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以南小河沟人工植树造林和植被自然恢复对比小流域为研究对象,河流中的陆源有机碳主要来源于岩石、土壤和植被凋落物

在“全球变化及应对”重点专项的支持下,“全球变化对生态系统服务的影响”项目团队揭示了植被恢复增强碳在土壤中的垂直流动和累积。

河流是连接陆地与海洋的关键纽带,陆源有机碳的侵蚀及其在河流中的搬运是全球碳循环的重要环节。河流中的陆源有机碳主要来源于岩石、土壤和植被凋落物。在地质时间尺度中,来自土壤和植被的生物有机碳(biospheric
organic
carbon)的侵蚀以及在海洋和湖泊沉积物中的有效埋藏代表了大气CO2的碳汇;而来源于岩石的化石有机碳(petrogenic
organic
carbon)的氧化则是大气CO2的碳源。在年际到千年时间尺度上,生物有机碳的积累和氧化对大气CO2的浓度有着重要的影响。因此,大江大河中不同来源的有机碳通量及其归宿对于我们理解全球碳循环至关重要。

人工植树造林和植被自然恢复是黄土高原坡面生态治理最主要的措施。近年来,大量的研究表明,黄土高原自1999年以来大规模的植被恢复措施显著改变了地表的物质和能量平衡,如侵蚀泥沙显著减少,流域产水量降低,土壤干燥化加剧,地表反照率和区域气候发生改变。当前,多种证据表明,黄河的水沙情势和黄土高原的生态条件进入一个全新的时期,表现为四大特征:黄河输沙量降低至历史低值水平;黄土高原植被覆盖度急剧增加;黄土高原水资源可持续利用趋近植被恢复的极限;人类活动的贡献率达到前所未有的高度。以上四大特征和历史上任何一个时期都不相同。因此,从科学机理上清晰认识黄土高原长期植被恢复背景下物质和能量平衡的未来变化趋势,辨识自然和人为因素的影响,对于制定科学合理的生态恢复政策和可持续发展模式至关重要。

土壤碳库是全球最重要的碳库之一,对于减缓气候变化影响并维持全球的碳循环稳定至关重要。中国科学院生态环境研究中心傅伯杰研究员团队选取了黄土高原植被恢复区的侵蚀径流小区进行野外定点观测,通过对不同植被径流小区的降雨、入渗到土壤中的雨水、地表径流、产沙等样品中碳含量的测试分析发现:在经历了大面积植被恢复后的侵蚀区,降雨过程中生物物理过程控制的碳通量发生了显著变化,入渗控制的碳通量成为表土层最主要的输出碳通量。入渗控制的输出碳通量将积累在亚土层和深层土壤中,但是在计算土壤固碳能力时并没有考虑到入渗控制的碳通量,因此,土壤固碳能力很可能会被低估,低估值最多可达到43%。

bwin必赢亚洲官网,中国科学院地球环境研究所金章东领导的研究团队,联合英国杜伦大学Robert
Hilton、Alexander Densmore、美国南加州大学Joshua
West和李根、加州大学欧文分校Xiaomei
Xu等人,通过测量青藏高原东缘龙门山地区岷江上游及支流河流悬浮物的有机碳含量及13C和14C同位素,明确了颗粒有机碳来源,并定量了生物有机碳和化石有机碳的相对通量。研究发现:

基于这一重大科学问题和国家需求,近5年来,中国科学院地球环境研究所研究员金钊与黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站合作,以南小河沟人工植树造林和植被自然恢复对比小流域为研究对象,建设了“中国科学院地球环境研究所南小河沟水土保持和生态恢复试验基地”,对长期自然和人为植被恢复模式下小流域的物质和能量平衡进行了连续观测研究,获得系统性进展。两条小流域从1954年开始设置对比,至今已超过60年时间;其中董庄沟进行植被自然恢复,目前已形成自然草地小流域;杨家沟进行人工植树造林(1954-1958),目前已形成人工森林小流域。前人研究结果表明,和天然草地小流域相比,人工造林小流域在前20年(1956-1980)径流量减少了32%;根据最新的观测结果(2016-2018年),人工造林小流域径流量减少现今已超过90%,即使在强降雨条件下也很难产生明显的径流。因此,该研究得出结论认为,黄土高原人工造林小流域在长远背景下,将可能彻底抑制地表径流的产生,导致小流域无法形成径流输出,这对黄土高原可持续性的水资源利用将产生较大的负面影响。

必赢的网址登录,该研究不仅帮助我们加深了对于植被恢复如何改变降雨过程中生物物理过程控制碳通量这一问题的理解,同时增强了对植被恢复区土壤固碳能力的认识和准确计算。研究成果2018年发表在《LAND
DEGRADATION & DEVELOPMENT》。

bwin必赢亚洲手机登陆,1、龙门山地区的生物有机碳的14C年龄为必赢366net手机版,必赢亚洲游戏网站,~1620
+980/-870年到现代年龄,上游流域的生物有机碳较为年老,这和前人认为年老生物有机碳来自高原侵蚀的观点一致;下游生物有机碳年轻化则说明了可能部分年老生物有机碳在河流搬运的过程中发生了氧化。

由于人工造林极大地改变了小流域的水文过程和水文环境,使得小流域的物质迁移、能量平衡和侵蚀热点也发生了显著改变,包括碳氮循环、土壤水分、温度、蒸散发、地表反照率、侵蚀泥沙等。研究结果表明,和人工造林小流域相比,草地小流域由于具有更好的水文环境和更高的径流输出,类似于“大浪淘沙”,不断淋洗流域表层可溶性物质,包括碳氮元素等(图2,Jin
et al., 2014; Jin et al.,
2016),使得草地小流域发生了更多的横向物质迁移和流动。这一认识拓展了传统生态学的学科范畴,将生态-水文-地貌-生物地球化学循环更好地耦合在一起。

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有关能量平衡的研究结果表明,人工造林小流域通过改变地表反照率和蒸散发,显著改变了流域地表的能量平衡,但局部地形对能量平衡的影响不可忽视(Jin
et al.,
2019)。在冬春季节,地形对地表能量的影响起主导作用;夏季,ET增强,植树造林的影响超过地形起主导作用;秋季,植被的影响减弱,地形的影响逐步增强。因此,在一年之中,植被和地形对地表能量平衡的影响随着季节的变化此消彼长,互为耦合,这为遥感反演和模型模拟区域尺度地表能量平衡的变化提供了更为精细的认识。

图1
利用有机碳含量及14C同位素计算各个站点的化石有机碳含量和生物有机碳年龄

有关长期植被恢复背景下土壤水分补给阈值和补给机制问题,通过高精度降雨-土壤水分观测,精细分析了每一场降雨入渗到土壤的过程。研究结果表明,自然草地小流域,单次或连续降雨量达到9
mm才能入渗到表层土壤;而对于高植被覆盖的沟谷森林,降雨量达到14
mm才能有效补给到表层土壤。该研究对清晰认识黄土高原在长期植被恢复背景下,多大的降雨才能入渗到土壤的问题具有重要的指示意义。

2、化石有机碳的年侵蚀通量为0.04 ± 0.02至1.69 ± 0.56
tC/km2/yr,其差异主要受到物理侵蚀速率的控制,而物理侵蚀速率与坡度紧密相关。

有关长期植被恢复背景下小流域产流阈值和控制因素问题,通过降雨、土壤水分和流域产流的长期定位观测和对比分析,发现小流域产流存在三种模式:高降雨强度和中等的表层土壤含水量;低降雨强度、中等降雨量和较高的深层土壤含水量;土壤含水量较低但降雨量足够大(Jin
et al., 2019,
prepared)。同时发现,除降雨强度和降雨总量外,前期土壤含水量在流域产流中起着至关重要的作用。研究结果对清晰认识黄土高原长期植被恢复背景下小流域的产流条件和受控因素具有重要的指示意义。

3、生物有机碳的年侵蚀通量为 0.21 ± 0.04至 3.33 ± 0.57
tC/km2/yr,主要受到径流和强径流事件等气候因素控制。

相关论文:

研究最后指出,全球气候变暖会增强生物有机碳的侵蚀和埋藏,而在类似龙门山的构造活跃区,气候和构造活动的共同作用会使得这些区域的生物有机碳侵蚀更为重要。

Jin et al. Controlling factors of runoff generation in a pair of
catchments on the Chinese Loess Plateau after a long-term vegetation
rehabilitation. 2019, prepared for submission.

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Jin et al. Effects of afforestation on soil and ambient air temperature
in a pair of catchments on the Chinese Loess Plateau. Catena, 2019,
175:356-366.

图2 生物有机碳侵蚀速率和物理侵蚀速率、径流量、最大日径流量的关系

Jin et al. Soil moisture response to rainfall on the Chinese Loess
Plateau after a long-term vegetation rehabilitation. Hydrological
Processes, 2018, 32:1738-1754.

以上研究结果近日在线发表在国际知名地学期刊Geochimica Cosmochimica
Acta上(链接

Jin et al. Comparing watershed black locust afforestation and natural
revegetation impacts on soil nitrogen on the Loess Plateau of China.
Scientific Reports, 2016, 6: 25048, DOI: 10.1038/srep250489.

(地表过程与化学风化研究室供稿)

Jin et al. 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.

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图1 2016-2018年人工植树造林和植被自然恢复小流域径流量的差异

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图2
人工植树造林和植被自然恢复小流域水文环境的差异导致无机碳迁移输出发生显著差异的模式图

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图3
人工植树造林和植被自然恢复小流域不同季节和不同地形条件下土壤温度的变化

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图4
人工植树造林和植被自然恢复小流域不同地形条件下高精度降雨-土壤水分响应分析

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图5 人工植树造林和植被自然恢复小流域降雨、土壤水分和流域产流对比分析

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