全球变暖是学术界最为关注的热点问题之一,人为干扰下的陆地生态系统碳循环过程是该领域研究的重点。农林牧生态系统是陆地生态系统碳循环和碳平衡研究中较为复杂的部分,通过不同形式的人为影响,表现出碳源和碳汇互动的不确定性角色,一方面,农林牧生态系统通过光合作用固定大气中二氧化碳蓄积在植被和土壤之中,另一方面农林牧生态系统又以各种途径进行碳排放,如土壤呼吸、施用化肥、牲畜养殖、交通运输、消费化石能源和生物能源等等,极大的影响了陆地生态系统的碳收支和平衡。面对陆地碳收支不确定性的严峻挑战,给我国水土流失最为严重的区域——黄土高原增添了新的问题:如何在生态环境脆弱的区域,平衡农林牧生态系统的碳收支,调节好人为干扰和自然生态的和谐发展,对我国陆地生态系统碳循环和碳平衡具有重要的意义。1999年,国家在黄土高原实施了退耕还林还草工程,这是有史以来最大的一次人为恢复植被的活动,目前已过去15年,有关退耕还林还草工程对该生态系统固碳能力的影响及其碳收支的变化,尤其是人为干扰的前后对比研究缺乏系统性。本文以黄土高原退耕区一个典型流域作为研究对象,以年为单位,利用实验分析、模型计算、历史统计和农户调查数据相结合的方法,估算1938-2010年中的10个代表年份的农林牧生态系统的碳储量和土壤呼吸碳排放量、测定植被生理特征及其光合固碳能力、整理农林牧碳足迹的排放清单及人均年碳排放量,进而分析该整个流域的年碳收支和碳平衡状况,为寻求生态系统与经济系统相互适应与协调发展的途径,促进生态修复,维持碳平衡,优化固碳减排措施提供科学依据。主要研究结果如下:1、纸坊沟流域的农林牧生态系统总碳储量总体呈先降低,后缓慢升高的变化趋势,碳储量年均为18148.33tC,密度为21.93tC·hm-2a-1,人均碳储量密度为41.95t C·a-1,较大的碳储量有利于稳定该流域的碳平衡状态。农田、林地和草地生态系统碳储量分别占总碳储量的15%、58%和27%,其中植被碳储量与土壤碳储量比为2:3。农田生态系统中,土壤碳储量所占比例较大,但植被碳储量比例每年呈增加状态;林地生态系统来看,植被碳储量与土壤碳储量相差较小;草地生态系统中,土壤碳储量远远大于植被碳储量。土壤有机碳丰度指数的大小说明该流域土壤的碳贮存能力为林地>农田>草地。草地退化已经严重影响了土地的碳汇功能;合理的农田施肥有助于碳素的积累;林地土壤优于其他土地利用类型蓄积碳素。相比农田和草地而言,林地生态系统的固碳能力较强。2、刺槐是纸坊沟流域退耕还林面积最大的先锋树种,不同林龄刺槐的单位叶面积光合固碳释氧能力表现为:幼龄林>成熟林>中龄林;单株刺槐光合固碳释氧能力表现为中龄林>成熟林>幼龄林;单位冠幅面积的光合固碳释氧能力表现为幼龄林>中龄林>成熟林。刺槐各器官有机碳情况表现为幼龄林和中龄林的枝干有机碳含量最高,根次之,叶最少,而成熟林的有机碳含量为叶最高,枝次之,根最少。刺槐林地随着土层深度的增加,各龄林刺槐林地土壤全氮含量和有机碳含量整体均呈现逐渐降低的趋势,尤其是在0-40cm土层厚度变化最为明显。3、纸坊沟流域的生态经济系统碳排放量总体呈近似“W”型发展趋势,其变化状态与人为干预密切相关。碳排放量年均2725.58tC,碳排放量密度为3.29 tC·hm-2a-1,人均碳排放量密度为6.30t C·a-1。由土壤呼吸、碳足迹和人自身碳排放量三个方面进行估算,其中土壤呼吸产生的碳排放(79%)>人体碳排放(15%)>碳足迹(7%)。土壤呼吸所产生的碳排放量随着土地利用类型的改变而表现出明显的变化,尤其是农田和林地的互相转变期;碳足迹受人为活动影响最大,与人们的生产生活需要产生相对应的变化状态;人自身的碳排放量从1960-2010年间呈现逐年增长的趋势。4、纸坊沟流域的生态系统的碳收支估算结果:从生态系统角度分析,净生态生产力(NEP1)显示出,1958年和1975年纸坊沟流域的农林牧生态系统起到了碳源功能,其余研究年份起到了碳汇作用,从生态经济系统角度分析,增加人为影响的碳排放量估算碳收支(NEP2)则显示出,1958年、1975年和1985年该流域生态经济系统起到碳源作用,其余研究年份表现为碳汇功能。5、从整个纸坊沟流域的农林牧生态系统碳平衡角度分析,1958年、1975年和1985年的碳亏缺分别占了实际碳储量的11%、8%和4%。人为破坏干扰,造成了年碳亏缺的不平衡,历史碳储量给予补给。人为恢复植被干扰,又增加了碳储量。从整个系统来看,纸坊沟流域的生态经济系统处于碳平衡状态。影响碳平衡的因素有气候的变化、土地利用的变化、碳沉降以及人为扰动等一些因子,就目前研究成果来看,这些因素的影响碳平衡的机理仍存在较大的争议,并且时空变异性增加了陆地生态系统碳储量和碳收支的不确定性。