青藏高原退牧还草重大生态工程气候效应

魏达 赵慧 祁亚辉 王壮壮 陶京 牛犇 王小丹

1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；3.中国科学院大学，北京 100049

青藏高原拥有全球独一无二的高寒草地，过度放牧导致草地生态系统退化。青藏高原平均海拔约4000m 以上，境内面积约240～260 万km2。青藏高原是世界屋脊、国家生态安全屏障、水资源安全屏障、国土安全屏障和战略资源储备基地［1］。寒冷、干旱、强辐射等气候条件下形成独特的高寒草地，面积高达140 万km2，是青藏高原陆地生态系统的主体，在生物多样性保育、水土保持、碳源汇、气候调节等方面发挥着重要作用［2］。这些高寒草地是530 万牧民和5859.96万头牲畜高度赖以生存的家园［3］，但近几十年来牧场过度放牧率在27%～89%［4］.过度放牧对青藏高原等地区的可持续性构成严峻挑战，也是草地退化的重要驱动力［5］。

国家实施系列天然林草重大生态工程，退牧还草成为其典型代表。自2004年以来，国家重点部署以西藏、三江源、祁连山和横断山等为核心的生态保护与建设战略，实施了以天然草地保护与修复为代表的系列重大生态工程（图1），使超过1/3以上的国土面积得到有效保护，成为我国乃至全球单个自然地域单元实施的规模最大的生态工程之一［6］。其中，为缓解和解决草地退化问题，我国于2003年发起了退牧还草工程，试图恢复草地生态系统的生产力和多功能性。近20年间，政府为推广和建设这项生态工程在青藏高原广大地区注入了大量资金。

图1 青藏高原生态工程实施边界[7]Figure 1 Main ecological restoration projects across the Tibetan Plateau[7]

青藏高原退牧还草正面效应凸显，成为我国碳中和领域亟待解决的关键科学问题之一。退牧还草工程累计实施总面积达到25 万km2。其中，三江源区退牧还草工程实施面积达到11.19 万km2，主要集中于玉树、果洛等自治州及其周边的22 个县区。西藏自治区退牧还草工程实施面积达到8.49 万km2，主要集中于阿里、那曲、日喀则等地市及周边的42 个县区；祁连山地区退化草地恢复工程实施面积0.62 万km2，涉及甘肃和青海的21 个县区；横断山区实施退化草地恢复工程4.70 万km2，涉及四川、云南和西藏的31 个县区［8］。生态工程产生了明显的正面效应，生态系统退化态势得到了遏制，生态安全屏障功能总体稳定向好［6］。在我国碳中和的新要求下，厘清重大生态工程气候效应成为我国气候变化领域的关键科学问题之一。

1 生态工程地气交换量化方法

科学界发展了多样化的地气交换量化方法。鉴于气候变暖的全球重要性及温室气体的关键调控作用，科学界发展了多样化的地气效应测定方法。按照自上而下的测定方法划分，分为卫星观测-大气反演法、微气象法、箱法、剖面法等（图2）。（1）大气反演法大气反演法通过观测到的温室气体浓度并结合大气化学传输模型进行地面温室气体通量的间接测定［9,10］。温室气体浓度测定采用卫星和地面背景站测定。卫星观测包括我国的碳卫星（TanSat）、美国的OCO-2 和日本的GOSAT 等。大气反演法还可以使用地面温室气体浓度测定作为驱动数据，例如我国在瓦里关等地建立的大气背景站。（2）涡度相关技术：涡度相关是一种典型的微气象测定方法，由于其较高的时间分辨率和空间代表性，已被国际公认为测定生态系统与大气间温室气体交换的重要手段［11,12］。涡度技术在近几十年中得到了长足发展，在国际上形成了以FluxNet 为代表的全球观测网，在我国形成了国家尺度碳通量观测网络ChinaFlux［13］。在区域尺度也出现面向特定研究对象的观测网络，如对青藏高原多年冻土碳通量的观测形成了高寒生态系统碳通量观测网络EddyTibet［7］。（3）箱法：箱法构造简单、造价低廉且移动方便，是目前测量土壤和大气间微量气体排放通量应用最广泛的方法［14,15］。箱法分为密闭静态箱和密闭动态箱，根据箱内气体浓度随时间的变化率来计算地面温室气体通量。开放式动态箱则是通过箱入口和出口处气体浓度差异来计算待测气体的排放通量。有多种手段能够实现被测目标温室气体浓度的测定，包括碱液吸收法、气相色谱法、红外温室气体分析仪法等。近期，便携式温室气体分析仪的长足发展极大促进了箱法的推广，成为进行快速原位温室气体浓度和通量测定的重要选择之一。（4）土壤剖面法：土壤剖面法一般在不同的土壤层次埋设探头或采样测定温室气体浓度，基于菲克定律计算不同层次的温室气体排放通量：F=-Ds·∂c/∂z，其中Ds 为目标温室气体在土壤中的扩散系数，c 为目标温室气体浓度，z 为土壤深度［16,17］。土壤层中的温室气体浓度一般采用抽气法和原位法两种。抽气法预先埋设带有孔隙的采气管，原位法通常采用布设红外温室气体分析探头的方式进行。土壤剖面法重要的缺陷在于须进行管子或探头的埋设，采样过程中同样也会存在压差问题。同时，在湿地等生态系统开展土壤剖面法测定很容易造成管路漏水，土壤剖面法的局限性尤为明显。

图2 生态系统温室气体通量测定主要方法分类、适用范围及主要挑战Figure 2 Classification and challenges of greenhouse gas exchange observation approaches

各类地气交换测定方法各有特色，也有其特定的适用范围。（1）大气反演法一般适用于区域尺度、国家甚至洲际尺度的温室气体测定［18］。但大气反演法对温室气体绝对浓度的精度要求较高，解算过程中对地面驱动数据也有较高的依赖性。同时，大气反演适用于宏观尺度的温室气体分析，空间分辨率非常有限［19］。（2）涡度相关技术作为目前最为蓬勃发展的温室气体观测技术，适合于景观尺度的温室气体通量测定［20］。除了涡度自身对下垫面等要求较为苛刻及数据处理过程繁琐外，涡度相关技术不能区分生态系统呼吸的组分，也不能直接测定光合作用［21］。涡度相关技术难以捕获水平温室气体迁移，对河流等水体碳流失、粮食、林木产品等碳损失过程难以具体量化。（3）箱法是群落尺度的观测方案，一般能够对几十至几百平方厘米的植物群落温室气体收支进行测定，红外温室气体分析仪的发展带动了箱法的便携化［22］。然而，箱法通常会对地面空气流动产生干扰。静态箱通常采用暗箱，其遮光效应可能对光合过程及CH4传输过程产生抑制，从而造成测定偏差。部分研究采用透明箱，但透明箱可能在测定过程中带来严重的升温效应，同样能够造成系统性偏差。同时，箱法1平米左右的空间范围决定了它很难对森林等大型植被进行测定，在草地或湿地等植被的测定也具有比较强的空间异质性［23］。（4）土壤剖面法也仅能对小范围的土壤碳排放进行测定，很难涵盖整个生态系统的温室气体排放。同时，剖面法可能改变土壤的物理结构，并在采样过程中带来压力差，从而给土壤碳通量测定带来不确定性［24］。综上，任何一种技术方案都有优缺，在对温室气体通量的实际测定过程中，须根据研究对象及各类方法的适用范围，选择合适的技术方案。同时，在实验方案中须进行各种方法的对比观测，相互交叉印证，可能更真实反映研究对象的温室气体收支。

2 生态工程的CO2吸收效应

青藏高原高寒草地是重要的CO2汇。通过定位监测、控制试验和模型模拟等技术手段，研究发现青藏高原32 监测点中26 个呈现净碳汇。温度敏感性分析、16 个控制实验和18 个模式的模拟表明，暖湿化对碳固定的促进超过了冻土碳释放的影响［7］。然而，由于目前大多数观测极少涉及羌塘无人区（青藏高原最大的多年冻土区），尤其对生态工程的系统性关注还相对缺乏，导致碳汇的整体强度和未来变化格局仍存在不确定性。退牧还草主要基于三种方式影响生态系统碳循环：（1）直接增加草地净初级生产力，并通过凋落物向土壤中返还更多的有机碳；（2）禁牧对根系和土壤碳的长期影响将随着前者的消耗而产生较大变化，但短期内通常有利于植物地下根系而不是地上光合组织；（3）地下根系间的相互渗透、根系分泌物和枯枝落叶的添加，促使土壤变得相对疏松多孔，影响土壤性质和土壤碳动态。

草地恢复生态工程显著提升碳汇，其碳汇效应决定于气候格局。通过整合青藏高原碳通量发现，高寒草地修复总体提升碳汇强度在40%～60%，表明高寒草地碳汇具有较强的提升潜力（图3）。青藏高原整体暖湿化，但局部地区呈现暖干化。生态恢复的碳汇效应与气候变化的总体格局密切相关，水分多寡极大影响生态恢复的碳汇效应强度。生态恢复导致的碳汇效应在水分较为充足的高寒草甸更加明显，在较干旱的高寒草原略弱。实际上，目前的草地恢复主要以自上而下的任务下达方式开展，并未根据当地的水热条件和退化状态进行科学规划。

图3 高寒草地恢复下不同高寒生态系统的碳汇效应Figure 3 Impacts of grassland restoration on carbon uptakes across various grassland types

草地恢复生态工程总体存在时序效应，长期禁牧可能与牧民争夺宝贵的牧场资源。青藏高原247个样地的调查发现，生态恢复5～8 年时碳汇效应达到“饱和点”。长期的生态恢复可能导致大量凋落物遮阴效应、氮磷营养返还缺失、土壤酸化和土壤孔隙较大等［25,26］，从而限制碳汇效应的进一步增长。更重要的是，过长的生态恢复可能导致生态工程与牧民争夺宝贵的牧场，造成长期禁牧区的草场闲置和牧草资源浪费而放牧区草场压力过大。目前，部分地区的退化草场存在长期禁牧，部分草场的重新开放时间随意性较强，缺乏重开放时间的科学评估。

3 生态工程CH4源汇效应

青藏高原高寒湿地是CH4弱源，生态恢复整体降低CH4排放。CH4是第二大温室气体，贡献了气候变暖的1/4 左右。科学界长期认为高寒湿地是重要的CH4源，通过开展连续观测研究和模型模拟，目前大多数学者定量高寒湿地为CH4弱源（0.25～1.25 Tg CH4/a）［27］。从空间格局来看，高寒湿地CH4释放呈现出随海拔升高显著降低的特点［28］：例如，较低海拔(＜4000m)的高寒湿地平均CH4排放量是较高海拔(＞4000m)的数十倍。海拔高度的变化耦合了降水、温度和有机质条件等的变化，高寒湿地CH4排放的空间格局与气候和降水格局导致的地下碳储量、植被新鲜碳输入、淹水状态和微生物活性等密切相关。通过整合青藏高原甲烷通量监测资料发现，高寒湿地禁牧样地CH4排放量较放牧样地减少了54.19%（图4）。

图4 高寒草地恢复下高寒生态系统退牧还草CH4通量效应Figure 4 Impacts of grassland restoration on CH4 exchanges across various grassland types

高寒草原CH4吸收不容忽视，生态恢复总体促进CH4吸收。与高寒湿地相反，青藏高原高寒草地是重要的CH4汇，CH4吸收量占中国草地CH4吸收总量的40%以上［29］。高寒草原和高寒草甸生长季CH4吸收速率均大于寒冷的非生长季，在生长季内降水季节分布及其年际变化调节着高寒草原CH4的吸收［30,31］。轻度和中度放牧对草地生态系统无显著影响，而重度放牧对草地CH4吸收具有较大负面影响［32,33］。在生态工程影响下，高寒草原和高原草甸禁牧样地的CH4吸收量较放牧样地分别提升了25.78%和17.88%，退牧还草对高寒草甸CH4吸收效应不同且受到放牧强度、放牧时间的影响。

4 生态工程地气间水热交换

退牧还草有助于提升土壤持水能力，放牧显著降低各生态系统土壤含水量。草地恢复对各生态系统土壤含水量的影响存在显著差异（图5）。具体而言，高寒草原、高寒草甸、高寒湿地中禁牧区土壤含水量相对放牧区分别提升了1.14%、4.21%、4.74%，退牧还草对水分的影响在草甸以及湿地高于草原。从土壤深度来看，根层（0～30 cm）土壤水分禁牧增加了3.69%，非根层（＞30 cm）增加了4.16%.无论退牧还草年限的长短，放牧区土壤水分均低于禁牧区，1～2年和3～5年的禁牧使得土壤水分分别提升4.33%和5.43%.

图5 青藏高原围栏内外土壤含水量成效参数Figure 5 Impacts of grassland restoration on soil moisture across various grassland types

退牧还草显著降低了土壤温度。禁牧对各生态系统土壤温度的影响存在显著差异，高寒草原、高寒草甸、高寒湿地土壤温度成效分别为：-0.28℃、-0.61℃、-2.27℃，退牧还草对高寒湿地的影响效果显著高于草原及草甸（图6）。从土壤层深度来看，禁牧对浅层（0～30 cm）与非根系集中层（＞30 cm）的土壤温度均有降温效应，浅层与深层土壤温度分别下降0.95℃和0.65℃，浅层制冷效应更强烈。从放牧年限上看，不同时间段的土壤温度变化存在一定差异。短期、中期、长期禁牧分别降低了0.62℃、1.09℃和1.06℃。

图6 青藏高原围栏内外土壤温度成效参数Figure 6 Impacts of grassland restoration on soil temperature across various grassland types

退牧还草生态工程建设影响水热分配。当前，关于青藏高原退牧还草下的地表能量变化的研究仍然缺乏。王壮壮等人［41］在藏北典型高寒草原和高寒湿地生态系统量化了退牧还草对局地能量变化影响效果。该研究发现了退牧还草对不同生态系统类型的影响存在显著差异。禁牧减小了高寒草原水热通量值，感热减小16.26%，潜热减小16.78%，感热、潜热通量降低程度基本一致，植被覆盖改善后吸收太阳辐射的改变可能导致到达地表的能量下降；禁牧增大了高寒湿地的水热通量值，感热增大16.07%，潜热增大49.80%，禁牧对潜热作用影响较大，存在一定物理降温效应，植被覆盖改善后的蒸发散提升可能导致更多的能量损失。

5 加强青藏高原重大生态工程环境效应的量化与提升

（1）打破部门信息和数据壁垒，整合建立碳汇聚合监测体系。加强已有生态工程碳汇系统监测和评估工作。生态工程不仅仅是退牧还草，还包括林地、沙化和水土流失治理等各类工程类型，涉及林草、生态环境和自然资源等部门。宜多部门协同，整合科研院所、高校和地方部门碳汇监测资源、兼顾非二氧化碳温室气体、关注突变式碳排放等，建立碳汇聚合实时监测体系，实现碳汇年报制度，切实认知高原区域碳汇贡献，服务青藏高原碳中和先行示范区创建。

（2）加强生态工程多尺度效应研究，量化生态工程碳水热远程贡献。生态工程能够极大改变地表下垫面，直接影响局地尺度的碳水热过程，这在地面观测中有所体现［41］。在更广域的尺度，植被覆盖的改善能够提高植被蒸散量在蒸发散中所占的比例，影响流域尺度对流过程和云的形成［42］。同时，青藏高原的存在对我国地理格局具有重要影响，生态工程对下垫面的影响可能影响我国及周边地区的水热分布［43］。然而，目前的观测和研究体系以局地尺度较多，较少有研究关注流域或区域尺度效应。实际上，生态工程的实施可能远远超出局地尺度，生态工程作为青藏高原生态安全屏障的重要组成部分，屏障功能研究值得深化。

（3）根据立地条件进行科学评判，加强生态工程空间格局优化。重大生态工程应当根据水热养分等立地条件和植被地带性等进行科学恢复，宜林则林、宜灌则灌、宜草则草。加强生态修复投入和运营成本核算，尤其水分、电力和人工等后期维护成本。同时生态恢复的空间布局还应当着眼于气候变化的过去和未来，宜评估区域未来气候变化的水热组合模式开展生态恢复布局，优先选择水热条件具备恢复潜力的地区进行投入，以最大化生态工程碳汇效应。

（4）建立生态工程恢复效应评价指标体系，优化生态工程年限。面向生态工程及其碳汇功能的可续性，加强时序效应研究。建立以生物多样性、土壤物理和化学性质、碳汇强度等综合评价指标体系，系统评估退化草地恢复程度。需综合考量生态工程可持续性，科学制定高寒草地重开放时间，还草于民，平衡高寒草地生产和生态，在保障牧民生产的前提下开展草地碳汇提升。

（5）加强重大生态工程认证方法学研究，探索生态工程碳汇交易。生态工程碳汇认证体系的建立，依赖于可测量、可报告、可核查的方法学研究。在典型林草区开展关键示范案例建设，探索基于碳汇的转移支付体系建立。成立具有独立法人性质的西藏碳汇管理机构，促进碳汇经济有序、规范化发展，逐步将开发碳汇资源统筹到生态文明发展总体布局中，并纳入到城镇发展战略、经济社会发展战略、循环经济战略和节能减排战略之中。