙、水穩性團聚體、土壤入滲等)、化學(全氮等)以及生物學(微生物量碳)質量[19-21]。此外，不同植被類型固碳效益存在差異(圖2)。一般來說，喬木能夠比灌木和草地產生更多的枯落物歸還量[21]，且許明祥[22]報道了退耕還喬后土壤質量提升最大。與灌木相比，草地根系較淺，因此，其生物量和枯落物歸還量相對較低。盡管如此，喬灌草均顯著提升了有機碳固存量。本研究表明，樹種對土壤有機碳并沒有顯著影響(圖2A，B，C)。落葉喬木在增加枯落物歸還量等方面明顯優于常綠喬木，這在諸多研究中均有報道[23]，然而，與落葉喬木相比，常綠喬木能夠形成長期有效的遮陰，降低了林下溫度，減慢了有機碳的礦化速率[24]。有研究顯示，常綠樹種具有更為發達的細根系統，且與落葉林相比，常綠樹種具有將更多光合產物固定到根部的能力，這可以有效增加土壤有機碳含量[25]。然而，黃土高原是干旱半干旱地區，受水分等條件限制，常綠樹種與落葉樹種的生理特性可能沒有其他區域顯著，導致二者在增加有機碳方面沒有顯著差異。此外，我們的研究表明，自然恢復草地在土壤固碳方面具有更大的優勢(圖2D)。這可能與人工草地刈割以及自然衰退有關，且人工草地的耗水量顯著高于天然草地，其可持續性明顯低于天然草地。綜上，在黃土高原地區，在植被承載力范圍內，優先配置適宜樹種或草種將有利于優化土壤固碳格局，增加固碳潛力。

3.2 土壤有機碳固存影響因素

3.2.1 恢復年限 多項研究報道了在恢復初期，由于沒有了施肥等管理措施，加之植被沒有形成有效的侵蝕防控機制，在恢復初期往往有機碳為負增長[10]。這與本研究不同。這可能是與選取的不同時間段有關[4]。隨著植被恢復年限的增加，枯落物及植被根系生物量的輸入量也呈增加趨勢[10]。諸多研究表明，土壤質量(土壤物理、化學、生物質量)均隨恢復年限的增加顯著提升[22]。這意味著恢復年限是土壤碳固存評估中應該考慮的重要因素之一。然而，值得一提的是，本研究將恢復年限分為0～10 a、10～20 a、20～30 a和>30 a，在更長久的恢復過程中(>30 a)，有機碳固存是否持續增加值得商榷。可以預見的是，受干旱半干旱區域人工造林的影響，土壤水分的可持續性成為目前關注的焦點。如何識別水分與固碳的轉折關系將是一個重要議題。水分與植被生長、根系生物量增加顯著相關，水分的降低勢必會阻礙植被的發育。

3.2.2 氣候因子 我們的研究表明，不同植被類型在不同降雨帶下的土壤碳固存存在顯著差異(圖4A)。例如，喬木與灌木的固碳量分別表現為450～550 mm降雨帶最高，>550 mm次之，<450 mm降雨最低，而草地卻表現為<450 mm降雨帶固碳量最高，而隨著降雨量的增加，固碳量逐漸減少。這與有機碳的輸入與輸出有關。例如，在<450 mm降雨帶，土壤水分不足以支撐喬灌的正常生長，因此，更多的碳和養分均用于生物量的增加，有研究報道，在水分不足的情況下，生態系統碳的增加多集中在生物量中[4,26]；而在>550 mm降雨帶，較為充沛的降雨量加速了有機碳的礦化，導致其存留量相對低于450～550 mm降雨帶。草地的枯落物積累量相對較低，然而，在降雨量較低的地區，其根系發達且多集中在地表，而在降雨較高的地區，較低的碳輸入以及較高的分解量導致草地的固碳量隨降雨量的增加而降低[7]。基于此，我們建議，氣候因素是植被恢復必須考慮的重要因素，且在降雨量較高的地區種植喬、灌植被，而在降雨量低的地區以草地恢復為主。

3.2.3 地形因子 坡向和坡度顯著影響了土壤有機碳固存(圖4B，圖4C)。總體來看，3種植被在陰坡的固碳量均最高。這與陰坡溫度相對較低，而濕度相對較高有關。在黃土高原地區，由于較好的水分條件，陰坡植物的郁閉度和長勢均優于陽坡，因此能夠帶來更多的碳輸入。這表明，陰坡植被恢復能夠產生更多的碳收益，且以喬灌為最高。從不同坡度來看，整體呈現坡度越大，有機碳增加的幅度越高。其中，>30°的坡有機碳增加最為明顯。這可能與初始碳含量有關。退耕前，坡度越大，遭受的侵蝕越嚴重，土壤質量越低，Vesteral等[27]研究表明，初始養分含量越低，其增加的潛力越大，這也得到了諸多學者的支持[3,6]。這表明，陡坡植被恢復能夠有效增加有機碳含量。

3.2.4 不確定性分析 與其他同類型的研究相比，本研究不僅大量增加了樣本量，而且全面分析了不同植被類型、樹種、恢復年限、氣候因子(降雨)、地形因子(坡度、坡向)對土壤碳固存的影響。然而，本研究仍有不確定性問題需要指出。(1) 受文章發表量及研究區的差異影響，樣本并非均勻分布。這可能導致不同區域碳固存的權重存在差異，然而，本研究并未對這些樣本的權重進行分析；(2) 本研究在分析其變化速率時，假定碳固存為線性變化，然而，碳固存的變化并非都是線性變化，而是以非線性方式進行變化；(3) 本研究所涉及的有機碳固存恢復年限最大為60 a，缺少更為長期的觀測；(4) 除有機碳外，影響碳固存的其他土壤因子并未獲取，例如pH、土壤質地等。因此，綜合以上不確定性因素，未來與大尺度土壤碳固存有關的研究應盡可能充分考慮以上因素，從而更為精準地估算退耕還林過程中土壤碳的動態變化。

3.3 本研究對區域生態恢復及碳交易的啟示

本研究表明，黃土高原退耕還林草工程顯著增加了土壤碳固存，平均增幅61.61%。而在土壤固碳過程中，植被類型(喬、灌、草)、喬木樹種(常綠喬木、落葉喬木)、灌木樹種(沙棘、檸條)以及草地類型(人工草地、天然草地)扮演了重要角色，顯著影響了土壤固碳。在不同的恢復階段，土壤固碳量不同，總體來看，恢復后期固碳效果最佳。此外，不論區域尺度還是坡面尺度，都應重視氣候條件、坡向、坡度對土壤固碳的影響。整體來看，在降雨量較高的地區種植喬、灌，而在降雨量低的地區以草地恢復為主。且陰坡、陡坡植被恢復能夠有效增加有機碳含量。結合生態學和經濟學理論，本研究得出黃土高原0—20 cm，0—100 cm總固碳價值分別為3 601.5萬元/年，9 089.5萬元/年。因此，在碳匯交易過程中，黃土高原的土壤固碳效益應該考慮進去，且其長期效益值得更加深入的研究。