2000-2007年内蒙古锡林郭勒盟草地土壤有机碳变化估计

付友芳，于永强，黄 耀,3

(1.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095；2.中国科学院大气物理研究所 大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京 100029；3.中国科学院植物研究所 植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093)

草地是陆地生态系统的重要组成部分。全球草地面积约占陆地面积的25%，土壤碳储量约占陆地总碳储量的20%[1]，植被生产力约占总生产力的30%[2]，在气候变化及全球碳循环中扮演着重要的角色[3-4]。我国草地面积约4亿hm2，占世界草地面积的12.5%[5]，主要集中分布于西部和北部地区，其中北方温带草原约占全部草地面积的78%，是我国草地的主体[6]。由于过度放牧、不合理开垦和乱采滥挖等，我国20世纪80-90年代草地退化严重，80年代中期北方重点牧区退化草地面积占可利用草地面积的39.7%，到90年代中期已占该区草地总面积的50.2%，其中轻度、中度和重度退化草地面积分别占退化草地总面积的57.3%、30.5%和12.2%[7]。草地退化导致土壤有机碳下降，轻度、中度和重度退化草地土壤有机碳分别比未退化草地低(27±8)%、(49±4)%和(55±3)%；轻牧、中牧和重牧草地土壤有机碳分别比对照(无牧)降低(30±12)%、 (35±14)% 和(50±15)%[8]。近十余年来，中国政府为遏制草地退化、改善草地生态环境和提高草地生产力实施了一系列草原保护和建设工程。2006年全国累积种草保留面积达到26×106hm2，草原围栏面积52.5×106hm2，禁牧休牧轮牧草原面积86.6×106hm2，3 000多万头牲畜从依赖天然草原放牧转变为舍饲圈养[9]。良好的管理措施不仅使退化草地的植被生产力得以恢复，而且使土壤有机碳逐步增加[10-14]，从而增加对大气CO2的吸收和固定。

锡林郭勒盟(以下简称锡盟)位于内蒙古中部，是我国北方重点牧区之一。自20世纪末以来，该盟采取了一系列措施(如围栏、改良)以保护草原生态环境，促进畜牧业的可持续发展。毫无疑问，草原生态环境的改善将促进土壤有机碳的积累。近十年来，不少学者就锡盟草地管理对土壤有机碳变化的影响进行了研究，积累了丰富的站(点)观测资料，但关于区域尺度土壤有机碳变化的研究甚少。政府间气候变化专门委员会《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[15](简称《清单指南》)给出了3个层次的土壤有机碳变化估计方法(即:Tier 1、Tier 2和Tier 3)，Tier 1是根据《清单指南》提供的土壤有机碳初始密度缺省值和排放(或清除)因子缺省值进行估计；Tier 2方法与Tier 1相同，但可以根据本国观测数据对这些缺省值进行修正；Tier 3则是利用经校准和验证的过程模型或者高密度网络监测数据对土壤有机碳变化进行估计。通过对大量文献数据的集成分析估计土壤有机碳变化也是一种行之有效的方法[16-17]。本研究以锡盟各旗(县、市)草地管理和相关试验数据为基础，分别采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》Tier 2[15]和基于文献数据的转移矩阵方法估算2000-2007年草地土壤有机碳库变化，以期初步阐明草地管理在区域土壤碳贮量变化中的作用。

1 研究区域概况

锡林郭勒盟位于111°59′～120°00′ E，42°32′～46°41′ N，辖9旗2市1县(图1)，总面积20.3万km2。全盟地势自西南向东北倾斜，海拔高度778～1 957 m，平均在1 000 m以上，南部山地最高达1 900 m。锡盟气候类型属中温带半干旱和干旱大陆性气候，冬季寒冷，夏季炎热，降水不均，雨热同期。该盟地带性土壤有灰色森林土、黑钙土、栗钙土、灰褐土、棕钙土，局部地区分布有风沙土，隐域性土壤主要有草甸土、沼泽土及盐碱土。草原类型主要包括草甸草原、典型草原和荒漠草原；植被组成主要以针茅属(Stipa)、光芒组的贝加尔针茅(S.baicalensis)、大针茅(S.grandis)、克氏针茅(S.krylovii)及羽针组的戈壁针茅(S.gobica)、石生针茅(S.klemenzii)等旱生型禾草占优势[18]。

图1 锡林郭勒盟行政区划图

2 材料与方法

2.1数据来源 通过对中国期刊网和维普科技期刊网中文数据库的检索，获得管理措施对草地土壤碳影响的文献，并对文献进行筛选，筛选标准如下：1)试验点分布在锡林郭勒盟各类型草地；2)草地管理措施包括轻牧、中牧、重牧、过牧、围栏、改良；3)试验持续时间≥2年；4)土样采自表层土,在试验时段的对照措施下土壤有机碳值明确。经过筛选出的试验点集中分布在锡盟典型草原，有关荒漠草原和农牧交错带的数据较少，因此另选取土壤类型、气候条件和植被类型等相似的草地试验点数据来替代，最终获得可用文献共50篇。

1999-2007年锡盟草地面积数据来自《锡林郭勒盟统计年鉴》[19](2000-2008年)。按照《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[15]的定义，“仍为草地的草地”指一直属于草地植被和牧草利用或由其他土地类别转化为草地超过20年的管理牧场。根据《锡林郭勒盟统计年鉴》，1999年全盟草地面积为19.71×106hm2，2007年为19.25×106hm2，因此将2007年面积视作“仍为草地的草地”。《锡林郭勒盟统计年鉴》(2000-2008年)详细记载1999-2007年全盟不同管理措施下的草地面积，但缺乏各旗(县、市)数据。本研究将全盟各管理措施下草地面积占总面积的比例乘以各旗草地面积，以此确定各旗(县、市)不同管理措施下的草地面积。根据《内蒙古统计年鉴》[20](2000-2008年)中锡盟各旗(县、市)历年的畜牧数，结合草地面积计算载畜率，据此判断天然草地放牧强度。不同研究者对放牧强度的定义有较大的不一致性，综合文献[21-27]结果，轻牧、中牧和重牧的载蓄率分别为0.5～2.0、1.1～4.0和2.4～6.7羊单位/hm2。为统一起见，本研究将轻牧、中牧和重牧的载畜率分别定义为<1.5、1.5～3.0和>3.0羊单位/hm2。

2.2研究方法 分别采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》[15]方法2(即Tier 2，以下简称为IPCC Tier 2)和基于文献数据的转移矩阵方法(以下简称为转移矩阵法)估算逐年不同措施下土壤有机碳变化。

2.2.1IPCC Tier 2方法 该方法与IPCC Tier 1的不同之处在于考虑了不同国家或地区的特定数据。本研究根据锡盟各旗(县、市)草地土壤(0～30 cm)参考碳密度和管理措施估算逐年土壤碳贮量：

(1)

式中，SOCt为第t年草地碳贮量(t)，1999年为初始年(t=0)。SOCREF为不同类型草地土壤碳密度参考值(C，t/hm2)。FLU指土地利用或土地利用变化的碳库变化因子(无量纲)，如使用方式为农田、草地或森林等不同的类型，因本研究针对“仍为草地的草地”，故取FLU=1(表1)。FIi指第i种管理投入(如补播、浅耕翻、施肥等)导致的碳库变化因子(无量纲)，因本研究缺乏相关数据，故取中等投入的缺省值1。Ai为第i种管理措施的草地面积(hm2)。K为草地管理措施数。FMGi为第i种管理措施(如改良、围栏等)的碳库变化因子(无量纲)。由于《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中没有给出围栏措施下土壤碳库的变化因子FMG，本研究根据锡林郭勒盟不同围栏年限土壤有机碳的测定结果，以同一试验区自由放牧或轻牧为对照，确定围栏措施下土壤碳库变化因子。对10篇文献[24,28-36]共计17组观测数据的分析表明，围栏措施下土壤有机碳年增长率为1.044±0.017(年均值±标准误差)，故采用1.044作为围栏措施下土壤碳库的变化因子。表1为不同草地管理的土壤碳库变化因子。

表1 不同草地管理的土壤碳库变化因子

土壤碳密度参考值(SOCREF)用方程(2)[37]计算：

SOCREF=SOC×ρ×H×0.1

(2)

式中，SOC为土壤有机碳含量(g/kg)，ρ为土壤容重(g/cm3)，H为土层厚度(cm)，0.1为转换系数。对于没有容重记载的文献数据，采用Song等[38]的回归方程(ρ=1.377 0e-0.004 8×SOC)估算。采用Jobbágy和Jackson[1]的方法将不同土壤剖面的有机碳密度统一折算到0～30 cm。

根据《中国内蒙古土种志》[39]数据，按方程(2)估计东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、锡林浩特市和阿巴嘎旗草地20世纪80年代有机碳密度为55 t/hm2；镶黄旗、正镶白旗、正蓝旗、多伦县和太仆寺旗为47 t/hm2；苏尼特左旗、苏尼特右旗和二连浩特市为38 t/hm2。

2.2.2转移矩阵方法 对文献数据[21-36,40-73]按管理措施分类，按方程(2)的方法计算土壤碳密度，在此基础上计算同一试验区由于管理措施改变导致的年均土壤碳密度变化，进而建立有机碳变化转移矩阵(表2)。表2中行表示前一年管理措施，列表示当年管理措施。如：前一年为轻牧，当年有部分轻牧草地分别被转换为改良、打草和围栏，则有机碳密度的年变化量分别为0.38、0.16和0.37 t/(hm2·a)；若维持轻牧或由轻牧转为中牧，有机碳密度的年变化量则分别为-0.06或-0.17 t/hm2(表2)。

根据不同年份管理措施的面积及表2有机碳变化转移矩阵，用方程(3)估算逐年土壤有机碳贮量：

(3)

式中，SOCt为第t年草地碳贮量(t)，1999年为初始年。δi,i和δi,j分别表示管理措施不变和由管理措施i转变为措施j的土壤有机碳年密度变化[t/(hm2·a)]，Ai,i和ΔAi,j则分别表示管理措施不变和由管理措施i转变为措施j的面积(hm2)。k为草地管理措施数。

表2 有机碳年变化转移矩阵 [t/(hm2·a)]

3 结果与讨论

3.1基于IPCC Tier 2方法估算的土壤有机碳贮量变化 1999-2007年各旗(县、市)草地土壤有机碳贮量估计值总体而言，均有增加(表3)，但太仆寺旗2004年比2003年减少了1.07 Tg(1 Tg=1012g)。太仆寺旗2003年无重牧面积，但2004年占52%。按IPCC Tier 2方法[式(1)，表1]，重牧对土壤有机碳影响极大，2004年太仆寺旗重牧对全盟土壤有机碳减少(表3)起了决定性作用。

表3 IPCC Tier 2方法估算的逐年各旗(县、市)土壤有机碳贮量

1999-2007年，全盟土壤有机碳贮量共增加20.85 Tg，年均2.61 Tg，前3年增加速率高于后3年(表3)。增加量从高到低的旗(县、市)依次为：东乌珠穆沁旗>阿巴嘎旗>苏尼特左旗>西乌珠穆沁旗>苏尼特右旗>锡林浩特市>正蓝旗>正镶白旗/多伦县>二连浩特市>镶黄旗>太仆寺旗(表3)。其中东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、阿巴嘎旗和锡林浩特市的草地面积占全盟的86%，有机碳增加量占总增加量的83%。就有机碳密度而言，二连浩特市、多伦县和太仆寺旗增加最多(表3)。

3.2基于转移矩阵方法估算的土壤有机碳贮量变化 采用转移矩阵法估算的土壤有机碳贮量同样显示增加趋势，2007年全盟草地土壤有机碳贮量比1999年高29.80 Tg，年均增量为3.72 Tg(表4)。各旗(县、市)增加量从高到低依次为：东乌珠穆沁旗>苏尼特左旗>阿巴嘎旗>苏尼特右旗>西乌珠穆沁旗>锡林浩特市>正蓝旗>正镶白旗>镶黄旗>二连浩特市>多伦县>太仆寺旗(表4)。与IPCC Tier 2方法估计结果相一致，东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、阿巴嘎旗和锡林浩特市的有机碳增加量占全盟总增加量的87%。多伦县和太仆寺旗有机碳密度增加最少，分别为0.66和0.37 t/hm2，其他旗(县、市)为1.57～1.64 t/hm2。

3.3两种方法估算结果的比较 将两种方法估计的各旗(县、市)8年有机碳增加总量进行相关分析，结果表明,虽然采用IPCC Tier 2与转移矩阵法估算的土壤碳增加量在空间上具有很好的一致性(R2=0.92,P<0.001)，但前者比后者约低1/3(图2)。

由式(1)可知，IPCC Tier 2的估计结果取决于参考碳密度(SOCREF)和不同管理措施下的碳库变化因子(FMG，表1)，这些参数对估计结果的影响是乘积形式，而非加和形式。若SOCREF和FMG中的某个因子分别增加20%，则碳库估计值将增加44%；若分别减小20%，则碳库估计值将减少36%。因此，对于某种实施面积大的管理措施，其碳库变化因子有微小的误差将导致估计结果很大的不确定性。以围栏面积为例，1999年全盟围栏面积为238万hm2，至2007年已达1 031万hm2，占草地面积的54%。若采用围栏措施碳库变化因子的均值±标准误差(1.044±0.017)分别计算，则全盟碳增量的下限和上限分别为14.28和27.42 Tg，上限值接近于转移矩阵法估算的29.80 Tg。这表明当采用IPCC Tier 2方法估算草地有机碳变化时，获得精确的土壤碳库变化因子(表1)有助于减小估计结果的不确定性。

两种方法估算的逐年碳增量具有明显的差异。IPCC Tier 2估计的碳贮量前3年增加迅速，累计增加量占8年总量的70%， 其后增速减缓， 且2004年比2003年减少0.3 Tg(图3)，减少的原因在于2004年太仆寺旗有9.9万hm2草地属重牧状态，平均载畜率为4.1羊单位/hm2，按照式(1)及表1所示重牧管理碳库变化因子，2004年太仆寺旗重牧减少有机碳1.31 Tg(表3)。

表4 转移矩阵法估算的逐年各旗(县、市)草地土壤碳贮量

图2 IPCC Tier 2与转移矩阵法估算的土壤有机碳变化的相关性

与IPCC Tier 2方法相比，转移矩阵法考虑了逐年不同管理措施面积及其相应的有机碳变化[式(3)，表2]，因而逐年碳增量(图3)与管理面积(图4a)几乎是同步变化的。前3年管理(围栏、改良、打草)面积均值为5.74×106hm2，后5年均值为9.73×106hm2。与此相一致，有机碳变化量在前3年和后5年的均值分别为1.98和4.77 Tg/a。虽然2004年太仆寺旗有52%的重牧面积，但这主要由2003年中牧面积转变而来。由中牧向重牧转变导致的有机碳绝对减少量为0.35 t/hm2(表2)。按此计算，中牧向重牧转变导致的有机碳绝对减少量为0.033 Tg/a，这并不足以影响全盟土壤有机碳变化(表4)。按图4b的结果，围栏+草地改良+打草面积每增加1×106hm2，土壤有机碳将增加0.66 Tg/a。

土壤有机碳变化具有连续性，用IPCC Tier 2估算的年际间跳跃式变化有悖于一般认识。从这个意义上说，转移矩阵法估算的土壤有机碳贮量变化更具有客观性。但必须指出的是：该方法估算的精度取决于不同管理措施下的有机碳变化量，有机碳变化量的误差同样导致碳贮量估计值的偏差。与IPCC Tier 2方法相比，转移矩阵法的估算结果对有机碳变化因子的敏感性相对较低。用IPCC Tier 2方法估算，碳库变化因子10%的误差将导致碳贮量估计值10%的偏差；但用转移矩阵法估算，年有机碳变化量10%的误差仅导致碳增量估计值10%的偏差。

图3 两种方法估计的逐年土壤有机碳变化量

图4 2000-2007年锡盟草地管理面积变化(a)及逐年土壤有机碳增量与草地管理面积的相关性(b)

3.4与其他研究结果的比较 国内关于草地生产力或植被碳库变化的研究较多[74-78]，但关于区域或国家尺度草地土壤有机碳变化的研究甚少[8,75]。Piao等[76]基于土壤有机碳与归一化植被指数(NDVI)及气候因子的多元回归方程，估计1982-1999年中国草地土壤有机碳库年均增加(6.0±1.0) Tg。自20世纪末以来，锡盟在草原保护方面采取了一系列措施，围栏面积占草地面积的比例已从1999年的12%增加到2007年的54%。草地围栏极大促进植被生物量的增加，张连义等[79]对锡盟草地植被动态与植被恢复的监测结果表明，2003年全盟休牧区比非休牧区草原植被高度平均增加7.2 cm，盖度增加21.9%，鲜质量增加786 kg/hm2。陈燕丽等[80]利用MODIS/NDVI数据对锡盟草原植被变化的动态监测结果表明，2000-2005年全盟植被改善面积大于退化面积，植被改善面积占全盟面积29.1%，退化面积占12.8%。草地围栏不仅使退化草地的植被生产力得以恢复，而且使土壤有机碳逐步增加[81-84]。Pacala等[85]估算美国的土壤碳汇是植被碳汇的2/3左右，Janssens等[86]估算欧洲土壤碳汇约占生态系统总碳汇的30%。虽然本研究估计的锡盟草地土壤有机碳增加量具有较大的不确定性，但毫无疑问，该盟草原保护工程的实施对近十年土壤有机碳增加具有重要的作用。

4 结论

(1)2000-2007年，内蒙古锡林郭勒盟草地土壤有机碳增加了20.85～29.80 Tg，年均增加2.61～3.72 Tg。主要原因是草地围栏面积大幅度增加，从1999年的2.38×106hm2增加到2007年的10.31×106hm2(占草地面积的54%)。东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、阿巴嘎旗和锡林浩特市有机碳增加量最为明显，占全盟总量的80%以上。

(2)采用IPCC Tier 2与转移矩阵法估算的土壤有机碳变化量在空间上具有很好的一致性，但前者的估计值比后者约低1/3。两种方法估计的逐年有机碳变化量在时间序列上不具可比性，IPCC Tier 2估计的土壤碳贮量前3年增加迅速，累计增加量占8年总量的70%，其后增速减缓；转移矩阵法估算的土壤碳与草地管理面积变化相一致，后5年草地管理(围栏、改良、打草)面积均值为前3年的1.7倍，年均有机碳增量为前3年的2.4倍。

(3)IPCC Tier 2中不同管理措施下的碳库变化因子对土壤碳贮量的估计结果极其敏感，其微小误差将导致估计结果的很大偏差；转移矩阵法中有机碳变化因子对估计结果的敏感性低于IPCC Tier 2。

致谢：孙文娟博士在文献数据调研等方面提供了帮助，表示感谢。

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