内蒙古草原固碳现状评估与碳汇实现路径建议

石 磊,孙海莲,王慧敏,谢 宇,刘亚红,王 洋,木 兰,张雅茹,邱 晓,*

(1.内蒙古自治区农牧业科学院/生态草业可持续发展内蒙古自治区工程研究中心,呼和浩特 010031;2.内蒙古科技大学包头师范学院,包头 014030;3.内蒙古自治区林业和草原监测规划院,呼和浩特 010020)

按照为缓解全球气候变暖而制定的《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》中的定义,碳汇是指从大气中清除二氧化碳的过程、活动或机制。狭义上碳汇是指通过植树造林、种草、种植农作物、保护湿地等,利用植物光合作用吸收大气中的二氧化碳,并将其固定在植被和土壤中,从而减少温室气体浓度的活动或机制。碳汇的形式主要有森林碳汇、草地碳汇、耕地碳汇、湿地碳汇、海洋碳汇等。草原是一个十分活跃的碳库,其增汇潜力巨大。草原碳库主要包含地上生物量、地下生物量、凋落物和土壤有机质等4部分形成的碳库,固碳形式多样,固碳稳定,因此草原是最经济而有效的生态型储碳库。近年来,国内外专家学者针对草原碳汇开展了一些研究工作,有研究结果初步测算了草地生态系统的碳储量。依据德国全球变化咨询委员会的估算,全世界陆地生态系统有机碳储量分布,草地占33%～34%,森林占39%～40%,草地仅次于森林碳储藏能力。任继周等[1]研究表明1950—2000年我国潜在草地年碳汇潜力为773.21 TgC,并估算2001—2050年我国潜在草地年碳汇潜力为901.25 TgC。樊江文通过对我国各类型草原地上、地下生物量样方实测,估算出我国草原总碳储量约为332亿吨[2]。也有研究表明,我国草地植被碳储量为31.5亿t,土壤碳储量为563.2亿t,约占全球草原碳储量的9.7%[3]。不同研究对草地生态系统碳储量的评估结果不一致,因为在评估方法、草地范围、参数选择等方面存在差异,但已有研究结果均表明在应对气候变化上,草地可以发挥重要的碳汇功能[4-9]。

草原是内蒙古的生态主体,根据2010年内蒙古草地调查数据,内蒙古天然草原面积约7 586.67 万hm2,占自治区土地面积的64.1%,占全国草原面积的20%,是我国草原面积最大的省区,也是欧亚大陆草原分布最重要的地区之一。草原是内蒙古光合作用最大的载体,是发挥固碳生态调节服务功能的主要生态系统,也是内蒙古面积最大的碳库。随着退耕还草、京津风沙源工程、草畜平衡、草原生态补奖政策等保护工程与政策的实施,草原的固碳能力持续增强,且退化草地的固碳增量更加明显。文献研究结果表明,内蒙古草原碳库总计为474 433 万t,其中土壤有机质碳库445 211 万t,占内蒙古草原碳储量的93.82%。内蒙古草原是潜力巨大的碳库[10]。因此,内蒙古开发草原碳汇生态产品价值,是建设祖国北方生态安全屏障的重要举措,是践行“绿水青山就是金山银山”的生动实践,是生态优先绿色高质量发展的内在要求。

1 内蒙古草原固碳潜力评估

草原植物由于其自身特点,在生长过程中通过光合作用,吸收二氧化碳,转化并积累有机物质,形成了地上植被生长和地下丰富的根系生长,构成了草原稳定的碳库。草原植物还有重要的土壤层,植物的生长与土壤进行着物质循环和能量交换,从而使土壤不断积累大量有机物质,构成了草原巨大的碳库。从草原碳库的形成机理上,主要从地上生物量、地下生物量和土壤有机质等三方面来评估内蒙古草原固碳潜力。

1.1 研究方法

草原生物固碳量包括地上生物量固碳和地下生物量固碳,固碳潜力采用净生态系统生产力法计算,净生态系统生产力(NEP)是定量化分析生态系统碳源/汇的重要科学指标,生态系统固碳量可以用净生态系统生产力(NEP)衡量。净生态系统生产力(NEP)广泛应用于碳循环研究中,净生态系统生产力(NEP)可由净初级生产力(NPP) 减去异氧呼吸消耗得到,公式如下:

GVC=Mco2/Mc×NEP×A

NEP=NPP-RS

式中,GVC表示草原生物固碳量,NPP为净初级生产力,RS表示土壤呼吸消耗碳量。草原NPP数据采用修正的CASA 模型运算[11,12],A为草原面积。

CASA模型是基于光能利用率原理的过程模型,已被全球1 900多个实测站点校准。CASA模型估算的植被NPP可以由植被吸收的光合有效辐射(APAR)和光能利用率(ε)两个变量来确定[11],其估算公式如下:

NPP(x,t)=APRA(x,t)×ε(x,t)

式中,APRA(x,t)表示像元x在t月份吸收的光合有效辐射(MJ/m2),ε(x,t)表示像元在t月份的实际光能利用率(g C/MJ)。

光合有效辐射(PAR)是植被进行光合作用的动力,植被吸收的光合有效辐射(APAR)取决于太阳总辐射和植被对光合有效辐射的吸收比例;光能利用率(ε)是指植被把所吸收的光合有效辐射(PAR)转化为有机碳的效率,它主要受温度和水分的影响。计算公式如下:

APRA(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

式中,SOL(x,t)表示像元x在t月份的太阳总辐射量(MJ/m2)常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射(400～700 mm)占太阳总辐射的比例;FPAR表示植被层对入射的光合有效辐射(PAR)的吸收比例,在一定范围内FPAR与NDVI、SR存在较好的线性关系。Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示温度对光能利用率的影响,Wε(x,t)表示水分条件对光能利用率的影响,εmax表示在理想状态下植被的最大光能利用率,其取值因植被类型不同有较大差别,在传统CASA模型中所使用的全球植被最大光能利用率为0.389 gC/MJ[11]。

草原土壤固碳潜力采用草原土壤有机碳含量计算,公式如下:

GSC=β×ρ×H×A

式中,GSC表示草原土壤固碳量,β表示表土有机碳含量,ρ表示土壤容重,H表示土层厚度,依据国内对草原土壤的研究一般取样到30 cm,本公式中取值30 cm。A为草原面积。土壤数据采用中国土壤数据库[13]。

1.2 数据来源

本研究使用2020年数据。NDVI数据采用的是NASA(美国国家航空航天局)网站提供的 MODIS 产品中的 MOD13Q1_V005 数据,气象数据来源中国气象科学数据共享服务网。

1.3 结果与分析

1.3.1内蒙古草原生物固碳量分析

基于净生态系统生产力法计算草原生物量固碳潜力,2020年,内蒙古草原生物固碳总量为16 919.44 万t,东部地区草原生物量固碳量高于西部地区。从不同盟(市)来看,锡林郭勒盟和呼伦贝尔市草原生物固碳量最高,分别为4 692.54 万t和4 671.86万t,占全区草原生物固碳总量的27.73%和27.61%;赤峰市、兴安盟、通辽市、鄂尔多斯市和乌兰察布市5个盟(市)草原生物固碳量为911.51～1 754.64万t,占全区草原生物固碳总量的比例为5.39%～10.37%;巴彦淖尔市、包头市、阿拉善盟、呼和浩特市、乌海市等中西部盟(市)草原生物固碳量相对较低,为5.04～379.48万t,占全区草原生物固碳总量的比例仅为0.03%～2.24%。

图1 内蒙古各盟(市)草原生物量固碳量

1.3.2内蒙古草原土壤固碳分析

基于草原土壤有机碳含量计算草原土壤固碳潜力,2020年,内蒙古草原土壤固碳总量为457 071.48万t,东部盟(市)地区草原生物量固碳量高于西部盟(市)地区。从不同盟(市)来看,锡林郭勒盟和呼伦贝尔市草原土壤固碳量最高,分别为134 841.81万t和134 246.85万t,占全区草原土壤固碳总量的29.50%和29.37%;其次兴安盟和赤峰市草原土壤固碳量相对较高,分别为44 660.83万t和33 922.86万t,分别占全区草原土壤固碳总量的9.77%和7.42%;乌兰察布市、鄂尔多斯市、通辽市、阿拉善盟、巴彦淖尔市、包头市、呼和浩特市和乌海市8个盟(市)草原土壤固碳量为27 141.92 万t～132.63 万t,占全区草原土壤固碳总量的比例为5.94%～0.03%。

图2 内蒙古各盟(市)草原土壤固碳量

1.3.3内蒙古草原固碳潜力分析

草原固碳潜力采用草原生物固碳量与草原土壤固碳量之和计算, 2020年,内蒙古草原固碳总量为473 990.92 万t,东部盟(市)地区草原固碳量高于西部盟(市)地区。从不同盟(市)来看,锡林郭勒盟和呼伦贝尔市草原固碳量最高,分别为139 534.35 万t和138 918.71 万t,占全区草原固碳总量的29.44%和29.31%;其次兴安盟和赤峰市草原固碳量相对较高,分别为46 100.33万t和35 677.51 万t,分别占全区草原固碳总量的9.73%和7.53%;乌兰察布市、鄂尔多斯市、通辽市、阿拉善盟、巴彦淖尔市、包头市、呼和浩特市和乌海市8个盟(市)草原固碳量为28 053.42～137.67 万t,占全区草原固碳总量的比例为5.92%～0.03%。

从内蒙古草原固碳量的构成来看,全区草原土壤固碳量占草原固碳总量的比例为96.43%,草原生物固碳量占草原固碳总量的比例为3.57%,草原土壤固碳在草原固碳潜力中发挥主导作用。从各盟(市)草原固碳量的构成来看,草原土壤固碳量占比为93.49%～97.08%,草原生物固碳量占比为1.51%～6.51%,草原土壤固碳贡献率较高。

图3 内蒙古各盟(市)草原总固碳量

1.4 讨论

草原在陆地生态系统碳收支平衡过程中发挥着重要的作用,有研究估算全球草地生态系统碳储量为 7.61 TgC,约占陆地生态系统碳储量的三分之一,是仅次于森林生态系统的第二大碳库[14,15]。据估算,我国草地生态系统碳储量为 44.09 Pg[16,17]。内蒙古是我国草地面积大的省区,在固碳功能发挥着举足轻重的作用。本研究评估结果,2020年内蒙古草原固碳总量为473 990.92万t,草原固碳潜力巨大,从东部到西部草原固碳总量存在差异。内蒙古地域广阔,气候、地形和土壤等自然条件差异大,草地类型多样,因此草原生物量和土壤有机碳含量存在很大差异,也是导致草原固碳量地域差异的关键因素。

草地生态系统碳储量主要包括植被碳储量和土壤有机碳储量[18]。草地生态系统碳循环的主要过程是在土壤中完成,因此,草地生态系统土壤碳储量巨大,远大于植被层蓄积的碳储量。研究表明,草地生态系统中的三分之二的碳是固定在土壤中,且以有机质的形式分布在地表土壤中[18-21]。草地生态系统通过光合作用固定大气中的CO2,储存于植物碳库和土壤碳库中,其中植物碳库约占10.6%,土壤碳库占89.4%,草地作为碳汇的功能特别明显[22,23]。已有研究表明,分析宁夏草甸草原、温性草原、草原化荒漠和荒漠草原4种天然草地生态系统的植被碳储量、土壤有机碳储量和生态系统碳储量结果发现,土壤有机碳储量分别占到了草地生态系统碳储量的 96.6%、96.8%、95.6%和 96.5%,土壤有机碳储量是宁夏典型天然草地碳储量的主体[24]。内蒙古锡林郭勒盟典型草原土壤固碳潜力约为24.84 TgC[25]。本研究从内蒙古草原固碳的构成上看,土壤固碳量占比为96.43%,生物固碳量占比为3.57%,土壤固碳潜力大,草原土壤是内蒙古草地生态系统的巨大碳库。

关于草地生态系统固碳量评估方法,基于区域尺度多数选择碳循环模型,另外也有通过野外控制试验选择采集植物、枯落物、土壤进行实测研究。目前,研究者基于碳循环模型,开展了大量生态系统固碳量的研究,表明生态系统净初级生产力(NEP:net primary productivity)表示生态系统中的固碳量,可以表征生态系统的固碳潜力[26,27]。Feng等[28]使用CASA模型,发现2000—2008年实行的退耕还林工程使得黄土高原从碳源逆转为碳汇。内蒙古草原面积大且类型丰富,自然条件复杂多样,目前没有建立起草原固碳量监测体系,实际采样调查困难,因此本研究是从区域尺度采用生态系统净初级生产力方法评估了内蒙古草原固碳现状,相对科学的估算了内蒙古草原固碳潜力,还缺乏与实测数据相结合做到更精准的计量。

2 内蒙古草原碳汇实现径路建议

草原是内蒙古的生态主体。内蒙古是祖国北方重要的生态安全屏障,承担生态功能,要发挥好草原对维护生态安全的基础性作用;内蒙古是国家重要能源和战略资源基地,加快实现绿色低碳发展,要发挥好草原应对气候变化的战略性作用;内蒙古是国家重要农畜产品生产基地,实施乡村振兴战略,要发挥好草原推进社会经济发展的长效性作用。草原是一种生态资产,是一种战略资源,也是一种经济资本,草原碳汇是兼顾生态效益、经济效益及社会效益的一种多重效益生态产品,因此,内蒙古聚焦草原碳汇生态产品价值实现具有重要意义,要加快研究与发展草原碳汇。

2.1 摸清家底,重视草原碳汇潜力

内蒙古草原资源丰富,依据本研究核算,草原碳库总计为473 990.92 万t,作为碳汇储备库潜力巨大,是天然的碳汇基地,要充分发挥内蒙古草原碳汇功能对实现碳中和目标的重要作用,要进一步及时全面准确掌握草原碳储量状况变化情况。依据内蒙古不同草原类型,建立草原碳汇调查监测体系,对草原植被、土壤碳储量开展长期定位监测和遥感监测,制定相关监测技术与方法标准体系,确保全面计量内蒙古不同类型草原资源碳储量状况及其动态变化情况,为测算草原碳汇潜力提供坚实的数据和信息基础,摸清草原碳汇家底,为开展碳汇交易奠定坚实的基础。

2.2 加强保护,增加草原碳汇资源

内蒙古地域辽阔,草原面积大,2000年以来,在国家各类草原生态保护工程与政策的实施下,不断加强草原生态保护修复,草原质量稳步提升,平均植被覆盖度提高到了44%,但仍低于全国草原综合植被覆盖度55%,内蒙古草原植被覆盖度仍然相对较低,草原质量还有较大提升空间。内蒙古草地生态系统仍较为脆弱,要继续加强草原保护,建立以草地生态修复、草原生物多样性优化、草原土壤改良、草畜平衡科学利用等为目标的草原保护工程体系,深入推进实施多年生人工草地、草种基地等扩大草地面积的建设行动,逐步通过提高草原质量和面积来增加草原碳汇资源,保障草原固碳功能长期、稳定地发挥。

2.3 创新路径,实现草原碳汇价值

草原提供了水源涵养、土壤保持、防风固沙、固碳、气候调节等生态系统服务,形成公共性生态产品,难以通过市场化的方式反映,但碳汇是可以实现交易的一类生态产品,创新思路发展草原碳汇生态产品多元化。要积极探索草原碳汇价值实现机制,健全草原碳汇政策制度,制定发展规划,构建交易平台,破解碳汇专业性强、分布分散的特点。建立草原碳汇生态补偿机制,政府购买草原碳汇;搭建碳汇减排交易市场,实现企业市场交易碳汇;构建碳汇资源融合体系,实现牧民草原碳汇收益;保障草原碳汇供需稳定性发展,拓宽草原碳汇实现渠道。

2.4 抓住重点,突出草原碳汇优势

内蒙古草原碳储量分布不均,碳储量高的地区大多是自然保护区、生态红线区,已经具有了最严格的生态保护,发展草原碳汇优势明显,加快建立草原碳汇的先行地、示范地。通过顶层设计,制定试点方案,配套地方支撑政策,成立草原碳汇研究机构,建立交易平台,在碳汇考核、碳汇计量、碳汇市场、碳汇产品等方面进行大胆探索,提供一些可复制的试点经验和有意义的示范,在内蒙古乃至全国草原碳汇功能发挥、生态产品价值实现等方面贡献力量。