張 芳, 熊黑鋼, 馮 娟, 許仲林

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 2 北京聯(lián)合大學應用文理學院,北京 100083 3 教育部新疆綠洲生態(tài)重點實驗室,烏魯木齊 830046

天山北麓新人工綠洲擴張過程中的碳庫格局變化與碳庫遷移

張 芳1,3, 熊黑鋼2,3,*, 馮 娟1,3, 許仲林1,3

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 2 北京聯(lián)合大學應用文理學院,北京 100083 3 教育部新疆綠洲生態(tài)重點實驗室,烏魯木齊 830046

基于地面調(diào)查數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)分析了40年來天山北麓新人工綠洲迅速擴張對區(qū)域植被和土壤的碳庫格局、碳庫遷移及碳儲量的影響,結(jié)果如下：1976—2016年,研究區(qū)農(nóng)田面積占比從3.25%增加到40%以上,沼澤消失,水庫干涸,灌叢大幅減少,土壤鹽堿化過程停止,裸鹽堿地面積40年里減少近70%,新生草地在裸鹽堿地上形成；2016年6月植被有效碳儲量約為0.122Tg,比1976年下降了15.7%,成為一個弱的碳源；土壤碳庫在干旱地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中占絕對主導地位,1976年研究區(qū)(0—60cm)的土壤有機碳儲量為7.814Tg,其中耕地僅占4.2%,1996年土壤有機碳儲量比1976年減少12.4%,呈明顯碳源特征,到2016年,耕地土壤有機碳儲量占比超過50%,總碳儲量與1996年相比微降1.2%,土壤碳庫重新趨于穩(wěn)定。其中,裸鹽堿地土壤碳庫在向耕地、灌叢地、草地土壤碳庫的遷移過程中貢獻了1.265Tg的碳儲量增量,草地土壤碳庫在向耕地、灌叢地碳庫的遷移過程中貢獻了0.894Tg的碳儲量增量；若維持現(xiàn)有耕地規(guī)模不再進行新的墾荒活動,40a墾荒造成的土壤碳庫損失可以逐漸恢復并重新形成碳匯效應。

新人工綠洲擴張；碳庫格局變化；碳庫遷移；天山北麓

人類活動對碳循環(huán)的影響是氣候變化研究的重要核心問題之一。大量研究表明,開墾會在一定程度上產(chǎn)生碳源效應[1- 4]。例如,三江平原沼澤濕地開墾初期土壤有機碳損失較快,經(jīng)過15a以上穩(wěn)定而長期的耕作后,有機碳最終趨于一個相對的穩(wěn)定值[5- 6]；利用歷史土地覆蓋數(shù)據(jù)和簿記模型對東北地區(qū)過去300年來開墾導致碳排放量的估算研究表明,東北全境約38%的草地、20%的森林和灌叢被開墾,開墾導致的碳排放量中土壤碳庫是較大的排放源[7]；開墾在新疆干旱荒漠地區(qū)也可能產(chǎn)生有利于碳匯的情況,自然土壤墾殖后最初5年有機碳含量增加明顯,年均增加0.65g/kg以上,5年后維持在相對平衡的水平[8]。

新疆對于我國國家安全、經(jīng)濟發(fā)展及“一帶一路”建設(shè)均具有極其重要的戰(zhàn)略地位,是我國21世紀經(jīng)濟增長的重要支點和資源接替區(qū),也是保障國家糧食安全的重要耕地儲備基地[9]。1976—2016年,由于新人工綠洲快速擴張,面積僅占全疆8.22%的天山北麓經(jīng)濟帶,人口和耕地面積超過全疆的25%[10]。開墾是對綠洲生態(tài)系統(tǒng)影響最大的人類活動,本研究嘗試采用地面土壤調(diào)查數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),結(jié)合光能利用率模型CASA(Carnegie-Ames-Stanford-Approach),研究天山北麓新人工綠洲迅速擴張對區(qū)域植被、土壤碳庫格局和碳庫轉(zhuǎn)移的影響,以增進對人類活動影響下干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)碳庫反饋效應的理解和認識。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

20世紀中葉以后形成的綠洲稱為新綠洲[11]。從天山北麓綠洲分布和擴張軌跡來看,新綠洲多分布在沖積平原中下部[12]。近幾十年來,奇臺綠洲的高強度農(nóng)業(yè)開發(fā)在天山北麓具有代表性,因此研究區(qū)選擇在奇臺平原綠洲下部與古爾班通古特沙漠東部毗鄰的交錯帶區(qū)域,范圍：43°57′—44°13′N,89°24′—90°09′E,其中非沙漠區(qū)域面積為1582.6km2,年均氣溫5℃左右,年均降水量約176mm,年平均蒸發(fā)勢達2141mm,屬溫帶大陸性干旱/半干旱氣候。

1.2 數(shù)據(jù)資料

①遙感數(shù)據(jù)：根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量(云量、條帶等)和時相匹配(研究區(qū)植物生長最旺盛季節(jié)為6月中旬前后)進行綜合考慮,選用1976年6月6日的Landsat MSS影像、1996年6月28日和2016年6月19日的Landsat TM影像共3期衛(wèi)星數(shù)據(jù),時間間隔為20a。遙感數(shù)據(jù)使用前進行嚴格的預處理,包括大氣輻射校正和幾何精校正,幾何校正誤差不超過0.2個像元。

②地面土壤實測數(shù)據(jù)：考慮到與影像過境時間相對應,土壤數(shù)據(jù)選用于2009年6月9—23日采集的野外自然土壤和農(nóng)田土壤樣本所測定的結(jié)果：采樣時在研究區(qū)未受開墾干擾的荒地定位布點60個,樣點盡可能規(guī)則遍及所有荒地類型,用四分法采集剖面上0—20、20—40cm和40—60cm的土壤樣本；從西向東在研究區(qū)選擇耕種10年左右和耕種>20年的農(nóng)田各挖取土壤剖面25個,同樣采集0—20、20—40、40—60cm的土壤樣本。所有土壤樣本在實驗室內(nèi)自然晾干、磨碎,過2mm篩后,用于土壤理化分析。

③其他數(shù)據(jù)：1976—2016氣象數(shù)據(jù)、2004年以來歷年定點觀測、入村走訪記錄和景觀照片庫等。

1.3 研究方法

①土地覆被變化分類：利用歷年野外定點觀測、走訪記錄和實地景觀照片庫,采用監(jiān)督分類方法對各期影像進行地物覆蓋類型分類與驗證,計算通過遙感專業(yè)處理軟件ENVI 5.0完成。

②植被地上生物量與地下生物量估算：用植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity, NPP)估算植被地上生物量。NPP指單位面積的綠色植物在單位時間內(nèi)累積的有機物量,是判定生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主要因子[13]。目前,基于光能利用率的遙感模型被廣泛應用于估算區(qū)域及全球尺度的NPP[14- 15],本研究采用CASA模型進行NPP估算,公式如下：

NPP=APAR×Tε1×Tε2×Wε×ε*

(1)

式中,APAR是光合有效輻射,Tε1和Tε2為溫度脅迫系數(shù),Wε為水分脅迫影響系數(shù),最大光能轉(zhuǎn)化率ε*取值0.389gC/MJ,具體計算過程和相關(guān)氣象參數(shù)詳見文獻[16],需要說明的是,新疆綠洲為灌溉農(nóng)業(yè),灌溉過程由生產(chǎn)者根據(jù)土壤墑情決定,不受降水條件限制,因此本研究中,農(nóng)田與沼澤的Wε取值為1。

不同植被類型具有不同的地下與地上部分生物量的比例系數(shù),通過比例系數(shù)可以計算植被的地下生物量。本文采用7.89、4.42、15.68作為溫性荒漠草原、灌叢、沼澤類的地下與地上部分生物量的比例系數(shù)[17]；農(nóng)作物根莖比采用0.1[18]。

③土壤有機碳密度計算：土壤有機碳用重鉻酸鉀-外加熱法測定,土壤容重通過環(huán)刀法測定,土壤有機碳密度計算公式如下[19]：

(2)

式中,SOCD為有機碳密度(kg/m2)；i為土層；Di為土層厚度(cm)；BDi為第i層土壤容重(g/cm3)；SOCCi為第i層土壤有機碳百分含量(%)。

2 研究結(jié)果

2.1 新人工綠洲擴張與地表覆蓋格局演變

根據(jù)研究區(qū)的歷年定點觀測和入戶訪查資料,利用監(jiān)督分類方法對3期影像進行分類(圖1),分類精度分別為：96.38%、92.75%和98.45%。研究區(qū)目前主要的覆被類型為農(nóng)田、草地、灌叢與裸鹽堿地。種植面積最大的農(nóng)作物有小麥、玉米、油葵及打瓜等；研究區(qū)天然植被主要為草本、灌木或半灌木的鹽(堿)生植物,草地以叉毛蓬、豬毛菜、堿蓬、駱駝蓬、駱駝刺等低矮草本植物為主；灌叢由株形較大的灌木/半灌木與草本混合群落構(gòu)成,例如檉柳+芨芨草+苦豆子+白刺等。研究區(qū)土壤呈堿性,土壤pH值>9.5的地方主要是光板地,幾乎無植物生長,因此將其劃分為裸鹽堿地[20]。部分田邊、路邊有防護林成線狀分布,但未能形成超過一個像元寬度(30m)的可提取面積信息,因此未將林地單獨分類。

二是教學內(nèi)容更新不足.當前教學內(nèi)容仍以傳統(tǒng)教材為主體，著重講授地圖學的基礎(chǔ)理論和傳統(tǒng)地圖制作方法.隨著大數(shù)據(jù)的到來和GIS技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)地圖學教學內(nèi)容已無法適應信息時代下地圖制圖的要求[10]，如傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖制圖方法及工藝過程已逐漸被數(shù)字制圖新理論、新技術(shù)和新方法所取代.因此在教學內(nèi)容上應及時做出更新和調(diào)整，引入和補充數(shù)字地圖的相關(guān)理論和制圖流程，并將最新的地圖制印和工藝流程納入課堂教學中，為后續(xù)實習做好準備.

研究區(qū)東南部海拔較高,向西北處逐漸降低[21]。由圖1可知,1976年時研究區(qū)地表水資源較為豐富,西北角建有一平原水庫,泉水溢出帶由西南向東北弧狀分布,形成長短不一、流向向北的泉水河,泉水溢出帶在影像上表現(xiàn)為沼澤和灌叢特征,經(jīng)實地走訪,沼澤及泉水河周圍生長有茂密的蘆葦+芨芨草混合灌叢；1976年分類圖上的大面積白色區(qū)域為高反射率的裸鹽堿地；1976年研究區(qū)農(nóng)田稀少,呈零星斑塊在中、西部小范圍散布,說明當時人類活動強度很弱,研究區(qū)主要表現(xiàn)為天然草地+灌叢+沼澤+裸鹽堿地的荒漠草原景觀。1996年,新墾耕地在原有田塊周圍迅速擴張,泉水溢出帶消失且大部分被開墾,水庫干涸,灌叢明顯減少；2016年,地表覆蓋主要由農(nóng)田+草地+裸鹽堿地構(gòu)成,適合大型農(nóng)業(yè)機械作業(yè)的條田連接成片,原來以荒漠草原景觀為主的天然綠洲被新人工農(nóng)業(yè)綠洲所替代。

圖1 研究區(qū)地表覆蓋分類圖Fig.1 The classified images of study area from 1976 to 2016

提取各年份不同地物類別的覆蓋面積(表1),1976年有農(nóng)田5.15×103hm2,僅占研究區(qū)面積的3.25%,1996年,農(nóng)田增加至34.49×103hm2,是1976年的6.7倍,2016年農(nóng)田占比已超過研究區(qū)面積的40%。由于高密度打井開采地下水來灌溉新墾耕地,到1996年時研究區(qū)地下水位降幅超過10m[22],土壤中的毛管懸著水與毛管上升水不再連接,土壤鹽堿化進程停止,活性鹽堿土變成殘余鹽堿土,在研究區(qū)近180mm年降水量的淋洗下,表層土壤鹽堿化程度逐漸減弱,植物開始生長,裸鹽堿地逐漸向新生草地演變甚至被開墾、改良成為農(nóng)田。40a里,裸鹽堿地面積減少41.06×103hm2,減少近70%,同期,灌叢則從17.87×103hm2減少到5.20×103hm2,主要散布于田間地頭,已很少成片分布。

表1 1976—2016年地表覆蓋類型的面積變化

通過遷移矩陣來觀察40年來地表覆被分布格局的變化(表2),1976年沼澤面積中的75.58%、水體面積的77.96%、灌叢面積的66.93%、草地面積中的41.43%和裸鹽堿地中的23.86%被開墾,構(gòu)成了2016年農(nóng)田；1976年草地中的43.62%在40年后仍舊是草地,這部分草地被新墾農(nóng)田分割呈碎片化分布,與59.38%裸鹽堿地演替而來的新生草地重新連接成片,加上來自21.44%的灌叢、16.16%的水體、16.57%的沼澤和7.40%的農(nóng)田退化形成的草地,共同構(gòu)成2016年的草地景觀。1976年的裸鹽堿地中僅有15.01%到2016年時依然存在,其余的裸鹽堿地來自少量的草地、沼澤和灌叢等的退化。新人工綠洲擴張使農(nóng)田大幅增加,區(qū)域水、土環(huán)境及覆被格局均發(fā)生巨大改變,因此,區(qū)域碳庫平衡和碳庫構(gòu)成也必然隨之發(fā)生改變。

表2 2016年相比1976年的地物覆被類型遷移/%

2.2 新人工綠洲擴張過程中的植被碳庫反饋效應

植被碳庫由植物的地上生物量和地下生物量兩部分構(gòu)成。地上生物量用研究區(qū)6月NPP來計算,地下生物量采用地下與地上生物量比例系數(shù)來計算,植被碳儲量按照植物有機干物質(zhì)中碳占的比重(國際上常用轉(zhuǎn)換率為 0.45)轉(zhuǎn)換為碳量[23- 24]。

2.2.1 地上與地下生物量變化

分別計算除水體和裸鹽堿地外各地物類別中各個像元的NPP值(圖2),介于120—70g·C/m2之間的主要為沼澤、芨芨草+苦豆子+檉柳+樟味藜+鹽爪爪等混生灌叢群落,≤70g·C/m2的主要為荒漠草原,草地的單位面積NPP約在30—40g·C/m2范圍內(nèi)波動,相對較穩(wěn)定。農(nóng)田單位面積NPP最高,多高于120g·C/m2。

圖2 研究區(qū)不同年份NPP分布Fig.2 The spatial patterns of above-ground NPP indifferent years

計算不同時期植被的地上與地下生物量總量(表3),1976年6月,研究區(qū)地上生物量總計為41.02×103t,到2016年6月達到90.60×103t,增加了120.88%,其中,農(nóng)田擴張產(chǎn)生的地上生物量增量達55.56×103t。1976年農(nóng)作物對研究區(qū)地上生物量的貢獻率為8.62%,1996年急增至49.09%,2016年則達到了65.23%。由于農(nóng)作物地下生物量較小,2016年農(nóng)田地下生物量在整個研究區(qū)地下生物量中占比不足2.5%。研究區(qū)1976年的地下生物量為284.08×103t,1996年迅速下降到211.73×103t,2016年有所回升為245.30×103t,比1976年仍減少13.65%。40年里,灌叢和沼澤凈損失了11.59×103t地上生物量和88.57×103t地下生物量,而草地的地上、地下生物量均呈增加態(tài)勢,分別增加了5.61×103t和44.24×103t。從植被總生物量來看,1976年研究區(qū)的地上與地下生物量之和為325.10×103t,1996年為268.26×103t,2016年為335.90×103t,比1976年略增3.3%,說明研究區(qū)的新人工綠洲擴張過程中,植被總生物量響應特征為迅速下降—逐漸恢復—相對穩(wěn)定,植被生物量分布格局顯著改變,地上生物量大幅增加,地下生物量明顯減少。

表3 1976—2016研究區(qū)6月份地上與地下NPP/103t

2.2.2 植被碳庫遷移與碳儲量變化

表4 研究區(qū)不同時期植被碳庫構(gòu)成/GgC

方精云等認為,過去20年里中國農(nóng)作物生物量碳庫和固碳效率增加,但這些增加的生物量碳絕大部分在短期內(nèi)通過分解釋放回大氣中,因此將農(nóng)作物生物量碳匯設(shè)定為零[23]。從這個角度出發(fā),研究區(qū)的農(nóng)作物碳儲量在40年里增加了約15倍,均屬于無效碳匯,而灌叢、沼澤等天然植被碳庫向農(nóng)作物碳庫遷移,實際上是一個碳匯無效化過程。表5計算了2016年相較于1976年研究區(qū)植被碳庫的遷移狀況。1976年的農(nóng)田中有1.55Gg作物碳在40年后依然是作物碳,只是固碳量增加了0.51Gg,屬無效碳匯；1976年有17.82Gg灌叢碳遷移到了2016年的作物碳庫中成為無效碳匯,遷移過程中固碳量損失12.41Gg,固碳能力下降了近70%；沼澤和草地在向2016年作物碳庫的遷移過程中產(chǎn)生的碳排放分別為16.48Gg和25.56Gg,并各自將18.83Gg和38.53Gg的有效碳匯變成了無效碳匯；裸鹽堿地在向草地和灌叢地演化過程中為植被碳庫提供了58.36Gg有效碳匯補償,占2016年有效碳匯的近一半。

綜上所述,農(nóng)田擴張是植被碳匯無效化過程,天然植被減少或消失使區(qū)域植被固碳潛力降低,而裸鹽堿地向新生草地演替可產(chǎn)生植被有效碳匯補償效應。從植被有效碳匯儲量來看,1976年為144.55Gg,1996年為106.98Gg,下降了37.57Gg,2016年為121.91Gg,較1996年增加13.96%,說明,在新人工綠洲擴張初期,研究區(qū)植被碳庫損耗最快,之后,由于裸鹽堿地的碳匯補償作用使碳損耗速度趨緩。2016年植被有效碳庫較1976年下降了22.64Gg,說明人工綠洲擴張使研究區(qū)植被固碳潛力降低,呈弱碳源特征。

表5 2016年相較于1976年的植物碳庫遷移/GgC

列數(shù)據(jù)為1976年不同植被碳庫向2016年各類植被碳庫的遷移,行數(shù)據(jù)為2016年植被碳庫對來自1976年各類植被碳的接受情況； “+”、“-”符號表示碳庫遷移過程中碳儲量的增加或減少

2.3 新人工綠洲擴張過程中的土壤碳庫反饋效應

研究區(qū)地帶性土壤為荒漠灰鈣土,發(fā)育在黃土狀物質(zhì)覆蓋的山前傾斜平原和古老沖積平原上,礦質(zhì)營養(yǎng)豐富,是新疆優(yōu)質(zhì)的土地資源之一[25]。

2.3.1 研究區(qū)土壤碳庫構(gòu)成

表6為實測的不同地類土壤有機碳密度分布情況。灌叢地土壤有機碳表聚性最高,其次是草地。灌叢地群落高度大、結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定,每年輸入土壤的凋落物較多,因此土壤有機碳密度最大,0—60cm厚度土層中平均可達9.067kg/m2,其固碳量是草地的近2.4倍、裸鹽堿地4.3倍。耕作10年左右的土壤有機碳密度與草地相近,比裸鹽堿地高61.64%,但是僅為灌叢地的37.51%,耕作時間超過20年后,土壤有機碳密度明顯提高,達6.404kg/m2,是裸鹽堿地的3.04倍。

表6 土壤有機碳密度均值分布/(kg/m2)

研究區(qū)沼澤在1996年以前就全部消失,因此無法獲得沼澤土壤有機碳的實測數(shù)據(jù)。對已發(fā)表文獻中相關(guān)研究進行分析,全球濕地土壤(土層厚度0—100cm)的有機碳密度在42.5—66.1kg/m2之間[26-27]。牟長城等于5 月下旬在大興安嶺實測的天然灌叢沼澤土壤有機碳密度為33.06kg/m2(0—50cm)[28],霍莉莉?qū)邶埥|南部未墾殖天然沼澤濕地土壤實測的有機碳密度為 29.1kg/m2(土層厚度0—60cm)[29]?？紤]到淹水條件下,沼澤濕地有機碳積累主要受溫度影響,霍莉莉的采樣區(qū)緯度與本文研究區(qū)較接近且土層厚度一致[29],因此本文采用有機碳密度29.1kg/m2來估算研究區(qū)沼澤消失造成的土壤有機碳損失。

計算不同時期各地類土壤碳儲量(表7),1996年和1976年耕地用耕種>20年的碳密度均值計算,1996年之后開墾的耕地用耕種10年的碳密度計算。1976年研究區(qū)土壤碳總儲量為7814.1Gg,耕地、草地、灌叢地、裸鹽堿地和沼澤地分別占4.2%、33.6%、20.7%、15.9%和25.6%,草地為最大土壤碳庫。1996年由于沼澤消失,灌叢地減少等,研究區(qū)的土壤有機碳儲量下降到6843.2Gg,呈碳源特征。2016年,由于耕地面積的大幅增加,耕地土壤有機碳儲量占比近50%,超過草地,總碳儲量與1996年相比僅微降1.2%,土壤碳庫重新趨于穩(wěn)定。

2.3.2 土壤碳庫遷移與碳儲量變化

新人工綠洲的大規(guī)模擴張導致地下水被大量超采,整個天山北麓尤以奇臺縣地下水超采最為嚴重[30],近幾年來,研究區(qū)的墾荒行為開始被嚴格控制。

表7 研究區(qū)不同時期土壤碳庫構(gòu)成/GgC

假設(shè)研究區(qū)維持現(xiàn)有生態(tài)景觀格局,不再進行新的開墾活動,已墾新農(nóng)田在持續(xù)耕種后土壤碳匯效率趨于穩(wěn)定和平衡(表8,其中耕地碳庫均采用耕種>20年土壤有機碳密度計算),耕地土壤碳儲量可達4126.8Gg,占土壤總碳庫的53.9%,土壤總碳儲量可達7653.9Gg,僅比1976年略低160.2Gg,與1996年相比回升11.8%,40年中開墾造成的土壤碳庫損失可基本得到恢復。其中,裸鹽堿地土壤碳庫在向耕地、灌叢地、草地土壤碳庫的遷移過程中可分別為總土壤碳儲量貢獻603.9、68.9、592.6Gg的碳匯增量,對土壤碳庫的補償貢獻達16.53%。草地土壤碳庫在向耕地、灌叢地碳庫的遷移過程中則分別貢獻了748Gg和145.5Gg的碳儲量增量。沼澤地是干旱區(qū)最為脆弱的土壤碳庫,在碳庫遷移過程中造成的碳匯損失也最大。

表8 2016年覆被格局穩(wěn)定條件下相較于1976年的土壤碳庫遷移/GgC

列數(shù)據(jù)為1976年不同類型土壤碳庫向2016年各類土壤碳庫的遷移,行數(shù)據(jù)為2016年土壤碳庫對來自1976年各類土壤碳的接受情況；“+”、“-”符號表示碳庫遷移過程中碳儲量的增加或減少

3 討論

3.1 氣候因素對研究區(qū)碳庫的可能影響

40年來,天山北麓的氣候呈現(xiàn)一定的暖濕化趨勢,但升溫主要在冬季,影響植物生長的春季溫度僅上升了0.14℃/10a、夏季氣溫還略有下降,為-0.14℃/10a[31],說明溫度對研究區(qū)植被生物量和植被碳庫的影響較小。研究區(qū)近40年來的年降水量升率為15.8mm/10a[31],不足2mm/a的降水升率對干旱區(qū)植被碳庫的影響也相對有限。

溫度相對穩(wěn)定情況下,水分和土壤結(jié)構(gòu)的變化是影響土壤有機碳的分解或積累的直接因素。研究區(qū)原來碳密度較高的沼澤地、灌叢地、草地墾為耕地后,淹水條件和地表水供給消失,土壤透氣性增加,將促進土壤中原有有機碳的分解和礦化形成碳排放；耕作土壤通過灌溉和種植可以保障水分和有機質(zhì)的定期輸入,長期耕作后的土壤會維持一個相對穩(wěn)定的碳密度水平。因此,人類開墾活動是驅(qū)動研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳庫格局改變和碳庫遷移的決定性因素。

3.2 研究區(qū)土壤脫鹽堿化與碳失匯

科學家們在全球碳循環(huán)研究中發(fā)現(xiàn)大氣中CO2存在收支不平衡,認為可能存在一個未知的碳匯(失匯Missing sink)[32]。許多研究指出這個較大的未知碳匯可能存在于北半球中緯度地區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)中[33-34]。Houghton認為土地耕作制度的變化增加了全球碳循環(huán)研究的不確定性,促使 “碳失匯”的形成[35]。我國學者也認為土地利用方式改變對 “碳失匯”成因具有重要作用,揭示“碳失匯”將有助于理解碳的遷移和轉(zhuǎn)化過程[36]。但是由于碳失匯問題的復雜性,目前許多研究尚有待于通過增加實驗觀測獲取土地利用、氣候以及植被、土壤碳氮動態(tài)詳細資料來進行驗證[37]。

本研究中,天山北麓強烈的人類開墾活動改變了地表水分的供應和分布,鹽堿土發(fā)育過程中斷,使原來大面積分布在荒漠-綠洲交錯帶的鹽堿土進入脫鹽堿化的逆向演變,鹽堿土碳庫逐漸向新生草地碳庫、耕作土壤碳庫等具有較高固碳潛力的碳庫遷移,為開墾造成的碳排放提供了有效碳匯補償,這種補償能在多大程度上為 “碳失匯”做出貢獻尚有待今后在更大區(qū)域尺度上進行進一步的綜合觀測和研究。

4 結(jié)論

1976—2016年,研究區(qū)新人工綠洲快速擴張,植被總生物量經(jīng)歷了從迅速下降到逐漸恢復的過程,在這個過程中,整個區(qū)域的生物量分布格局發(fā)生顯著改變,植被地上生物量大幅增加,地下生物量大幅減少。開墾導致的天然植被碳庫向作物碳庫遷移是植被碳匯無效化的過程,植被無效碳匯增加使研究區(qū)植被固碳潛力降低,成為一個弱的碳源。

1976年研究區(qū)(0—60cm)的土壤碳總儲量為7.814Tg,其中耕地、草地、灌叢地、裸鹽堿地和沼澤地分別占4.2%、33.6%、20.7%、15.9%和25.6%,到2016年,耕地土壤有機碳儲量占比近50%。裸鹽堿地土壤碳庫在向耕地、灌叢地、草地土壤碳庫的遷移過程中為總土壤碳庫增加了1.265Tg的碳儲量,草地土壤碳庫在向耕地、灌叢地碳庫的遷移過程中增加了0.894Tg的碳儲量。碳排放效應減弱,土壤碳庫開始重新趨于穩(wěn)定。在研究區(qū)水資源的制約下,若維持現(xiàn)有耕地規(guī)模不再進行新的墾荒活動,40a來開墾造成的土壤碳庫損失可以逐漸得到恢復。

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ChangesinthecarbonpoolpatternandcarbonpoolmigrationduringtheexpansionofnewartificialoasesinthenorthernfoothillsofTianshanMountainswithinthelast40years

ZHANG Fang1,3, XIONG Heigang2,3,*, FENG Juan1,3, XU Zhonglin1,3

1CollegeofResources&EnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2CollegeofArtandScience,BeijingUnionUniversity,Beijing100083,China3KeyLaboratoryofOasisEcology(XinjiangUniversity)MinistryofEducation,Urumqi830046,China

Based on ground survey data, meteorological data, and remote sensing data, this study analyzed the impact of regional vegetation and soil from the rapid expansion of new artificial oases in the northern foothills of Tianshan Mountains in the past 40 years on carbon pool pattern and migration and carbon sequestration.The results are as follows: from 1976 to 2016, the proportion of farmland in the study area increased from 3.25% to more than 40%. As the marsh disappeared, the reservoir dried up, the shrub cover was drastically reduced, the soil salinization process ceased, and the degree of salinization gradually decreased. Finally, new grassland has formed over bare saline-alkali soil, and there has been an approximate 70% reduction in the area of naked saline alkali over the last 40 years. The effective carbon sink of vegetation was decreased by 15.7% compared with that in 1976. The soil(0—60cm) total carbon storage in the study area in 1976 was 7.814TgC, of which, farmland only accounted for 4.2%. In 2016, the farmland soil organic carbon storage accounted for more than 50%, and the total soil carbon storage decreased slightly by 1.2% compared with that in 1996. The soil carbon pool appears to have stopped declining and has achieved a new balance. The soil carbon pools of bare soil salinity increased by 1.265TgC during the transfer of soil carbon to farmland, shrub land, and grassland soil carbon pools. The carbon stocks of grassland soils increased by 0.8934TgC during migration to the farmland and shrub land carbon pool. If the existing scale of cultivated land is well controlled, the loss of the soil carbon pool caused by the 40-year reclamation can be gradually recovered and the carbon sink effect can be re-formed. Human activities are decisive factors that influence the pattern of NPP distribution in the study area. Reclamation activities are generally carried out in arid oasis, especially in the desert intertidal zone around the old oasis during 1976 to 2016. Once oases are reclaimed and farmland extends to desert, a new artificial oasis is dramatically expanded, with a drastic change in water consumption patterns and temporal and spatial distributions, causing significant changes in the ecological environment. The overdraft of groundwater leads to the disappearance of spring overflow and the drying of reservoirs, which has negative effects on the ecological environment in the research area. Therefore, the sustainable development of water resources and future development trend of ecosystem carbon pool feedback in the process of new artificial oasis expansion should be taken seriously and demands further studies.

expansion of new artificial oases; carbon pool pattern; carbon pool migration; northern foothills of Tianshan Mountains

國家自然科學基金(41261049,41761041,41671198,41361098)；中國博士后基金面上資助(2013M532100)

2017- 03- 31;

2017- 07- 11

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xhg1956@sohu.com

10.5846/stxb201703310565

張芳, 熊黑鋼, 馮娟, 許仲林.天山北麓新人工綠洲擴張過程中的碳庫格局變化與碳庫遷移.生態(tài)學報,2017,37(23):7862- 7871.

Zhang F, Xiong H G, Feng J, Xu Z L.Changes in the carbon pool pattern and carbon pool migration during the expansion of new artificial oases in the northern foothills of Tianshan Mountains within the last 40 years.Acta Ecologica Sinica,2017,37(23):7862- 7871.