黄土高原是世界上最大的黄土分布区，也是中华文明的重要发祥地。该区域土壤侵蚀剧烈，生态环境脆弱，因其维系了约1亿人口的生存和发展，并且和黄河的健康运行密切相关，因此一直是国家生态治理的重点区域。近60年来，黄土高原先后经历坡面治理、沟坡联合治理、小流域综合治理以及退耕还林还草工程等，取得了十分显著的成就。特别是近10多年来实施的退耕还林还草工程，已经得到普通民众、学术界和政府部门的一直认可：植被覆盖度大幅增加，水土流失减弱，入黄泥沙减少。新近研究表明，退耕还林还草工程不仅在控制水土流失方面起到了十分重要的作用，而且具有十分显著的生态固碳功能。如最新研究表明，2000-2008年退耕还林还草实施期间，黄土高原生态系统净固定了约0.961 亿吨碳，相当于我国2006年总化石能源消耗释放CO₂量的6.4%。因此，黄土高原大规模的植被生态恢复具有重要的固碳效益。 

　　人工植树造林和植被自然恢复是黄土高原最为重要的两种生态恢复方式，也是黄土高原固碳能力提高的主要贡献者。当前，这两种生态恢复方式，其土壤固碳效应如何，有何差异；如果存在差异，机制是什么，一直缺乏充分的科学认识。此外，当前对黄土高原固碳能力的提高主要考虑有机碳，对无机碳的碳汇功能考虑较少。研究表明，黄土高原1m 土层深度无机碳储量是有机碳储量的2倍多，约占全国总无机碳储量的21.66%。因此，黄土高原无机碳的迁移转化及产生的碳汇功能不可忽视。针对上述科学问题，地环所金钊副研究员及其合作者在中国科学院重点部署项目及国家自然科学基金的资助下，选择黄土高原西峰南小河沟流域的对比沟董庄沟和杨家沟为研究对象（图1），研究了近60年黄土高原人工植树造林和植被自然恢复方式下1 m深度土层有机碳积累和无机碳迁移转化的差异。董庄沟和杨家沟均为1954年设置的对比沟，其中董庄沟自1954年开始实施植被自然恢复措施，现形成天然的草地生态系统，杨家沟自1954-1958年实施人工植树造林措施，现形成人工的森林生态系统。这两个对比沟为研究黄土高原自然和人为生态管理方式土壤有机和无机固碳的差异提供了良好的自然条件。

图1 西峰南小河沟流域中的对比沟：董庄沟（植被自然恢复，DZG-grassland）；杨家沟（人工植树造林，YJG-forestland）

　　研究结果表明，两个对比小流域土壤容重、土壤有机和无机碳储量、土壤有机和无机碳同位素比值存在显著差异。和人工植树造林相比，植被自然恢复更有利于表层土壤有机碳的积累，因此具有更高的有机碳储量（草地： 67.84 吨/公顷；森林：52.94吨/公顷）。与此相反，人工植树造林小流域具有更高的无机碳储量（草地：194.29吨/公顷；233.28 194.29吨/公顷）。然而，通过土壤碳酸盐同位素比值的分析发现，人工植树造林小流域土壤碳酸盐同位素比值显著高于植被自然恢复小流域（森林：-5.30‰；草地：-6.01‰）。因黄土沉积来自于沙漠源区，原生碳酸盐同位素比值偏正，经过成壤作用形成的次生碳酸盐同位素比值偏负。因此，人工植树造林小流域碳酸盐同位素比值偏正可能指示土壤中含有更多的原生碳酸盐，而植被自然恢复小流域碳酸盐同位素比值偏负可能指示土壤中含有更多的次生碳酸盐。观测结果表明，植被自然恢复小流域的水分条件、径流量、输沙量均显著高于人工植树造林小流域。因此，植被自然恢复小流域较好的水分条件和较高有机碳积累，导致更多的原生碳酸盐转化为次生碳酸盐，从而使土壤碳酸盐同位素比值偏负。此外，植被自然恢复小流域较高的径流量，可能使大量的土壤碳酸盐和土壤呼吸形成的CO₂溶解于水，并通过洪水径流带入到河流系统，并最终沉积在河流和水库沉积物中，还可能进入到海洋沉积物中，形成一个被忽视的、更大的潜在无机碳汇（图2）。 

图2 人工植树造林和植被自然恢复小流域水分循环强弱的差异

    该研究成果发表在国际环境类综合期刊Science of the Total Environment (Jin Zhao, Dong Yunshe, Wang Yunqiang, Wei Xiaorong, Wang Yafeng, Cui Buli, Zhou Weijian. Natural vegetation restoration is more beneficial to soil surface organic and inorganic carbon sequestration than tree plantation on the Loess Plateau of China. Science of the Total Environment, 2014,485-486: 615-623).