厘清“ Grain for Green ”项目对黄土高原生态系统碳封存影响的各项因素

《CATENA》：Disentangling the effects of the Grain for Green project on ecosystem carbon sequestration on the Loess Plateau

　　退耕还林工程对黄土高原植被和土壤碳汇的贡献率达60.05%，空间异质性显著，表层土壤碳积累更显著。

　　

Jingjing Wang|Zhuoya Zhang|Jie Li|Mingan Shao|Xiaorong Wei

中国云南省昆明市西南林业大学水土保持学院，邮编650224

摘要

黄土高原是实施“退耕还林”项目的关键区域。然而，由于气候变暖和“退耕还林”项目的共同作用，该项目对生态系统碳封存的具体贡献仍难以量化。因此，本研究利用MOD17模型和随机森林模型模拟了实际和气候驱动的植被净初级生产力（NPP）及土壤有机碳（SOC）。然后，通过实际和气候驱动的植被NPP及SOC来量化该项目对生态系统碳封存的贡献。研究结果表明：（1）“退耕还林”项目贡献了60.05%的植被碳封存量，不同子区域之间存在空间差异；（2）如果不考虑CO₂施肥效应，该项目下的植被和土壤碳封存量分别增加了4.29 Tg y^-1和20.45 Tg；（3）“退耕还林”项目在表土（0-20厘米深度）中积累的SOC显著多于底土（20-40厘米深度）。总体而言，“退耕还林”项目已成为生态系统碳封存的重要驱动力，对植被和土壤碳库做出了实质性贡献。此外，这些碳封存效应表现出明显的空间异质性和深度依赖性，反映了该项目在不同地理子区域的差异性生态结果。这些发现为指导黄土高原未来的造林和碳管理策略提供了定量依据。

引言

持续的全球变暖加剧了极端气候事件的发生，对生态系统造成不可逆的破坏，并威胁到人类生活和健康（IPCC，2023年）。实施温室气体（GHG）减排政策以减缓全球变暖已成为国际共识（Grassi等人，2018年；Xu等人，2023年）。先前的研究表明，基于自然的解决方案能有效减缓GHG的积累，碳汇增加速率为0.50 ± 0.20 Pg C y^?1（Yang等人，2023年）。基于自然的解决方案已成为实现全球碳中和的最有效方法之一（Mo等人，2023年；Piao等人，2018年；Ruehr等人，2023年；Tian等人，2023年）。目前，植被恢复过程中陆地生态系统的碳封存增加与植被覆盖度增加和CO₂施肥效应显著相关（Lal等人，2018年；Wang等人，2020年）。然而，未来减缓气候变化将主要依靠稳定大气中的二氧化碳浓度（Chen等人，2024年）。一些研究表明，由于气候限制和养分限制的增加，植物对高浓度CO₂的生长响应正在减弱（Terrer等人，2019年；Wang等人，2020年）。因此，预计未来陆地生态系统中的CO₂施肥效应将逐渐减弱甚至消失。因此，迫切需要量化生态恢复对生态系统碳封存的贡献。

作为“退耕还林”项目实施的关键区域，黄土高原的植被覆盖度显著增加，从而提高了生态系统的碳封存能力，使该地区从碳源转变为碳汇（Ran等人，2023年；Zhang和Lv，2021年）。此外，该地区具有深厚的土层，能够储存大量有机碳（Deng等人，2018年；Zhu等人，2018年）。该地区的陆地生态系统具有巨大的碳封存潜力，这对于实现中国的“双碳”目标至关重要（Deng等人，2018年；Zhong等人，2021年）。多项研究表明，“退耕还林”项目实施后，植被覆盖度的提高改善了土壤结构并增强了碳封存能力（Cheng等人，2024c；Shi等人，2023年；Zhu等人，2025年）。生态系统碳封存的改善在很大程度上归功于“退耕还林”项目（He等人，2022年；Wang等人，2021年）。然而，一些学者指出，近年来气候呈现出变暖-湿润的趋势（Li等人，2025年；Zhang等人，2021年），气候变化促进了植被生物量和土壤有机碳（SOC）的积累（Cheng等人，2024b；Wang等人，2024年）。大多数研究未能区分气候变化和该项目在该特定区域内的各自贡献（Fan等人，2025年；He等人，2022年；Huang等人，2022年）。由于无法将项目的贡献与气候效应区分开来，当未来CO₂施肥效应减弱时，将难以明确其碳封存潜力。

为了解决这一问题，本研究使用年度土地利用数据划分了黄土高原上的“退耕还林”项目区域。基于划分的区域，利用MOD17模型和随机森林模型模拟了实际和气候驱动的植被净初级生产力（NPP）及SOC。本研究的目标是：（1）通过实际和气候驱动的植被NPP及SOC评估该项目对生态系统碳封存的贡献；（2）量化该项目对生态系统（植被和土壤）的碳封存贡献。

研究区域

黄土高原位于中国西北部（北纬33°48′-41°12′，东经100°11′-114°56′）（图1a），面积约为6.4 × 10⁵平方公里。该地区具有典型的干旱和半干旱气候特征。降水量分布不均，从东南向西北逐渐减少，年降水量在200至800毫米之间。年内降水量分布也不均匀，夏季降雨量集中（Wang等人，2018年）。

“退耕还林”项目对植被碳封存的贡献

实际NPP和气候驱动NPP的变化趋势见图3a、b。实际NPP的年变化率为7.31 g C m^-2 y^-1，在98.63%的区域内表现出显著增加趋势（p<0.05）。实际NPP的年变化率存在显著的空间差异。实际NPP的最高年变化率出现在黄土高原（11.01 g C m^-2 y^-1），其次是黄土丘陵和石质山坡地区，年变化率为8.77 g m^-2 C y^-1

“退耕还林”项目对植被的碳封存效应

我们的研究表明，“退耕还林”项目显著增强了植被碳封存（60.05%）。这一发现与其他研究结果一致（Fang等人，2018年；Gou等人，2025年；Xu等人，2024年；Yang等人，2023年；Zhang等人，2023a）。现有的研究通过分析模型参数的变化来量化生态恢复对碳封存的贡献，但这种方法未能单独评估碳封存的效益。

结论

研究表明，“退耕还林”项目对植被碳封存的贡献为60.05%。不同地理子区域的贡献存在空间差异。黄土高原、石质山坡和黄土丘陵地区的植被碳封存贡献大于气候因素的贡献。然而，河流冲积平原和风沙丘陵地区的植被碳封存贡献则显著较低。

作者贡献声明

Jingjing Wang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据整理。Zhuoya Zhang：数据整理。Jie Li：数据整理。Mingan Shao：概念构建。Xiaorong Wei：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，方法论，概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：41977068和41622105）的支持。