黃土高原是世界上最大的黃土分布區(qū)，也是中華文明的重要發(fā)祥地。該區(qū)域土壤侵蝕劇烈，生態(tài)環(huán)境脆弱，因其維系了約1億人口的生存和發(fā)展，并且和黃河的健康運(yùn)行密切相關(guān)，因此一直是國(guó)家生態(tài)治理的重點(diǎn)區(qū)域。近60年來，黃土高原先后經(jīng)歷坡面治理、溝坡聯(lián)合治理、小流域綜合治理以及退耕還林還草工程等，取得了十分顯著的成就。特別是近10多年來實(shí)施的退耕還林還草工程，已經(jīng)得到普通民眾、學(xué)術(shù)界和政府部門的一直認(rèn)可：植被覆蓋度大幅增加，水土流失減弱，入黃泥沙減少。新近研究表明，退耕還林還草工程不僅在控制水土流失方面起到了十分重要的作用，而且具有十分顯著的生態(tài)固碳功能。如最新研究表明，2000-2008年退耕還林還草實(shí)施期間，黃土高原生態(tài)系統(tǒng)凈固定了約0.961 億噸碳，相當(dāng)于我國(guó)2006年總化石能源消耗釋放CO2量的6.4%。因此，黃土高原大規(guī)模的植被生態(tài)恢復(fù)具有重要的固碳效益。
人工植樹造林和植被自然恢復(fù)是黃土高原最為重要的兩種生態(tài)恢復(fù)方式，也是黃土高原固碳能力提高的主要貢獻(xiàn)者。當(dāng)前，這兩種生態(tài)恢復(fù)方式，其土壤固碳效應(yīng)如何，有何差異；如果存在差異，機(jī)制是什么，一直缺乏充分的科學(xué)認(rèn)識(shí)。此外，當(dāng)前對(duì)黃土高原固碳能力的提高主要考慮有機(jī)碳，對(duì)無機(jī)碳的碳匯功能考慮較少。研究表明，黃土高原1m 土層深度無機(jī)碳儲(chǔ)量是有機(jī)碳儲(chǔ)量的2倍多，約占全國(guó)總無機(jī)碳儲(chǔ)量的21.66%。因此，黃土高原無機(jī)碳的遷移轉(zhuǎn)化及產(chǎn)生的碳匯功能不可忽視。針對(duì)上述科學(xué)問題，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所副研究員金釗及其合作者在中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目及國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，選擇黃土高原西峰南小河溝流域的對(duì)比溝董莊溝和楊家溝為研究對(duì)象（圖1），研究了近60年黃土高原人工植樹造林和植被自然恢復(fù)方式下1 m深度土層有機(jī)碳積累和無機(jī)碳遷移轉(zhuǎn)化的差異。董莊溝和楊家溝均為1954年設(shè)置的對(duì)比溝，其中董莊溝自1954年開始實(shí)施植被自然恢復(fù)措施，現(xiàn)形成天然的草地生態(tài)系統(tǒng)，楊家溝自1954-1958年實(shí)施人工植樹造林措施，現(xiàn)形成人工的森林生態(tài)系統(tǒng)。這兩個(gè)對(duì)比溝為研究黃土高原自然和人為生態(tài)管理方式土壤有機(jī)和無機(jī)固碳的差異提供了良好的自然條件。
研究結(jié)果表明，兩個(gè)對(duì)比小流域土壤容重、土壤有機(jī)和無機(jī)碳儲(chǔ)量、土壤有機(jī)和無機(jī)碳同位素比值存在顯著差異。和人工植樹造林相比，植被自然恢復(fù)更有利于表層土壤有機(jī)碳的積累，因此具有更高的有機(jī)碳儲(chǔ)量（草地：67.84 噸/公頃；森林：52.94噸/公頃）。與此相反，人工植樹造林小流域具有更高的無機(jī)碳儲(chǔ)量（草地：194.29噸/公頃；233.28 194.29噸/公頃）。然而，通過土壤碳酸鹽同位素比值的分析發(fā)現(xiàn)，人工植樹造林小流域土壤碳酸鹽同位素比值顯著高于植被自然恢復(fù)小流域（森林：-5.30‰；草地：-6.01‰）。因黃土沉積來自于沙漠源區(qū)，原生碳酸鹽同位素比值偏正，經(jīng)過成壤作用形成的次生碳酸鹽同位素比值偏負(fù)。因此，人工植樹造林小流域碳酸鹽同位素比值偏正可能指示土壤中含有更多的原生碳酸鹽，而植被自然恢復(fù)小流域碳酸鹽同位素比值偏負(fù)可能指示土壤中含有更多的次生碳酸鹽。觀測(cè)結(jié)果表明，植被自然恢復(fù)小流域的水分條件、徑流量、輸沙量均顯著高于人工植樹造林小流域。因此，植被自然恢復(fù)小流域較好的水分條件和較高有機(jī)碳積累，導(dǎo)致更多的原生碳酸鹽轉(zhuǎn)化為次生碳酸鹽，從而使土壤碳酸鹽同位素比值偏負(fù)。此外，植被自然恢復(fù)小流域較高的徑流量，可能使大量的土壤碳酸鹽和土壤呼吸形成的CO2溶解于水，并通過洪水徑流帶入到河流系統(tǒng)，并最終沉積在河流和水庫沉積物中，還可能進(jìn)入到海洋沉積物中，形成一個(gè)被忽視的、更大的潛在無機(jī)碳匯（圖2）。
該研究成果發(fā)表于國(guó)際環(huán)境類綜合期刊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)。
圖1 西峰南小河溝流域中的對(duì)比溝：董莊溝（植被自然恢復(fù)，DZG-grassland）、楊家溝（人工植樹造林，YJG-forestland）
圖2 人工植樹造林和植被自然恢復(fù)小流域水分循環(huán)強(qiáng)弱的差異
