河北大学PNAS丨生态恢复通过减少风蚀引起的表层土壤碳损失来增加旱地碳储量

原文题目：

Ecological restoration enhances dryland carbon stock by reducing surface soil carbon loss due to wind erosion

原文作者：

Jian Song, Shiqiang Wan, Kesheng Zhang, et al.

作者单位：

1 School of Life Sciences/Hebei Basic Science Center for Biotic Interaction, Institute of Life Science and Green Development, Hebei University, Baoding, Hebei 071002, China; 
2 Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang, Henan471023, China; 

3 School of Urban Planning and Design, Shenzhen Graduate School,Peking University, Shenzhen 518055, China.et al.

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2416281121

课题组交流，水平所限，如有解读不当还请见谅

    通过生态恢复提高陆地碳储量是自然气候解决方案的重要方法之一，传统上认为可以通过生态途径实现，即增加植物对碳的吸收。通过对中国干旱地区 517 个地点的 4279 块 1 × 1 平方米的地块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为期 13 年的控制实验，我们发现，与退化土地相比，生态恢复后土壤和生态系统的碳储量更大，这主要是由于通过抑制风蚀减少了表层土壤的碳流失。这一生物物理途径在基于土地的碳减排策略的模型评估中总是被忽视。在生态恢复过程中，刺激植物生长在调节碳储量方面的作用很小。此外，随着初始退化强度和恢复持续时间的增加，恢复后土地中的碳储量也会整体增加。在全国范围内，由于旱地恢复减少了风蚀和表层土壤碳损失，土壤碳积累率相当于中国造林的 38.8%和森林保护的 56.2%。将这一独特的、但在很大程度上被忽视的生物物理碳保存机制纳入地表模型，将大大改善对土地恢复减缓气候变化潜力的全球评估。

全面的区域调查

      为了填补这些知识空白，研究团队开展了一项为期三年（2014-2016 年）的区域调查，在中国华北和西北五省的 517 个地点调查了 4279 个 1 × 1 平方米的样方，其中包括 391 个地点的 1599 对样方（退化与恢复）（图 1A）。这项广泛的调查覆盖了 3,142,951 平方公里的面积，包括中国所有的半干旱、干旱和极度干旱地区，这些地区是全球旱地热点地区之一，由于风速高、降水少，是旱地风蚀的主要来源区。三北防护林计划是中国国家生态修复计划之一，面积达 32 万平方公里，通过植树造林成为华北地区重要的沙尘屏障之一。因此，研究的调查区域包括但远大于三北防护林计划的区域。首先测量了植被覆盖度，然后模拟风蚀，收集了每个取样地块的植物枯落物和土壤流失量。生态恢复对测量变量的影响采用成对取样方案进行评估，该方案直接比较每个地点每对地块中相邻恢复地块和退化地块之间的差异。这种方法最大程度地减少了空间异质性对每个地点和广大旱地恢复效果的干扰影响。

图 1. 生态恢复促进植被覆盖，减少中国干旱地区的风蚀。华北和西北地区四次横断面调查的取样点位置以及多伦县的野外实验点（A）。风蚀引起的植物枯落物和土壤干物质损失与植被覆盖度的空间依赖关系，插图显示了以 ~6% 间隔分档的覆盖度数据（B）。每个灰色数据点（± 1 SE）代表一个地点所有退化或恢复地块的平均值。植被覆盖度的绝对变化（平均值 ± 1 SE，菱形带误差条）在所有（总体）和七种生态恢复类型（T1-T7；C）中的平均值。y 轴方括号中的数值表示样本大小（地点数量）。风蚀引起的植物凋落物、土壤干重、土壤总碳（C）和总氮（N）损失的响应比（RRs）与生态恢复下植被覆盖度变化的关系（D）。风蚀引起的植物枯落物、土壤干重、土壤总碳和总氮损失的百分比变化（平均值 ± 95%CI，菱形带误差条），所有地块对的平均值（E）。

      由于风速是影响风蚀强度的主要生物物理因素，我们在 2014 年春季的第一次样带调查中使用了五种风速模拟风蚀。与植被覆盖率密切相关的地表粗糙度是影响风蚀强度的另一个主要生物物理因素，土壤表面的风速通常随着粗糙度的增加而降低。第一次样带调查的具体测试取样数据显示，与裸露土壤地块相比，灌木地块的土壤表面风速明显降低。因此，在所有取样地块中，随着植被覆盖度的增加，风蚀造成的植物枯落物和土壤干物质总损失呈指数下降（图 1B），以 6.0% 为间隔的分组植被覆盖度解释了植物枯落物和土壤干物质总损失 84.4% 的变化（图 1B）。这些观察结果与科罗拉多高原的一项实地监测结果一致，该监测结果模拟了风化沉积通量随多年生植被覆盖度呈指数下降的情况。

      在干旱地区，生态恢复可提高植被覆盖率和地表粗糙度。这反过来又减少了易受风蚀的相对面积和土壤表面的风速。在所有七种生态恢复类型中，恢复地块的植被覆盖度比退化地块高 34.2 ± 1.4%（图 1C），尽管增加幅度随恢复类型的不同而变化。这一结果与生态恢复可促进植被覆盖的广泛共识一致。随后，风蚀引起的所有植物枯落物、土壤干物质、土壤总碳和土壤总氮损失的减少幅度随着生态恢复植被覆盖度的增加而下降（图 1D）。重要的是，随机森林分析结果显示，在植被（覆盖度和高度）、土壤特性（土壤水分和容重）、当地气候条件（年平均降水量和温度）和地理位置（纬度、经度和海拔）等变量中，植被覆盖度的变化始终是控制风蚀作用下植物废弃物、土壤干物质、土壤总C和土壤总N损失空间模式的主要因素。因此，生态恢复显著减少了所有地块中所有植物废弃物、土壤干物质、土壤总碳和土壤总氮的平均损失。尽管三种生态系统类型（即生态恢复前的草地、荒漠和耕地）和七种恢复类型的减少幅度存在显著差异，但土壤碳和氮损失几乎完全减少表明，生态恢复是改善风蚀对旱地生态系统碳和养分含量负面影响的一种非常有效的策略。它是保护旱地碳储量的生物物理途径。

      与退化土地相比，抑制风蚀引起的损失可提高恢复土地的土壤碳和氮含量。从所有地块对的平均值来看，恢复后的土壤总碳和总氮含量分别比退化地高 10.9% 和 15.9% （图 2 A 和 B）。这证实了生态恢复在提高陆地碳储量和减缓气候变化方面的潜力。尽管所有七种恢复类型都对土壤总碳浓度和总氮浓度产生了积极影响，但在耕地向天然草地或弃耕地转化的过程中，以及在整个耕地类别中都观察到了更大的刺激作用。这一现象的原因可能是农业活动对表土剖面造成了强烈的扰动，使表土大面积裸露，内聚力和抗性较低，容易受到风蚀，导致冬春季节土壤碳的流失量比草地大。与此相反，在荒漠化控制措施下，土壤总碳浓度和总氮浓度略有增加，这可能是因为荒漠生态系统中普遍存在生物结壳，可大大增强表层土壤的内聚力和抗风蚀能力，从而抑制退化地区的碳和氮损失。鉴于陆地生物圈中广泛存在的氮限制，在生态恢复过程中提高土壤氮含量和可用性可促进植被生长、覆盖和光合作用摄取碳，从而加速退化生态系统的恢复，并最终提高旱地生态系统的碳储量和固碳潜力。

图 2. 一项区域调查显示了生态恢复对增加土壤碳储量的影响途径。七种生态恢复类型（T1-T7；图 1）中所有类型（总体）和每种类型（T1-T7；图 1）的平均土壤碳（A）和氮（B）浓度的百分比变化（平均值 ± 95% CI，菱形带误差条）。如果 95% CI 与零不重合，则为重大变化。彩色散点图表示每个地点这些变量的变化。显著的组间异质性（QB；P < 0.05）表明七种恢复类型的百分比变化各不相同。y 轴方括号内的数值表示样本大小（地点数量）。最佳结构方程模型（χ2 = 0.582, df = 2, P = 0.747, GFI = 0.999, RMSEA < 0.001）揭示了生态恢复影响土壤总碳浓度（C）的所有合理途径。

LG轻度放牧、MG中度放牧、HG高度放牧、AGB地上生物量、BGB地下生物量、SOC土壤有机碳、凋落物植物凋落物生物量、MBC微生物生物量碳。

      根据区域调查数据，研究首先区分了生态恢复过程中生态途径（增加植物碳输入）和生物物理途径（减少风蚀碳损失）在调节旱地土壤碳储量中的作用。根据植物生长和碳吸收与土壤氮可用性之间的正相关关系，最优 SEM 显示，在恢复的生态系统中，由于风蚀造成的土壤氮流失减少，土壤氮含量的增加反过来又会提高植被覆盖率（图 2C）。然而，在生态恢复过程中，抑制土壤碳总流失，而非促进植物生长和植被覆盖，是导致土壤碳含量增加的主要原因。

      土壤碳库占陆地生态系统碳储量的绝大部分。与退化的土地相比，在恢复的土地上，由于风蚀引起的 C 损失减少而在生物物理上保持的土壤 C 含量，要比通过刺激植物生长和光合作用吸收 C 而在生态上提高的土壤 C 含量大得多。这些结果强调了陆地生态系统在受到自然和/或人为干扰时，植物-土壤碳储量之间可能存在权衡。一方面，生态恢复可能会加速土壤有机物的分解，以促进土壤养分的供应，因为恢复过程中植物生长的持续刺激需要更多的养分。另一方面，受刺激的植物生长可能会增加土壤中新的 C 输入，从而产生土壤初始效应。这两个过程都可能会增加土壤中 CO2 的外流，从而抵消植物 C 输入增加对土壤 C 储量的积极影响。

      研究表明生态恢复可主要通过减少风蚀引起的粉尘排放造成的土壤碳损失来提高区域碳储量。然而，尽管风蚀和粉尘排放在易受风蚀影响的干旱地区非常重要，但在之前的大多数生态系统碳预算评估中却常常被忽视。研究结果突出表明，迫切需要将地表土壤动力学纳入地表模型，以提高全球碳清单的稳健性。除了土壤碳损失和植被覆盖的变化，随机森林分析表明，当地的气候条件，即降水和温度，也可能在生态恢复下对旱地土壤碳储量的空间变化起关键作用。降水和温度都会影响土壤湿度和植被覆盖度，从而影响表层土壤的抗风蚀能力。这一结果强调了在评估生态恢复下旱地碳储量的空间模式时考虑当地气候条件的重要性。

长达十年的操纵性实验

      我们还采用了一个为期 13 年的放牧和/或模拟风蚀实验的数据集，以验证并明确揭示上述区域综合调查结论的内在机制。从 13 年的实验期和三种退化强度的平均值来看，生态恢复使土壤总碳浓度平均增加了 15.3 ± 3.3%（图 3A），与本研究在区域调查中观察到的结果（10.9%，图 2A）相当。此外，土壤总碳浓度的提高随退化的初始强度而增加，轻度退化为 4.5 ± 2.4%，中度退化为 17.8 ± 3.4%，重度退化为 23.5 ± 6.9%。此外，随着生态恢复时间的延长，对土壤总碳浓度的刺激也在增强。

图 3. 一项为期 13 年的实验表明，在生态恢复的条件下，土壤总碳（C）和总氮（N）的浓度有所增加。退化（WEG、WE 和 G）和恢复（Ct）处理下每年土壤总碳（A）和总氮（B）浓度的平均值（± 1 SE，n = 5）。条形图上方不同大写字母表示四种处理之间存在显著差异。植物覆盖率（C）和净初级生产力（NPP；D）对土壤总氮浓度的空间依赖性。每个数据点代表每个小区 13 年的平均值。WEG：风蚀加放牧，WE：仅风蚀，G：仅放牧，Ct：对照。

     由于生态恢复的保护作用，土壤总氮浓度提高了 13.7 ± 3.1%（图 3B），在 13 年的实验期内，这种积极效应随着退化强度和恢复持续时间的增加而增加。同样，在 2018 年至 2022 年的过去五年中，土壤氮的可用性在恢复条件下比退化条件下平均高 21.2 ± 4.3%。生态恢复下土壤氮含量的提高可刺激植物覆盖率和净初级生产力。随机森林分析进一步表明，土壤氮的可用性和含量分别是影响温带草原植物覆盖率和净初级生产力的最重要因素。此外，NPP 的增量也随着恢复时间的延长而扩大。由于上述过程，我们可以合理地预期，植物生长的增强将随之增加生态系统的碳储量。

图 4. 生态恢复提高生态系统碳储量的途径：长达十年的实验证据。退化（WEG、WE 和 G）和恢复（Ct）处理下的年平均植物覆盖率（± 1 SE，n = 5）（A）、净初级生产力（NPP；B）和生态系统碳密度（C）。最佳结构方程模型（χ2 = 0.551, df = 1, P = 0.458, GFI = 0.989, RMSEA < 0.001）揭示了影响生态系统 C 密度（D）的所有合理途径，包括植物变量和土壤总 C 损失。

研究通过总结表土（0 至 10 厘米）、植物枯落物和生物量来估算生态系统的碳密度。结果表明，生态恢复显著提高了生态系统的碳密度，平均提高了 14.2 ± 3.6%（图 4C），其积极影响随退化的初始强度而增加。这些实验观察结果为生态恢复促进退化土地生态系统碳储量提供了新的证据。

      基于这些实验数据的最优 SEM 解释了生态恢复下生态系统 C 密度变化的 54.0%（图 4D）。土壤总碳流失量的变化是决定生态系统碳密度变化的主导因素，而植物覆盖率或碳密度的变化对其没有影响。这些结果为我们的区域综合调查结论提供了地点尺度上的支持，而且可能在很大程度上是因为在这片半干旱草地上，土壤碳密度约占生态系统碳密度的 90%（图 4C）。

      研究团队长达十年的操纵实验涉及放牧和风蚀处理（单独或结合使用），为区分生态（增加植物碳输入）和生物物理（减少风蚀碳损失）途径对草原碳储量变化的相对预测能力提供了一个独特的机会。研究发现，与退化生态系统相比，生物物理途径在增加恢复生态系统的碳储量方面起着主导作用。与土壤碳含量类似，在生态恢复过程中，枯落物和土壤流失的减少占生态系统碳密度增加的 78.9%。

      进一步，研究评估了中国陆地碳循环中通过生物物理途径增加固碳的意义。据估计，华北和西北地区生态恢复减少风蚀碳损失导致的土壤碳储量增量为 7.87 Tg C y-1，占中国国家生态恢复项目增加的陆地碳汇的 10.6%，其中造林贡献了 20.3 Tg C y-1，森林保护（天然林保护项目）贡献了 14.0 Tg C y-1。这些增量占 2000 和 2010 年代中国陆地二氧化碳净汇的 0.64-0.68%，并抵消了 1.81% 的陆地二氧化碳大气排放量，是国家碳汇清单中不可忽视的组成部分。这些证据进一步强调，以往大多数研究忽视了风蚀抑制下减少的碳和养分损失，这可能大大低估了生态恢复下旱地的碳汇潜力。

编辑：李乐昕

审核：刘慧晶

指导老师：张倩

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