1、项目名称： 天然森林和草地土壤固碳功能与固碳潜力研究首席科学家： 韩士杰 中国科学院沈阳应用生态研究所起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 中国科学院二、预期目标(一 ) 总体目标通过天然森林和草地土壤碳积累的自然过程、生态系统管理措施与环境变化对土壤碳积累调控作用以及土壤固碳潜力的量化方法体系创新研究，为国家土壤有机碳持续利用和履约谈判提供科学支撑。(二 ) 五年预期目标(1) 科学研究：揭示土壤碳截获自然潜力、驱动机制及调控机理；气候和环境变化及管理下土壤固碳功能及固碳潜力的影响与调控；构建土壤固碳潜力量化方法体系；构建基于群落演替动态土壤碳模型。(2) 国家需求：构建多目
2、标土壤增碳管理模式；提交支持履约谈判的系统碳储量数据及潜力评估方法报告。(3) 研究论文：国际主流期刊论文 100 篇以上，争取在重要国际学术期刊(如Science, Nature, PNAS 和 Ecology Letters)发表有关的研究成果。(4) 数据与人才：培养博士生 30-50 名，硕士生 40-60 名；构建系统碳储量数据(储量、速率和潜力 )。三、研究方案(一)总体思路(1)宏观-微观、区域-国家尺度、过程机理与模型预测方法有机结合如图 1 所示。宏观要素注重土壤-大气界面 CO2 通量观测和土壤碳储量调查；机制( 理)研究以土壤碳固持速率及稳定性微观实验为主；固碳能力、潜力
3、和情景分析与气候变化、氮沉降和生态系统管理研究，将从区域扩展到国家尺度。图 1. 总体思路(2)控制实验和生态系统管理与现有研究平台有机衔接参照中国东部南北样带 NSTEC 和中国草地样带(CGT)选择控制实验地点，且多数与以往 973 项目依托的野外观测站点交融(典型群落类型和大型科学设施)。数据库建设，充分利用中国土壤数据库(http:/)、人地系统主题数据库（http:/ 、全国森林资源清查数据以及 NSTEC和 CGT 调查数据等。(3)总体技术路线图 2. 技术路线框架(二)关键技术途径(1)天然森林和草地生态系统土壤碳储量数据库构建基于多源数据融合的不同生态系统植被-土壤信息，设计
4、多阶分层抽样系统，调查碳储量(碳密度) ，盐碱地和石灰性土壤将考虑无机碳沉积情况。在此基础上，收集天然林和草地土壤对温室效应(CO 2、CH 4、N 2O)净贡献有价值信息，特别是不同立地条件和相关群落类型土壤呼吸规律观测与研究结果。天然森林和草地土壤碳储量调查涉及的主要土壤类型，按照中国土壤系统分类(CST)，从热带、亚热带森林的湿润铁铝土、湿润富铁土、常湿淋溶土、常湿雏形土，到温带、寒温带森林的湿润淋溶土、冷凉淋溶土、湿润雏形土、寒冻雏形土、正常灰土；从横跨温带草原的到寒温带的干润均腐土、干润雏形土、正常干旱土、砂质新成土，到青藏高原的寒冻雏形土、寒性干旱土。可涉猎土类近 100 个，亚类
5、约 300 个。(2)管理措施影响的天然林和草地演替系列构建按照两种方案进行：管理措施过去已经发生，空间代替时间的次生林(退化草地) 演替序列能够找到。包括：择伐等措施影响的区域天然次生林土壤碳截获变化系列，火烧迹地土壤碳截获变化系列，放牧影响的高寒草甸土壤碳截获变化系列，围封与放牧影响的温带草地土壤碳截获变化系列，围封与放牧影响的荒漠草地土壤碳截获变化系列，围封和补播影响的沙地草地土壤碳截获变化系列。管理措施影响的现实控制试验，将为项目的趋势和情景分析提供参数。(3)统一增温、加氮和控制自然降水实验增温 2(5cm 土壤层)，自然 降水量30%(森林，只拦截穿透雨 )，施纯氮量为局地氮沉降水
6、平的 1 倍。实验地点如图 3 所示。控水和加氮实验：鼎湖山站南亚热带季风常绿阔叶林，秦岭站北亚热带落叶常绿阔叶混交林，长白山站温带针阔混交林。增温、控水和加氮多因子实验：多伦站温带典型草原，海北站青藏高原高寒草甸。单因子实验：呼中站寒温带落叶针叶林土壤增温实验，西双版纳站热 带 季 节 雨 林 、 会 同 站 天然常绿阔叶林、呼伦贝尔站温带草甸草原、锡林郭勒站温带典型草原、四子王旗站荒漠化草原和当雄站青藏高原高寒草甸的人工加氮实验。辅助实验：在多因子控制实验地周边，选择具有相同演替系列的群落类型，且彼此间的温度2、降水30%，通过对选择群落的加氮(施氮量和施氮方法与控制实验相同) ，构成多因
7、子影响的辅助实验序列，提高实验模拟空间代表性。图 3. 沿样带布置的控制实验地点及其温湿度等值线（面）控制试验地的土壤类型南亚热带季风常绿阔叶林（鼎湖山站） ，地带性土壤为赤红壤（强育湿润富铁土、富铝湿润富铁土、简育湿润铁铝土，CST） ，随着海拔升高土壤类型逐渐变为山地黄壤（铝质常湿淋溶土、铝质常湿雏形土、富铝常湿富铁土，CST） 。亚热带落叶常绿阔叶混交林（秦岭站） ，基带土壤为黄棕壤（铁质湿润淋溶土、铁质湿润雏形土，CST） ，随着海拔升高则渐变为山地棕壤（简称湿润雏形土，CST ） 、山地暗棕壤（冷凉湿润雏形土，CST） 。温带针阔混交林（长白山站） ，红松阔叶林带为暗棕壤（白浆化暗棕
8、壤，漂白冷凉淋溶土，CST ） ，暗针叶林带为山地棕色针叶林土（暗瘠寒冻雏形土，CST） ，岳桦林带为山地疏林草甸土，苔原带为山地苔原土（草毡寒冻雏形土、暗沃寒冻雏形土，CST ） 。温带典型草原（多伦站） ，主要土壤类型是发育在黄土母质上的轻壤质黑钙土（简称干湿均腐土，CST）与暗栗钙土（钙积干湿均腐土，CST）和，锡林郭勒站土壤类型为沙质典型栗钙土（钙积干湿均腐土，CST）和暗栗钙土（钙积干湿均腐土，CST） 。青藏高原高寒草甸（海北站） ，主要为适应寒冷湿中生的多年草本植物群落-高寒草甸植被类型，按照中国土壤系统分类（CST） ，发育在平缓滩地或山地阳坡为草毡寒冷雏形土，山地阴坡为暗沃寒
9、冷雏形土，沼泽地为有机寒冻潜育土。(4)天然森林和草地现实分布格局和历史反演地带性性群落现实分布，参照中国植被及其地理格局(张新时主编,2007)。百年前的潜在植被制图(历史反演)，采用BIOME4 模型，根据中国自然环境特征和植被生理生态特点对其进行改进(本地化)，利用改进后的模型反演过去100年中国潜在植被分布格局，具体途径见图4。图 4. 百年前潜在植被格局反演技术流程(三 )与国内同类研究相比的创新性与特色本项目将与我国已有的重点研究计划(陆地系统碳收支、土地利用与碳/ 源汇时空格局等) 和技术平台(样带、野外长期观测研究站、相关数据库)有机结合，重点关注天然森林和草地的演替过程及气候
10、变化和生态系统管理影响的土壤碳截获能力与潜力问题。1、创新性(1)土壤碳截获功能研究密切联系群落演替碳积累的自然过程与维持机制。在不同自然气候区，以天然森林和草地的群落演替系列为研究对象，定量分析不同演替阶段的土壤碳积累与转化规律，寻找反映土壤固碳功能的关键参数与演替关系，研究与演替系列对应的土壤最大碳固持量。借助碳截获土壤科学和自然地理等学科交叉优势，探讨不同气候区不同演替阶段的土壤碳积累自然过程与维持机制的异同，是土壤碳截获动力学的发展。(2)建立土壤固碳潜力量化方法体系，具有普适性和创新性。固碳潜力核算，一直缺少科学的判据，制约着固碳潜力评估的不确定性。最新研究动态显示，老龄林、历史森林
11、、最大碳固持等作为估算土壤碳储量的基准值作用逐渐受到关注，理论研究处于酝酿阶段。本项目，平衡考虑决定土壤稳定性状态的各个速率参数的作用，依据群落演替碳积累自然过程的最大固碳量为参照系，提出科学量化固碳潜力的方法，建立土壤碳非平衡态最大固碳潜力的生态系统仿真模型，量化土壤有机碳的最大恢复力以及气候、环境和管理影响的土壤增碳潜力，从理论上解决诸如老龄林、历史森林等难以量化问题，并且能够将诸如气候要素和管理措施一并纳入影响土壤碳储量状态的函数中，具有普适性和创新性。 (3)构建中国天然林和草地土壤碳分布图与空间数据库，填补相应知识空白。天然森林和草地土壤碳储量调查涉及中国土壤系统分类(CST)中的主
12、要自然土壤类型，涵盖湿润铁铝土、湿润富铁土、常湿淋溶土、常湿雏形土、湿润淋溶土、冷凉淋溶土、湿润雏形土、寒冻雏形土、正常灰土为代表的森林土壤序列，以及干润均腐土、干润雏形土、正常干旱土、砂质新成土、寒冻雏形土、寒性干旱土为代表的草地土壤序列。项目将形成一系列空间图件和数据，集中体现了天然森林和草地土壤碳储量和增碳潜力与群落演替过程之间的内在联系，是对现有土壤碳库数据的补充和完善，是生态系统土壤碳库估算的数据基础，将为国家碳汇清单提供依据。(4)高密度控制试验的土壤增碳潜力研究，更具说服力。参数不足，是土壤碳收支大尺度模型分析的难点。本项研究，将沿样带布置气候变化和氮沉降定位控制实验；在各气候区
13、，利用温湿度的自然梯度，高密度补充施氮试验，为模型提供充足的有关温度、降水和施氮量变化参数。包括综合集成的天然森林和草地生态系统增碳的优化调控模式在内，与以往研究比较，足够的参数可为模型的尺度化提供科学支持，输出产品将更具有说服力。2、项目特色(1)属于前瞻性的基础科学研究内容。土壤固碳功能与潜力，是土壤学研究的基本内容，也是土壤学新兴学科“碳截获土壤科学”的核心内容。目前，土壤碳储量与潜力的作用被放大到与国家减缓气候变化联系的时候，人们过多关注的是数量问题，忽略了许多关键科学问题，诸如天然森林和草地土壤碳积累的自然过程与维持机制。该问题是决定土壤碳固持速率和固碳潜力的关键科学问题，既是土壤科
14、学基础问题，也是未来确定我国重大环境保护政策对增加碳截获和减缓气候变化决策的基础资源和潜在资源。(2)与已有研究计划有机衔接，与现有研究平台有机结合。项目研究内容是已有研究计划内容(973 碳项目和中科院知识创新重大项目)的衔接和补充。依托的研究平台将有机结合现有的 China Flux Net、CERN 森林和草地野外观测研究站和 CFERN 森林生态观测站， 中国土壤数据库(http:/)、人地系统主题数据库( http:/ NSTEC 和 CGT 调查数据等资源。(3)多目标的科学研究与技术集成。天然森林和草地土壤固碳功能与潜力研究，碳库稳定性是从决定固碳速率或转化速率的不同过程综合考虑
15、的，固碳潜力又与群落演替、气候变化、氮沉降和不同管理措施等联系，且涉及定点实验和高密度碳储量的调查等等，研究内容和构建的数据库形成本项目的多目标综合性特色。(四 )取得重大突破的可行性(1)广泛的学科交叉将有效促进重大科学问题的解决，长期从事森林/草地碳收支的科研队伍为实现重大突破提供人才保障。项目内容采取顶层设计，针对研究内容的广泛学科交叉，平衡课题间的专业人员分工，营造合作研究学术交流环境，能够促进关键科学问题的探讨和突破性成果的形成。研究队伍包括杰出青年基金获得者 1 人，中科院“百人计划”入选者 5 人，项目首席、课题负责人及研究骨干具有与项目内容相关的坚实的研究基础，同时具有良好的国
16、际合作基础，多人在国际学术期刊任编委，为重大成果形成奠定了良好的人才基础。(2)依托的研究基地和系统的控制实验，为实现重大突破提供平台基础项目主持和参加单位，具有 CERN 相关森林与草地生态站和 CFERN 森林站的长期实验基地、大型科学装置和数据支持，具有系列的增温、加氮和降水变化控制实验，以及开展过程机理研究的大型分析仪器、专题制图和标准化数据，为项目取得突破性成果提供必要的平台基础。(3)构建具有普适性的固碳潜力量化方法体系，为取得重大突破提供方法支持。全球土壤碳储量评估不确定性，除了土壤碳积累过程的复杂性外，一个关键的问题是缺少科学量化固碳潜力的参照系。本项研究，力图冲破传统的量化潜
17、力的模糊方法( 老龄林、历史森林等概念)，从群落演替碳积累的自然过程与维持机制出发，从数学解析视角建立量化潜力的方法体系，并且具有普适性。该方法与系统的天然森林/草地土壤碳储量与潜力数据相结合，构成完整的具有可期待的重大突破成果，形成能够充分体现我国次生林和退化易恢复草地居多特点并具有话语权的理论成果。(4)系统调查研究数据与历史数据有机结合，为取得重大突破提供数据支撑。我国天然森林和草地土壤碳积累自然过程与维持机制和持续固碳的潜力，是本项目科学研究的重点和难点。提交系统和完整的我国天然森林和草地土壤碳储量与潜力动态数据，包括群落演替土壤碳自然积累和气候变化与氮沉降影响土壤碳截获动态数据、管理
18、措施影响的土壤固碳变化量，结合收集的历史数据,将为项目取得重大突破提供坚实的数据支撑。(五 )课题设置各课题间相互关系。围绕项目拟解决的天然森林/草地演替过程的土壤固碳生物过程与驱动机制、生态系统管理和环境变化对土壤碳积累调控作用及土壤有机碳潜力评估的三个科学问题，针对天然森林/草地土壤碳储量时空格局、土壤固碳的生物过程机制以及固碳潜力量化和情景分析的三方面主要研究内容，设置六个研究课题，课题之间密切合作，相互支持和影响，彼此关系如图 5 示。图 5.课题之间的相互关系课题 1、天然森林和草地土壤碳储量及时空格局预期目标：构建天然森林和草地土壤碳储量-碳通量数据库，构建天然森林和草地群落演替系
19、列。发表国际主流期刊论文 10-15 篇，培养博士研究生 4-8 人，硕士研究生 5-8 人，博士后 1-2 人。研究内容：系统研究土壤有机碳储量与群落演替关系，土壤碳储量及分布格局，土壤有机碳储量及其各组分的贡献。构建天然森林和草地群落及其对应演替系列。结合文献查询，收集天然林和草地土壤对温室效应净贡献信息，构建天然森林和草地土壤碳储量数据库。1）天然森林和草地土壤碳储量调查针对我国天然森林和草地分布特点，制定土壤碳储量调查布点方案；收集与植物群落类型耦合的土壤有机碳储量数据，参照区域气候条件，确定土壤有机碳测定的适宜深度及其区域特性。土壤碳储量调查涉及中国土壤系统分类(CST)中的主要自然
20、土壤类型，涵盖湿润铁铝土、湿润富铁土、常湿淋溶土、常湿雏形土、湿润淋溶土、冷凉淋溶土、湿润雏形土、寒冻雏形土、正常灰土为代表的森林土壤序列，以及干润均腐土、干润雏形土、正常干旱土、砂质新成土、寒冻雏形土、寒性干旱土为代表的草地土壤序列。内容包括土壤碳储量/碳密度面上调查，土壤碳剖面分布规律（阔线动态） ，土壤碳组分构成等。实现群落水平土壤有机碳在土类图上的反演，构建基于群落尺度天然森林/草地土壤有机碳空间格局。2）天然森林和草地土壤碳储量/碳通量数据库构建基于天然森林和草地土壤碳储量调查获得的大量一手数据，同时收集天然林和草地土壤对温室效应(CO 2、CH 4、N 2O)净贡献有价值信息，特别是不同立地条
