半自然草地作为重要土壤碳库：欧洲温带草地类型表土碳储量的环境驱动因素

《Applied Vegetation Science》：Semi-Natural Grasslands as Important Soil Carbon Reservoirs: Environmental Drivers of Topsoil Carbon Stocks Across Temperate Grassland Habitat Types

　　

摘要专业翻译 目的：半自然草地已在欧洲景观中存在数千年，其持续存在和高生物多样性依赖于持续的低强度管理。然而，碳评估往往将半自然草地与栽培草地合并处理，尽管二者的土地利用历史、管理方式和土壤条件截然不同。研究人员量化了欧洲东北部半自然草地和栽培草地栖息地类型的土壤有机碳（SOC）储量，并识别了与SOC储量变异相关的环境变量。 地点：欧洲东北部爱沙尼亚。 方法：研究人员在227个样点测定了表土（0–10 cm）SOC储量，涵盖爱沙尼亚境内列入欧盟栖息地指令附件一的12种半自然草地栖息地类型，以及干性和湿性栽培草地。采用线性回归模型评估表土SOC储量与植被结构、管理方式、土壤特征和气候变量之间的关联。 结果：草地类型间0–10 cm土层SOC储量范围为21.7 ± 8.3至50.3 ± 14.3 t C/ha（平均值 ± 标准差）。干性栽培草地SOC储量最低，显著低于大多数半自然草地类型。排水良好、受泥炭影响的湿性水成土上的湿性栽培草地SOC储量居中。在半自然草地类型中，钙质石灰岩荒原草地（alvar grasslands）SOC储量最高，而中生草地（mesic grasslands）最低。年降水量和降水季节性（precipitation seasonality）与SOC储量呈负相关，而苔藓覆盖度和归一化植被指数（NDVI）与SOC储量呈正相关。在冲积土和海岸土壤上的草地中，放牧样点的SOC储量高于未管理样点。 结论：表土SOC储量在Natura 2000半自然草地栖息地类型之间以及栽培草地类型之间存在显著差异，反映了土壤特征、气候、植被结构和管理方式的综合影响。这些发现凸显了半自然草地作为长期碳库的重要性。土地利用政策应考虑栖息地类型和土壤水文状况，并优先保护富碳的半自然草地。

论文解读

一、研究背景与科学问题

草地覆盖全球陆地表面相当大比例，支撑粮食生产、生物多样性和气候调节功能，其碳储量绝大部分储存于地下。然而，草地碳储量的估算仍存在较大不确定性，原因在于土壤数据缺口和土地覆被定义不一致。温带草地中，半自然草地与栽培草地具有截然不同的土地利用历史、管理强度和土壤条件：半自然草地通过低强度放牧或割草维持，植被自然发育，未经受翻耕、重新播种或施肥的实质性改造；而栽培草地通常通过翻耕和重新播种建立，种植高产牧草品种并经常施肥，管理更为集约。

尽管存在这些差异，碳评估常常将半自然草地和栽培草地合并为单一土地覆被类别，实证比较仍然有限。更重要的是，半自然草地本身也常被视为单一类别，尽管其水文条件、成土母质、植被和管理历史在不同栖息地类型间差异显著。这种有限的区分降低了它们在政策框架中的可见性，包括欧盟土地利用、土地利用变化和林业（LULUCF）法规中，半自然草地往往未被与集约管理系统区分。此外，欧洲温带半自然草地的SOC储量研究相对不足，多数研究聚焦于栽培系统，即使涉及半自然草地也常不区分栖息地类型。

本研究选择爱沙尼亚作为研究区域，因其具有多样化的草地栖息地、多变的土壤和气候条件、记录完善的土地利用历史以及丰富的草地生物多样性知识。研究旨在回答两个核心问题：其一，半自然草地栖息地类型之间以及半自然草地与栽培草地之间的表土SOC储量存在何种差异；其二，哪些环境变量与温带半自然草地的SOC储量相关联。

二、研究设计与方法概述

研究人员在爱沙尼亚全国范围内开展了涵盖所有主要草地类型的野外调查，共设置227个样点，包括12种列入欧盟栖息地指令附件一的半自然草地栖息地类型以及干性和湿性栽培草地。样点预选基于爱沙尼亚生态系统制图与评估（MAES）地图数据、保护草地栖息地地图、国家土壤图、国家基础地图、卫星影像及其他地理信息图层，采用分层随机选择以确保各栖息地类型和土壤水文分组的代表性。野外调查于2021至2023年7月至9月间进行。在每个样点建立30米半径样圆，描述植被结构、覆盖度及其他栖息地特征；土壤地球化学和容重（BD）样品按照LUCAS协议原则采集，分析总碳（TC）、总有机碳（TOC）、总无机碳（TIC）、溶解性氮（DN）、溶解性有机碳（DOC）、钾（K）、磷（P）和pH等指标。环境变量方面，归一化植被指数（NDVI）来自哨兵二号（Sentinel-2）卫星2022年夏季无云合成影像，地形湿度指数（TWI）来自2020年激光雷达数据，气候变量（年均温、年降水量、降水季节性）来自WorldClim 2数据库，历史草地覆盖信息来自20世纪30至50年代的爱沙尼亚栖息地制图数据。数据分析采用主成分分析（PCA）、相关分析和基于赤池信息准则（AIC）的线性回归模型后向选择程序，模型以对数转换的SOC储量为响应变量，纳入土壤水文分组、pH、管理方式、栖息地状况、历史草地比例、温度、降水、降水季节性、排水状况、NDVI、TWI、当代草地比例及树木、灌木、草本、苔藓和凋落物覆盖度等解释变量，并检验了土壤水文分组与各解释变量的交互作用。

三、研究结果

3.1 不同草地类型的土壤有机碳储量差异

表土SOC储量在草地类型间差异显著。干性栽培草地（平均值 = 21.7 t C/ha ± 8.3 SD）的SOC储量显著低于大多数其他草地类型，包括alvar草地（50.3 ± 14.3）、湿性草地（48.2 ± 21.7）、钙质草地（47.1 ± 17.6）、冲积草甸（46.2 ± 19.9）、林地草甸（41.9 ± 15.2）和海岸草甸（43.2 ± 23.98）。中生草地（33.9 ± 16.2）的SOC储量也显著低于alvar草地。湿性栽培草地SOC储量居中（34.3 ± 12.8），与其他草地类型无显著差异。所有半自然草地的平均表土SOC储量为44.4 t C/ha，因栖息地类型不同而变化于33.9至50.3 t C/ha之间。

3.2 不同草地类型的土壤特征

主成分分析（PCA）显示，第一主成分（PC1）解释了土壤特征数据集总方差的47.4%，与TOC（对数）、DN（对数）、DOC（对数）、SOC储量（对数）和K（对数）显著正相关，与容重（BD）和pH显著负相关。高TOC、DOC、DN和SOC储量值主要与湿性草地、栽培湿性草地、冲积草甸及水成土、冲积和海岸土壤上的样点相关；高容重值主要与栽培干性草地和中生草地及自型土上的草地相关。第二主成分（PC2）解释了16.9%的方差，与TIC（对数）、pH和K（对数）显著正相关，高TIC、K、pH和SOC储量值与alvar草地、钙质草地、海岸草甸和自型土相关。第三主成分（PC3）解释了11.7%的方差，与磷（对数）显著负相关。

3.3 半自然草地SOC储量与环境及植被结构变量的关联

后向变量选择最终模型保留了八个解释变量和三个交互项，解释了对数转换SOC储量变异的25.7%（调整后R2 = 0.257）。管理方式通过其与土壤水文分组的交互作用与SOC储量相关联：在冲积和海岸土壤上，放牧样点的SOC储量显著高于未管理样点；而在自型土和水成土上，不同管理方式间无显著差异。年降水量和降水季节性与SOC储量显著负相关，苔藓覆盖度和NDVI与SOC储量显著正相关。灌木覆盖度与SOC储量的关联方向因土壤水文分组而异：在冲积和海岸土壤上为正相关，在自型土和水成土上为负相关。pH与SOC储量的关联也因土壤水文分组而异：在自型土上为正相关，在冲积、海岸和水成土上为负相关。

四、讨论与结论

本研究的表土SOC储量值与欧洲其他草地研究结果一致。半自然草地的SOC储量持续高于干性栽培草地，凸显了半自然系统在农业景观碳储存中的重要性，这与其更长的历史连续性、较低的土壤扰动频率和高物种多样性一致。栽培草地因翻耕和重新播种增强碳损失、干扰根系系统并改变细菌和真菌群落，限制了碳积累。alvar草地的高SOC储量可部分归因于其发育于钙质黑色石灰土上，高钙有效性促进矿物-有机质强关联和有机碳稳定化；同时，薄层alvar土壤不适合耕作或造林，长期低强度管理延续可能支持了千年时间尺度上的SOC积累。湿性草地的较高SOC储量反映了长期或周期性水淹限制氧有效性、减缓有机质分解的作用。中生草地SOC储量最低，可能与其发育于硅酸盐矿物土壤、淋溶过程影响表土碳积累有关，也可能部分反映了过去耕作和施肥的遗留效应。

在冲积和海岸土壤上，放牧样点SOC储量高于未管理样点，这与低强度放牧增强根系生物量分配、刺激地下碳输入、粪便沉积和踩踏将凋落物混入土壤剖面有关。年降水量和降水季节性与SOC储量负相关，表明在爱沙尼亚温带气候下，降水增加可能主要通过增强微生物分解和促进溶解性有机碳（DOC）的迁移和淋溶来影响表土碳储量；降水季节性增强伴随更强的干湿交替循环，刺激矿化脉冲。NDVI和苔藓覆盖度与SOC储量正相关，反映了增强的初级生产和有机碳输入。灌木覆盖度与SOC储量的关联因土壤类型而异，在冲积和海岸土壤上为正相关，可能与这些土壤质地较细、黏粒含量较高、根系碳输入更有效地通过有机-矿物结合稳定有关。

研究结论表明，大多数半自然草地类型的表土SOC储量显著高于干性栽培草地，农业集约化相关的扰动可能减少温带草地土壤碳储存。湿性栽培草地保留中等SOC储量，反映了其排水、受泥炭影响的湿性水成土特征。钙质和湿性草地表现出最高的SOC储量，凸显了成土母质和水文状况的重要性。维持长期低强度管理并防止半自然草地的转化或退化，可以同时支持生物多样性保护和大量土壤碳储量的维护。将半自然草地视为生物多样性热点和长期土壤碳库，应成为温带地区草地管理和气候减缓政策的重要考量。