中国北方灌丛碳储量研究：气候、植物群落与土壤特性的协同作用机制

本研究针对灌丛生态系统碳储量估算不确定性问题，通过45个样地的系统调查，首次量化了中国北方灌丛生态系统碳密度（78.78 Mg C ha-1），揭示土壤碳密度（75.16 Mg C ha-1）占主导地位。研究发现植物群落丰富度驱动植被碳储量，年总日照时数（TAS）和土壤全磷（STP）共同调控土壤碳储量，气候-群落-土壤三因素的交互作用解释34.94%的碳储量变异，为全球碳模型参数化提供了关键数据。

　　

在全球气候变化背景下，陆地生态系统的碳汇功能日益受到关注。作为覆盖全球19.2%陆地面积的灌丛生态系统，其碳储量估算长期存在显著不确定性。传统研究多将灌丛与森林或草地生态系统合并考察，忽视了灌木独特的生长特性——既不同于草本植物的快速周转，也区别于乔木的单主干结构，这种多茎干特性使其对环境变化更为敏感。中国作为灌丛分布大国，拥有7.43×10⁷公顷灌丛，占国土面积7.7%，但对其碳储量的精确估算和驱动机制认识仍存在明显空白。

陕西省西安植物园（西北大学西部资源生物与现代生物技术教育部重点实验室）的研究团队在《Journal of Plant Ecology》发表的研究，通过2013-2014年对中国北方三大灌丛类型（亚热带常绿落叶灌丛SED、温带落叶灌丛TDS、荒漠灌丛DS）45个样地的系统调查，采用"标准木"法构建物种特异性异速生长方程，实测0-100cm土层碳含量，首次获得了区域尺度灌丛碳储量的直接观测数据。研究团队创新性地将气候因子（MAT、MAP、TAS）、植物群落特征（高度、盖度、丰富度、Margalef指数SMf）与土壤特性（STN、STP、N:P）进行多维度解析，运用冗余分析（RDA）和结构方程模型（SEM）揭示了各要素的交互机制。

关键技术方法包括：（1）采用分层采样（0-100cm分6层）测定土壤碳密度，校正>2mm砾石体积；（2）通过"标准木"法建立灌木生物量异速方程，对稀有物种采用多物种混合模型；（3）使用K₂Cr₂O₇法测定植物器官碳含量；（4）结合23个气象站数据空间插值获取年总日照时数；（5）运用方差分解分析（VPA）量化各驱动因素的贡献率。

【Benchmarking of C storage】结果显示温带落叶灌丛（TDS）碳密度高达126.73±12.97 Mg C ha^-1，是荒漠灌丛（17.57±6.38 Mg C ha^-1）的7.2倍。生态系统碳密度呈现土壤（95.4%）>植被（3.8%）>凋落物（0.8%）的分配格局，其中灌木与草本分别贡献植被碳储量的69.6%和30.4%。

【Relationships of shrub C storage】多元回归分析表明年总日照时数（TAS）对土壤碳密度具有显著正向效应（P<0.05），而植物群落丰富度（R）与植被碳密度呈显著正相关（r=0.425*）。冗余分析显示环境因子共同解释68.10%的碳储量变异，其中RDA1轴（49.44%）主要反映土壤全磷与群落丰富度的协同作用。

【The relative contributions】方差分解揭示气候因素、植物群落特性和土壤性质独立解释5.15%、6.79%和23.73%的变异，而群落结构与气候（10.44%）、群落结构与土壤（18.50%）的交互效应更为突出。结构方程模型证实植物群落丰富度通过促进地下资源互补利用（路径系数0.37*）提升植被碳储量，而土壤全磷通过抑制异养呼吸（路径系数0.75***）和增加根系生物量双重机制维持土壤碳库。

这项研究首次建立了中国北方灌丛碳密度的定量关系模型，有三方面重要突破：（1）修正了既往研究中灌丛碳密度被高估（90.30 Mg C ha^-1）的问题，揭示区域实际均值为78.78 Mg C ha^-1；（2）发现温带落叶灌丛的碳汇能力相当于亚热带灌丛的2.2倍，为生态恢复工程选址提供科学依据；（3）阐明土壤磷有效性通过"根系生物量增加-微生物磷竞争"机制调控碳循环，这一发现挑战了传统认为氮限制主导陆地碳循环的认知。研究提出的"气候-群落-土壤"三维驱动框架，为预测全球变化背景下灌丛碳汇功能演变提供了新范式。