我国草地的固碳功能

高树琴，赵霞，方精云

（植被与环境变化国家重点实验室，中国科学院植物研究所，北京100093）

我国草地的固碳功能

高树琴，赵霞，方精云

（植被与环境变化国家重点实验室，中国科学院植物研究所，北京100093）

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。

草地；植被碳储量；土壤碳储量；草地退化；固碳潜力

DOI 10.15302/J-SSCAE-2016.01.010

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]。

表1 不同研究得出的我国草地生物量密度及生物量碳库

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。

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 %。

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。

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)

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）。

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。

表2 1982—2011年我国不同类型草地面积和生物量碳密度

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

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 %。

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4 草地退化、沙化、盐碱化造成的碳损失

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 (gC·m–2·a–1)

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。

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Carbon Sequestration of Grassland in China

Gao Shuqin, Zhao Xia, Fang J ingyun
(State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China)

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.

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

S812

A

2015-12-21；

2015-12-25

高树琴，中国科学院植物研究所，博士，研究方向为植物生态学；E-mail: gaoshuqin943@ibcas.ac.cn

中国工程院重大咨询项目“中国草地生态保障与食物安全战略研究”（2012-ZD-7）

本刊网址：www.enginsci.cn