美国国家航空航天局2019 年的卫星监测数据显示，全球2000 年以来的新增植被绿化面积中，我国的贡献比例最大，约为25%，其中黄土高原是我国植被变绿程度最大的区域之一。黄土高原深厚的土层蕴藏着大量的有机碳，在植被恢复过程中，大气CO₂在光合作用下固定在植物中，并以光合碳的形式进入土壤，从而减缓气候变暖和温室效应等。因此，植被恢复是实现黄土高原地区碳中和的有效可行措施之一。
▲ 黄土高原植被恢复过程中主要碳循环过程示意图
在新时代背景下，中国科学院地球环境研究所周卫健院士和安芷生院士凝练出新时代黄土高原生态环境综合治理“26 字”建议，为黄土高原植被恢复的综合治理提出了建设性的指导意见。随着植被恢复的持续推进和经济建设的快速发展，黄土高原生态环境面临新的挑战，如碳汇/源问题、水资源问题、资源分配不均和城市扩建等问题。尽管黄土高原植被恢复过程中关于土壤碳储量的研究较为广泛，但未来黄土高原的碳汇功能仍然面临新的机遇与挑战，在气候变化和植被恢复的双重背景下，需要深刻认识和全面提升黄土高原植被恢复过程中的生态系统碳汇效应与功能。
《黄土高原植被恢复与碳储量功能》（杨阳等著. 北京 : 科学出版社, 2025. 1）一书是黄土高原土壤生态水文研究团队2016 年以来相关研究工作的总结与延伸，涉及的项目包括国家自然科学基金青年项目“黄土高原刺槐林深层土壤微生物残体对有机碳固存的贡献”(42107282)、国家自然科学基金面上项目“黄土高原深层土壤微生物残体碳累积的能量调控机制”(42377241)、“宁南山区植被恢复对土壤不同粒径团聚体中微生物群落分异特征的影响”(40971171)、“黄土丘陵区枯落物对土壤微生物多样性及碳固定的影响机理”(41171226)、“宁南山区植被恢复中根系生产力及其对有机碳贡献辨析”(41671280)、“黄土高原草地土壤微生物‘碳泵’调控的有机碳形成过程机理”(42077072)等。
近几十年以来，人类活动影响下的黄土高原生态系统各圈层环境交互作用的过程、机理是复杂多变的；在考虑完整性和连通性的基础上，亟须加强该区域土壤碳收支与排放研究，界定黄土高原植被恢复与土壤碳汇功能的权衡关系。为此，本书（文）进行了展望，为黄土高原土壤碳汇功能的发挥提供参考。
▋1. 加强黄土高原植被恢复过程中的土壤长期固碳效应。
黄土高原土壤垂直节理发达，直立性很强，然而黄土对流水的抵抗力弱，易受侵蚀，一旦土面的植被遭受破坏，土壤侵蚀现象就会迅速蔓延，流失大量的有机碳。随着植被恢复的持续推进，土壤和植被能够重新吸收固定大量的碳，进而增加了生态系统碳储量。黄土高原植被恢复仅仅是个开始，从长远的角度分析，黄土高原生态系统仍有很大的固碳潜力，因此黄土高原生态系统碳汇功能的发挥是一个长期的过程。随着退耕还林还草的不断推进，生态系统将持续发挥碳汇功能。虽然乔木林和灌木林均为碳汇，但是土地转换后会造成有机碳的损失，不利于有机碳的保存，增加林地面积和改善林分结构是提高森林碳汇功能的两个主要途径。由此可知，增加碳输入、减少碳输出是提升黄土高原生态系统碳汇功能的有效办法。未来在考虑黄土高原植被恢复完整性和连通性的基础上，亟须深化与加强该区域碳收支与排放研究，界定黄土高原碳汇功能及阈值等问题。过去黄土高原的植被恢复强调生态效益优先，并没有兼顾经济效益，种种迹象表明黄土高原植被恢复逐步进入自然演替阶段，植被恢复的固碳效应处于相对稳定的状态，植被恢复方式从过去重视植树造林种草，转而强调植被的自我修复。在进行植被恢复的同时，尽量减少人为干扰，促进植被向更复杂、更稳定的方向发展。遵循自然规律，建设与当地气候、土壤相适宜，能够进行自我修复的生态系统是植被恢复的最终目标，实现群落稳定和生态功能最大化，最大程度发挥生态系统的固碳效应。
▋2. 深化黄土高原土地利用方式与有机碳储量的权衡。
黄土高原土壤碳汇功能是土壤中有机碳输入与输出的动态平衡结果。当土壤碳的矿化量大于输入量时，土壤有机碳含量降低；当土壤碳的矿化量小于输入量时，土壤有机碳含量会持续增加，直至碳的矿化量与输入量相等，此时土壤有机碳含量达到新的平衡点(碳饱和点)。通常情况下，黄土高原草地恢复土壤有机碳达到平衡点需要20～30a，当营养物质输入量过高时，这种动态平衡系统会被打破，在达到新的平衡点后，会有更多的土壤有机碳矿化。为充分实现黄土高原土壤碳汇功能，未来的植被恢复应维持土壤有机碳输入和输出平衡的原则，在保证植被恢复的同时，最大化发挥生态系统碳汇功能。因此，黄土高原草地适合持续的自然封育，让其进行自然演替。农田由于耕作而碳流失，需要采取合理的耕作模式和外源碳输入途径。在此过程中，需要将植被承载力与固碳能力有效结合，寻找植被恢复对土壤有机碳固定的驱动力，进而权衡植被恢复与土壤有机碳之间的关系。
黄土高原植树造林被认为是增汇潜力最大的生态措施，然而造林扰动了土壤，可能会造成部分碳的损失，植树造林的增汇效应随着林龄增加而规律性降低。就林地和灌丛来说，人工林整体林龄较低，以幼、中龄林为主，处于早期演替阶段，具有较大的碳汇潜力。随着时间推移，幼、中龄林逐渐向成熟林、老龄林发展，生态系统日渐趋于平衡，碳汇功能随之逐步减弱。随着林龄持续老化，黄土高原人工林碳汇能力在未来将面临大幅下降的风险，届时会产生额外的减排压力。要想维持人工林长期较高的碳汇能力，需要采取合理的森林管理措施，结合生态系统本底状况及未来气候变化情景进行综合区划，优化林龄空间布局，适当更新树龄结构，避免森林过于老化，延长人工林碳汇服务时间。
▋3. 创新黄土高原土壤碳储量评估的主要方法与技术。
黄土高原生态系统脆弱，自然环境复杂，受气候变化和人类活动的影响，该区域土壤碳储量处于动态变化中，这导致碳储量评估的不确定性进一步加大，增加了对我国整体碳收支评估的偏差。关于黄土高原土壤碳储量已开展了较多的研究，主要通过资料清查、样点调查等进行小尺度估算，以及利用建模等方式进行大尺度估算。模型估算的结果略小于资料清查、样点调查的实测值，可能是模型的参数设置精度所致。另外，资料清查和样点调查的结果出现较大的差异，可能是由于采样方法和手段不同。对于模型估算，若以植被类型或土壤类型作为底图，底图精度越高，估算结果的准确性也越高；当使用单一化模型和层级模型估算时，不同模型的结果差异较大。对于资料清查、样点调查等估算，则需要统一采样方法和标准，扩大调查尺度和土层深度。因此，未来需要结合多种路径的碳循环联合作用模型，同时辅助实测值进行模型的验证，系统评估植被恢复后生态系统碳汇潜力，加强对生态系统和碳循环组分的观测，精确计量碳循环参数，探明碳汇调控机制。在碳循环研究中不断引进新技术、新手段，如碳同位素通量监测、微生物组学、近地面遥感等，从微观分子到全球宏观尺度深入揭示陆地生态系统碳汇的形成机制；开发生态系统碳汇提升技术，打通生态系统增汇技术途径。同时，预估在未来气候变化和人类活动背景下，黄土高原生态系统的固碳能力和增汇潜力，分别量化环境变化、植被生长和人为措施对增汇潜力的贡献，完善对各类生态系统碳汇潜力可达时限的评估，以提高碳储量的估算精度。
▋4. 从微生物学角度解析黄土高原土壤碳循环过程。
黄土高原土壤有机碳作为陆地碳汇的重要组成部分，探明微生物对植物残体和微生物残体分配、更新、维持的作用，对进一步认识陆地碳汇功能和应对气候变化非常重要。在异质性强、偏碱富钙的黄土中，土壤植物残体碳、微生物残体碳和微生物之间的耦合机制仍待深入研究，如植物残体碳和微生物残体碳在黄土土壤有机碳库中的分配格局，植物残体碳、微生物残体碳的动态变化与土壤微生物群落功能和生态系统多样性的关系，黄土土壤中钙离子对植物残体碳、微生物残体碳的调控机制等。新技术的应用，如三代测序技术、稳定同位素示踪、DNA-稳定同位素探针、高通量测序等，使研究微生物对土壤碳库分解、转化的驱动机制成为可能。宏基因组学可以从土壤样本的基因组数据库中筛选出结构和功能信息，确定物种种类、代谢功能与碳循环过程之间的关联。未来需要综合运用分子生物学、同位素示踪和地球系统科学的技术与方法，从微生物角度入手，借助土壤碳循环模型探究黄土高原土壤碳循环的生物地球化学过程，评估黄土高原增碳潜力，为我国实现“双碳”目标发挥应有的作用。
▋5. 串联黄土高原国家野外观测站，加强不同站点的合作共享机制。
据不完全统计，黄土高原地区拥有9 个国家级野外科学观测站和20 多个地方级观测站，并建成了8 座大型碳通量塔。未来应充分发挥野外站台的联合力量，集成多源尺度的观测数据(样地、样点、区域)、多手段模型数据(植被清查、资料搜集、模型模拟)、多源开放数据(卫星遥感、激光雷达)，空-天-地一体化开展黄土高原生态系统碳循环相关过程和碳收支计量体系的研究；综合开展高频次观测研究，加强推进黄土高原生态环境观测研究网络的发展和完善，利用多种在线观测仪器对短时间尺度有机碳的动态特征进行高频次长期定位观测，在观测和模拟过程中将地表科学(生态学、水文学、土壤学、地球化学、地貌学)进行有机整合，这样能更好地揭示黄土高原有机碳的动态变化规律。同时，加强不同站点的数据合作共享机制，全面准确地评估黄土高原生态系统碳汇效应及其在全球碳收支中的贡献。
▲ 多源数据和方法综合研究黄土高原土壤碳汇效应框架示意图
▋6. 集成多元分析方法，建立多学科集成的观测网络体系。
随着生物、人工智能、信息及大数据等技术的“井喷式”发展，黄土高原未来的植被恢复应融入多组分、多界面、多尺度的观测、分析和模拟方法；建立原位采样、地球物理探测和污染监测一体化技术，实现土壤各界面碳组分和动态特征；结合卫星对地观测与数字地球技术，增强观测数据(植被、大气、气候等)的时空代表性，可视化展示生态系统碳收支时空分布，并发展更为先进的碳循环模型-数据融合方法和系统。以黄土高原多站点数据为基础，融合陆地碳通量塔，结合遥感碳观测和碳卫星、多光谱卫星实时监测数据，引入深度学习和人工智能的大数据分析方法，开发基于“互联网+”的碳数据自动控制、自动采集、远程传输技术；发展基于“大数据+互联网+人工智能”的土壤碳动态大数据系统，科学地评估植被恢复的碳收支与排放动态特征，并绘制黄土高原植被恢复与碳汇平衡实现途径，最终服务于“碳中和”的长期愿景目标。
▲ 黄土高原植被恢复与碳汇平衡实现途径框架示意图
▋7. 坚持山水林田湖草沙系统整体思想，打造“绿色碳库”之一。
黄土高原是21世纪以来我国植被生态保护和修复成效最为显著的地区。在植被恢复进程中，需要客观评价黄土高原地区生态系统保护恢复在增加区域生态碳汇中的实际贡献，同时要面向未来生态环境变化的可能性，预测生态系统保护修复固碳的发展前景，从而更好地推进黄土高原绿色碳库高质量发展，提升区域碳汇能力，建设高质量的美丽乡村。为此，需要坚持山水林田湖草沙系统综合治理的思想，以“绿色碳库”提质扩容为目标，加强科学规划、合理布局，试验示范、有序推广的科技支撑，综合考虑区域自然地理条件、区域地形地貌、水资源状况差异性、土地适宜性、生态空间类型及绿色碳库发展潜力，选取具有代表性、碳汇潜力大的县(区)和生态空间进行试验示范，按照不同生态区域及功能要求，以水定绿、以水定林、量水而行，宜乔则乔、宜灌则灌、宜草则草，乔灌草结合，保护与修复并举。重点研发森林、草原、湿地、沙地荒漠、自然保护地等五类高标准“绿色碳库”基地建设的技术和模式，以及“绿色碳库”监测和计量评价体系。在此基础上，发展以增强碳汇功能为主导目标的多目标生态系统保护修复优化规划方法和决策支持路径，增强黄土高原区域碳汇和生态安全维持领域的科技支撑水平和能力。
▋8. 创新黄土高原区域地球系统科学理论体系并探索可行路径。
地球系统科学以全球性和统一性的系统观结合多时空尺度来研究地球系统。由于气候变化和人类活动的强烈干预，黄土高原表现出多尺度、多要素、多动力的鲜明特征，是一个具有复杂人地关系的区域地球系统。区域气候-生态-水文系统的相互作用机制仍是今后研究的重点，要聚焦径流形成、植被演替、污染物迁移、土壤侵蚀等过程中的物质多界面转化和传输过程，逐步从“大气-陆地”和“陆地-水文”过渡到“大气-陆地-水文”耦合模式，综合考虑地球系统多种因素，形成整体的、多尺度的黄土高原地球系统理论。为此，应当首先建立全面的定位观测系统，系统监测不同因子胁迫下黄土高原水、土、气、生物的动态变化特征，开展植被格局与水土流失的相互作用研究，并加强地貌过程与水文过程、气候变化动态等多圈层的耦合分析；其次，利用陆-气耦合的理论与关键技术，研究区域气候变化及极端事件发生的机理与成因，提高模型对气候变化和圈层间相互作用的预测能力；最后，优化耦合水碳循环过程的地球系统模式，定量研究黄土高原环境变化在全球气候、环境变化进程中的相对作用，识别生态建设的固碳潜力，为我国生态文明建设和制订合理的碳中和行动方案提供建议。
黄土高原土壤碳库作为陆地生态系统碳库的重要组成部分，探明微生物对植物残体转化及其对有机碳库的更新和维持作用，对进一步认识陆地碳汇功能和应对气候变化非常重要。在异质性强、偏碱富钙的黄土中，土壤植物残体碳和微生物转化之间的耦合机制仍待深入研究，如植物残体碳和微生物残体碳在土壤有机碳库组分中的分配格局，植物残体碳、微生物残体碳的动态变化与土壤微生物群落功能和生态系统多样性的关系，土壤中氧化钙等对植物残体碳和微生物残体碳的保护机制等。
本文摘编自《黄土高原植被恢复与碳储量功能》（杨阳等著. 北京 : 科学出版社, 2025. 1）一书“第9 章 研究不足与展望”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-080293-4
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汤宇晨：15667011271
本书较为全面地梳理了黄土高原小流域植被恢复过程中的植被生物量、净初级生产力特征、土壤团聚体、有机碳形态及其稳定性、土壤碳汇功能等，在此基础上评估了黄土高原小流域尺度的生态系统服务功能，为我国黄土高原的综合治理与碳汇功能提供了全面的数据支撑。
本书可供土壤学、生态学、林学、环境科学等相关研究领域的广大科技工作者和高校师生阅读参考。
（本文编辑：刘四旦）
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