干旱区沙漠化逆转过程植被–土壤碳储量的恢复演变规律研究

Restoration Changes in Organic Carbon Stocks of the Vegetation and Soil Ecosystems in the Reversion Process of Desertification in Arid Areas

摘要: 碳汇作用是陆地生态系统的重要生态功能之一，也是生态修复关注的重要方面。以地带性植被区为对照，应用空间代替时间的方法，在石羊河中游选择流动沙丘及造林恢复5年、15年和25年沙化土地样地，研究了沙漠化逆转过程沙地生态系统植被–土壤有机碳储量的恢复演变过程、规律及其影响因素。结果表明：固沙植被碳储量随沙漠化逆转过程先增加后降低，造林恢复25年平均固碳速率仅达到0.05 Mg/hm²•a。尽管沙漠化逆转过程的不同恢复阶段地上植被碳储量大，但是造林恢复5年、15年和25年沙化土地地下植被总碳储量也仅占到地带性植被的22.6%、54.9%和45.3%。0~1 m土壤和生态系统有机碳储量均随沙漠化逆转过程持续增加，造林恢复25年平均固碳速率分别达到0.48 Mg/hm²•a和0.53 Mg/hm²•a，远远高于固沙植被的固碳速率，而且0~5 cm表层土壤是有机碳储量为增长最快的层次。土壤有机碳储量所占比例均在87.5%以上，是沙漠化逆转不同恢复阶段沙化土地和地带性植被区的主要碳库。上述结果证明，固沙造林加速了沙漠化逆转过程，快速提高了沙化土地植被和表层土壤的碳储量，是固定大气CO2于沙地植被和土壤中的有效途径。但是，造林恢复25年沙化土地碳储量与地带性植被间依然存在明显差距，特别是地下植被和深层土壤有机碳储量还存在较大的增长潜力。

Abstract: Carbon sequestration is one of the important ecological functions of land ecosystem, and it is also an important aspect of ecological restoration. An unrestored shifting sand dune and three formerly shifting sand dunes that had been afforested for 5, 15 and 25 years were selected in the middle reaches of Shiyang River to study restoration changes in biomass carbon (BC) and soil organic carbon (SOC) stocks of the desertified lands in the reversion process of desertification and their influence factors. Results showed that BC stocks of the desertified lands was increased and then reduced in the reversion process of desertification, and the average vegetation carbon se-questration rate reached only 0.05 Mg/hm²•a in 25 years. Total BC stocks of the desertified lands afforested for 5 years, 15 years and 25 years only accounted for 22.6%, 54.9% and 45.3% of native zonal vegetation, respectively. SOC in 0 - 1 m layer and ecosystem stocks increased gradually in the reversion process of desertification, and the average carbon sequestration rate reached 0.48 Mg/hm²•a and 0.53 Mg/hm²•a in 25 years, respectively. 0 - 5 cm topsoil was the fastest layer for restoration of SOC stocks. SOC stocks accounted for more than 87.5% of the ecosystem organic C stocks, and soil was major C stocks of the different restoration stages in the reversion process of desertification and native zonal vegetation. Therefore, sand-fixation afforestation not only promoted the reversal of desertification, but also increased BC and topsoil SOC stocks rapidly, which proved that sand-fixation afforestation was the effective way to fix atmospheric CO2 in the desertified lands. However, C stocks of the desertified lands at the different restoration stages were lower than native zonal vegetation obviously and there was still a growth potential for BC of underground vegetation and SOC stocks of deep soil of the desertified lands afforested for 25 years.

1. 引言

气候变化是全球面临的最重大环境问题之一，其主要原因是温室气体CO₂浓度的急剧增加，但根源还是人类活动对陆地生态系统与化石燃料碳库的改变，管理好陆地生态系统现存的碳储量和增加新的碳储存成为降低大气CO₂浓度、减缓气候变化的一个新的挑战 [1] [2] [3] 。大量研究与实践表明，退化土地造林、农业管理措施改进以及农田施肥是固定大气CO₂于植物和土壤的有效途径，在未来20~50年间可减少大气CO₂ 0.4~1. 2 Pg C/年 [4] [5] [6] [7] [8] 。其中，植树造林作为一种人为的土地利用变化和陆地管理活动，能增加陆地生态系统的碳储量，并可用来抵消各国承诺的温室气体减排指标，已公认为增加碳汇的重要措施 [7] [8] [9] [10] 。但是，一方面在估计造林对陆地碳汇的贡献时，几乎所有研究都只考虑植被生物量增长对陆地碳汇的贡献，而对土壤碳积累考虑的很少。另一方面，对造林碳汇作用的研究，多是基于农田或牧场转变为人工林地进行的，对沙化土地等脆弱生态系统的碳汇作用重视不足 [9] [11] 。

沙化土地是陆地生态系统的重要组成部分，也是最典型的脆弱生态系统，而且在气候变化和不合理经济行为的共同作用下，脆弱性增加 [12] [13] 。截至2014年，我国沙化土地面积达172.12万km²，占到国土总面积的17.93%，不仅造成每年540亿元的直接经济损失，也引起碳排放 [14] 。据Duan 研究 [15] ，1950~1990年我国土地沙漠化导致的碳排放总量为2.812 Pg，因此我国沙化土地治理对全球碳循环和缓解排放可能具有较大的潜力。固沙造林作为治理沙化土地最有效的措施，在“三北防防护林体系建设工程”、“防沙治沙工程”以及“环京津沙源区防沙治沙工程”等生态工程实施中建立了大规模的人工固沙林，有效控制了土地沙化，也必然减缓了碳排放。然而，由于缺乏沙漠化逆转过程植被–土壤的碳固存效应及其碳累积规律的深入研究，目前对固沙造林的碳汇作用还存在争议 [8] [9] [10] 。

为此，以石羊河流域中游地带性植被区为对照，选择流动沙丘以及造林恢复5年、15年和25年沙化土地样地作为沙漠化逆转过程的不同恢复阶段，研究了沙漠化逆转过程沙地生态系统有机碳储量的恢复演变过程、规律及其影响因素，从而量化固沙造林对沙地生态系统碳库的影响，为评价沙化土地碳累积潜力及固沙造林作用提供数据支撑，对干旱区固沙植被建设与管理也具有一定的指导作用。

2. 研究区自然概况

研究区选择在古浪县北部的鸣沙咀(37˚32'~37˚35'N, 103˚38'~103˚42'E)，其位于石羊河中游，腾格里沙漠的南缘，海拔1730~1810 m。区内气候属大陆性干旱气候，多年平均气温6℃，多年平均降水量175 mm，地下水位埋深约65 m。区内地貌类型包括流动沙丘、半固定和固定沙丘、干河床和风蚀沙地；土壤以风沙土为主；地带性植被为草原化荒漠植被，主要组成植物有短花针茅(Stipa breviflora)、中亚紫婉木(Asterothamnus centrali-asiaticus)、油蒿(Artermisia ordosica)、沙蒿(A. sphaerocephala)、沙竹(Psammochloa villosa)、刺蓬(Cornulaca alaschanica)和沙米(Agriophyllum squarrosum)等。研究区采用低密度造林(花棒Hedysarum scoparium，1650株/hm²) + 封育措施对研究区沙化土地进行了长期治理，经过20多年的自然恢复，人工固沙林演替成为以半灌木和多年生生草本为主的人工 + 自然沙地植被，初步实现沙漠化逆转 [10] [11] 。

3. 研究方法

3.1. 样地选择

应用生态学研究通用的空间代替时间的方法，在石羊河中游古浪鸣沙咀花棒(H. scoparium)造林恢复区，以人工固沙林林龄作为生态恢复时间，选择未造林流动沙丘(0 a)以及造林恢复5年(5 a)、15年(15 a)和25年(25 a)沙化土地固定样地，代表沙漠化逆转过程的不同恢复阶段，并以紧邻的地带性植被(草原化荒漠植被)样地(NV)为对照。沙漠化逆转过程不同造林恢复阶段沙化土地样地初始状态均为流动沙丘，各样地相距50~2000 m，气候和土壤等生境条件基本一致。同时，各样地选择在平缓地段，样地坡度为3˚~6˚，取样坡面向阳，以消除地形的影响。

3.2. 植被数量特征及其碳储量

在沙漠化逆转不同恢复阶段及其对照地带性植被样地，设置面积20 m × 20 m大样方3个，选择荒漠植物生长茂盛季节8月，开展固沙林植被组成、群落结构与生物量调查。在每个大样方内沿对角线设置1 m × 1 m小样方5个，开展草本植物数量特征与生物量调查。在每一个样方内，对灌木进行每株调查，测量株(丛)的长度、宽度、高度和地径，统计每一物种的株(丛)数。

生物量采用收获法测定，包括地上生物量、枯死木与地上枯落物、地下生物量的测量 [16] 。根据固沙植被调查结果，灌木花棒和半灌木油蒿、沙蒿以及中亚紫婉木在每个样地选取标准单株3株，按新生枝叶、老龄枝杆和根系测量地上、地下生物量，并结合种群平均密度换算成单位面积的生物量。对植被调查的每个1 m × 1 m小样方内地面以上的所有绿色部分用剪刀齐地面剪下，不分物种按样方分别装袋；收集小样方内的枯落物，5个小样方为1组合并称量，由于量很少，不再单独计算枯落物碳储量，并入地上植被部分；同时挖取小样方1 m深度地下部分根系，装入大信封带，带回室内漂洗掉附带的沙粒以及枯死腐烂根系。在实验室，全部生物量样品放入80℃的烘箱中烘干24 h至恒量后称其干质量，单位用g/m²表示。植物样品含水率采用烘干称重法，碳含量重铬酸钾氧化法 [16] 。根据植被生物量及其含水率和碳含量，计算地上、地下植被碳储量 [17] 。

植物地上碳储量：

$P{C}_i=B_i\times \left(1-W_i\%\right)\times C_i/A$ (1)

地上植被碳储量：

$B{C}_a=\sum P{C}_i$ (2)

式中，i代表样地内不同植物种及小样方(草本)，B_i为植物地上生物量，W_i为植物地上部分含水率、C_i为植物地上部分碳含量，A为面积。

植物根系碳储量：

$P{C}_j=B_j\times \left(1-W_j\%\right)\times C_j/A$ (3)

地下植被碳储量：

$B{C}_b=\sum P{C}_j$ (4)

式中，j代表样地内不同小样方，B_j为地下根系生物量，W_j为植物根系部分含水率，C_j为植物根系碳含量，A为面积。

植被碳储量：

$BC=B{C}_a+B{C}_b$ (5)

3.3. 土壤理化性质及其碳储量

开展植被调查的同时，在沙漠化逆转不同恢复阶段及其对照地带性植被样地，挖取3个1 m深度的土壤剖面，并按照0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm和80~100 cm分层取样，带回实验室处理，采用烘干称重法测定土壤水分，环刀法测定土壤容重，马尔文激光粒度仪(英国产MALVERN-S型)测定土壤粒度，重铬酸钾氧化法测定有机碳含量，采用半微量开氏消煮法测定全氮，采用DDS-2型便携式电导仪测定电导率等理化指标 [16] 。目前，国内外大多数研究是以1 m深度为计算土壤有机碳储量的对照标准，这样有利于结果之间相互比较 [17] 。

不同土壤层次的有机碳密度或碳储量：

$SO{C}_k=C_k\times d_k\times D_k/A$ (6)

0~1 m土壤有机碳储量：

$SOC=\sum SO{C}_k$ (7)

式中，k代表不同土壤层次，C_k为各层土壤有机碳含量，d_k为各层土壤容重，D_k为各层土壤厚度，A为面积。

3.4. 数据分析

应用SPSS16.0软件对数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA))，采用Duncan氏新复极差法对沙漠化逆转不同恢复阶段土壤水分、容重、有机质、全氮、沙粒含量、粘粒含量和电导率等土壤理化性质，植被盖度、草本盖度和生物量等植被数量特征指标以及植被、土壤和系统碳储量进行显著性检验(显著性水平设置为α = 0.05)，分析前检验数据的正态性和方差同质性。沙漠化逆转过程固沙植被、土壤的固碳速率(Mg/hm²·a)由单位面积沙化土地碳储量净累积量除以造林年限计算。采用Excel2007进行数据统计和作图，所有数据用平均值 ± 标准误表示。

4. 结果与分析

4.1. 沙漠化逆转过程植被–土壤系统的恢复演变特征

在地处典型干旱地区的石羊河中游，流动沙丘优势植物主要为一年生植物沙米和多年生植物沙竹。流动沙丘固沙造林后，伴随人工种群的发育，5a优势植物演替为花棒、油蒿、沙蒿和沙米，15a优势植物演替为油蒿、花棒及狗尾草(Setaria viridis)和画眉草(Eragrostis poaeoides)等禾草，25a优势植物演替为油蒿、短花针茅及狗尾草和画眉草等禾草，自然植被优势种群由一年生草本植物向半灌木、半灌木与多年生草本植物演替；而地上生物量、植被总盖度表现为先增加后降低，草本植被盖度持续增大，固沙植被生产力、多样性逐渐提高，25年后在沙化土地形成相对稳定的人工 + 自然固沙植被。伴随人工灌木固沙植被的发育及其衰败过程，沙化土地0~60 cm土壤水分随造林恢复年限先降低后增加，整体过程土壤趋于干旱；表层0~5 cm土壤容重和沙粒含量逐渐降低，土壤粘粒、有机质、全氮和土壤电导率含量逐渐增大，土壤结构逐渐改善，肥力逐渐增加。造林恢复25年后，沙化土地植被总盖度、生物量显著高于地带性植被，但是草本植物盖度显著低于地带性植被，与地带性植被的相似性仅达到50%；表层土壤沙粒成分显著高于地带性植被，但是有机质与氮含量已接近地带性植被(表1)。造林恢复25年后，沙化土地植被–土壤系统呈现向草原化荒漠演变的趋势，初步实现了沙漠化逆转。

Table 1. Restoration dynamics of soil and vegetation systems in the reversion process of desertification

表1. 沙漠化逆转过程土壤–植被系统的恢复演变特征

4.2. 沙漠化逆转过程植被碳储量的恢复演变特征

在石羊河中游，造林恢复5a、15a和25a沙化土地地上植被碳储量分别达到0.41 Mg/hm²、1.00 Mg/hm²和0.69 Mg/hm²，地上植被碳储量随沙漠化逆转过程呈现先增加后降低趋势。5a、15a和25a地上植被碳储量达到流动沙丘的5.6倍、13.7倍和9.5倍，甚至超过地带性植被，其中15a达到地带性植被的2.6倍(图1)。与地上植被碳储量不同，地下植被储量随沙漠化逆转过程逐渐增大，5a、15a和25a地下植被碳储量分别达到流动沙丘的12.9倍、31.2倍和31.4倍，但仅占到地带性植被的10.9%、26.2%和26.4%，显著低于地带性植被(图1)。

流动沙丘固沙造林后，固沙植被总储量也随沙漠化逆转过程呈现先增加后降低的趋势(图1)。5a、15a和25a植被碳储量分别达到0.70 Mg/hm²、1.71 Mg/hm²和1.41 Mg/hm²，是流动沙丘的7.3倍、17.9倍和14.7倍，其中0~15年呈现正增长，15~25年呈现负增长，造林恢复25年固沙植被平均固碳速率仅达到0.05 Mg/hm²·a。5a、15a和25a固沙植被碳储显著低于地带性植被，仅占到地带性植被的22.6%、54.9%和45.3%。地上植被与地下植被碳储量相比，造林恢复15年之前沙化土地地上植被碳储量大于地下植被，25年基本接近，但地带性植被地上植被碳储量显著低于地下植被。

4.3. 沙漠化逆转过程土壤有机碳储量的恢复演变特征

4.3.1. 土壤有机碳密度的空间分布特征

在石羊河中游，沙漠化逆转不同恢复阶段垂直层次土壤有机碳密度呈现明显波动变化，而且波动程度随造林恢复年限呈现增强趋势，这可能与物种根系、凋落物以及生物分布以及风沙土反复沉积有关(图2)。尽管不同层次土壤有机碳密度呈现明显波动变化，但是均以0~20 cm土壤层次最高。0~20 cm土壤有机碳密度随逆转过程逐渐增加，5a、15a和25a沙化土地分别达到0.25 Mg/hm²、0.49 Mg/hm²和 0.53 Mg/hm²，是流动沙丘的1.4倍、2.7倍和3.0倍，但依然明显低于地带性植被区，仅占地带性植被区的31.9%、62.5%和67.7%。

4.3.2. 土壤有机碳储量动态变化

在石羊河中游，造林恢复5a、 15a 、25a沙化土地0~1 m深度土壤有机碳储量分别达到8.70 Mg/hm²、11.90 Mg/hm²和18.78 Mg/hm²，随沙漠化逆转过程逐渐增加。沙漠化逆转不同恢复阶段土壤有机碳储量总体差异显著，但是15年后差异不显著(图3)。与流动沙丘相比，5a、15a和25a土壤有机碳储量分别增加了29.5%、77.1%和179.5%，呈现持续增加趋势，造林恢复25年平均土壤固碳速率达到0.48 Mg/hm²·a。显然，固沙造林显著提高了沙化土地土壤的碳固存能力，但是5a、15a和25a土壤有机碳储量仅占到地带性植被区的35.8%、49.0%和77.4%，仍存在较大的固碳潜力。

5a、15a和25a表层0~5 cm土壤有机碳储量分别达到0.89 Mg/hm²、1.98 Mg/hm²和2.0 Mg/hm²，随沙漠化逆转过程逐渐增加。沙漠化逆转不同恢复阶段土壤有机碳储量总体差异显著，但是15a与25a间无显著差异，与0~1 m深度明显不同(图3)。与流动沙丘相比，5a、15a和25a表层土壤有机碳储量显著增大，分别增加了62.7%、264.3%和267.8%，造林恢复15年前增长快速，15年到25年增长缓慢。与地带性植被区相比，5a、15a和25a表层土壤有机碳储量仅占到24.2%、39.4%、88.2%和89.0%，表层土壤较其他层次增长较快，造林恢复15年后沙化土地与地带性植被样地间无显著差异。

4.4. 沙漠化逆转过程系统有机碳储量的恢复演变特征

在石羊河中游，造林恢复5a、 15a 、25a沙化土地系统有机碳储量分别达到9.40 Mg/hm²、13.61 Mg/hm²和20.19 Mg/hm²，随沙漠化逆转过程逐渐增加(图4)。沙漠化逆转不同恢复阶段植被–土壤系统有机碳储

Figure 1. Dynamic changes of biomass carbon (BC) stocks of aboveground, belowground and total vegetation of the desertified lands in the reversion process of desertification (Different letters indicates significant differences at 0.05 level, the same below)

图1. 沙漠化逆转过程地上、地下植被碳储量的动态变化(不同字母表示P < 0.05差异显著，下同)

Figure 2. Vertical changes in soil organic carbon (SOC) densities at the different soil layers of the desertified lands in the reversion process of desertification

图2. 沙漠化逆转过程土壤有机碳密度的垂直变化

Figure 3. Dynamic change of SOC stocks at the layer of 0 - 5 cm and 0 - 1 m of the desertified lands in the reversion process of desertification

图3. 沙漠化逆转过程0~5 cm、0~1 m土壤有机碳储量的动态变化

Figure 4. Dynamic changes of SOC stocks of the desertified land ecosystem in the reversion process of desertification

图4. 沙漠化逆转过程系统有机碳储量的动态变化

量总体差异显著，但是15a和25a间差异不显著。与流动沙丘相比，5a、15a和25a系统有机碳储量分别增加了37.9%、99.6%和196.1%，呈现持续增加趋势，造林恢复25年的植被–土壤系统平均固碳速率达到0.53 Mg/hm²·a。尽管沙漠化逆转过程的碳固存能力显著提高，但5a、15a和25a系统有机碳储量仅占到地带性植被区的34.3%、49.7%和73.7%，仍存在较大的增长潜力。

在流动沙丘，土壤有机碳储量占到沙地生态系统有机碳储量的98.6%，是流动沙丘的主要碳库。5a、15a和25a土壤有机碳储量占到生态系统有机碳储量的比例分别达到92.5%、87.5%和93.0%，显然土壤碳库所占的比例随沙漠化逆转过程先降低后有所增加，但土壤依然是沙漠化逆转过程不同恢复阶段的主要碳库。在地带性植被区，土壤有机碳储量占到生态系统有机碳储量的88.6%，低于流动沙丘、造林恢复5年及25年沙化土地，土壤也是草原化荒漠生态系统的主要碳库。

4.5. 沙漠化逆转过程沙化土地有机碳储量的影响因素

在植被因子中，沙漠化逆转过程沙化土地固沙植被碳储量与植被物种丰富度和草本盖度呈显著正相关关系，与植被生物量呈极显著正相关关系；而土壤有机碳储量和生态系统有机碳储量仅与物种丰富度和草本盖度呈显著相关关系(表2)。在0~1 m土壤因子中，植被碳储量仅与土壤粉粒含量、粘粒含量、有

Table 2. Correlation between organic carbon stocks and environmental factors in the reversion process of desertification

表2. 沙漠化逆转过程沙化土地碳储量与环境因子间的相关系数

注：^**为p < 0.01极显著；^*为p < 0.05显著。

机质、全氮和土壤电导率呈显著正相关关系，与土壤沙粒含量显著负相关关系；土壤有机碳储量与土壤容重和沙粒含量呈极显著负相关关系，与土壤粉粒含量、有机质和全氮呈极显著正相关关系，与土壤粘粒含量、孔隙度和电导率显著正相关关系；生态系统有机碳储量与土壤沙粒含量呈极显著负相关关系，与土壤粉粒含量、有机质和全氮呈极显著正相关关系，与土壤容重、粘粒含量、孔隙度和电导率呈显著相关关系(表2)。初步认为，影响植被碳储量的主要因子为植被生物量，其次为物种丰富度、草本盖度以及土壤有机质、粒度、全氮和电导率；影响土壤有机碳储量的主要因子为土壤有机质、全氮、容重、沙粒含量和粉粒含量，其次为物种丰富度、草本盖度以及土壤粘粒含量、孔隙度和电导率；影响生态系统有机碳储量的主要因子为土壤有机质、全氮、沙粒含量和粉粒含量，其次为物种丰富度、草本盖度以及土壤容重、粘粒含量、孔隙度和电导率。

5. 讨论

植被是陆地生态系统的重要组成部分，是决定陆地生态系统中碳盈亏与平衡的主要因素之一，是生态系统碳固存的基础 [18] 。本研究发现，石羊河流域中游固沙植被碳储量随沙漠化逆转过程先增加后降低，造林恢复5年、15年和25年沙化土地植被碳储量较流动沙丘增长了6.3倍、16.9倍和13.7倍，固沙造林加速了沙漠化逆转进程，也快速提高了植被的碳储量，该结论与其他树种和区域造林研究相一致 [9] [19] [20] 。例如，在退耕农田、牧草地上造林，人工林植被碳储量均显著增加，其中14龄松树、湿地松、杉木等速生树种人工林植被碳储量比草地高出数十倍 [19] [20] [21] 。但是，造林恢复5年、15年和25年沙化土地植被碳储量仅占到地带性植被的22.6%、54.9%和45.3%，特别是地下植被碳储量显著低于地带性植被，更低于松、杨等速生树种的人工林，显然沙漠化逆转过程不同恢复阶段固沙植被碳储量显著低于森林、防护林和经济林果等其他植被类型 [19] [20] [21] 。同时，沙漠化逆转过程25年的平均植被固碳速率仅达到0.05 Mg/hm²·a，远远低于森林植被的固碳速率0.70~4.0 Mg/hm²·a [22] 。另外，本研究发现沙漠化逆转过程固沙植被碳储量随造林恢复年限先增加后降低，而其他研究发现造林后植被碳储量随林分年龄增加而增加，直到森林成熟后，不再明显地积累碳 [23] ，这应该与人工固沙林造林树种随生态水文环境变化而发生的演替变化有关。固沙造林后，灌木植物对深层土壤水分的过度消耗以及沙化土地表层结皮发育导致的水分浅层化，使得人工营造的花棒、梭梭等深根系灌木衰败，从而引起固沙林地上植被生物量的降低 [12] 。

土壤碳库是植被碳库的2~3倍，巨大的储量导致了土壤碳储量的任何微小波动都比陆地生态系统其它碳库更容易影响陆地生态系统碳循环以及大气CO₂ [24] 。本研究发现，石羊河中游沙漠化逆转不同恢复阶段土壤有机碳储量均富集在地表0~20 cm地层，流动沙丘0~1 m有机碳密度达到0.67 kg/m²，造林恢复25年固定沙丘平均有机碳密度达到1.88 kg/m²，尽管有了显著的增长，但只占到全国平均土壤有机碳密度9.15 kg/m²的1/5，更不到全球森林生态系统土壤碳密度的1/20 [25] [26] 。另外，石羊河流域中游沙化土地0~1 m土壤有机碳储量随沙漠化逆转过程持续增加，造林恢复15年前阶段与流动沙丘无显著差异，造林恢复25年阶段仅占到地带性植被区的73.4%。在石羊河中游，固沙造林对土壤碳储量的影响规律与其他区域造林项目对土壤碳储量影响研究结果不同，多数研究认为造林后土壤碳储量通常是最初下降，然后才开始积累 [9] 。Paul等发现 [27] ，在造林后初始5年，土壤碳下降约3.64%，之后会逐渐增加，约30年后，土壤表面30 cm的碳量通常高于最初的农业土壤。造林后土壤碳变化也受造林前土地利用方式的影响，Guo等发现从草地到人工林的土地利用变化，土壤碳储量下降10%，而从农田到人工林的土地利用变化，土壤碳储量增加18% [2] 。

本研究发现，造林恢复25年沙地生态系统的平均固碳速率仅达到0.53 Mg/hm²·a，但远低于草原生态系统的固碳速率0.30~2.47 Mg/hm²·a以及我国人工林的平均固碳速率1.41 Mg/hm²·a [22] 。同时，固沙造林降低了沙化土地土壤有机碳所占比例，但是土壤有机碳储量所占比例依然在87.5%以上，土壤依然是沙漠化逆转不同恢复阶段的主要碳库。这与前期不同生态区域或生态系统研究结论相一致 [28] [29] [30] 。Hughes等研究发现森林土壤有机碳储量所占比例仅为51%，而草原土壤有机碳储量则达到94% [28] ；而Jaramillo等研究发现森林土壤有机碳储量所占比例仅为37%~54%，草原土壤有机碳储量则达到90% [29] ；李玉强等研究发现科尔沁沙地土壤有机碳所占比例为86%~93% [30] 。显然，干旱沙区土壤有机碳库所占比例更高于半干旱与半湿润沙漠地区，特别是森林、草原等区域，这与干旱区降水少，植被生产力低密切相关。

陆地生态系统碳储量受植被、气候、土壤属性以及土地利用方式的变化等多种自然因素和人文因素的综合影响 [24] 。本研究发现，影响石羊河中游沙漠化逆转不同恢复阶段固沙植被、土壤和生态系统碳储量的主要因子有植被生物量、土壤有机质、全氮、容重和沙粒含量等。植被的物种组成在某种程度上控制着土壤有机碳分解的速度，从而影响土壤有机碳密度的高低 [31] 。通过人为干预进行植被恢复可以充分利用土壤—植物复合系统的功能改善局部环境，促进生物物种多样性的形成，随着植被恢复的进程，植被覆盖度增加，植物生长产生的枯枝落叶和根系腐解物在土壤中积累、矿化 [32] 。Li等在沙坡头的研究发现，固沙造林恢复半个世纪后，使该区域的生态环境得到了改善，沙面的固定为许多动植物的繁衍创造了条件，植被区地表隐花植物结皮经过50年的拓殖和演变，其主要组成中含有真菌类达9种，苔藓5种，藻类24种 [33] 。土壤pH值、温度、湿度、粘粒含量、土壤C/N、微生物量等因素均影响土壤有机碳含量及其在土壤中的稳定性。当土壤氮素增加时，可以促进微生物的活动，提高土壤有机质的分解速率，从而降低土壤有机碳含量 [34] 。土壤中的有机碳量随粉粒和粘粒含量的增加而增加，粘粒含量和有机碳含量呈显著的正相关性。强酸性土壤环境能抑制微生物的活动而使有机碳分解速率减小，高温、高湿条件使土壤有机碳矿化分解速率加快，累积量减少 [35] 。土壤侵蚀对沙化土地土壤碳库有重要影响，并进而影响到陆地生态系统碳库以及全球碳循环 [26] [36] 。风力侵蚀作用可以引起大规模的土壤有机碳的空间重分布和CO₂释放，对土壤有机碳库的演变具有重要影响 [26] [37] 。合理的固沙造林快速恢复了固沙植被，有效降低了风速，控制了土壤风蚀 [38] ，这也是本研究中沙化土地碳储量增加的重要原因之一，但是不同固沙造林技术措施及风蚀程度对的碳固定的影响及其机制还有待进一步研究。

6. 结论

石羊河流域中游固沙造林恢复25年初步实现了沙漠化逆转，不同恢复阶段固沙植被、土壤和生态系统有机碳储量较流动沙丘均有显著提高，特别以地上植被和表层0~5 cm土壤有机碳储量提高最为明显。其中，固沙植被碳储量随沙漠化逆转过程先增加后降低，25年平均固碳速率仅达到0.05 Mg/hm²·a；0~1 m土壤和生态系统有机碳储量均随沙漠化逆转过程持续增加，25年平均固碳速率分别达到0.48 Mg/hm²·a和0.53 Mg/hm²·a。土壤是沙漠化逆转不同恢复阶段的主要碳库，土壤有机碳储量占系统有机碳储量的比例均在87.5%以上。与地带性植被相比，造林恢复25年沙化土地地下植被和深层土壤碳储量仍存在较大的增长潜力。尽管沙漠化逆转过程不同恢复阶段沙地生态系统碳库和固碳速率远低于森林、湿地和草原等生态系统，但固沙造林依然是干旱地区固定大气CO₂于沙地植被和土壤中的有效途径。

基金项目

自然基金项目(31660232, GSDC201505)；中国博士后科学基金项目(2012T50162)；国家科技惠民计划项目(2013GS620202)和国家科技支撑计划(2012BAD16B0203)资助。