Soil organic carbon dynamics in Xilingol grassland of northern China induced by the Beijing-Tianjin Sand Source Control Program

Abstract

To mitigate impacts of sandstorms on northern China, the Chinese government launched the Beijing–Tianjin Sand Source Control Program (BTSSCP) in 2000. The associated practices (i.e., cultivation, enclosure, and aerial seeding) were expected to greatly enhance grassland carbon sequestration. However, the BTSSCP-induced soil organic carbon (SOC) dynamics remain elusive at a regional level. Using the Xilingol League in Inner Mongolia for a case study, we examined the impacts from 2000 to 2006 of the BTSSCP on SOC stocks using the IPCC carbon budget inventory method. Results indicated that over all practices SOC storage increased by 1.7%, but there were large differences between practices. SOC increased most rapidly at the rate of 0.3 Mg C·ha⁻¹·yr⁻¹ under cultivation, but decreased significantly under aerial seeding with moderate or heavy grazing (0.3 vs.0.6 Mg C·ha⁻¹·yr⁻¹). SOC increases varied slightly for grassland types, ranging from 0.10 Mg C·ha⁻¹·yr⁻¹ for temperate desert steppe to 0.16 Mg C·ha⁻¹·yr⁻¹ for temperate meadow steppe and lowland meadow. The overall economic benefits of the SOC sink were estimated to be 4.0 million CNY. Aerial seeding with no grazing was found to be the most cost-effective practice. Finally, we indicated that at least 55.5 years (shortest for cultivation) were needed for the grasslands to reach their potential carbon stocks. Our findings highlight the importance and effectiveness of BTSSCP in promoting terrestrial carbon sequestration which may help mitigate climate change, and further stress the need for more attention to the effectiveness of specific practices.

Keywords

grassland carbon sequestration / ecological restoration / Beijing-Tianjin Sand Source Control Program (BTSSCP) / IPCC carbon budget inventory method

References

[1] Arnold P, Hunter F, Gonzalez Fernandez P (1976). Long-term grassland experiments at Cockle Park [Great Britain]. Annales Agronomiques (France)

[2] Bai Y, Han X, Wu J, Chen Z, Li L (2004). Ecosystem stability and compensatory effects in the Inner Mongolia grassland. Nature, 431(7005): 181–184

[3] Bai Y, Wu J, Xing Q, Pan Q, Huang J, Yang D, Han X (2008). Primary production and rain use efficiency across a precipitation gradient on the Mongolia plateau. Ecology, 89(8): 2140–2153

[4] Bilotta G, Brazier R, Haygarth P (2007). The impacts of grazing animals on the quality of soils, vegetation, and surface waters in intensively managed grasslands. Adv Agron, 94: 237–280

[5] Burke I C, Lauenroth W K, Coffin D P (1995). Soil organic matter recovery in semiarid grasslands: implications for the conservation reserve program. Ecol Appl, 5(3): 793–801

[6] Chen Z Z, Wang S P (2000). Typical Steppe Ecosystem of China.Beijing: Science Press (in Chinese)

[7] Conant R T, Paustian K, Elliott E T (2001). Grassland management and conversion into grassland: effects on soil carbon. Ecol Appl, 11(2): 343–355

[8] Convery F J, Redmond L (2007). Market and price developments in the European Union emissions trading scheme. Rev Environ Econ Policy, 1(1): 88–111

[9] Crawford M, Grace P, Bellotti W, Oades J (1996). Below-ground inputs of carbon by crops and pastures. In: Proceedings of the 8th Australian Agronomy Conference Queensland, Australia, 172–175

[10] DAHV (Department of Animal Husbandry and Veterinary, Institute of Grasslands, Chinese Academy of Agricultural Sciences),CISNR (Commission for Integrated Survey of Natural Resources, Chinese Academy of Sciences) (1996). Rangeland resources of China. Beijing: Agricultural Science and Technology, 1–346 (in Chinese)

[11] Dolman A, Shvidenko A, Schepaschenko D, Ciais P, Tchebakova N, Chen T, van der Molen M K, Belelli Marchesini L, Maximov T C, Maksyutov S, Schulze E D (2012). An estimate of the terrestrial carbon budget of Russia using inventory-based, eddy covariance and inversion methods. Biogeosciences, 9(12): 5323–5340

[12] ECAGRC (Editorial Committee of Atlas of Grassland Resources of China) (1993). Atlas of grassland resources of China (1:1M).Beijing: China Atlas (in Chinese)

[13] Fisher M J, Rao I M, Ayarza M A, Lascano C E, Sanz J, Thomas R J, Vera R R (1994). Carbon storage by introduced deep-rooted grasses in the South American savannas. Nature, 371(6494): 236–238

[14] Follett R, Kimble J, Lal R (2001). The Potential of US Grazing Lands to Sequester Soil Carbon. Boca Raton, Florida: Lewis Publishers

[15] Gao Q X, Su F Q, Ren Z H (2002). Dust weather and its influences of Beijing. China. Environ Sci, 22: 468–471 (in Chinese)

[16] Goudie A S, Middleton N J (1992). The changing frequency of dust storms through time. Clim Change, 20(3): 197–225

[17] Hao L, Sun G, Liu Y, Gao Z, He J, Shi T, Wu B (2014). Effects of precipitation on grassland ecosystem restoration under grazing exclusion in Inner Mongolia, China. Landscape Ecol, 29(10): 1657–1673

[18] He N, Wu L, Wang Y, Han X (2009). Changes in carbon and nitrogen in soil particle-size fractions along a grassland restoration chronosequence in northern China. Geoderma, 150(3−4): 302–308

[19] He N, Yu Q, Wu L, Wang Y, Han X (2008). Carbon and nitrogen store and storage potential as affected by land-use in a Leymus chinensis grassland of northern China. Soil Biol Biochem, 40(12): 2952–2959

[20] Holmes K W, Chadwick O A, Kyriakidis P C, Silva de Filho E P, Soares J V, Roberts D A (2006). Large-area spatially explicit estimates of tropical soil carbon stocks and response to land-cover change. Global Biogeochem Cycles, 20(3): GB3004

[21] Houghton R (2001). Counting terrestrial sources and sinks of carbon. Clim Change, 48(4): 525–534

[22] Houghton R A, Hackler J L, Lawrence K (1999). The US carbon budget: contributions from land-use change. Science, 285(5427): 574–578

[23] Hu Z, Li S, Guo Q, Niu S, He N, Li L, Yu G (2015). A synthesis of the effect of grazing exclusion on carbon dynamics in grasslands in China. Glob Change Biol, 

[24] Huang L, Xiao T, Zhao Z, Sun C, Liu J, Shao Q, Fan J, Wang J (2013). Effects of grassland restoration programs on ecosystems in arid and semiarid China. J Environ Manage, 117: 268–275

[25] IPCC (1997). Revised 1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories: Reference Manual (Volume 3) (Houghton JT, Meira LG, Filho LG, Lim B, Treanton K, Mamaty I, Bonduki Y, Griggs DJ, Callender BA, eds.) Intergovernmental Panel on Climate Change

[26] IPCC (2006). 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories Volume 4: Agriculture, Forestry and Other Land Uses (AFOLLI) Hayama, Japan: IPCC /IGES, 2006.8

[27] Johnson L C, Matchett J R (2001). Fire and grazing regulate belowground processes in tallgrass prairie. Ecology, 82(12): 3377–3389

[28] Kang L, Han X, Zhang Z, Sun O J (2007). Grassland ecosystems in China: review of current knowledge and research advancement. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 362(1482): 997–1008

[29] Li A, Wu J, Huang J (2012). Distinguishing between human-induced and climate-driven vegetation changes: a critical application of RESTREND in inner Mongolia. Landscape Ecol, 27(7): 969–982

[30] Li B (1962). Basic types and eco-geographic distribution of zonal vegetation in Inner Mongolia.  Acta Sci Nat Univ Neimongol, (4): 42–72 (in Chinese)

[31] Li B (1979). General characteristics of the steppe vegetation in China. China’s Grasslands, 1: 2–12 (in Chinese)

[32] Li C, Hao X, Zhao M, Han G, Willms W D (2008). Influence of historic sheep grazing on vegetation and soil properties of a Desert Steppe in Inner Mongolia. Agric Ecosyst Environ, 128(1−2): 109–116

[33] Li S L, Yu F H, Werger M J, Dong M, Ramula S, Zuidema P A (2013). Understanding the effects of a new grazing policy: the impact of seasonal grazing on shrub demography in the Inner Mongolian steppe. J Appl Ecol, 50(6): 1377–1386

[34] Li Y, Zhao H, Zhao X, Zhang T, Li Y, Cui J (2011). Effects of grazing and livestock exclusion on soil physical and chemical properties in desertified sandy grassland, Inner Mongolia, northern China. Environmental Earth Sciences, 63(4): 771–783

[35] Liu A J (2006). The Study of Monitoring Method for ANPP and Dynamic Balance between Supply and Demand Using Remote Sensing. Dissertation for Ph.D degree. Beijing: China Agricultural University (in Chinese)

[36] Liu J, Wu J, Wu Z, Lu A, Yue J (2012). Interactions between climate change and human activities in dryland degradation in Beijing-Tianjin sand-storm source region, China. In: Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) IEEE International, 2012. IEEE, 6416–6419

[37] Liu X, Zhang W, Cao J, Shen H, Zeng X, Yu Z, Zhao X (2013). Carbon storages in plantation ecosystems in sand source areas of north Beijing, China. PLoS ONE, 8(12): e82208

[38] Liu Z (1960). General vegetation pattern of the Inner Mongolia Steppe region. Acta Sci Nat Univ Neimongol, 2: 47–74 (in Chinese)

[39] Lu H L (2009). LULUCF inventory and LULUCF activities effect in China based upon improved IPCC methodology. Dissertation for Ph.D degree. Beijing Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences (in Chinese)

[40] MacLeod N, McIvor J G (2006). Reconciling economic and ecological conflicts for sustained management of grazing lands. Ecol Econ, 56(3): 386–401

[41] Meersmans J, De Ridder F, Canters F, De Baets S, Van Molle M (2008). A multiple regression approach to assess the spatial distribution of soil organic carbon (SOC) at the regional scale (Flanders, Belgium). Geoderma, 143(1−2): 1–13

[42] Neff J, Reynolds R, Belnap J, Lamothe P (2005). Multi-decadal impacts of grazing on soil physical and biogeochemical properties in southeast Utah. Ecol Appl, 15(1): 87–95

[43] Ni J (2003). Plant functional types and climate along a precipitation gradient in temperate grasslands, north-east China and south-east Mongolia. J Arid Environ, 53(4): 501–516

[44] Ogle S M, Conant R T, Paustian K (2004). Deriving grassland management factors for a carbon accounting method developed by the intergovernmental panel on climate change. Environ Manage, 33(4): 474–484

[45] Piao S, Fang J, Ciais P, Peylin P, Huang Y, Sitch S, Wang T (2009). The carbon balance of terrestrial ecosystems in China. Nature, 458(7241): 1009–1013

[46] Post W M, Kwon K C (2000). Soil carbon sequestration and land-use change: processes and potential. Glob Change Biol, 6(3): 317–327

[47] Runnström M C (2000). Is northern China winning the battle against desertification? Satellite remote sensing as a tool to study biomass trends on the Ordos Plateau in semiarid China.AMBIO: A Journal of the Human Environment, 29: 468–476

[48] Russell J S, Williams C H (1982). Biogeochemical interactions of carbon, nitrogen, sulfur and phosphorus in Australian agroecosystems. In: Freney J R, Galbally I E, eds. Cycling of carbon, nitrogen, sulfur and phosphorus in terrestrial and aquatic ecosystems. Berlin: Springer-Verlag, 61–75

[49] Schimel D S (1995). Terrestrial ecosystems and the carbon cycle. Glob Change Biol, 1(1): 77–91

[50] Schuman G, Janzen H, Herrick J (2002). Soil carbon dynamics and potential carbon sequestration by rangelands. Environ Pollut, 116(3): 391–396

[51] Shi F, Li Y E, Gao Q Z (2009). Effect of management on grassland soil organic carbon. Pratacultural Science, 26: 9–15 (in Chinese)

[52] Somogyi Z, Cienciala E, Mäkipä R, Muukkonen P, Lehtonen A, Weiss P (2007). Indirect methods of large-scale forest biomass estimation. Eur J For Res, 126(2): 197–207

[53] Steffens M, Kölbl A, Totsche K U, Kögel-Knabner I (2008). Grazing effects on soil chemical and physical properties in a semiarid steppe of Inner Mongolia (PR China). Geoderma, 143(1−2): 63–72

[54] Su Y Z, Li Y L, Cui J Y, Zhao W Z (2005). Influences of continuous grazing and livestock exclusion on soil properties in a degraded sandy grassland, Inner Mongolia, northern China. Catena, 59(3): 267–278

[55] Su Y Z, Zhao H L, Zhang T H (2003). Influences of grazing and exclosure on carbon sequestration in degraded sandy grassland, Inner Mongolia, north China. N Z J Agric Res, 46(4): 321–328

[56] Su Y Z, Zhao H L, Zhang T H, Zhao X Y (2004). Soil properties following cultivation and non-grazing of a semi-arid sandy grassland in northern China. Soil Tillage Res, 75(1): 27–36

[57] Subak S (2000). Agricultural soil carbon accumulation in North America: considerations for climate policy. Glob Environ Change, 10(3): 185–195

[58] Tian H, Cao C, Chen W, Bao S, Yang B, Myneni R B (2015). Response of vegetation activity dynamic to climatic change and ecological restoration programs in Inner Mongolia from 2000 to 2012. Ecol Eng, 82: 276–289

[59] Wang S, Tian H, Liu J, Pan S (2003). Pattern and change of soil organic carbon storage in China: 1960s–1980s. Tellus B Chem Phys Meterol, 55(2): 416–427

[60] Wang S, Wilkes A, Zhang Z, Chang X, Lang R, Wang Y, Niu H (2011). Management and land use change effects on soil carbon in northern China's grasslands: a synthesis. Agric Ecosyst Environ, 142(3−4): 329–340

[61] Wang S G, Yang M, Qi B, Xin C L, Yang M F (1999). Influence of sand-dust storms occurring over the Gansu Hexi district on the air pollution in Lanzhou city. J Desert Res, 19: 354–358 (in Chinese)

[62] Wu H, Guo Z, Peng C (2003). Distribution and storage of soil organic carbon in China. Global Biogeochem Cycles, 17(2): GB1048

[63] Wu J, Loucks O L (1992). Xilingele (The Xilingol Grassland) In: The US National Research Council, ed. Grasslands and Grassland Sciences in Northern China.Washington DC: National Academy Press, 67–84

[64] Wu J, Zhao L, Zheng Y, Lü A (2012). Regional differences in the relationship between climatic factors, vegetation, land surface conditions, and dust weather in China’s Beijing-Tianjin Sand Source Region. Nat Hazards, 62(1): 31–44

[65] Wu L, He N, Wang Y, Han X (2008). Storage and dynamics of carbon and nitrogen in soil after grazing exclusion in grasslands of northern China. J Environ Qual, 37(2): 663–668

[66] Wu X, Li Z, Fu B, Zhou W, Liu H, Liu G (2014a). Restoration of ecosystem carbon and nitrogen storage and microbial biomass after grazing exclusion in semi-arid grasslands of Inner Mongolia. Ecol Eng, 73: 395–403

[67] Wu Z, Wu J, He B, Liu J, Wang Q, Zhang H, Liu Y (2014b). Drought offset ecological restoration program-induced increase in vegetation activity in the Beijing-Tianjin Sand Source Region, China. Environ Sci Technol, 48(20): 12108–12117

[68] Wu Z, Wu J, Liu J, He B, Lei T, Wang Q (2013). Increasing terrestrial vegetation activity of ecological restoration program in the Beijing–Tianjin Sand Source Region of China. Ecol Eng, 52: 37–50

[69] Xie Z, Zhu J, Liu G, Cadisch G, Hasegawa T, Chen C, Sun H, Tang H, Zeng Q (2007). Soil organic carbon stocks in China and changes from 1980s to 2000s. Glob Change Biol, 13(9): 1989–2007

[70] Yang Y, Fang J, Ma W, Smith P, Mohammat A, Wang S, Wang W (2010). Soil carbon stock and its changes in northern China’s grasslands from 1980s to 2000s. Glob Change Biol, 16(11): 3036–3047

[71] Zeng X, Zhang W, Cao J, Liu X, Shen H, Zhao X (2014). Changes in soil organic carbon, nitrogen, phosphorus, and bulk density after afforestation of the “Beijing–Tianjin Sandstorm Source Control” program in China. Catena, 118: 186–194

[72] Zhang G, Dong J, Xiao X, Hu Z, Sheldon S (2012). Effectiveness of ecological restoration projects in Horqin Sandy Land, China based on SPOT-VGT NDVI data. Ecol Eng, 38(1): 20–29

[73] Zhang T H, Zhao H L, Li S G, Li F R, Shirato Y, Ohkuro T, Taniyama I (2004). A comparison of different measures for stabilizing moving sand dunes in the Horqin Sandy Land of Inner Mongolia, China. J Arid Environ, 58(2): 203–214

[74] Zhang W, Liu C (2005). The impact of environmental policy on household income and activity choice: evidence from sandstorm source control program in North China. In: American Agricultural Economics Association Annual Meeting, Providence, RI, 24–27

[75] Zhou D, Zhao S, Liu S, Zhang L (2014). Modeling the effects of the Sloping Land Conversion Program on terrestrial ecosystem carbon dynamics in the Loess Plateau: a case study with Ansai County, Shaanxi province, China. Ecol Modell, 288: 47–54

Acknowledgements

This work has been financially supported by the National Natural Science Foundation of China (41601196), the National Science and Technology Support Project (2013BAC03B04), and the Chinese Academy of Sciences Action Plan for the Development of Western China (KZCX2-XB3-08-01). We thank the Inner Mongolia Rangeland Survey Institute for providing the annual implementation area data of the main grassland management practices in the Xilingol League. We thank two anonymous reviewers for their valuable comments to improve this manuscript. We also thank Dr. Warwick Harris (Research Associate, Landcare Research, New Zealand) for his effort to improve the text.

RIGHTS & PERMISSIONS

2016 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg