文献简介
篇名：Ecological restoration enhances dryland carbon stock by reducing surface soil carbon loss due to wind erosion
发表时间：2024年
期刊：PNAS
作者信息：第一作者为来自河北大学生命科学学院的宋健
原文来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2416281121
推荐理由
通过生态恢复增加陆地碳储量是自然气候解决方案的主要方法之一，通常认为可通过生态途径（即增加植物碳吸收）实现。通过对中国旱地517个地点的4279个1×1平方米样地进行全面的区域调查，并在同一地区的半干旱草地上进行了13年的操作实验，发现恢复土地的土壤和生态系统碳储量高于退化土地，主要是由于抑制风蚀减少地表土壤碳损失。在陆地碳减排策略的模型评估中，这种生物物理途径总是被忽视。令人惊讶的是，刺激植物生长在调节碳储量方面发挥着次要作用。此外，恢复土地中碳储量的总体增加随着初始退化强度和恢复持续时间的增加而增加。在全国范围内，因旱地恢复减少了风蚀和表层土壤碳流失，致使土壤碳积累率相当于中国造林面积的38.8%和森林保护量的56.2%。将这种独特但很大程度上被忽视的生物物理碳守恒机制纳入地表模型将极大地改善对土地恢复缓解气候变化潜力的全球评估。
主要内容
陆地生物圈，特别是森林，作为重要的自然碳汇，对减缓大气二氧化碳浓度上升和气候变化具有显著潜力。然而，尽管旱地占地球陆地表面的45%，且在全球碳循环中扮演关键角色，其碳储存能力却常被忽视。旱地易受自然和人为扰动影响，土地退化导致风蚀和沙尘暴频发，造成土壤碳和养分的大量损失。生态恢复被认为是重建退化旱地生态系统功能和增强碳储量的有效手段，既能促进植物生长和生产力提升，又能通过增强土壤表面阻力减少风蚀碳损失。但当前碳循环模型往往忽视了这些动态过程，缺乏实地证据来评估生态恢复过程中减少的碳和养分损失对植物生长和生态系统碳储量的具体影响，因此，综合评估这两方面途径的相对贡献对于预测恢复退化旱地以缓解气候变暖的潜力至关重要。
因此，研究在华北和西北地区进行了大规模区域调查，覆盖了内蒙古、宁夏、甘肃、青海和新疆五个省，通过四次实地样带调查，在模拟风蚀原位对退化与恢复地块进行了配对抽样，共调查了517个地点的4279个地块，其中391个地点有1599个地块对，以评估生态恢复在增强区域碳汇方面的效益，同时考虑了不同生态恢复类型、景观异质性和风速模拟等因素，为准确评估旱地土壤碳储量恢复效应提供了重要数据支持。自2010年4月起，在内蒙古多伦县半干旱温带草原上进行了为期13年的双因素（放牧和风化过程）操纵实验，采用随机完整区组设计，模拟风蚀和放牧对土壤和植物生长的影响，通过采集和分析土壤和植物样品，测量土壤总碳和氮浓度、土壤碳储量大小、植物生长和生产力以及植物碳储量，以估算生态系统碳储量，并重点关注表层土壤碳（0至10厘米）的变化。而后，利用统计分析和随机森林算法评估了生态恢复对土壤和植物碳储量的影响，计算了模拟风蚀引起的土壤碳、氮损失及生态恢复效果大小，并通过结构方程模型探讨了生态恢复影响生态系统碳动态的途径，最终估算了中国华北和西北地区生态恢复过程中通过减少风蚀碳损失引起的土壤碳储量增量。
结果发现，生态恢复显著提高了植被覆盖度，进而减少了风蚀造成的碳和养分损失，且这种效果在不同恢复类型和生态系统间具有一致性。植被覆盖度的增加是控制风蚀下碳和养分损失空间格局的主要因素，表明生态恢复是缓解风蚀负面影响、保护旱地碳储量的有效策略。
与退化土地相比，生态恢复通过减少风蚀引起的土壤碳和氮损失，显著提高了恢复土地的土壤碳和氮含量。尽管生态恢复也促进了植被生长和光合碳吸收，但抑制土壤碳损失是土壤碳含量增加的主要原因。此外，当地气候条件，特别是降水和温度，对生态恢复下旱地土壤碳储量的空间变化具
长达十三年的操纵实验数据显示，生态恢复能显著提高退化土地的土壤总碳和氮浓度，且恢复效果随初始退化强度的增加而增强。同时，恢复时间的延长也增强了土壤碳和氮的刺激作用。此外，土壤氮素的有效性和含量对植物覆盖和净初级生产力有重要影响，进而促进了生态系统碳储量的增加。这些实验结果与区域调查结果一致，进一步证明了生态恢复在促进退化土地生态系统碳储量和恢复方面的重要性。
基于长达十三年的操纵实验数据，研究发现生态恢复主要通过减少风蚀引起的土壤碳和氮损失来增加生态系统碳密度，这一生物物理途径的作用远超过增加植物碳输入。在中国华北和西北地区，因风蚀碳损失减少导致的土壤碳储量增量显著，是国家生态恢复项目下不可忽视的碳汇组成部分，进一步强调了将风蚀抑制纳入碳循环评估的重要性，以避免低估生态恢复下旱地的碳汇潜力。
在碳中和与减缓气候变化的背景下，本研究发现生态恢复通过减少风蚀导致的土壤碳流失在恢复旱地碳储量中起主导作用，这一发现挑战了传统观点，即生态恢复主要刺激光合作用碳固定和植物生长。同时，本研究强调了在评估陆基碳减排策略时，大多数地表模型未考虑旱地风蚀造成的土壤碳流失的问题，揭示了生态恢复在减少风蚀及碳和养分损失方面的益处，为保护和增加旱地表层土壤稳定性和碳储存提供了重要依据，对全球碳循环评估和气候变化缓解具有重要意义。
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