土地利用變化對生態系統固碳服務影響研究——以內蒙古烏審旗為例

張 靖，李政海，鮑雅靜，胡志超，孫 振，周麗娜

(1.大連民族學院 環境與資源學院，遼寧大連116605;2.呼和浩特市氣象局，呼和浩特010020;3.內蒙古大學生命科學學院，呼和浩特010021)

自工業革命以來，以CO2為主的溫室氣體排放的增加，導致了全球氣候變化，氣候變暖是最明顯的特征之一［1］。碳固定作為生態系統所提供的的重要服務之一［2］，對大氣中溫室氣體變化起著重要的調節作用［3］。土地利用是影響碳循環的重要因素之一，其變化所導致的土地覆蓋變化往往伴隨著大量的碳交換［4］，已經成為僅次于化石燃料的人為碳排放源［5-6］，土地利用的變化對生態系統固碳服務的供給能力產生影響。正因如此，科學界開始重視研究土地利用變化以及不同土地利用方式下的生態系統固碳服務變化情況:如估算我國森林、草地、灌草叢和農田等陸地生態系統的碳匯［7］;分析不同土地利用方式下碳源/匯狀況及其強度［8］;建立區域土地利用碳效應綜合評估及優化調控的方法［9］;揭示經濟發展、土地利用變化與碳排放之間的動態關系［10］等。然而，土地利用變化不僅表現為土地用途轉移(如草地轉變為農田等)，且包括土地利用集約度的變化(如農業機械化水平的提高等)［11-12］。目前關于區域土地利用集約度變化與區域生態系統固碳服務之間關系的研究較少。但有研究表明，內蒙古烏審旗(相當于縣)從上世紀80年代到2010年左右沙地總體上呈現出良性發展態勢，植被恢復［13-14］，期間牲畜數量(以羊單位計)持續增加，利用方式從自由放牧轉變為人工草場和舍飼結合的畜牧業［15］，這是土地利用集約化的體現。

本文以內蒙古烏審旗為例，使用4期土地利用圖，結合實測不同土地利用類型有機碳密度，在InVEST模型支持下，揭示其1987—2012年陸地生態系統固碳服務變化，通過分析土地利用集約度變化對生態系統固碳服務大小的影響，形成一整套碳減排的土地利用政策保障體系，為制定碳增匯的土地利用模式提供科學依據。

1 數據來源和研究方法

1.1 研究區概況

烏審旗位于鄂爾多斯高原東南部，毛烏素沙地腹地。屬溫帶大陸性氣候，年均溫6.8℃，年均降水量約350 mm;主要地貌為沙地景觀，特點為“梁地、灘地、沙地”相間;土壤以梁地發育的栗鈣土，沙地發育的各類風沙土，灘地、丘間低地發育的草甸土等為主;境內分布以本氏針茅(Stipa bungeana)建群的地帶性植被，沙丘地上發育的油蒿(Artemisia ordosica)群落和油蒿 -中間錦雞兒(Caragana intermediaKuang et H.C.Fu)群落等非地帶性植被;主要的土地利用為牧業，并存在少量的種植業。

1.2 數據來源及處理

參考《第二次全國土地調查技術規程》并根據烏審旗的地域特征，劃分9類土地利用類型(見表1)。畜牧業人工草場和舍飼的增加會導致對天然草地放牧壓力的減輕，因此，通過劃分3種沙地類型(固定沙地、半固定沙地、流動沙地)以及三者之間面積的轉化，表征土地利用集約化的變化;其他的土地利用類型的變化則表征土地用途轉移。收集1987年、1997年和2007年的Landsat 5 TM，以及2012年HJ-1A CCD2等多期遙感數據，經過幾何校正、波段合成、目視解譯來獲得4期土地利用圖。

各土地利用類型有機碳密度包括植物有機碳和土壤有機碳兩部分。根據土地利用類型，2011—2012年分別設置33個調查樣地，采樣時間為7月中旬至8月下旬。采用樣方法獲得植物生物量:地上生物量、地上凋落物、地下生物量;在各樣方內分層獲得地下1 m的土樣，并使用環刀法獲得各層土壤容重。由于部分土地利用類型缺乏實測數據，這些類型的碳密度來自于相關文獻。使用EA3000元素分析儀測定不同植物樣品和土壤有機碳含量，經過數據處理后得到該旗各土地利用類型含碳量密度(見表1)。

將處理好的4期土地利用圖和各類型土地利用碳密度實測值，在InVEST 3.1.0軟件支持下，計算不同時期的陸地生態系統固碳量，在ArcGIS 10.0中通過圖層間兩兩疊加，獲得該區不同土地利用碳庫增減情況。

表1 不同土地利用類型的植被地上、植被地下和土壤有機碳含量

2 結果與分析

2.1 烏審旗生態系統固碳服務能力變化

以1987年烏審旗有機碳庫儲量為生態系統固碳服務研究的起點。過去25 a該旗有機碳庫變化如圖1:1987年有機碳庫起始值為44.23 Tg C(1Tg=1×1012g=100萬t)，到1997年固碳服務能力降低，有機碳儲量減少到最低值(43.52 Tg C)，其后固碳服務供給能力增加，到2012年有機碳庫儲量達到最大值(45.47 Tg C)，超過1987年有機碳庫起始值，有機碳庫儲量為44.61 Tg C。從各個研究時段碳源/匯變化來看:1987—1997年，有機碳儲量減少0.71 Tg C，平均年因固碳服務降低而損失有機碳儲量0.07 Tg C;1997—2007年，該旗固碳服務能力降低的趨勢得到了抑制并逐漸增強，相對于1997年末有機碳儲量增加1.7 Tg C，碳增匯量0.17 Tg·a-1;而2007—2012 年固碳服務增加的趨勢降低，碳增匯量僅為0.05 Tg·a-1。

圖1 1987—2012年烏審旗有機碳儲量變化

2.2 烏審旗土地利用變化對生態系統固碳服務的影響

以固定、半固定及流動沙地所組成的沙地景觀是烏審旗的主要的景觀類型，三者的面積之和超過烏審旗面積的80%，加之沼澤地有機碳含量較高(面積約占10%)，烏審旗碳源匯變化主要由4種土地利用類型所決定(見表2)。即烏審旗生態系統固碳服務的變化幾乎完全受到這4種土地利用變化所影響。

表2 不同年份各土地利用類型面積和有機碳儲量變化情況

1987—1997年有機碳庫減少主要受沼澤地面積減少的影響，面積減少164.8 km2，損失1.78 Tg C;相反該地區沙地植被的恢復——固定、半固定和流動沙地分布分別增加 222.5 ，283.3，-292.6 km2——并沒有抵消沼澤地損失所造成的碳損失，生態系統固碳服務能力并沒有恢復到1987年末的狀態;至研究時段1997—2012年，隨著該地區沙漠化逆轉的持續發生(流動沙地減少1 224.8 km2)，以及沼澤地面積的初步恢復(由1997年的9.35%到2012年的9.93%)，生態系統固碳服務能力逐漸恢復甚至超過1987年末，碳匯超過1.24 Tg C。

3 結論與討論

(1)在1987—2012年烏審旗陸地生態系統碳庫儲量呈增匯狀態，且呈“V”型變化。即研究時段1987—1997年是碳庫儲量減少階段，減少0.7 Tg C;研究時段1997—2012年處于碳增匯階段，相對于1987年增匯1.24 Tg C。生態系統固碳服務供給能力相對于該旗的土地利用集約度的變化結果——沙漠化逆轉——有一定的“延遲”。大致以2000年前后分為兩個時期:①上世紀80年代到90年代中后期該旗沙漠化擴展趨勢得到抑制［13］，沙漠化開始逆轉。在此轉變過程中該旗固碳服務所固定的有機碳量并沒有隨著沙地固定面積的擴大而增加，卻因沼澤地面積的減少被抵消(見表3)。②1997年以后毛烏素沙地總體上呈現出良性發展態勢，植被進一步恢復［14，18］。即1997—2012年，隨著沙地持續固定，其所貢獻的碳儲量增加，以及沼澤地面積的恢復，烏審旗有機碳儲量逐漸接近甚至超過20世紀80年代末期，生態系統固碳服務能力增加。說明區域生態環境的保護與建設是一項長期的系統工程，必須做好地區長遠規劃。

期間，社會經濟文化因素的變化:從20世紀80年代開始，該地區實施飛播造林和“三北工程”［19］;自1998年以來的生態環境綜合治理、水土保持、退耕還林還草、“禁牧”等生態恢復與生態建設工程［18］;20世紀80年代中期，青貯玉米的推廣［20］，牧戶逐漸從傳統的自由放牧轉變成人工草地(玉米)和牲畜的結合的放牧方式［21］等等，共同驅動了1987—2012年烏審旗土地利用和固碳能力的變化。

(2)烏審旗陸地生態系統存在較大的碳增匯潛力。烏審旗陸地生態系統有機碳平均含量為3.89 kg·m-2，低于全國8.01 ～10.83 kg·m-2的平均范圍［22-23］。風沙土是該旗主要的土壤類型(有機碳含量僅為2.61 ～4.29 kg·m-2)，低于一些學者估算的中國土壤有機碳含量7.23～19.10 kg·m-2［24-26］，只有沼澤地土壤中有機碳含量在這個范圍內(9.40 kg·m-2)。流動和半固定沙地的面積約占全旗的50%，若該部分植被恢復，則可為烏審旗碳庫增加6.98 Tg C。

土地利用集約化程度的進一步提高將促進“粗放型畜牧業向集約型畜牧業轉變”。牧戶通過“以地養地”的形式開墾小部分草地種植青貯玉米發展高效飼草料基地［21］，使牲畜得到充足的高質量草料供應，從而減輕大部分草地的放牧壓力。積極發展第三產業，鼓勵有經濟條件的家庭發展特色旅游業等，轉變傳統的粗放型土地利用方式為集約化土地利用可以提高土地的固碳服務功能。

沼澤地約占該旗面積的10%，是主要的土地利用類型之一，其有機碳庫含量約為烏審旗碳庫儲量的30%。然而因濕地植被生長較好，對其放牧利用強度往往大于其他區域。自1987年以來，沼澤地面積減少明顯。因此，在低濕地保護和恢復過程中，應充分發揮政府管理作用，制定相應的政策，合理引導、限制放牧強度，建立濕地合理利用機制，促進沼澤地的恢復。

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