摘要
“碳中和”是为应对气候危机人类做出的终极努力之一。准确评估各生态系统的碳收支能力，充分挖掘其固碳潜力，已成为关系气候变化和经济社会发展平衡的重要研究方向之一，也是目前最经济、安全、有效的固碳增汇手段。目前，针对全球碳循环研究大多着眼于森林、草地、湿地及农田等高生产力系统。研究表明，被长期忽视的广袤沙漠生态系统可通过非光合过程封存CO2，在促进“碳中和”、缩小“碳失汇“且减缓气候变暖中发挥积极作用。然而，沙漠碳汇仍因不同观测方法获取的CO2通量数据间的矛盾和沙漠碳汇内部驱动机制不明确，使沙漠碳汇经多年研究后仍存在质疑，并无法准确判断沙漠在全球碳循环中的贡献，更限制了对沙漠固碳增汇潜力的挖掘。鉴于此，本研究在塔克拉玛干沙漠开展基于不同观测方法的CO2通量对比观测试验，分析引发不同观测方法间矛盾的主要原因。同时，对流沙土壤中单个组分的CO2通量贡献进行拆分，并结合水热因子的叠加交互作用，充分理解沙漠流沙碳汇的内部过程组合和驱动机制，以此建立同时考虑水热交互作用及土壤性质因子的流沙CO2通量经验估算方案。在此基础上，评估塔克拉玛干沙漠流沙下垫面的碳汇能力、稳定性及对气候变化的响应。通过研究，本文主要研究结果如下： （1）对比分析了塔克拉玛干沙漠腹地无植被流沙地中开路涡动相关（IRGASON）、闭路涡动相关（EC155）和土壤碳通量仪（LI-COR8100A）的同步观测差异，发现EC155与LI-COR8100A的观测结果高度一致，能够准确反映沙漠中真实的CO2交换情况。然而，沙漠极端干旱环境导致的自加热和光谱效应的不完全校正很可能是引发IRGASON白天观测到异常负CO2通量的主要原因。该问题如果不加以修正，会严重高估沙漠的固碳能力。以EC155观测结果作为参照，对IRGASON的异常负CO2通量进行修正，结果显示日尺度上流沙在白天释放CO2，中午达到峰值；夜间流沙吸收CO2，并显示出固碳作用；在年尺度上流沙的CO2交换量全年呈单峰分布，其中4-9月为碳源，其余时间为碳汇。在全年释放和吸收的动态平衡中，吸收效应相对较强，塔克拉玛干沙漠腹地流沙具有固碳作用。 （2）准确描述了沙漠流沙中每个组分（纯沙、水分、盐碱、微生物）的CO2通量贡献过程和量级，发现沙漠地区长期的极端干旱造成土壤水分和土壤微生物对流沙CO2通量的贡献非常有限。相反，由流沙热量波动引起的含CO2土壤空气的膨胀/收缩对流沙CO2交换总量的贡献是出人意料的强烈。这一长期的隐匿过程与土壤盐/碱的化学固碳作用结合，分别主导了干燥流沙中CO2的释放和吸收过程，并受到代表土壤热量流向的土壤温差及代表土壤对热量吸收/释放的土壤温度变化速率的严格调控。基于此，建立了估算干燥流沙CO2通量的参数化方案。 （3）基于水热相互作用试验，发现沙漠强降雨后，高土壤湿度可以通过快速提高微生物活性和有机物质扩散，显著刺激流沙短期内高速向外释放CO2，最高达3.68μmol·m-2·s-1。此时，流沙的CO2通量同时受到流沙土壤温度和土壤湿度的协同影响。与之相对，低土壤湿度的刺激效应并不明显，流沙的CO2通量仅受到地表温度的严格控制。此外，随着流沙有机碳基质的减少和土壤碱性的增强，流沙固碳作用逐渐凸显，并在低温下得到加强。在此基础上，我们建立了同时考虑水热交互作用及土壤性质因子的流沙CO2通量经验估算方案，并进行了校验。这提高了对沙漠固碳机制的理解，并为评估沙漠固碳总量及其对全球碳循环的贡献提供了一种可能的方案。 （4）沙漠人工防护林的建立在原本无机固碳过程的基础上加入了植物光合作用，使得沙漠生态系统碳封存能力提升了约150倍左右，年固定CO2量可达1000gm-2左右。这不仅可以改善区域生态环境，而且可以将荒漠化土地转化为重要的陆地碳汇。此外，人工防护林固碳能力对沙漠不同量级的降水展现出不同的响应方式，其中小于2mm的降水对人工防护林固碳能力没有影响。2mm至6mm的降水后，可导致饱和水汽压差VPD短暂下降，从而促进光合作用，加强防护林固碳能力，但整体持续时间较短。大于8mm的降水后，在促进光合作用时，土壤湿度的提升激发了微生物对有机碳的分解及运输而刺激土壤呼吸作用加强，抵消了部分增强的光合作用，使得整个防护林表现出降水后固碳作用呈先抑制后增强的现象。 （5）塔克拉玛干沙漠流沙每年可固定约1.05×106t的CO2，但其碳汇稳定性较差。其中，具有固碳作用的区域占据了三分之二，位于沙漠西、北缘的喀什和阿克苏地区的流动沙面则因相对较高的降水量和有机碳含量成为了沙漠CO2释放的主要区域。随着全球变暖且沙漠极端降水事件的增加，短期内将刺激流沙将大量的CO2释放到大气中，使得塔克拉玛干沙漠流沙的固碳能力逐渐减弱的同时，碳汇稳定性也逐渐降低。因此，从沙漠固碳的角度出发，沙漠化防治在直接改善区域生态环境之余，更赋予了其巩固和提高干旱地区生态系统碳汇稳定性和固碳能力的重要意义。然而，从长期来看，如果沙漠降水进一步增加，以致于切实利于沙漠植被的生长后，加入了植物光合作用的沙漠碳汇过程有可能逐渐增强。 综上，本文针对当前沙漠固碳研究存在的关键科学问题，以塔克拉玛干沙漠为研究示例，在野外观测试验的基础上，沿着“特征分析-机制探索-影响评估”的框架，系统地开展了沙漠流沙碳汇的驱动机制研究，建立了同时考虑水热交互作用及土壤性质因子的流沙CO2通量经验估算方案，并评估了塔克拉玛干沙漠流沙的固碳能力及其面临风险。研究结果提升了对沙漠生态系统固碳机理的认识，为准确评估全球沙漠的固碳总量和在碳循环中的贡献地位奠定了基础，同时更深化了沙漠化防治在巩固和提高干旱区生态系统碳汇稳定性和固碳能力方面的重要意义。
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