我国草地的固碳功能

高树琴 ,  赵霞 ,  方精云

中国工程科学 ›› 2016, Vol. 18 ›› Issue (1) : 73 -79.

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中国工程科学 ›› 2016, Vol. 18 ›› Issue (1) : 73 -79. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2016.01.010

我国草地的固碳功能

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Carbon Sequestration of Grassland in China

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摘要

本文通过综述当前我国草地碳库的研究成果，并利用1982—2011年的遥感影像，估算出我国草地生态系统碳库约为31.2 PgC，其中96 %储存于土壤中。由于我国草地类型多样，分布地域广阔，造成草地植被碳密度分布的空间异质性很高。内蒙古是草地植被碳库最大的省份，其次是西藏和青海，六大牧区的植被碳库占全国草地植被碳库总量的71 %。然而，我国90 %的天然草地发生不同程度的退化，采取有效的人工管理措施和实施重大的生态建设工程，均对草地碳库的恢复具有明显的作用，说明我国草地有很大的碳汇潜力。

Abstract

Based on the research of the grassland carbon sink in China and the remote sensing data from 1982 to 2011, the total carbon storage of the grassland ecosystem in China is about 31.2 PgC, 96 % of which are stored in the soil. The vegetation carbon density of grassland is highly spatially heterogeneous due to various types of grassland and vast distribution in China. The largest grassland vegetation carbon sink in China is located in Inner Mongolia, followed by Tibet and Qinghai, while that of the six main pastoral areas accounts for 71 % of the national grassland vegetation carbon sink. However, 90 % of the natural grassland in China has degraded more or less. Effective managements and implementation of major ecological construction projects have played an important role in the recovery of grassland carbon storage, which indicates that the grassland in China has great potential for carbon sequestration.

关键词

草地 / 植被碳储量 / 土壤碳储量 / 草地退化 / 固碳潜力

Key words

grassland / vegetation carbon storage / soil organic carbon storage / grassland degradation / carbon sequestration potential

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高树琴,赵霞,方精云. 我国草地的固碳功能[J]. 中国工程科学, 2016, 18(1): 73-79 DOI:10.15302/J-SSCAE-2016.01.010

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一、前言

陆地生态系统碳循环是全球碳循环中的核心部 分，在全球气候变化中扮演着关键角色 [1]。陆地生 态系统碳库（包括植物和土壤两部分）约为大气碳 库的 3 倍 [2]。研究陆地生态系统碳库的大小，有助 于了解和预测全球的碳平衡，可作为有效评价陆地 生态系统可持续性的重要指标 [3]。相比于大气碳库 和海洋碳库，陆地生态系统碳库是受人类活动影响 最显著的碳库，其对大气中 CO2 浓度的年际变化影 响很大 [4]。

草原是地球绿色植被的重要组成部分，可分为热带草原、温带草原等多种类型，是地球上分布最 广的植被类型之一，覆盖了全球 20 % 的陆地面积。 但是，草原生态系统是当前受人类活动干扰最为严 重的区域，导致其碳素行为非常活跃。草原生态系 统有很强的碳蓄积能力，这些潜在的碳汇将在全球 碳循环中发挥重要的作用。研究草原生态系统的碳 循环，估算草原生态系统碳库的大小，对于系统分 析草原在全球气候变化过程中的作用，以及全球碳 平衡具有重要的意义 [5]。

草原生态系统贡献了陆地生态系统总生产力 的 30 %，对于调节全球碳循环和气候具有重要的 作用 [6, 7]。草地生态系统与森林等其他陆地生态 系统不同，其碳库主要集中于地下，分布于土壤 和植物根系当中，而地上植被的碳库则较小。准 确评估草地生态系统碳库大小及其动态变化，一 方面有利于预测全球变化与草地生态系统的反馈 关系，另一方面有助于评估草地资源的可持续利 用 [8, 9]。

二、草地植被碳库及空间分布

草地生态系统碳库主要包括植被碳库（地上和 地下生物量碳库）和土壤有机碳库两部分 [10]。自 20 世纪 90 年代以来，不少专家学者利用不同方 法，对我国草地的生物量碳库和碳密度进行了估 算 [3, 11~17]。然而由于采用的方法不同，草地面积也 有一定的差异，因此不同的研究给出的估算值之间 存在着较大差异。我国草地植被碳库的估算值介于 0.56~3.32 PgC（见表 1），相差近 6 倍。

表 1 不同研究得出的我国草地生物量密度及生物量碳库

表 1

沈海花等 [17] 通过综述我国草地生态系统碳库 研究的进展，并利用 1982—2011 年的遥感影像和 气候数据，估算得出我国草地生态系统植被碳库约 为 1.18 PgC。我国不同地区草地植被碳库差异较大， 根据 1:100 万植被图和遥感估算，我国各省、市、 自治区草地植被碳库的变化范围在 0.11~282.1 TgC， 最大的是内蒙古，其次是西藏和青海，数值分别 为 282.1 TgC、186 TgC 和 175.1 TgC，占全国草 地植被碳库的 21.6 %、14.2 % 和 13.4 %（见图 1a）。我国各省、市、自治区总生物量碳密度的变 化范围在 2.49~10.52 tC·hm–2，碳密度最小的是西藏 (2.49 tC·hm–2)，其次是宁夏为 2.54 tC·hm–2（见图 1b）。新疆的草地面积虽然排名全国第三，约占全 国草地总面积的 13 %，但由于该区主要分布着温 性荒漠草原和温性草原化荒漠，因此其植被碳库仅 占全国草地植被碳库的 11 %。综合计算得出，我国 六大牧区（西藏、内蒙古、新疆、青海、四川、甘肃） 的植被碳库占全国草地植被碳库的 71 %。

图 1 1982—2011 年我国部分省、自治区、直辖市与香港特别行政区天然草地的平均植被碳库 (a) 和植被碳密度 (b)

我国草地分布地域广阔，自然条件复杂多样， 因此草地植被碳密度的空间分布高度异质。不同类 型的草地由于所处自然环境不同，其植被碳密度也 存在着差异。根据 1:100 万植被图资料，我国天然 草地可划分为草原、草甸、草丛和草本沼泽 4 大 类。结合不同气候、土壤或地形因子，进一步可将 我国草地划分为 12 类 [17]。利用 1982—2011 年的遥 感影像和气候数据，估算得出总生物量碳密度最大 的是寒温带 / 温带沼泽，最小的是高寒草原，分别是 1 012 gC·m–2 和 203 gC·m–2（见表 2）。但由于不 同类型草地的面积大小不同，总生物量碳库数值最 大的是高寒草甸，其次是亚热带 / 热带草丛和温性 草原，对应的总生物碳库数值分别是 267.6 TgC、 206.7 TgC 和 161.9 TgC。总生物碳库数值最小的是 温带草丛为 19 TgC。

表 2 1982—2011 年我国不同类型草地面积和生物量碳密度

三、草地土壤有机碳库及空间分布

草地生态系统的碳库主要集中在土壤层中，约 占生态系统碳库总量的 90 %，而在高寒草甸中这 一比例甚至高达 95 %[20]。全球陆地生态系统中，储 量最大的碳库是土壤圈。土壤碳库是大气碳库的 2 倍，是植被碳库的 3 倍 [21~23]。因此，可以说土壤 碳库是大气 CO2 的重要源和汇 [24]，土壤碳库的变 化在很大程度上将会改变大气 CO2 的浓度，从而影 响全球的碳平衡 [24]。

草地生态系统土壤中的碳主要以有机碳的形式 存在，而且主要集中于表层 0~20 cm 的土壤中 [25]。 土壤的呼吸作用向大气释放的 CO2 约占全球 CO2 交换量的 25 %[26]。除植被冠层的光合作用以外， 土壤呼吸作用是陆地生态系统碳收支中最大的通 量 [27]。部分专家学者对我国草地的土壤有机碳库进 行了估算，但不同估算结果之间存在一定的差异， 估算值在 16.7~41 PgC，平均值约为 30 PgC（见表 3）。

表 3 不同研究得出的我国草地土壤有机碳密度及土壤有机碳库

草地土壤碳库的空间变异主要与气候、土壤质 地等因素密切相关。我国草地生态系统土壤碳库同 样存在较大的空间变异，这主要是受降水引起的土 壤含水量不同的影响，土壤质地不同也是导致土壤 有机碳产生空间变异的重要因素。Yang 等 [8] 采集 我国北方草地 327 个样点、981 个土壤剖面的实测 数据，并对其进行了系统分析，结果表明表层 0~ 30 cm 土壤的有机碳密度介于 4.1 kgC·m–2（内蒙古 地区）与 7.2 kgC·m–2（新疆地区）之间；土壤有机碳库在不同地区间也具有明显的差异，数值最大的 是青藏高原达到 6.8 PgC，而数值最小的是内蒙古 草原，仅为 1.8 PgC。

草地生态系统土壤有机碳密度与年平均降 水量呈正相关，具有明显的垂直分布特征，表层 0~20 cm 的土壤中有机碳含量相对较高 [8]。何念鹏 等 [29] 在内蒙古温带草地的实验也得出相同的结果， 随着土层深度的增加，土壤碳密度明显降低。

四、草地退化造成的碳损失

我国草地植物资源丰富，但由于气候变化再加 上近些年来超载过牧、乱挖滥采等人类活动破坏， 致使草地生态系统发生大面积受损，草地退化、沙 化和盐碱化的问题十分突出[30]。草地一旦发生退化、 沙化和盐碱化，不仅会造成草地植被的覆盖率下降， 加速草地生态系统土壤中碳的释放，增加大气 CO2 浓度，还会降低草地生态系统的固碳能力，减弱草 地的碳汇作用（见表 4）。有研究表明，高寒草地 重度退化草地的碳含量与原生植被封育处理草地相 比，表层（0~20 cm 土层）土壤有机碳的损失量为 3.80 kgC·m–2，流失 50.9 %；此外，通过草地植物 组织流失的碳含量达到 2.65 kgC·m–2，损失量为 86.5 %[31]。在四川次生亚高山草甸以及青海高山草 甸的研究都发现退化导致土壤有机碳大量流失，且 随着退化程度的加重，流失量也有不同程度的增 加。例如，轻度、中度、重度和严重退化草地的土 壤有机碳分别比未退化的草地减少了 27 %、49 %、 55 % 和 56 %[32~34]。赵哈林等 [35] 在科尔沁沙地的研 究表明，与非荒漠化草地相比，轻度、中度、重度 和严重沙化草地的生物量碳密度依次下降 26.5 %、 53.5 %、79.5 % 和 90.3 %；土壤有机碳密度 （0~100 cm 土层）分别下降了 56.1 %、78.4 %、89 % 和 91.6 %。

表 4 草地退化、沙化、盐碱化造成的碳损失

五、草地管理措施有利于草地碳的积累

人类采取草地管理措施，将从植被地上生物量和土壤质量两方面改变草地生态系统碳库的积累。 人工种草、退耕还草和草场围栏封育是目前采取的 3 种基本的草地管理措施，也是当前提高草地生态 系统碳储量，实现草地生态系统增汇的最经济、最 具操作性的途径之一 [10, 40, 41]。草地补播、围栏封育 和禁牧休牧减少了牲畜对土壤的践踏和人类活动的 干扰，草地的土壤肥力得以恢复，植被地上生物量 也得到了一定的提高 [42, 43]，从而有利于各种草地类 型的碳积累。但是，各种草地管理措施的影响过程 和影响程度各不相同（见表 5）。何念鹏等 [29] 基于 4 个封育长达 21~30 年的草地与自由放牧草地的对 比研究，发现围栏封育草地碳储量显著高于相对应 的自由放牧草地。随着围栏封育年限的增加，土壤 有机碳密度不断增大，草地生态系统的碳汇功能也 显著增强。

表 5 不同草地类型在各种管理措施下土壤有机碳的增加量

六、总结

通过综述当前我国草地碳库的研究成果，结合 1:100 万植被图和遥感影像，估算我国草地植被碳 储量约为 1.18 PgC，草地土壤碳库约为 30 PgC，即 草地生态系统 96 % 的碳储存于土壤中。据统计， 我国约有 90 % 的天然草地发生了不同程度的退化， 其中，中度和重度退化草地的面积达 2.3×109 亩 （1 亩≈ 666.67 m2 ），内蒙古、西藏、新疆、青海、四 川和甘肃等主要牧区退化草地比例甚至高达 80 %~ 97 %[44]。所谓退化草地的固碳潜力，就是退化草地 恢复到退化前水平时所能固定的有机碳总量。禁牧、 休牧等国家出台的草原保护制度和围栏封育等草地 管理措施能够有效改善和恢复草地的固碳能力。近 年来国家实施的草原重大生态建设工程对草地生态系统碳库的恢复具有明显的作用 [46]，可以预见我国 草地生态系统的碳储量将会逐渐增加，形成一个重 要的碳汇。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Schindler D W. Carbon cycling: The mysterious missing sink [J]. Nature, 1999, 398 (6723): 105–107.
[2]

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Climate change 2001: the third assessment report of the IPCC [R]. New York: New York Cambridge University Press, 2002.
[3]

方精云, 刘国华, 徐嵩龄. 中国陆地生态系统的碳库 [M]. 温室气体浓度和排放监测及相关过程. 北京: 中国环境科学出版社, 1996.
[4]

Watson R T. Land use, Land-use Change, and Forestry: A Special Report of the IPCC [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2000.
[5]

钟华平, 樊江文, 于贵瑞, 草地生态系统碳循环研究进展 [J]. 草地学报, 2005, 13 (S1): 67–73.
[6]

Scurlock J M O, Hall D O. The global carbon sink: A grassland perspective [J]. Global Change Biology, 1998, 4 (2): 229–233.
[7]

Scurlock J M O, Johnson K, Olson R J. Estimating net primary productivity from grassland biomass dynamics measurements [J]. Global Change Biology, 2002, 8 (8): 736–753.
[8]

Yang Y H, Fang J Y, Ma W H, et al. Soil carbon stock and its changes in northern China’s grasslands from 1980s to 2000s [J]. Global Change Biology, 2010, 16 (11): 3036–3047.
[9]

Yang Y H, Fang J Y, Tang Y H, et al. Storage, patterns and controls of soil organic carbon in the Tibetan grasslands [J]. Global Change Biology, 2008, 14 (7): 1592–1599.
[10]

Fang J Y, Yang Y H, Ma W H, et al. Ecosystem carbon stocks and their changes in China’s grasslands [J]. Science China-Life Sciences, 2010, 53 (7): 757–765.
[11]

Fan J W, Zhong H P, Harris W, et al. Carbon storage in the grasslands of China based on field measurements of above- and below-ground biomass [J]. Climatic Change, 2008, 86 (3–4): 375–396.
[12]

Fang J Y, Guo Z D, Piao S L, et al. Terrestrial vegetation carbon sinks in China, 1981—2000 [J]. Science in China Series D-Earth Sciences, 2007, 50 (9): 1341–1350.
[13]

Ni J. Carbon storage in grasslands of China [J]. Journal of Arid Environments, 2002, 50 (2): 205–218.
[14]

Piao S L, Fang J Y, Zhou L M, et al. Changes in biomass carbon stocks in China’s grasslands between 1982 and 1999 [J]. Global Biogeochemical Cycles, 2007, 21(2): 1–10.
[15]

马文红, 方精云, 杨元合, 中国北方草地生物量动态及其与气候因子的关系 [J]. 中国科学: 生命科学, 2010, 40 (7): 632–641.
[16]

朴世龙, 方精云, 贺金生, 中国草地植被生物量及其空间分布格局 [J]. 植物生态学报, 2004, 28 (4): 491–498.
[17]

沈海花, 朱言坤, 赵霞, 中国草地资源的现状分析 [J]. 科学通报, 2015, doi: 10.1360/N972015-00732. Shen H H, Zhu Y K, Zhao X, et al. Analysis of current grassland resources in China [J].
[18]

Li K R, Wang S Q, Cao M K. Vegetation and soil carbon storage in China [J]. Science in China (Series D), 2004, 47(1): 49–57.
[19]

方精云, 杨元合, 马文红, 中国草地生态系统碳库及其变化 [J]. 中国科学: 生命科学, 2010, 40 (7): 566–576.
[20]

钟华平, 樊江文, 于贵瑞, 草地生态系统碳蓄积的研究进展 [J]. 草业科学, 2005, 22 (1): 4–11.
[21]

Kimble L R J, Stewart B. World Soils as a Source or Sink for Radiatively-active Gases. Soils and Global Change [M]. In Lal R, Kimble J and Levin E, eds. Florida: CRC Press, 1995: 1–8.
[22]

Schlesinger W H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon-storage potential of soils [J]. Nature, 1990, 348(6298): 232–234.
[23]

Schlesinger W H. An Overview of the C Cycle. Soils and Global Change [M]. In Lai R, Kimble J and Levin E, eds. Florida: CRC Press, 1995.
[24]

Trumbore S E, Chadwick O A, Amundson R. Rapid exchange between soil carbon and atmospheric carbon dioxide driven by temperature change [J]. Science, 1996, 272(5260): 393–396.
[25]

林慧龙, 王军, 徐震, 草地农业生态系统中的碳循环研究动态 [J]. 草业科学, 2005, 22 (4): 59–62.
[26]

Bouwman A F, Germon J C. Special issue-soils and climate change-introduction [J]. Biology and Fertility of Soils, 1998, 27(3): 219–219.
[27]

Raich J W, Schlesinger W H. The global carbon-dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate [J]. Tellus Series B-Chemical and Physical Meteorology, 1992, 44 (2): 81–99.
[28]

Xie Z B, Zhu J G, Liu G, et al. Soil organic carbon stocks in China and changes from 1980s to 2000s [J]. Global Change Biology, 2007, 13(9): 1989–2007.
[29]

何念鹏, 韩兴国, 于贵瑞. 长期封育对不同类型草地碳贮量及其固持速率的影响 [J]. 生态学报, 2011, 31 (15): 4270–4276.
[30]

刘佳, 刘靖敏, 周建华. 碳汇与我国草地治理 [J]. 安徽农业科学, 079中国工程科学 2016 年 第 18 卷 第 1 期2011, 39 (10): 6050–6052.
[31]

王文颖, 王启基, 王刚. 高寒草甸土地退化及恢复重建对土壤碳氮含量的影响 [J]. 生态环境, 2006, 15 (2): 362–366.
[32]

邱丹. 青南地区“黑土滩”退化草地植被演替规律的研究 [J]. 中国农学通报, 2005, 21 (9): 284–285,293.
[33]

王长庭, 龙瑞军, 王启兰, 三江源区高寒草甸不同退化演替阶段土壤有机碳和微生物量碳的变化 [J]. 应用与环境生物学报, 2008, 14 (2): 225–230.
[34]

周万海, 冯瑞章, 满元荣. 黄河源区不同退化程度高寒草地土壤特征研究 [J]. 草原与草坪, 2008, 129 (4): 24–28.
[35]

赵哈林, 李玉强, 周瑞莲. 沙漠化对科尔沁沙质草地生态系统碳氮储量的影响 [J]. 应用生态学报, 2007, 18 (11): 2412–2417.
[36]

Li Y Q, Zhao H L, Zhao X Y, et al. Biomass energy, carbon and nitrogen stores in different habitats along a desertification gradient in the semiarid Horqin sandy land [J]. Arid Land Research and Management, 2006, 20 (1): 43–60.
[37]

Duan Z H, Xiao H L, Dong Z B, et al. Estimate of total CO2 output from desertified sandy land in China [J]. Atmospheric Environment, 2001, 35 (34): 5915–5921.
[38]

韩维峥, 汤洁, 李昭阳, 吉林西部草地生态系统不同退化演替阶段表层土壤有机碳变化 [J]. 科技导报 , 2011, 29 (13): 40–43.
[39]

Pan C C, Zhao H L, Zhao X Y, et al. Biophysical properties as determinants for soil organic carbon and total nitrogen in grassland salinization [J]. PloS ONE, 2013, 8 (1): e54827.
[40]

Steffens M, Kölbl A, Giese M, et al. Spatial variability of topsoils and vegetation in a grazed steppe ecosystem in Inner Mongolia (PR China) [J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2009, 172(1): 78–90.
[41]

He N P, Zhang Y H, Yu Q, et al. Grazing intensity impacts soil carbon and nitrogen storage of continental steppe [J]. Ecosphere, 2011, 2 (1): art8.
[42]

康慕谊, 刘肖骢, 董世魁, 内蒙古扎鲁特旗土地利用方式及强度对草原群落的影响 [J]. 地球科学进展, 2002, 17 (2): 229–234.
[43]

都耀庭, 张东杰. 禁牧封育措施改良高寒地区退化草地的效果 [J]. 草业科学, 2007, 24 (7): 22–24.
[44]

韩俊 . 中国草原生态问题调查 [M]. 上海 : 上海远东出版社 , 2011.
[45]

石锋, 李玉娥, 高清竹, 管理措施对我国草地土壤有机碳的影响 [J]. 草业科学, 2009, 26 (3): 9–15.
[46]

高亚琴. 黄土高原农田退耕还草对土壤碳、氮库及CO2、N2O排放通量的影响 [D]. 兰州：甘肃农业大学硕士学位论文 , 2009.

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