中国北方干旱和半干旱地区造林对土壤无机碳的影响

《Geoderma Regional》：Effects of afforestation on soil inorganic carbon in arid and semiarid regions of northern China

　　

赵振宇|高阳|黄园|刘家斌

中国西北农林科技大学水土保持科学与工程学院，水土保持与荒漠化控制国家重点实验室，陕西省杨凌市712100

摘要

土壤无机碳（SIC）是干旱地区土壤碳的主要形式，且容易受到土地利用变化的影响。然而，关于造林后SIC动态的综合性研究仍然不足。在本研究中，我们收集了57篇已发表论文中的883个数据点，以探讨造林对SIC的影响，然后使用随机森林模型对造林后的SIC动态进行了空间估算。结果表明，造林后SIC含量显著增加了14.21%。耕地造林后的SIC积累量小于草地和沙地造林后的积累量。年平均降水量是影响耕地造林后SIC变化的主要因素，而土壤pH值是草地和沙地造林后SIC变化的关键影响因素。造林后的SIC变化直接或间接受到气候因素、土壤pH值、总氮含量、阳离子交换容量以及土壤有机碳响应比（RR-SOC）的影响，这表明成土无机碳是造林后SIC积累的关键因素。对造林后SIC动态的空间预测显示，SIC的积累速率与土壤有机碳（SOC）相当，表明SIC在土壤碳封存中同样重要。总之，我们的研究结果强调了SIC的重要性，忽视SIC可能会导致对造林区碳封存能力的严重低估。

引言

土壤碳库是陆地上主要的碳库，对全球碳循环和气候调节至关重要（Batjes, 2014; Lal, 2004; Stockmann et al., 2015）。然而，土壤碳库极其脆弱，容易受到土地利用变化、气候变化和人类活动的影响（Liao et al., 2025; Sanderman et al., 2017）。全球变暖削弱了土壤碳的封存能力，逐渐使碳库从碳汇转变为潜在的碳源（Ren et al., 2024）。同时，土壤侵蚀不仅导致土地退化和肥力丧失，还会造成大量土壤碳的流失（Tan et al., 2020; Ward et al., 2017）。为了解决土壤退化和气候变化问题，生态恢复措施已被广泛实施，因为它们被认为是缓解气候变暖和增加土壤碳储存的重要手段（Ascenzi et al., 2025; Ye et al., 2023; Zhang et al., 2025b）。

土壤碳分为土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC）。作为最活跃的碳库，SOC在植被恢复后的动态和机制已被充分研究（Paramesha et al., 2025; Yu et al., 2026; Zhu et al., 2021; Zou et al., 2024）。植被恢复通过根系分泌物和凋落物返回为土壤提供有机物质，显著促进了SOC的积累（Jackson et al., 2017; Shi et al., 2024; Wang et al., 2025）。相比之下，关于SIC对生态系统碳循环的贡献研究较少（Huang et al., 2024; Song et al., 2022）。然而，在干旱地区（干旱指数<0.65），SIC可占土壤碳库的50%以上，是土壤碳的主要形式（Zamanian and Kuzyakov, 2019; Zamanian et al., 2018）。SIC的微小变化会显著影响干旱地区的土壤碳库（Han et al., 2025; Huang et al., 2024; Sharififar et al., 2023）。因此，了解SIC对全球土壤碳平衡和大气CO₂调节的影响至关重要（Gallagher and Breecker, 2020; Kim et al., 2020）。忽视SIC动态可能导致对陆地土壤碳库变化的不完整或不准确评估，尤其是在干旱地区（Huang et al., 2024; Liao et al., 2025）。

造林作为一种主要的植被恢复措施，因其增强碳汇和支持气候适应的潜力而被许多国家和地区广泛采用（Bastin et al., 2019）。它对土壤碳储存能力和区域气候都有重要影响（Bonan, 2008）。然而，造林后SIC的变化及其调节机制仍不清楚。一些研究表明，在中性和碱性土壤中造林会降低土壤pH值并导致土壤酸化（Hong and Chen, 2022; Hong et al., 2018; Hong et al., 2019），从而促进SIC的溶解和流失。此外，造林还会改变土壤含水量和水分运动，可能导致表层SIC迁移到下层土壤或地下水中，导致表层SIC流失（Basche and DeLonge, 2019; Yao et al., 2016）。其他研究人员认为，造林带来的丰富有机物质输入会刺激微生物活动和呼吸作用，释放CO?到土壤空气中，在适宜条件下促进成土无机碳（PIC）的形成，从而导致SIC积累（An et al., 2019; Yin et al., 2026）。同时，造林改善了土壤结构，增强了土壤颗粒的吸附能力，有利于SIC的储存（Hong et al., 2020; Li et al., 2023）。这些相互矛盾的研究结果在干旱地区尤为明显，表明其效果可能受到气候、土壤性质和先前土地利用模式的强烈影响。然而，缺乏综合性分析，这阻碍了对干旱地区SIC动态变化的评估（Jia et al., 2019; Ren et al., 2026）。

中国的干旱和半干旱地区面积达456万平方公里，占全国陆地面积的47%（Mao et al., 2018）。这些地区在过去几十年经历了严重的生态退化（Li et al., 2013; Wang et al., 2004）。为应对这些环境挑战，中国自20世纪80年代末以来实施了大规模的生态项目（Cao et al., 2011; Mao et al., 2018; Shao et al., 2017）。这些举措导致了大规模的造林，覆盖面积超过3014万公顷（Zhai et al., 2023）。尽管有一些研究探讨了该地区造林后的SIC变化（Jin et al., 2022; Li et al., 2021; Zhu et al., 2023），但对造林对SIC影响的全面和大规模系统分析仍然不足。因此，我们综合了现有研究，评估了造林对中国干旱地区SIC变化的影响。我们的目标包括：（1）量化造林后SIC变化的大小和方向，以评估造林对SIC的总体影响；（2）确定控制SIC变化的关键因素，阐明造林后SIC动态的驱动机制；（3）将站点级别的SIC响应放大到区域尺度，以评估造林引起的SIC变化对区域碳汇的贡献。

章节摘录

数据收集

通过Web of Science和中国国家知识基础设施，使用“土壤碳/土壤无机碳”、“土地利用变化/植被恢复/造林”和“干旱地区/半干旱地区”等关键词筛选出候选研究。随后，根据以下标准进一步确定文献：（a）研究区域位于中国的干旱地区；（b）处理组和对照组应在同一实验地点（气候和

造林对干旱和半干旱地区土壤无机碳的影响

在中国干旱地区，造林后SIC显著增加了14.21%。在耕地、草地和沙地上造林后，SIC含量分别增加了2.93%、7.45%和50.12%（图2）。

在耕地和草地造林后，随着土壤深度的增加，SIC呈现上升趋势。在耕地中，100厘米以上的土壤深度SIC含量显著增加，而在草地中，40厘米以上的深度SIC含量显著增加（图3a和b）。

造林对SIC的影响

我们发现，在中国干旱地区造林后SIC含量显著增加了14.27%，这与之前的研究结果一致（Bai et al., 2021; Liu et al., 2023b; Zhao et al., 2024）。这种积极的变化可能是由生物和非生物因素共同引起的。造林增加了土壤有机物质和根系分泌物的输入，促进了土壤微生物活动和呼吸作用（Monger et al., 2015; Pang et al., 2024; Wang et al., 2015; Zhang et al.,

结论

我们进行了元分析，以探讨造林对SIC的影响，然后使用随机森林模型对造林后的SIC变化进行了空间估算。研究结果表明，造林后SIC含量显著增加了14.21%。耕地造林后的SIC积累量小于草地和沙地造林后的积累量。平均预测（MAP）是影响耕地造林后SIC变化的主要因素，而土壤pH值是

CRediT作者贡献声明

赵振宇：撰写——初稿，数据整理，概念构思。高阳：验证，软件使用，概念构思。黄园：方法学，数据整理。刘家斌：撰写——审稿与编辑，可视化，方法学，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：32371965；编号：32101596）的支持。