石 磊,孫海蓮,王慧敏,謝 宇,劉亞紅,王 洋,木 蘭,張雅茹,邱 曉,*

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院/生態(tài)草業(yè)可持續(xù)發(fā)展內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心,呼和浩特 010031;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院,包頭 014030;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原監(jiān)測(cè)規(guī)劃院,呼和浩特 010020)

按照為緩解全球氣候變暖而制定的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》和《京都議定書》中的定義,碳匯是指從大氣中清除二氧化碳的過程、活動(dòng)或機(jī)制。狹義上碳匯是指通過植樹造林、種草、種植農(nóng)作物、保護(hù)濕地等,利用植物光合作用吸收大氣中的二氧化碳,并將其固定在植被和土壤中,從而減少溫室氣體濃度的活動(dòng)或機(jī)制。碳匯的形式主要有森林碳匯、草地碳匯、耕地碳匯、濕地碳匯、海洋碳匯等。草原是一個(gè)十分活躍的碳庫(kù),其增匯潛力巨大。草原碳庫(kù)主要包含地上生物量、地下生物量、凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)等4部分形成的碳庫(kù),固碳形式多樣,固碳穩(wěn)定,因此草原是最經(jīng)濟(jì)而有效的生態(tài)型儲(chǔ)碳庫(kù)。近年來,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)草原碳匯開展了一些研究工作,有研究結(jié)果初步測(cè)算了草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。依據(jù)德國(guó)全球變化咨詢委員會(huì)的估算,全世界陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量分布,草地占33%～34%,森林占39%～40%,草地僅次于森林碳儲(chǔ)藏能力。任繼周等[1]研究表明1950—2000年我國(guó)潛在草地年碳匯潛力為773.21 TgC,并估算2001—2050年我國(guó)潛在草地年碳匯潛力為901.25 TgC。樊江文通過對(duì)我國(guó)各類型草原地上、地下生物量樣方實(shí)測(cè),估算出我國(guó)草原總碳儲(chǔ)量約為332億噸[2]。也有研究表明,我國(guó)草地植被碳儲(chǔ)量為31.5億t,土壤碳儲(chǔ)量為563.2億t,約占全球草原碳儲(chǔ)量的9.7%[3]。不同研究對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的評(píng)估結(jié)果不一致,因?yàn)樵谠u(píng)估方法、草地范圍、參數(shù)選擇等方面存在差異,但已有研究結(jié)果均表明在應(yīng)對(duì)氣候變化上,草地可以發(fā)揮重要的碳匯功能[4-9]。

草原是內(nèi)蒙古的生態(tài)主體,根據(jù)2010年內(nèi)蒙古草地調(diào)查數(shù)據(jù),內(nèi)蒙古天然草原面積約7 586.67 萬hm2,占自治區(qū)土地面積的64.1%,占全國(guó)草原面積的20%,是我國(guó)草原面積最大的省區(qū),也是歐亞大陸草原分布最重要的地區(qū)之一。草原是內(nèi)蒙古光合作用最大的載體,是發(fā)揮固碳生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)功能的主要生態(tài)系統(tǒng),也是內(nèi)蒙古面積最大的碳庫(kù)。隨著退耕還草、京津風(fēng)沙源工程、草畜平衡、草原生態(tài)補(bǔ)獎(jiǎng)?wù)叩缺Ｗo(hù)工程與政策的實(shí)施,草原的固碳能力持續(xù)增強(qiáng),且退化草地的固碳增量更加明顯。文獻(xiàn)研究結(jié)果表明,內(nèi)蒙古草原碳庫(kù)總計(jì)為474 433 萬t,其中土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)445 211 萬t,占內(nèi)蒙古草原碳儲(chǔ)量的93.82%。內(nèi)蒙古草原是潛力巨大的碳庫(kù)[10]。因此,內(nèi)蒙古開發(fā)草原碳匯生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值,是建設(shè)祖國(guó)北方生態(tài)安全屏障的重要舉措,是踐行“綠水青山就是金山銀山”的生動(dòng)實(shí)踐,是生態(tài)優(yōu)先綠色高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求。

1 內(nèi)蒙古草原固碳潛力評(píng)估

草原植物由于其自身特點(diǎn),在生長(zhǎng)過程中通過光合作用,吸收二氧化碳,轉(zhuǎn)化并積累有機(jī)物質(zhì),形成了地上植被生長(zhǎng)和地下豐富的根系生長(zhǎng),構(gòu)成了草原穩(wěn)定的碳庫(kù)。草原植物還有重要的土壤層,植物的生長(zhǎng)與土壤進(jìn)行著物質(zhì)循環(huán)和能量交換,從而使土壤不斷積累大量有機(jī)物質(zhì),構(gòu)成了草原巨大的碳庫(kù)。從草原碳庫(kù)的形成機(jī)理上,主要從地上生物量、地下生物量和土壤有機(jī)質(zhì)等三方面來評(píng)估內(nèi)蒙古草原固碳潛力。

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,固碳潛力采用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力法計(jì)算,凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)是定量化分析生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的重要科學(xué)指標(biāo),生態(tài)系統(tǒng)固碳量可以用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)衡量。凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)廣泛應(yīng)用于碳循環(huán)研究中,凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)可由凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP) 減去異氧呼吸消耗得到,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為凈初級(jí)生產(chǎn)力,RS表示土壤呼吸消耗碳量。草原NPP數(shù)據(jù)采用修正的CASA 模型運(yùn)算[11,12],A為草原面積。

CASA模型是基于光能利用率原理的過程模型,已被全球1 900多個(gè)實(shí)測(cè)站點(diǎn)校準(zhǔn)。CASA模型估算的植被NPP可以由植被吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)兩個(gè)變量來確定[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輻射(MJ/m2),ε(x,t)表示像元在t月份的實(shí)際光能利用率(g C/MJ)。

光合有效輻射(PAR)是植被進(jìn)行光合作用的動(dòng)力,植被吸收的光合有效輻射(APAR)取決于太陽總輻射和植被對(duì)光合有效輻射的吸收比例;光能利用率(ε)是指植被把所吸收的光合有效輻射(PAR)轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率,它主要受溫度和水分的影響。計(jì)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月份的太陽總輻射量(MJ/m2)常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(400～700 mm)占太陽總輻射的比例;FPAR表示植被層對(duì)入射的光合有效輻射(PAR)的吸收比例,在一定范圍內(nèi)FPAR與NDVI、SR存在較好的線性關(guān)系。Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示溫度對(duì)光能利用率的影響,Wε(x,t)表示水分條件對(duì)光能利用率的影響,εmax表示在理想狀態(tài)下植被的最大光能利用率,其取值因植被類型不同有較大差別,在傳統(tǒng)CASA模型中所使用的全球植被最大光能利用率為0.389 gC/MJ[11]。

草原土壤固碳潛力采用草原土壤有機(jī)碳含量計(jì)算,公式如下:

GSC=β×ρ×H×A

式中,GSC表示草原土壤固碳量,β表示表土有機(jī)碳含量,ρ表示土壤容重,H表示土層厚度,依據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)草原土壤的研究一般取樣到30 cm,本公式中取值30 cm。A為草原面積。土壤數(shù)據(jù)采用中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用2020年數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)采用的是NASA(美國(guó)國(guó)家航空航天局)網(wǎng)站提供的 MODIS 產(chǎn)品中的 MOD13Q1_V005 數(shù)據(jù),氣象數(shù)據(jù)來源中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

1.3 結(jié)果與分析

1.3.1內(nèi)蒙古草原生物固碳量分析

基于凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力法計(jì)算草原生物量固碳潛力,2020年,內(nèi)蒙古草原生物固碳總量為16 919.44 萬t,東部地區(qū)草原生物量固碳量高于西部地區(qū)。從不同盟(市)來看,錫林郭勒盟和呼倫貝爾市草原生物固碳量最高,分別為4 692.54 萬t和4 671.86萬t,占全區(qū)草原生物固碳總量的27.73%和27.61%;赤峰市、興安盟、通遼市、鄂爾多斯市和烏蘭察布市5個(gè)盟(市)草原生物固碳量為911.51～1 754.64萬t,占全區(qū)草原生物固碳總量的比例為5.39%～10.37%;巴彥淖爾市、包頭市、阿拉善盟、呼和浩特市、烏海市等中西部盟(市)草原生物固碳量相對(duì)較低,為5.04～379.48萬t,占全區(qū)草原生物固碳總量的比例僅為0.03%～2.24%。

圖1 內(nèi)蒙古各盟(市)草原生物量固碳量

1.3.2內(nèi)蒙古草原土壤固碳分析

基于草原土壤有機(jī)碳含量計(jì)算草原土壤固碳潛力,2020年,內(nèi)蒙古草原土壤固碳總量為457 071.48萬t,東部盟(市)地區(qū)草原生物量固碳量高于西部盟(市)地區(qū)。從不同盟(市)來看,錫林郭勒盟和呼倫貝爾市草原土壤固碳量最高,分別為134 841.81萬t和134 246.85萬t,占全區(qū)草原土壤固碳總量的29.50%和29.37%;其次興安盟和赤峰市草原土壤固碳量相對(duì)較高,分別為44 660.83萬t和33 922.86萬t,分別占全區(qū)草原土壤固碳總量的9.77%和7.42%;烏蘭察布市、鄂爾多斯市、通遼市、阿拉善盟、巴彥淖爾市、包頭市、呼和浩特市和烏海市8個(gè)盟(市)草原土壤固碳量為27 141.92 萬t～132.63 萬t,占全區(qū)草原土壤固碳總量的比例為5.94%～0.03%。

圖2 內(nèi)蒙古各盟(市)草原土壤固碳量

1.3.3內(nèi)蒙古草原固碳潛力分析

草原固碳潛力采用草原生物固碳量與草原土壤固碳量之和計(jì)算, 2020年,內(nèi)蒙古草原固碳總量為473 990.92 萬t,東部盟(市)地區(qū)草原固碳量高于西部盟(市)地區(qū)。從不同盟(市)來看,錫林郭勒盟和呼倫貝爾市草原固碳量最高,分別為139 534.35 萬t和138 918.71 萬t,占全區(qū)草原固碳總量的29.44%和29.31%;其次興安盟和赤峰市草原固碳量相對(duì)較高,分別為46 100.33萬t和35 677.51 萬t,分別占全區(qū)草原固碳總量的9.73%和7.53%;烏蘭察布市、鄂爾多斯市、通遼市、阿拉善盟、巴彥淖爾市、包頭市、呼和浩特市和烏海市8個(gè)盟(市)草原固碳量為28 053.42～137.67 萬t,占全區(qū)草原固碳總量的比例為5.92%～0.03%。

從內(nèi)蒙古草原固碳量的構(gòu)成來看,全區(qū)草原土壤固碳量占草原固碳總量的比例為96.43%,草原生物固碳量占草原固碳總量的比例為3.57%,草原土壤固碳在草原固碳潛力中發(fā)揮主導(dǎo)作用。從各盟(市)草原固碳量的構(gòu)成來看,草原土壤固碳量占比為93.49%～97.08%,草原生物固碳量占比為1.51%～6.51%,草原土壤固碳貢獻(xiàn)率較高。

圖3 內(nèi)蒙古各盟(市)草原總固碳量

1.4 討論

草原在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡過程中發(fā)揮著重要的作用,有研究估算全球草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為 7.61 TgC,約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的三分之一,是僅次于森林生態(tài)系統(tǒng)的第二大碳庫(kù)[14,15]。據(jù)估算,我國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為 44.09 Pg[16,17]。內(nèi)蒙古是我國(guó)草地面積大的省區(qū),在固碳功能發(fā)揮著舉足輕重的作用。本研究評(píng)估結(jié)果,2020年內(nèi)蒙古草原固碳總量為473 990.92萬t,草原固碳潛力巨大,從東部到西部草原固碳總量存在差異。內(nèi)蒙古地域廣闊,氣候、地形和土壤等自然條件差異大,草地類型多樣,因此草原生物量和土壤有機(jī)碳含量存在很大差異,也是導(dǎo)致草原固碳量地域差異的關(guān)鍵因素。

草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量主要包括植被碳儲(chǔ)量和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[18]。草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要過程是在土壤中完成,因此,草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量巨大,遠(yuǎn)大于植被層蓄積的碳儲(chǔ)量。研究表明,草地生態(tài)系統(tǒng)中的三分之二的碳是固定在土壤中,且以有機(jī)質(zhì)的形式分布在地表土壤中[18-21]。草地生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用固定大氣中的CO2,儲(chǔ)存于植物碳庫(kù)和土壤碳庫(kù)中,其中植物碳庫(kù)約占10.6%,土壤碳庫(kù)占89.4%,草地作為碳匯的功能特別明顯[22,23]。已有研究表明,分析寧夏草甸草原、溫性草原、草原化荒漠和荒漠草原4種天然草地生態(tài)系統(tǒng)的植被碳儲(chǔ)量、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別占到了草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的 96.6%、96.8%、95.6%和 96.5%,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量是寧夏典型天然草地碳儲(chǔ)量的主體[24]。內(nèi)蒙古錫林郭勒盟典型草原土壤固碳潛力約為24.84 TgC[25]。本研究從內(nèi)蒙古草原固碳的構(gòu)成上看,土壤固碳量占比為96.43%,生物固碳量占比為3.57%,土壤固碳潛力大,草原土壤是內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)的巨大碳庫(kù)。

關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)固碳量評(píng)估方法,基于區(qū)域尺度多數(shù)選擇碳循環(huán)模型,另外也有通過野外控制試驗(yàn)選擇采集植物、枯落物、土壤進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。目前,研究者基于碳循環(huán)模型,開展了大量生態(tài)系統(tǒng)固碳量的研究,表明生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NEP:net primary productivity)表示生態(tài)系統(tǒng)中的固碳量,可以表征生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力[26,27]。Feng等[28]使用CASA模型,發(fā)現(xiàn)2000—2008年實(shí)行的退耕還林工程使得黃土高原從碳源逆轉(zhuǎn)為碳匯。內(nèi)蒙古草原面積大且類型豐富,自然條件復(fù)雜多樣,目前沒有建立起草原固碳量監(jiān)測(cè)體系,實(shí)際采樣調(diào)查困難,因此本研究是從區(qū)域尺度采用生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力方法評(píng)估了內(nèi)蒙古草原固碳現(xiàn)狀,相對(duì)科學(xué)的估算了內(nèi)蒙古草原固碳潛力,還缺乏與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合做到更精準(zhǔn)的計(jì)量。

2 內(nèi)蒙古草原碳匯實(shí)現(xiàn)徑路建議

草原是內(nèi)蒙古的生態(tài)主體。內(nèi)蒙古是祖國(guó)北方重要的生態(tài)安全屏障,承擔(dān)生態(tài)功能,要發(fā)揮好草原對(duì)維護(hù)生態(tài)安全的基礎(chǔ)性作用;內(nèi)蒙古是國(guó)家重要能源和戰(zhàn)略資源基地,加快實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展,要發(fā)揮好草原應(yīng)對(duì)氣候變化的戰(zhàn)略性作用;內(nèi)蒙古是國(guó)家重要農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)基地,實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,要發(fā)揮好草原推進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長(zhǎng)效性作用。草原是一種生態(tài)資產(chǎn),是一種戰(zhàn)略資源,也是一種經(jīng)濟(jì)資本,草原碳匯是兼顧生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益的一種多重效益生態(tài)產(chǎn)品,因此,內(nèi)蒙古聚焦草原碳匯生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)具有重要意義,要加快研究與發(fā)展草原碳匯。

2.1 摸清家底,重視草原碳匯潛力

內(nèi)蒙古草原資源豐富,依據(jù)本研究核算,草原碳庫(kù)總計(jì)為473 990.92 萬t,作為碳匯儲(chǔ)備庫(kù)潛力巨大,是天然的碳匯基地,要充分發(fā)揮內(nèi)蒙古草原碳匯功能對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要作用,要進(jìn)一步及時(shí)全面準(zhǔn)確掌握草原碳儲(chǔ)量狀況變化情況。依據(jù)內(nèi)蒙古不同草原類型,建立草原碳匯調(diào)查監(jiān)測(cè)體系,對(duì)草原植被、土壤碳儲(chǔ)量開展長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)和遙感監(jiān)測(cè),制定相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法標(biāo)準(zhǔn)體系,確保全面計(jì)量?jī)?nèi)蒙古不同類型草原資源碳儲(chǔ)量狀況及其動(dòng)態(tài)變化情況,為測(cè)算草原碳匯潛力提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)和信息基礎(chǔ),摸清草原碳匯家底,為開展碳匯交易奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 加強(qiáng)保護(hù),增加草原碳匯資源

內(nèi)蒙古地域遼闊,草原面積大,2000年以來,在國(guó)家各類草原生態(tài)保護(hù)工程與政策的實(shí)施下,不斷加強(qiáng)草原生態(tài)保護(hù)修復(fù),草原質(zhì)量穩(wěn)步提升,平均植被覆蓋度提高到了44%,但仍低于全國(guó)草原綜合植被覆蓋度55%,內(nèi)蒙古草原植被覆蓋度仍然相對(duì)較低,草原質(zhì)量還有較大提升空間。內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)仍較為脆弱,要繼續(xù)加強(qiáng)草原保護(hù),建立以草地生態(tài)修復(fù)、草原生物多樣性優(yōu)化、草原土壤改良、草畜平衡科學(xué)利用等為目標(biāo)的草原保護(hù)工程體系,深入推進(jìn)實(shí)施多年生人工草地、草種基地等擴(kuò)大草地面積的建設(shè)行動(dòng),逐步通過提高草原質(zhì)量和面積來增加草原碳匯資源,保障草原固碳功能長(zhǎng)期、穩(wěn)定地發(fā)揮。

2.3 創(chuàng)新路徑,實(shí)現(xiàn)草原碳匯價(jià)值

草原提供了水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙、固碳、氣候調(diào)節(jié)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),形成公共性生態(tài)產(chǎn)品,難以通過市場(chǎng)化的方式反映,但碳匯是可以實(shí)現(xiàn)交易的一類生態(tài)產(chǎn)品,創(chuàng)新思路發(fā)展草原碳匯生態(tài)產(chǎn)品多元化。要積極探索草原碳匯價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制,健全草原碳匯政策制度,制定發(fā)展規(guī)劃,構(gòu)建交易平臺(tái),破解碳匯專業(yè)性強(qiáng)、分布分散的特點(diǎn)。建立草原碳匯生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,政府購(gòu)買草原碳匯;搭建碳匯減排交易市場(chǎng),實(shí)現(xiàn)企業(yè)市場(chǎng)交易碳匯;構(gòu)建碳匯資源融合體系,實(shí)現(xiàn)牧民草原碳匯收益;保障草原碳匯供需穩(wěn)定性發(fā)展,拓寬草原碳匯實(shí)現(xiàn)渠道。

2.4 抓住重點(diǎn),突出草原碳匯優(yōu)勢(shì)

內(nèi)蒙古草原碳儲(chǔ)量分布不均,碳儲(chǔ)量高的地區(qū)大多是自然保護(hù)區(qū)、生態(tài)紅線區(qū),已經(jīng)具有了最嚴(yán)格的生態(tài)保護(hù),發(fā)展草原碳匯優(yōu)勢(shì)明顯,加快建立草原碳匯的先行地、示范地。通過頂層設(shè)計(jì),制定試點(diǎn)方案,配套地方支撐政策,成立草原碳匯研究機(jī)構(gòu),建立交易平臺(tái),在碳匯考核、碳匯計(jì)量、碳匯市場(chǎng)、碳匯產(chǎn)品等方面進(jìn)行大膽探索,提供一些可復(fù)制的試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和有意義的示范,在內(nèi)蒙古乃至全國(guó)草原碳匯功能發(fā)揮、生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)等方面貢獻(xiàn)力量。