Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 石羊河流域人工固沙植被的固碳过程、速率和效益研究 | |
| 王新友 | |
| 出版年 | 2020 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 兰州大学 |
| 中文摘要 | 荒漠草地(Desert grassland)是我国北方最主要的土地利用类型之一,受到沙漠化的严重威胁。种植梭梭(Haloxylon ammodendron)等人工固沙植被(Sand-fixing vegetation)是保护和稳定荒漠草场的重要措施之一,得到政府、群众和学者的一致认同。然而,人工固沙植被的固碳效益长期被忽略,缺乏可靠方法的核算以及详实的实测数据验证。石羊河流域地处我国自然生态环境的脆弱带和气候的敏感区,是我国最早开展防沙治沙与人工固沙植被建设的荒漠草地区域之一,其沙漠化与固沙植被建设在干旱区具有典型性与代表性。本研究主要从实验、模型模拟、验证三个层次展开研究:首先,以石羊河流域人工固沙植被为研究对象,采用样地法揭示了典型人工固沙植被梭梭植被固碳以及土壤碳通量的动态变化机理(过程、规律、速率),分析了风蚀和降尘对人工梭梭固沙植被固碳作用的影响。然后,基于甘肃省森林资源二类清查数据,应用CBP(Carbon benefits project)碳计量模型工具模拟并预测了石羊河流域人工固沙植被的固碳效益和碳储量未来的变化趋势,以及围封和退耕还林情景下的固碳潜力。最后,利用石羊河流域人工固沙植被碳储量的实测数据对CBP模型的测算结果进行了验证。主要研究结果如下:1.人工固沙植被建设显著提高了干旱区沙化土地植被和土壤的有机碳储量,以地上植被和表层0-5 cm土壤提高最为明显。35a人工梭梭固沙植被碳储量达到0.75 kg C/m~2,平均固碳速率达到0.02 kg C/m~2/a,是流动沙丘的25倍,其固碳速率与同区域沙地稳定天然白刺固沙灌丛植被的固碳速率相当,但其碳储量仅约为稳定天然白刺固沙植被的1/3。35a人工梭梭固沙植被土壤有机碳储量达到2.48 kg C/m~2,平均固碳速率达到0.07 kg C/m~2/a,是流动沙丘的3.5倍,但只占到稳定天然白刺固沙灌丛的29.4%。35a梭梭人工固沙植被-土壤系统有机碳储量达到3.23 kg C/m~2,平均固碳速率达到0.09 kg C/m~2/a,较流动沙丘提高了3.4倍,但是只占到稳定天然白刺固沙灌丛的35.1%。显然,人工梭梭固沙植被还存在很大的固碳潜力。2.人工梭梭固沙植被地上植被碳储量随种植年限增加先增加后降低,土壤碳储量随种植年限增加逐渐增加,植被-土壤生态系统的碳储量随种植年限先增加后降低,而后逐渐增加。人工梭梭固沙植被地上植被碳储量在0-10a阶段增长快速,10a时达到峰值2.74 kg C/m~2,分别是35a、25a和3a的3.65、3.01和6.68倍;而土壤碳储量在35a达到峰值2.48 kg C/m~2,分别是25a、10a、3a的1.09、1.56和2.41倍;植被-土壤生态系统的碳储量在10a时达到峰值4.34 kg C/m~2,分别是35a、25a和3a的1.34、1.36和2.99倍,这说明人工梭梭固沙植被的碳储量大小受植被碳储量的影响大,意味着梭梭固沙植被的生长状况决定着其生态系统的碳储量。3.风蚀和降尘是沙漠地区最频繁的风沙活动,是影响人工梭梭固沙植被碳汇的重要因子。风蚀被人工固沙植被截留的沙尘引起的碳输入速率,5年平均值为1.12±0.42 g C/m~2/a;以35a人工梭梭固沙植被为参考,人工固沙植被阻挡风蚀引起的碳固定速率占到其土壤碳固定速率的1.58%,占到其系统碳固定速率的1.21%。在人工固沙植被下垫面上,降尘引起的碳输入速率为2.47±0.47 g C/m~2/a;以35a人工梭梭固沙植被为参考,降尘引起的碳输入速率占人工固沙植被土壤固碳速率的3.48%,占到其系统固碳速率的2.67%。4.土壤碳通量是土壤碳循环的重要组成部分。典型人工固沙植被——梭梭植被的土壤碳通量具有明显的季节和日夜变化特征,主要受种植年限、土壤水含量和土壤结皮的影响。不同种植年限梭梭固沙植被土壤碳通量均具有明显的季节变化特征,生长季(8月)的土壤碳通量明显大于非生长季(1月);不同种植年限梭梭固沙植被生长季和非生长季碳通量的日变化均为明显的单峰曲线,且呈现出一定的波动性,日最大排放速率出现在12:00-14:00时,最小值出现在8:00时左右。人工梭梭固沙植被建设和去结皮处理显著提高了沙漠土壤碳通量,而且不同种植年限的人工梭梭固沙植被碳通量大体上随着种植年限的增加而递增。土壤水含量是影响人工梭梭固沙植被碳通量的关键因素,生长季和非生长季土壤碳通量均与0-5 cm土壤水分显著相关,且均呈二次曲线关系。5.CBP碳计量模型预测显示,石羊河流域人工固沙植被当前(39a)的碳储量为0.81 Tg C,固碳速率为0.045 kg C/m~2/a;在0-100a时间尺度内的最大固碳潜力为2.19 Tg C,是当前碳储量的2.71倍,固碳速率为0.19 kg C/m~2/a;在35a-100a时间尺度上,人工固沙植被碳储量逐渐减小,并在80a后变成碳源,100a时碳排放达到0.44 Tg C。35a时,CBP碳计量模型预测结果和样地法估算结果两者相差34.5%,这验证了CBP碳计量工具在干旱荒漠区有一定的适用性和有效性。石羊河流域人工固沙植被的碳储量主要分布于民勤县与凉州区,合计占流域人工固沙植被碳储量的92.4%;人工梭梭固沙植被碳储量达到1.15 Tg C,占流域人工固沙植被碳储量的84.8%。降低植被死亡率、实施围封和植被建设措施能显著增强人工固沙植被固碳效益。6.0-35a时间尺度上,石羊河流域人工固沙植被的固碳效益随种植年限先增大后减小的机理在于在0-10a期间人工梭梭固沙植被逐渐兴盛,植被碳储量迅速增加,并在10a左右达到峰值,随种植年限的增长,梭梭固沙植被开始衰败和死亡,植被碳储量下降,引起生态系统碳密度减小。调控和提升石羊河流域人工固沙植被固碳效益的关键在于设法使土壤水含量高于植物枯萎点,保证植被的正常生长发育和维持荒漠草地稳定。为了维持碳汇效益和避免将来变成碳源,石羊河流域人工固沙植被亟待保育和重新恢复。研究揭示了典型人工固沙植被——梭梭固沙植被固碳过程、规律、速率、土壤碳通量变化特征及其影响因素,为我国干旱区荒漠草地生态系统碳储量计算提供了重要依据;计量了风蚀和降尘在人工固沙植被固碳中的比重,是对干旱荒漠区碳汇估算方法的创新。首次应用了CBP碳计量工具模拟预测了石羊河流域人工固沙植被固碳效益和潜力,并用样地法的估算结果验证了该工具的有效性。本研究为干旱区人工固沙植被碳效益的精确估算和提升提供了参考,对干旱荒漠灌丛草地的生态维持以及科学保育等具有重要意义。 |
| 中文关键词 | 梭梭固沙植被 ; 碳汇 ; 碳储量 ; CBP碳计量工具 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | S288 |
| 来源机构 | 兰州大学 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/338015 |
| 作者单位 | 兰州大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王新友. 石羊河流域人工固沙植被的固碳过程、速率和效益研究[D]. 兰州大学,2020. |
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