基于高时空分辨率的2000–2021年 中国黄土高原退耕地碳储量变化重绘
作者：秦岭站 更新时间：2026-01-16
研究亮点
1.首次以30米高分辨率，精准重绘了2000-2021年黄土高原退耕农田的时空分布格局。
2.创新划分不同气候区，结合退耕年限、气候、土壤性质等多因素，构建针对性多元线性回归模型。
3.量化得出黄土高原退耕农田总碳汇量达 21.77Tg C，明确草地、林地、灌丛的碳汇贡献差异。
摘要
土壤有机碳库是陆地生态系统碳储存的关键组成部分，在调节碳循环和减缓大气CO₂浓度上升方面发挥着重要作用。为应对黄土高原土壤退化并提升土壤有机碳含量，我国实施了退耕还林（草）工程。准确量化退耕还林（草）引起的土壤有机碳储量变化（∆SOC）对土地利用管理至关重要。本研究基于1999-2021年Landsat影像分析了黄土高原退耕地的时空分布特征。为评估退耕年限、气候、土壤性质、海拔等因素对土壤有机碳变化的影响，本研究根据野外实测土壤数据构建了不同气候区的多元线性回归模型，并据此绘制了退耕地土壤有机碳变化空间分布图。结果表明：过去二十年间黄土高原累计退耕面积达39065 km2，其中45.61%转为草地，29.75%转为灌木林地，24.64%转为森林。退耕年限与土壤有机碳积累量呈显著正相关关系，针对不同气候区建立的模型实现了30m高空间分辨率的土壤有机碳变化制图。估算显示黄土高原退耕地总固碳量达21.77 Tg（以碳当量计），其中草地贡献率达81.10%，森林和灌木林地分别贡献11.16%和7.74%。
研究背景
在全球气候变化加剧与人类活动强度攀升的双重压力下，土壤退化引发的 “碳库流失”问题，正成为威胁干旱半干旱地区生态安全与陆地生态系统稳定性的核心挑战。土壤有机碳作为陆地生态系统最大的碳储库，不仅支撑着作物增产、水质净化等多项生态服务功能，更通过调节大气CO₂浓度维系全球碳循环平衡，是减缓气候变暖的关键纽带。然而，气候变暖导致的植被生长节律改变、降水模式紊乱，叠加长期不合理开垦与过度利用带来的土壤侵蚀加剧，不断打破土壤碳输入与输出的天然平衡，造成土壤有机碳大量流失，对流域生态承载力与碳中和目标实现构成严重威胁。
在此背景下，生态修复工程因其兼顾生态保护与碳汇提升的双重效益，逐渐成为退化区域生态治理的核心路径，而精准量化修复工程的碳汇成效，则是优化政策实施与评估生态效益的关键前提。黄土高原作为中国北方典型干旱半干旱区，地形以丘陵沟壑为主，土壤质地松软，长期以来因滥垦滥伐导致 40% 以上区域遭受严重水土流失，土壤碳库严重受损（图 1）。该区域实施的退耕还林还草工程（GFGP），是全球规模最大、投资最高的生态修复项目之一，为土壤碳库恢复提供了重要契机。
已有研究虽证实了黄土高原生态修复的碳汇潜力，但在两个方面仍存在明显不足：（1）缺乏高分辨率、长时序的退耕农田时空动态数据，导致碳汇估算存在较大不确定性；（2）对退耕年限、气候异质性、植被类型等多因素复合驱动下的碳储存变化缺乏精细量化，未能精准区分退耕农田与现有耕地的碳汇差异。因此，有必要在黄土高原开展高分辨率碳储存变化研究，通过整合多源遥感数据与野外采样，解析 2000-2021 年退耕农田的时空分布格局，量化不同情景下的碳汇增量及其空间异质性，为干旱半干旱区生态修复政策优化与碳汇管理提供科学支撑。
图1. 研究区域地图，（a）位置，（b）土壤采样点和气候带
研究结果
图2. 黄土高原年度退耕农田的空间分布：(a)2000年、(b)2005年、(c)2010年、(d)2015年、(e)2021年，以及(f)1999-2021年累计退耕农田。
图3.（a）2000-2021年累计退耕农田和复耕农田；（b）2000-2021年退耕农田不同植被类型的年面积。
图4. 农田和退耕农田中的土壤有机碳储量(kg C m-2)
（a）黄土高原退耕为不同生态系统类型（林地、灌丛、草地）的农田与相邻耕地的土壤有机碳储量比较，字母a和b用于标注方差分析中的显著差异。
（b）突出显示不同气候区的比较。注：1- SH区的林地，2- SA区的林地，3- WT-SH区的灌丛，4- WT-SA区的灌丛，5- MT-SA区的灌丛，6- WT区的草地，7- MT区的草地；字母a、b和ab用于表示方差分析中的显著差异，图1a中为相同生态系统，图2b中为相同气候区组合。
图5. 退耕年限与土壤有机碳（SOC）的关系
（a）SH区林地，（b）SA区林地，（c）WT-SH区灌丛，（d）WT-SA区灌丛，（e）MT-SA区灌丛，（f）WT区草地，（g）MT区草地。
图6. 土壤有机碳储量的空间分布
（a）整个研究区的分布，（b）土壤有机碳储量的在栅格级别上的分布频率。
研究结论
本研究基于分气候区多元线性回归模型，针对黄土高原构建了高分辨率（30 m）的退耕农田碳储存变化（∆SOC）评估框架，整合了 2000-2021 年长时序遥感监测数据、野外配对采样数据与多源环境协变量。在研究期间，黄土高原退耕地总面积为39065平方公里。主导的生态系统类型为草地，其次为灌木林地和森林。退耕面积呈现显著的年际变化但无特定趋势，且不同气候区的退耕情况存在差异。中温半干旱区（MT-SA）的退耕面积显著高于暖温半干旱区（WT-SA）和暖温半湿润区（WT-SH）。基于土壤样品分析，我们发现土壤有机碳变化量（∆SOC）随退耕年限增加而增长，并建立了七个∆SOC回归模型，模型变量包括退耕年限、温度、降水、土壤容重、经纬度坐标及生态系统类型。根据模型估算，黄土高原退耕地的∆SOC总效益约为21.77Tg C，在栅格单元尺度上的变化范围为-26.52至31.91 kg C m-2。其中中温半干旱区（MT-SA）退耕地贡献了最多的∆SOC（15.120 Tg C），其次为暖温半干旱区（WT-SA，6.440 Tg C）和暖温半湿润区（WT-SH，0.210 Tg C）。研究表明，长期实施退耕还林（草）工程对增强黄土高原土壤碳汇具有显著影响，为应对气候变化和促进区域可持续发展作出了重要贡献。
文章链接
本研究第一单位为西北农林科技大学林学院水土保持与荒漠化整治全国重点实验室，西北农林科技大学林学院2024届硕士毕业生郭冰倩为论文第一作者，李强教授和刘伟国副研究员为论文通讯作者。本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2022YFF1302200）和西北农林科技大学的支持。https://doi.org/10.5194/essd-2025-222