2000-2007年內蒙古錫林郭勒盟草地土壤有機碳變化估計

付友芳，于永強，黃 耀,3

(1.南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095；2.中國科學院大氣物理研究所 大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室，北京 100029；3.中國科學院植物研究所 植被與環境變化國家重點實驗室，北京 100093)

草地是陸地生態系統的重要組成部分。全球草地面積約占陸地面積的25%，土壤碳儲量約占陸地總碳儲量的20%[1]，植被生產力約占總生產力的30%[2]，在氣候變化及全球碳循環中扮演著重要的角色[3-4]。我國草地面積約4億hm2，占世界草地面積的12.5%[5]，主要集中分布于西部和北部地區，其中北方溫帶草原約占全部草地面積的78%，是我國草地的主體[6]。由于過度放牧、不合理開墾和亂采濫挖等，我國20世紀80-90年代草地退化嚴重，80年代中期北方重點牧區退化草地面積占可利用草地面積的39.7%，到90年代中期已占該區草地總面積的50.2%，其中輕度、中度和重度退化草地面積分別占退化草地總面積的57.3%、30.5%和12.2%[7]。草地退化導致土壤有機碳下降，輕度、中度和重度退化草地土壤有機碳分別比未退化草地低(27±8)%、(49±4)%和(55±3)%；輕牧、中牧和重牧草地土壤有機碳分別比對照(無牧)降低(30±12)%、 (35±14)% 和(50±15)%[8]。近十余年來，中國政府為遏制草地退化、改善草地生態環境和提高草地生產力實施了一系列草原保護和建設工程。2006年全國累積種草保留面積達到26×106hm2，草原圍欄面積52.5×106hm2，禁牧休牧輪牧草原面積86.6×106hm2，3 000多萬頭牲畜從依賴天然草原放牧轉變為舍飼圈養[9]。良好的管理措施不僅使退化草地的植被生產力得以恢復，而且使土壤有機碳逐步增加[10-14]，從而增加對大氣CO2的吸收和固定。

錫林郭勒盟(以下簡稱錫盟)位于內蒙古中部，是我國北方重點牧區之一。自20世紀末以來，該盟采取了一系列措施(如圍欄、改良)以保護草原生態環境，促進畜牧業的可持續發展。毫無疑問，草原生態環境的改善將促進土壤有機碳的積累。近十年來，不少學者就錫盟草地管理對土壤有機碳變化的影響進行了研究，積累了豐富的站(點)觀測資料，但關于區域尺度土壤有機碳變化的研究甚少。政府間氣候變化專門委員會《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[15](簡稱《清單指南》)給出了3個層次的土壤有機碳變化估計方法(即:Tier 1、Tier 2和Tier 3)，Tier 1是根據《清單指南》提供的土壤有機碳初始密度缺省值和排放(或清除)因子缺省值進行估計；Tier 2方法與Tier 1相同，但可以根據本國觀測數據對這些缺省值進行修正；Tier 3則是利用經校準和驗證的過程模型或者高密度網絡監測數據對土壤有機碳變化進行估計。通過對大量文獻數據的集成分析估計土壤有機碳變化也是一種行之有效的方法[16-17]。本研究以錫盟各旗(縣、市)草地管理和相關試驗數據為基礎，分別采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》Tier 2[15]和基于文獻數據的轉移矩陣方法估算2000-2007年草地土壤有機碳庫變化，以期初步闡明草地管理在區域土壤碳貯量變化中的作用。

1 研究區域概況

錫林郭勒盟位于111°59′～120°00′ E，42°32′～46°41′ N，轄9旗2市1縣(圖1)，總面積20.3萬km2。全盟地勢自西南向東北傾斜，海拔高度778～1 957 m，平均在1 000 m以上，南部山地最高達1 900 m。錫盟氣候類型屬中溫帶半干旱和干旱大陸性氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，降水不均，雨熱同期。該盟地帶性土壤有灰色森林土、黑鈣土、栗鈣土、灰褐土、棕鈣土，局部地區分布有風沙土，隱域性土壤主要有草甸土、沼澤土及鹽堿土。草原類型主要包括草甸草原、典型草原和荒漠草原；植被組成主要以針茅屬(Stipa)、光芒組的貝加爾針茅(S.baicalensis)、大針茅(S.grandis)、克氏針茅(S.krylovii)及羽針組的戈壁針茅(S.gobica)、石生針茅(S.klemenzii)等旱生型禾草占優勢[18]。

圖1 錫林郭勒盟行政區劃圖

2 材料與方法

2.1數據來源 通過對中國期刊網和維普科技期刊網中文數據庫的檢索，獲得管理措施對草地土壤碳影響的文獻，并對文獻進行篩選，篩選標準如下：1)試驗點分布在錫林郭勒盟各類型草地；2)草地管理措施包括輕牧、中牧、重牧、過牧、圍欄、改良；3)試驗持續時間≥2年；4)土樣采自表層土,在試驗時段的對照措施下土壤有機碳值明確。經過篩選出的試驗點集中分布在錫盟典型草原，有關荒漠草原和農牧交錯帶的數據較少，因此另選取土壤類型、氣候條件和植被類型等相似的草地試驗點數據來替代，最終獲得可用文獻共50篇。

1999-2007年錫盟草地面積數據來自《錫林郭勒盟統計年鑒》[19](2000-2008年)。按照《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[15]的定義，“仍為草地的草地”指一直屬于草地植被和牧草利用或由其他土地類別轉化為草地超過20年的管理牧場。根據《錫林郭勒盟統計年鑒》，1999年全盟草地面積為19.71×106hm2，2007年為19.25×106hm2，因此將2007年面積視作“仍為草地的草地”。《錫林郭勒盟統計年鑒》(2000-2008年)詳細記載1999-2007年全盟不同管理措施下的草地面積，但缺乏各旗(縣、市)數據。本研究將全盟各管理措施下草地面積占總面積的比例乘以各旗草地面積，以此確定各旗(縣、市)不同管理措施下的草地面積。根據《內蒙古統計年鑒》[20](2000-2008年)中錫盟各旗(縣、市)歷年的畜牧數，結合草地面積計算載畜率，據此判斷天然草地放牧強度。不同研究者對放牧強度的定義有較大的不一致性，綜合文獻[21-27]結果，輕牧、中牧和重牧的載蓄率分別為0.5～2.0、1.1～4.0和2.4～6.7羊單位/hm2。為統一起見，本研究將輕牧、中牧和重牧的載畜率分別定義為<1.5、1.5～3.0和>3.0羊單位/hm2。

2.2研究方法 分別采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[15]方法2(即Tier 2，以下簡稱為IPCC Tier 2)和基于文獻數據的轉移矩陣方法(以下簡稱為轉移矩陣法)估算逐年不同措施下土壤有機碳變化。

2.2.1IPCC Tier 2方法 該方法與IPCC Tier 1的不同之處在于考慮了不同國家或地區的特定數據。本研究根據錫盟各旗(縣、市)草地土壤(0～30 cm)參考碳密度和管理措施估算逐年土壤碳貯量：

(1)

式中，SOCt為第t年草地碳貯量(t)，1999年為初始年(t=0)。SOCREF為不同類型草地土壤碳密度參考值(C，t/hm2)。FLU指土地利用或土地利用變化的碳庫變化因子(無量綱)，如使用方式為農田、草地或森林等不同的類型，因本研究針對“仍為草地的草地”，故取FLU=1(表1)。FIi指第i種管理投入(如補播、淺耕翻、施肥等)導致的碳庫變化因子(無量綱)，因本研究缺乏相關數據，故取中等投入的缺省值1。Ai為第i種管理措施的草地面積(hm2)。K為草地管理措施數。FMGi為第i種管理措施(如改良、圍欄等)的碳庫變化因子(無量綱)。由于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中沒有給出圍欄措施下土壤碳庫的變化因子FMG，本研究根據錫林郭勒盟不同圍欄年限土壤有機碳的測定結果，以同一試驗區自由放牧或輕牧為對照，確定圍欄措施下土壤碳庫變化因子。對10篇文獻[24,28-36]共計17組觀測數據的分析表明，圍欄措施下土壤有機碳年增長率為1.044±0.017(年均值±標準誤差)，故采用1.044作為圍欄措施下土壤碳庫的變化因子。表1為不同草地管理的土壤碳庫變化因子。

表1 不同草地管理的土壤碳庫變化因子

土壤碳密度參考值(SOCREF)用方程(2)[37]計算：

SOCREF=SOC×ρ×H×0.1

(2)

式中，SOC為土壤有機碳含量(g/kg)，ρ為土壤容重(g/cm3)，H為土層厚度(cm)，0.1為轉換系數。對于沒有容重記載的文獻數據，采用Song等[38]的回歸方程(ρ=1.377 0e-0.004 8×SOC)估算。采用Jobbágy和Jackson[1]的方法將不同土壤剖面的有機碳密度統一折算到0～30 cm。

根據《中國內蒙古土種志》[39]數據，按方程(2)估計東烏珠穆沁旗、西烏珠穆沁旗、錫林浩特市和阿巴嘎旗草地20世紀80年代有機碳密度為55 t/hm2；鑲黃旗、正鑲白旗、正藍旗、多倫縣和太仆寺旗為47 t/hm2；蘇尼特左旗、蘇尼特右旗和二連浩特市為38 t/hm2。

2.2.2轉移矩陣方法 對文獻數據[21-36,40-73]按管理措施分類，按方程(2)的方法計算土壤碳密度，在此基礎上計算同一試驗區由于管理措施改變導致的年均土壤碳密度變化，進而建立有機碳變化轉移矩陣(表2)。表2中行表示前一年管理措施，列表示當年管理措施。如：前一年為輕牧，當年有部分輕牧草地分別被轉換為改良、打草和圍欄，則有機碳密度的年變化量分別為0.38、0.16和0.37 t/(hm2·a)；若維持輕牧或由輕牧轉為中牧，有機碳密度的年變化量則分別為-0.06或-0.17 t/hm2(表2)。

根據不同年份管理措施的面積及表2有機碳變化轉移矩陣，用方程(3)估算逐年土壤有機碳貯量：

(3)

式中，SOCt為第t年草地碳貯量(t)，1999年為初始年。δi,i和δi,j分別表示管理措施不變和由管理措施i轉變為措施j的土壤有機碳年密度變化[t/(hm2·a)]，Ai,i和ΔAi,j則分別表示管理措施不變和由管理措施i轉變為措施j的面積(hm2)。k為草地管理措施數。

表2 有機碳年變化轉移矩陣 [t/(hm2·a)]

3 結果與討論

3.1基于IPCC Tier 2方法估算的土壤有機碳貯量變化 1999-2007年各旗(縣、市)草地土壤有機碳貯量估計值總體而言，均有增加(表3)，但太仆寺旗2004年比2003年減少了1.07 Tg(1 Tg=1012g)。太仆寺旗2003年無重牧面積，但2004年占52%。按IPCC Tier 2方法[式(1)，表1]，重牧對土壤有機碳影響極大，2004年太仆寺旗重牧對全盟土壤有機碳減少(表3)起了決定性作用。

表3 IPCC Tier 2方法估算的逐年各旗(縣、市)土壤有機碳貯量

1999-2007年，全盟土壤有機碳貯量共增加20.85 Tg，年均2.61 Tg，前3年增加速率高于后3年(表3)。增加量從高到低的旗(縣、市)依次為：東烏珠穆沁旗>阿巴嘎旗>蘇尼特左旗>西烏珠穆沁旗>蘇尼特右旗>錫林浩特市>正藍旗>正鑲白旗/多倫縣>二連浩特市>鑲黃旗>太仆寺旗(表3)。其中東烏珠穆沁旗、西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、阿巴嘎旗和錫林浩特市的草地面積占全盟的86%，有機碳增加量占總增加量的83%。就有機碳密度而言，二連浩特市、多倫縣和太仆寺旗增加最多(表3)。

3.2基于轉移矩陣方法估算的土壤有機碳貯量變化 采用轉移矩陣法估算的土壤有機碳貯量同樣顯示增加趨勢，2007年全盟草地土壤有機碳貯量比1999年高29.80 Tg，年均增量為3.72 Tg(表4)。各旗(縣、市)增加量從高到低依次為：東烏珠穆沁旗>蘇尼特左旗>阿巴嘎旗>蘇尼特右旗>西烏珠穆沁旗>錫林浩特市>正藍旗>正鑲白旗>鑲黃旗>二連浩特市>多倫縣>太仆寺旗(表4)。與IPCC Tier 2方法估計結果相一致，東烏珠穆沁旗、西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、阿巴嘎旗和錫林浩特市的有機碳增加量占全盟總增加量的87%。多倫縣和太仆寺旗有機碳密度增加最少，分別為0.66和0.37 t/hm2，其他旗(縣、市)為1.57～1.64 t/hm2。

3.3兩種方法估算結果的比較 將兩種方法估計的各旗(縣、市)8年有機碳增加總量進行相關分析，結果表明,雖然采用IPCC Tier 2與轉移矩陣法估算的土壤碳增加量在空間上具有很好的一致性(R2=0.92,P<0.001)，但前者比后者約低1/3(圖2)。

由式(1)可知，IPCC Tier 2的估計結果取決于參考碳密度(SOCREF)和不同管理措施下的碳庫變化因子(FMG，表1)，這些參數對估計結果的影響是乘積形式，而非加和形式。若SOCREF和FMG中的某個因子分別增加20%，則碳庫估計值將增加44%；若分別減小20%，則碳庫估計值將減少36%。因此，對于某種實施面積大的管理措施，其碳庫變化因子有微小的誤差將導致估計結果很大的不確定性。以圍欄面積為例，1999年全盟圍欄面積為238萬hm2，至2007年已達1 031萬hm2，占草地面積的54%。若采用圍欄措施碳庫變化因子的均值±標準誤差(1.044±0.017)分別計算，則全盟碳增量的下限和上限分別為14.28和27.42 Tg，上限值接近于轉移矩陣法估算的29.80 Tg。這表明當采用IPCC Tier 2方法估算草地有機碳變化時，獲得精確的土壤碳庫變化因子(表1)有助于減小估計結果的不確定性。

兩種方法估算的逐年碳增量具有明顯的差異。IPCC Tier 2估計的碳貯量前3年增加迅速，累計增加量占8年總量的70%， 其后增速減緩， 且2004年比2003年減少0.3 Tg(圖3)，減少的原因在于2004年太仆寺旗有9.9萬hm2草地屬重牧狀態，平均載畜率為4.1羊單位/hm2，按照式(1)及表1所示重牧管理碳庫變化因子，2004年太仆寺旗重牧減少有機碳1.31 Tg(表3)。

表4 轉移矩陣法估算的逐年各旗(縣、市)草地土壤碳貯量

圖2 IPCC Tier 2與轉移矩陣法估算的土壤有機碳變化的相關性

與IPCC Tier 2方法相比，轉移矩陣法考慮了逐年不同管理措施面積及其相應的有機碳變化[式(3)，表2]，因而逐年碳增量(圖3)與管理面積(圖4a)幾乎是同步變化的。前3年管理(圍欄、改良、打草)面積均值為5.74×106hm2，后5年均值為9.73×106hm2。與此相一致，有機碳變化量在前3年和后5年的均值分別為1.98和4.77 Tg/a。雖然2004年太仆寺旗有52%的重牧面積，但這主要由2003年中牧面積轉變而來。由中牧向重牧轉變導致的有機碳絕對減少量為0.35 t/hm2(表2)。按此計算，中牧向重牧轉變導致的有機碳絕對減少量為0.033 Tg/a，這并不足以影響全盟土壤有機碳變化(表4)。按圖4b的結果，圍欄+草地改良+打草面積每增加1×106hm2，土壤有機碳將增加0.66 Tg/a。

土壤有機碳變化具有連續性，用IPCC Tier 2估算的年際間跳躍式變化有悖于一般認識。從這個意義上說，轉移矩陣法估算的土壤有機碳貯量變化更具有客觀性。但必須指出的是：該方法估算的精度取決于不同管理措施下的有機碳變化量，有機碳變化量的誤差同樣導致碳貯量估計值的偏差。與IPCC Tier 2方法相比，轉移矩陣法的估算結果對有機碳變化因子的敏感性相對較低。用IPCC Tier 2方法估算，碳庫變化因子10%的誤差將導致碳貯量估計值10%的偏差；但用轉移矩陣法估算，年有機碳變化量10%的誤差僅導致碳增量估計值10%的偏差。

圖3 兩種方法估計的逐年土壤有機碳變化量

圖4 2000-2007年錫盟草地管理面積變化(a)及逐年土壤有機碳增量與草地管理面積的相關性(b)

3.4與其他研究結果的比較 國內關于草地生產力或植被碳庫變化的研究較多[74-78]，但關于區域或國家尺度草地土壤有機碳變化的研究甚少[8,75]。Piao等[76]基于土壤有機碳與歸一化植被指數(NDVI)及氣候因子的多元回歸方程，估計1982-1999年中國草地土壤有機碳庫年均增加(6.0±1.0) Tg。自20世紀末以來，錫盟在草原保護方面采取了一系列措施，圍欄面積占草地面積的比例已從1999年的12%增加到2007年的54%。草地圍欄極大促進植被生物量的增加，張連義等[79]對錫盟草地植被動態與植被恢復的監測結果表明，2003年全盟休牧區比非休牧區草原植被高度平均增加7.2 cm，蓋度增加21.9%，鮮質量增加786 kg/hm2。陳燕麗等[80]利用MODIS/NDVI數據對錫盟草原植被變化的動態監測結果表明，2000-2005年全盟植被改善面積大于退化面積，植被改善面積占全盟面積29.1%，退化面積占12.8%。草地圍欄不僅使退化草地的植被生產力得以恢復，而且使土壤有機碳逐步增加[81-84]。Pacala等[85]估算美國的土壤碳匯是植被碳匯的2/3左右，Janssens等[86]估算歐洲土壤碳匯約占生態系統總碳匯的30%。雖然本研究估計的錫盟草地土壤有機碳增加量具有較大的不確定性，但毫無疑問，該盟草原保護工程的實施對近十年土壤有機碳增加具有重要的作用。

4 結論

(1)2000-2007年，內蒙古錫林郭勒盟草地土壤有機碳增加了20.85～29.80 Tg，年均增加2.61～3.72 Tg。主要原因是草地圍欄面積大幅度增加，從1999年的2.38×106hm2增加到2007年的10.31×106hm2(占草地面積的54%)。東烏珠穆沁旗、西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、阿巴嘎旗和錫林浩特市有機碳增加量最為明顯，占全盟總量的80%以上。

(2)采用IPCC Tier 2與轉移矩陣法估算的土壤有機碳變化量在空間上具有很好的一致性，但前者的估計值比后者約低1/3。兩種方法估計的逐年有機碳變化量在時間序列上不具可比性，IPCC Tier 2估計的土壤碳貯量前3年增加迅速，累計增加量占8年總量的70%，其后增速減緩；轉移矩陣法估算的土壤碳與草地管理面積變化相一致，后5年草地管理(圍欄、改良、打草)面積均值為前3年的1.7倍，年均有機碳增量為前3年的2.4倍。

(3)IPCC Tier 2中不同管理措施下的碳庫變化因子對土壤碳貯量的估計結果極其敏感，其微小誤差將導致估計結果的很大偏差；轉移矩陣法中有機碳變化因子對估計結果的敏感性低于IPCC Tier 2。

致謝：孫文娟博士在文獻數據調研等方面提供了幫助，表示感謝。

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