天然森林和草地土壤固碳功能与固碳潜力研究

项目名称： 天然森林和草地土壤固碳功能与固碳潜

起止年限：依托部门：力研究

韩士杰 中国科学院沈阳应用生态研究

所

2011.1至2015.8 中国科学院

首席科学家：

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://www.soil.csdb.cn)、人地系统主题数据库（http://www.data.ac.cn/index.asp）、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(CO2、CH4、N2O)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：①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。②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、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，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://www.soil.csdb.cn)、人地系统主题数据库(http://www.data.ac.cn/index.asp)、全国森林资源清查数据以及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。

主要方法：基于多源数据融合的不同生态系统植被-土壤信息，设计多阶分层抽样系统，调查天然森林和草地土壤碳储量(石灰性土壤将考虑无机碳沉积情况)，获取土壤碳储量空间数据。结合碳储量调查和控制实验定位观测获取主要的土壤碳通量(CO2)空间数据，同时收集天然林和草地土壤对温室效应(CO2、CH4、N2O)净贡献的有价值信息，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。通过面上调查、定位观测及其它多源数据融合，在GIS支持下，建立我国天然森林和草地土壤碳储量和碳通量数据信息系统。 经费比例：16%

承担单位：中国林业科学研究院、北京林业大学、中国科学院沈阳应用生态研究所

课题负责人：王兵

学术骨干：戴伟、刘志民、张桥英

课题2、天然森林和草地土壤碳截获动力学规律及固碳潜力量化

方法

预期目标：以天然森林和草地群落及其演替序列为研究对象，揭示天然次生林和草地群落土壤持续固碳非平衡规律，群落自然演替过程中土壤有机碳的转化过程和稳定机制，土壤固碳潜力量化方法体系。发表国际主流期刊论文18-20篇，培养博士研究生6-10人，硕士研究生7-12人，博士后2-3人。

研究内容：天然森林和草地群落演替与土壤碳固持状态(地上-地下碳分配的非平衡关系，碳密度变化)，土壤碳截获过程与土壤有机碳稳定性(有机碳源数量、质量和速率)，生物有机碳-新碳在土壤有机碳组分中的分配过程，土壤碳截获动力学与固碳潜力量化(有机碳固持状态及其稳定性参数，量化方法)。

主要方法：基于典型天然森林和草地群落及其它们的演替序列，获取地下碳分配、土壤有机碳储量和碳密度、土壤固碳速率与SOC廓线动态。采用选择性有机组分提取、裂解组分化学鉴定和CPMAS联13C核磁共振光谱(CPMAS-NMR)分析凋落物和土壤有机碳化学结构。定位研究获取地上/地下凋落物(土壤有机碳源)数量和分解速率数据；色谱分析配合14 C/ 13 C标记化合物方法研究不同时间尺度上重要有机碳化合物(碳水化合物、氨基酸、芳香碳化合物等)在土壤中的物理化学和生物化学行为并获取有关参数；13 CO2 标记代表性植物材料，研究植物残体

分解过程中向土壤有机碳分库的迁移分配。化学和超声破碎-选择性组分分级提取-δ13C分析，研究团聚体(团聚体内颗粒有机碳iPOM)物理保护机制和团聚体周转与土壤与碳稳定性的关系，为土壤碳固持状态提供机理性参数。固碳潜力量化方法，将通过对土壤碳储量状态函数、状态变化（固碳速率）的解析定量刻画。 经费比例：20%

承担单位：中国科学院沈阳应用生态研究所、中国科学院华南植物园、中国科学院植物研究所、东北林业大学 课题负责人：韩士杰

学术骨干：白娥、闫俊华、王其兵、崔晓阳、何红波

课题3、生态系统管理与土壤碳截获过程

预期目标：揭示管理措施影响土壤碳通量和碳截获规律，构建多目标管理土壤持续增碳管理模式。发表国际主流期刊论文18-20篇，培养博士研究生5-8人，硕士研究生7-10人，博士后1-2人。

研究内容：研究择伐、间伐和抚育影响的天然林土壤碳截获能力；火烧迹地土壤碳截获能力；放牧影响的高寒草甸草原土壤碳截获能力；围封与放牧影响的温带典型草原和荒漠草原土壤碳截获能力；围封和补播影响沙地草地土壤碳截获能力。构建土壤持续增碳多目标综合管理模式。

主要方法：①管理措施影响的天然林和草地演替系列构建。管理措施过去已经发生，不同管理措施影响的空间代替时间的次生林(退化草地)演替序列能够找到。②多目标管理土壤增碳模式。是指以不同管理措施为自变量，土壤有机碳储量为因变量，通过对自变量进行无量纲的参数化转换和赋值，构建生态系统管理与土壤有机碳的函数。拟采用FSOS（Forest Simulation Optimization System）模型，对多个管理措施影响土壤碳储量进行平衡和优化。 经费比例：15%

承担单位：中国科学院东北地理与农业生态研究所、北京林业大学、东北林业大学

课题负责人：周道玮

学术骨干：赵秀海、胡海清、孙海霞、汪思龙

课题4、气候变化/氮沉降与土壤碳截获能力

预期目标：实验模拟气候变化和氮沉降对天然次生林（退化恢复草地）土壤碳通量和碳截获速率的影响，为模型预测提供关键速率参数。发表国际主流期刊论文18-20篇，培养博士研究生5-8人，硕士研究生7-10人，博士后1-2人。

研究内容：着重研究气候变化和氮沉降增加影响下的土壤碳沉积速率和土壤碳通量变化。具体研究：降水和氮沉降变化对南亚热带季风常绿林和温带针阔混交林土壤碳截获能力影响；气候变暖对寒温带落叶针叶林永冻层退化与土壤碳截获过程和潜力影响；气候变暖、降水和氮沉降变化对高寒草甸、高寒草甸草原、温带典型草原、温带草甸草原土壤碳截获过程与潜力的影响。

主要方法：依据中温带、暖温带和高寒带的区域气候记录，参考国际同类研究，控制增温2℃、降水变化±30％、氮沉降增加1倍范围。 经费比例：17%

承担单位：中国科学院华南植物园、中国科学院沈阳应用生态研究所、中国科学院植物研究所 课题负责人：傅声雷

学术骨干：李志安、姜勇、张军辉、白文明

课题5、土壤碳截获生物过程和机理

预期目标：揭示演替过程、全球变化和生态系统管理下，决定土壤碳截获功能的关键生物过程及机制。发表国际主流期刊论文18-20篇，培养博士研究生5-8人，硕士研究生7-10人，博士后2-3人。

研究内容：针对原生稳定性群落及其次生演替序列、全球变化实验控制因子、生态系统管理措施，比较研究土壤生物(动物和微生物)数量和群落结构特征、土壤生物代谢特征，影响土壤碳截获和稳定性的生物学过程及机理，新碳在土壤有机碳组分中的分配过程。

主要方法： ARDRA、PCR-DGGE和PLFA指纹图谱分析的方法，研究土壤微生物群落多样性和结构组成的变化；BIOLOG方法，研究微生物(包括根系微生物)的碳代谢特性；原位荧光杂交(FISH)技术，探索小尺度上土壤微生物和有机碳相互作用过程；采用稳定性同位素探针技术(SIP，如PLFA-SIP、DNA-SIP、RNA-SIP等)，研究真菌菌丝在土壤结构中的功能和菌丝网在土壤碳固持的作用。 经费比例：17%

承担单位：北京林业大学、中国科学院华南植物园、东北林业大学、中国科学院沈阳应用生态研究所 课题负责人：孙建新

学术骨干：夏汉平、王文杰、张颖、闫巧玲

课题6、天然森林和草地土壤固碳情景分析

预期目标：以不同生态系统类型土壤SOC廓线演变动态为检验基准，通过模型

比较与多尺度模型耦合，重建动态植被模型土壤碳模块。预测我国天然森林和天然草地气候变化与氮沉降驱动和多目标生态系统管理影响的土壤固碳储量变化趋势，描绘我国天然森林和草地土壤固碳未来情景。发表国际主流期刊论文18-20篇，培养博士研究生5-8人，硕士研究生7-10人，博士后1-2人。

研究内容：以不同生态系统类型土壤有机碳廓线演变序列为检验基准，重建动态植被模型土壤碳模块，分析气候变化和生态系统管理下天然森林和草地土壤碳库动态及固碳潜力。包括气候和氮沉降变化及生态系统管理影响的土壤碳储量变化敏感区；反演历史土壤碳储量，估算现有天然森林和草地土壤固碳潜力，描绘未来50年土壤固碳情景。

情景设计：温度+2℃，降水变化30%，氮沉降增加1倍，确定的管理措施。 主要方法：选取CLM-DGVM（动态全球植被模型）/ LANDIS空间直观景观模型、CN、IBIS、LPJ、ORCHIDEE DGVM模型，采用模型组件化与耦合技术，通过对土壤碳模块的检验、最新版本专业土壤SOC模型(Roth-C, DNDC等)抽象，增加/集成DOC(低分子量碳组分)产生及其输运模块、土壤碳分解激发效应模块，更新根系生长与周转模块，改进诸碳库周转参数，通过不同土壤类型SOC廓线演变动态验证检验，实现DVGM模型土壤碳模块重构。 经费比例：15%

承担单位：中国科学院沈阳应用生态研究所、中国科学院地理科学与资源研究所、中国科学院华南植物园 课题负责人：贺红士

学术骨干：申卫军、赵东升、徐崇刚、李雪峰

四、年度计划

年度 研究内容 预期目标 ① CERN和CFERN森林（草地）① 获得天然森林和草地碳储量调生态站支持的土壤碳储量调查。 ② 生态系统管理（火烧、森林采伐及抚育，草地放牧、围封、补播）实验地安排，相关土壤碳截获过程采样。 ③ 布置增温、降水和氮沉降变化、同位素示踪和土壤动物剔出等控第 一 年 查初期野外调查数据，归纳分析，了解群落演替序列上的土壤-植被系统与碳储量及其关键过程及其在不同演替阶段上的基本特征，包括土壤微生物生物量及群落组成及土壤酶的时空变化特征。 制实验。研究与群落演替、生态② 完成典型森林群落演替序列上系统管理、气候和环境变化相关的土壤碳截获生物过程样品采集，土壤微生物生物量、群落组成及土壤酶活性演变； ④ 土壤碳储量与固碳速率解析表达，量化固碳潜力的科学参照系的比较。 ⑤ 构建数据库框架，包括研究区域相关资料收集与整理。 的土壤剖面样品采集与碳储量分析；初步筛选出调控土壤有机碳截获的关键生态因子。 ③ 完成多目标管理与土壤碳截获过程研究样地；多因子控制实验样地。 ④ 固碳潜力与情景分析方法论的理论基础。 ⑤ 完成数据库构建方案。 ⑥ 在国际主流期刊上发表论文4-6篇。

年度 研究内容 预期目标 继续开展上述实验，着重解决碳截获① 初步评价我国天然森林和草地过程机理和固碳潜力方法论方面的内容研究。 ① 群落演替序列上土壤有机碳积累的持续维持； 第 ② 土壤吸收和固存新碳； 二 ③ 群落演替、生态系统管理、气候和环境变化影响的土壤碳截获动力学规律。 土壤碳密度现实格局； ② 科学认识天然森林、草地植被演替序列上的土壤-植被系统与碳储量及其关键过程；探讨气候和环境变化及生态系统管理影响典型天然森林和草地土壤碳截获的生物过程和机理； ③ 完成抽象化的动态植被模型土壤碳模块，分析气候变化和生态系统管理下天然森林和草地土壤碳库动态及固碳潜力； ④ 在国际主流期刊上发表论文26-28篇，培养博士研究生2-3人，硕士研究生6-9人。 重复前两年的研究和实验内容，① 数据库汇交将覆盖项目各个方同时重点进行生态系统碳循环关键过程与土壤固碳机制的研究。 第 三 年 ① 数据库补充与完善； ② 天然森林和草地碳收支的关键过程在不同演替阶段对环境和管理措施响应与适应； ③ 土壤真菌、细菌、土壤动物对土壤活性碳库的相对贡献；真菌菌丝对土壤有机碳周转与稳定性的调控机制； ④ 典型生态系统土壤固碳动力学及

年 ④ 构建偶联植被动态模型； ① 土壤碳储量与固碳速率关系表达，以及量化固碳潜力的科学参照系的比较研究。 面，形成完整的数据库； ② 定量描述气候和环境因子变化及生态系统管理对森林和草地生态系统固碳潜力的影响，特别是弄清对碳循环关键过程的短期及长期影响机制； ③ 区分土壤真菌、细菌、土壤动物对土壤活性碳库的相对贡献；揭示真菌菌丝对土壤有机碳周转与稳定性的调控机制；

年度 研究内容 预期目标 其对多因子的综合响应与适应机④ 形成普适性的土壤固碳速率与理。 潜力的量化方法； ⑤ 完成情景分析依赖的模型之间的⑤ 初步量化当前气候中国天然森耦合。 林和草地土壤固碳潜力及其区域分异； ⑥ 在国际主流期刊上发表论文29-32篇；培养博士研究生8-14人，硕士研究生12-14人。 继续进行上述土壤碳截获动力① 揭示生态系统碳固截获动力学学实验研究，深化研究深度，特别是在土壤固碳调控机理、固碳速率和潜特征和维持天然森林与草地生态系统有机碳稳定性的机理。 重② 验证并完善普适性的土壤固碳第 力的量化方法方面开展深入研究。 点解决： 速率与潜力的量化方法 四 ① 控制实验的多因子影响土壤碳③ 耦合模型验证我国天然森林和 截获能力与固碳潜力集成研究； 草地前后100年土壤碳储量分布及土壤增碳潜力评价。 ④ 在国际主流期刊上发表论文32-35篇；培养博士研究生10-16人，硕士研究生11-21人。 年 ② 生态系统管理和环境变化影响土壤碳截获能力的集成研究； ③ 固碳潜力和情景分析新方法； ④ 完善数据库。 总结前4年的研究成果，针对性构建多目标土壤增碳管理模式；提第 地开展一些补充研究，完成所有规定交支持履约谈判的系统碳储量数据 的研究任务（重在过程规律与机制以及潜力评估方法报告。 五 及优化管理模式的集成）；撰写课题在国际主流期刊上发表论文22-23 研究报告和工作报告，完成课题的验篇以上；培养博士研究生13-17人，硕士研究生15-24人。 年 收报告。

一、研究内容

(一)拟解决的科学问题

核心科学目标：阐述天然森林和草地演替过程中土壤固碳的生物过程与机制；探讨生态系统多目标管理和环境变化对土壤碳积累过程的调控作用；评估量化天然森林和草地土壤有机碳增碳潜力；科学分析气候和环境变化影响下我国天然森林和草地土壤碳储量和固碳潜力的情景。

核心工作任务：评估我国天然森林和草地土壤碳储量的格局及固碳，获取能够用于支持国家履约和谈判的土壤碳储量和固碳潜力清单；揭示土壤碳截获自然潜力、驱动机制及调控机理；构建持续提高土壤增碳的综合管理模式和量化土壤固碳潜力量化方法体系，为我国履约、积极应对气候变化自主行动和提升我国在全球变化研究领域的竞争力提供科学依据。

对此，需要解决如下的关键科学问题和方法体系。 (1)关键科学问题

天然森林和草地演替过程中土壤固碳的生物过程与驱动机制。我国天然森林和草地，跨越热带至寒温带、湿润至干旱和半干旱气候区，植被和土壤类型多样。这种空间上环境和生物要素方面的异质性，会导致土壤有机碳积累过程和能力的区域差异，但特定环境中的关键驱动因子和相应贡献有待科学上予以阐明。

生态系统管理和环境变化对土壤碳积累过程的调控作用。我国现有的森林和草地质量具有很大的增值空间。如何能够有效利用生态系统管理措施，在恢复天然森林和草地植被的同时，加速土壤有机碳积累过程，提高土壤碳固持能力，是生态系统多功能管理的核心目标之一，实现这一目标需要从科学角度研究和阐明不同管理措施在土壤碳积累过程和固持中的调控作用。

天然森林和草地土壤有机碳增碳潜力。由于受长期采伐、放牧和土地利用变化的影响，我国天然森林和草地大多处于退化状态或次生演替的早期阶段，相应的土壤碳贮存量较之原始植被会在一定程度上有所降低，但具体差距有多大？需要多长时间能够恢复到历史水平？自然过程的增值空间有多大？这些问题有待于通过系统、科学实验研究予以确定。

(2)土壤固碳潜力的量化方法

基于土壤有机碳自然积累过程的固碳潜力量化。陆地生态系统的土壤碳固持能力，尤其是有机碳的积累，取决于植物群落演替的碳输入过程。鉴于原位监测技术滞后和长期定位监测数据的匮乏，决定土壤固碳功能与潜力（速率和稳定性）的碳储量 — 群落演替关系曲线，尽管采用空间代替时间的“年代序列样地

法”能够获取，但基于该曲线量化固碳潜力的方法并未得到科学解决，特别是没有有效的量化固碳潜力的科学参照系（基准点）。

基于气候和环境变化及管理影响的土壤固碳潜力综合量化。全球范围，原生稳定的自然系统几乎很难找得到，土壤固碳功能和固碳潜力均受到来自气候与环境变化及管理措施的影响。现有的土壤的碳固持量及其变化评估或研究，包括与生态系统管理模式研究在内，缺乏多目标的综合考虑。

(二)主要研究内容

针对上述科学问题，紧紧围绕天然森林和草地土壤碳储量及时空格局、土壤有机碳积累的生物过程与机制以及土壤固碳潜力的量化和情景分析方法开展科学研究，主要研究内容为如下3方面：

(1) 天然森林和草地土壤碳储量及时空格局

重点研究GIS支持的土壤碳储量及空间分布格局，构建天然森林和草地土壤碳储量、速率和潜力数据库，研究典型天然森林和草地演替序列的土壤碳储量异同。

(2) 土壤有机碳积累的生物机制与潜力研究

针对群落演替、生态系统管理、气候和环境变化控制实验，比较研究不同气候区和群落之间土壤动物、微生物与土壤碳截获过程和固碳机制关系，包括土壤动物、微生物数量和群落结构特征，土壤动物、微生物代谢特征，新碳在土壤有机碳组分中分配过程，影响土壤碳截获和碳库稳定性的生物学过程及机理；增温、降水和氮沉降变化对典型森林和草地土壤碳截获能力的影响；研究森林经营、林火与典型森林土壤碳截获的关系，放牧、围封、补播和火烧管理措施与土壤碳截获的关系，以及多目标管理的土壤增碳模式构建。着重土壤碳截获生物学过程及机理，气候与环境变化影响和管理调控作用研究。

(3) 土壤固碳潜力量化与情景分析方法

针对天然次生林和草地群落土壤持续固碳非平衡规律，通过群落演替对应的土壤碳储量时间序列法的仿真研究，形成量化土壤固碳潜力的方法。再以不同生态系统类型土壤有机碳廓线演变序列为检验基准，基于群落演替动态土壤碳模型，对土壤碳储量变化趋势预测和情景分析，包括：明晰气候变化与氮沉降影响的土壤碳储量变化敏感区，反演历史土壤碳储量，估算现有天然森林和草地土壤固碳潜力和描绘未来50年土壤固碳情景。

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