1990-2015年中國草原和荒漠草原的時空變化及其對溫室氣體的封存潛力

李 楠，崔耀平，張帥帥，劉素潔，付一鳴

（中原經(jīng)濟(jì)區(qū)“三化”協(xié)調(diào)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 / 河南大學(xué)黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點實驗室，河南 開封 475004）

草地生態(tài)系統(tǒng)是地球上分布面積較廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，碳儲量占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的1/3，是一個巨大的碳庫[1]，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中占據(jù)著重要地位[2-3]。中國草地主要分布在東北平原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原、青藏高原和新疆地區(qū)[4-8]。其中天然草地總面積約為394.93萬 km2，約占國土面積的40%[9]。研究中國草地的變化，并量化其封存的溫室氣體(GHG)潛量對評估我國草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量和氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)均有重要的價值。

在全球氣候變化大背景下，F(xiàn)an等[10]利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和實測生物量數(shù)據(jù)估算的中國草地生物量碳庫為 3.32 Pg，與 Ni[11]的估算結(jié)果 3.06 Pg 差距較大，也遠(yuǎn)大于Piao等[12]的結(jié)果(1.11 Pg)。在中國草地總碳儲量(包括植被碳儲量和土壤碳儲量)方面，李克讓等[13]的研究表明，中國草地總碳儲量(包括植被碳儲量和土壤碳儲量)為32.4 Pg，而張峰[14]估算的為14.5 Pg。理論上看，由于草地分類系統(tǒng)、資料來源、估算方法各不相同，不可能有一個統(tǒng)一的結(jié)果，實際上，通過搜集前人的研究結(jié)果也證實了這一問題，說明在研究草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量方面，還沒有形成相對統(tǒng)一的研究框架。此外，在全國或區(qū)域大尺度上，一直以來，有很多集中在碳封存方面的研究[13, 15]；近年來，生態(tài)系統(tǒng)類型承載的其他主要溫室氣體，如CH4和N2O等也開始被越來越多的學(xué)者關(guān)注[16-17]。

但是不同溫室氣體在生態(tài)系統(tǒng)中的承載量如何有效地進(jìn)行大尺度上的量化？這一基本問題依然困擾著研究人員[18-19]。并且，很多相關(guān)溫室氣體封存的研究往往通過分析生態(tài)系統(tǒng)承載的有機(jī)質(zhì)儲量[20]，或通過地表溫室氣體的通量[21]，或兩者結(jié)合起來量化溫室氣體的量[22]，但這些方法均很難完全量化生態(tài)系統(tǒng)承載的主要溫室氣體的量。Anderson-Teixeira和Delucia[23]針對這個問題，構(gòu)建了計算生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體值 (green-house gas value, GHGV)的模型，細(xì)化生態(tài)系統(tǒng)每部分的生物量，將生態(tài)系統(tǒng)所有植被層與土壤層所含有機(jī)質(zhì)經(jīng)過燃燒腐殖分解等轉(zhuǎn)化為溫室氣體(CO2、CH4和N2O)的總量累積值，這也使得量化生態(tài)系統(tǒng)封存的溫室氣體潛量值成為可能。該模型已被用來在全球范圍的大尺度上開展模擬研究[24-25]，但尚未被用來在中國范圍內(nèi)開展相應(yīng)的工作，其實用性或應(yīng)用潛力如何尚不得知。

綜上所述，本研究針對草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)承載的溫室氣體變化及其氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)無法有效量化的現(xiàn)狀，通過引入國際上較為新穎的GHGV模型，在參數(shù)本地化后，結(jié)合草原、荒漠草原數(shù)據(jù)，模擬分析生態(tài)系統(tǒng)變化引起的碳儲量及溫室氣體排放效應(yīng)。該研究可以清晰地闡釋和量化中國草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的氣候調(diào)節(jié)服務(wù)，也可以為草原、荒漠草原管理決策提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究方法和數(shù)據(jù)

1.1 溫室氣體值模型

本研究引入Anderson-Teixeira和Delucia提出的GHGV模型來模擬量化CO2、CH4和N2O三大溫室氣體的值。生態(tài)系統(tǒng)的GHGV量化了區(qū)域內(nèi)的植被完全被清除后生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間所發(fā)生的所有溫室氣體的持續(xù)交換量(最大量)，是一個把生態(tài)系統(tǒng)百年時間段的三大溫室氣體的氣候效應(yīng)都考慮的量，包括：1)有機(jī)物(植被)清除后的溫室氣體釋放；2)生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間穩(wěn)定的溫室氣體通量；3)其他擾動引起的溫室氣體交換。式(1)為模型主要公式，其主要是通過輻射強(qiáng)迫代換將其他溫室氣體統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成CO2來衡量不同生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體釋放潛力。

式中：ax是溫室氣體x有效的輻射效率值1.4 × 104nW·(m2·ppb)-1，= 4.9 × 105nW·(m2·ppb)-1，涉 及 到 CO2、CH4和N2O共3種主要溫室氣體的輻射率值。是清除 1 hm2生態(tài)系統(tǒng)釋放的溫室氣體x。

本研究分別利用參數(shù)本地化的全球默認(rèn)參數(shù)開展模擬研究，并對模型結(jié)果加以比較。Sx、Ix和GHGV分別對應(yīng)了草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)清理后的溫室氣體 (CO2、 CH4、 N2O)潛在釋放量、溫室氣體凈釋放量和生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體轉(zhuǎn)換為CO2氣體后的量值。為便于分析，本研究通過50年的模擬年際結(jié)果來對比生態(tài)系統(tǒng)Sx和Ix值全球參數(shù)模擬結(jié)果和本地化參數(shù)模擬結(jié)果的差異。

1.2 模型輸入數(shù)據(jù)及參數(shù)獲取

草地數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)的中國土地利用和土地覆被類型數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km，共有1990年到2015年6期數(shù)據(jù)，時間間隔為5年1期[28]。本研究同時參考中國1∶100萬植被類型圖，調(diào)整土地利用類型為 USGS(United States Geological Survey)的生態(tài)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)類型。這里將中國的草原生態(tài)系統(tǒng)根據(jù)草本植被密度，進(jìn)一步劃分為草原與荒漠草原。

為了有效對比中國草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)在不同地區(qū)的生長分布狀況，本研究利用中國綜合生態(tài)地理分區(qū)圖，將中國劃分為東北區(qū)(NEC)、內(nèi)蒙區(qū)(IM)、西北區(qū)(NWC)、青藏區(qū)(QTP)、華中區(qū)(CC)、華東區(qū)(EC)和華南區(qū)(SC)7個地理大區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

此外，根據(jù)模型及研究目標(biāo)，結(jié)合文獻(xiàn)[3, 13,28-32]，收集整理了草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)類型的生物量密度、地表生物量密度、地下根系生物量密度、凋落物/枯枝落葉有機(jī)質(zhì)密度、土壤有機(jī)質(zhì)密度和生態(tài)系統(tǒng)CO2年通量等關(guān)鍵參數(shù)，并得到最終的本地化參數(shù)(表1)。

表1 中國草原、荒漠草原的本地化參數(shù)Table 1 Local parameters of the steppe and desert steppe in China

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用ArcGIS10.2處理土地利用和土地覆被類型數(shù)據(jù)；借助Matlab平臺處理數(shù)據(jù)，并輸出重要參數(shù)結(jié)果；ArcGIS10.2以及Excel進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 1990-2015 年中國草原、荒漠草原時空變化

從七大地理分區(qū)上來看，草原和荒漠草原主要分布在QTP、NWC和IM(圖1a)，總面積占全國草原、荒漠草原總面積的82.8%(圖1b)；其次為CC和EC，面積占比也均超過了5%；NEC的草地總面積占比為3.7%；草原和荒漠草原分布面積最小的區(qū)為SC，一些平原、盆地和丘陵分布著零散的、斑塊狀的草原(圖1a)。

從研究時段來看(圖1b)，草原和荒漠草原的總面積從1990年的372萬km2減少到了2015年的365萬 km2。從變化過程來看，草原和荒漠草原的總面積以1990年最多，且呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。具體到各區(qū)而言，除了QTP的總面積基本維持在169萬 km2左右之外，其余各區(qū)均呈現(xiàn)下降態(tài)勢，特別是NEC，25年間的總面積下降了10.24%。

2.2 全球參數(shù)和本地化參數(shù)的模擬結(jié)果比較

兩種參數(shù)下的模擬結(jié)果顯示，中國草原生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)質(zhì)潛在溫室氣體釋放量Sx在初始時間是最大的，達(dá)到 1 995.93 kmol·hm-2，Sx值的衰減速度較快，中國荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)初始時間的Sx值與中國草原生態(tài)系統(tǒng)接近，衰減速度差別也很小。全球溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)的初始時間Sx值要小于以上兩種中國的生態(tài)系統(tǒng)，衰減速度也較慢(圖2a)。中國草原生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)質(zhì)潛在溫室氣體凈釋放量Ix在初始時間是最大的，達(dá)到2 030.55 kmol·hm-2，Ix值的衰減速度較快，中國荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)初始時間的Ix值與中國草原生態(tài)系統(tǒng)接近，衰減速度差別也很小。全球溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)的初始時間Ix值要小于以上兩種中國的生態(tài)系統(tǒng)，衰減速度也較慢(圖2b)。

比較草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)中國草原的GHGV在前10年是增長最快的，每年增速達(dá)到20.19 Mg·(CO2-eq·hm2)-1，按照前 10 年 GHGV 增長速度排序，依次為中國草原、中國荒漠草原、全球溫帶草原。可見中國的草原、荒漠草原在GHGV的增長上快于全球平均值，數(shù)值上也高于全球平均值。而在后50年里，中國草原、荒漠草原與全球溫帶草原的GHGV增加趨勢都變緩，每年增速都在 0.5 Mg·(CO2-eq·hm2)-1以下。在 100 年分析時間末，按照GHGV大小排序依次為中國草原、中國荒漠草原、全球溫帶草原(圖2c)。整體上將本地化參數(shù)帶入GHGV模型后，得到的模擬結(jié)果雖然與全球相近類型生態(tài)系統(tǒng)的模擬結(jié)果數(shù)據(jù)上差別較大，但是在較長的分析時間跨度上的模擬值變化趨勢是一致的。

圖1 中國草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)2015年分布情況(a)和總面積變化(b)Figure 1 Distribution of steppe and desert steppe ecosystems in China in 2015 (a) and total area change (b)

圖2 中國草原和荒漠草原對應(yīng)的有機(jī)質(zhì)潛在溫室氣體釋放量(Sx)、凈釋放量(Ix)及溫室氣體值(GHGV)年際變化模擬Figure 2 Interannual variations of Sx , Ix , and GHGV corresponding to steppe and desert steppe ecosystems in China

2.3 中國草原、荒漠草原的溫室氣體封存潛量

在GHGV模型中，CH4、N2O經(jīng)過輻射強(qiáng)迫值轉(zhuǎn)化為CO2的量值，這個量化指標(biāo)可以直接將生態(tài)系統(tǒng)與溫室氣體進(jìn)行等值代換。同時，由于GHGV模型是一個面積變化驅(qū)動的模型，因此，可以根據(jù)中國草原、荒漠草原的面積變化得到其對應(yīng)的溫室氣體的變化量，進(jìn)而評估其整體的氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)。

全球參數(shù)模擬結(jié)果顯示，研究時間段內(nèi)中國草原、荒漠草原的溫室氣體封存潛量分別下降了0.75 和 0.71 Pg·CO2-eq-1，表現(xiàn)為對溫室氣體的釋放。本地化參數(shù)的模擬值結(jié)果較高，從變化率來看，中國草原、荒漠草原的GHG封存潛量分別下降了1.60%和2.06%(表2)。整體上，中國草原、荒漠草原呈現(xiàn)下降趨勢，表明了生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)換對GHG封存潛力的影響不容樂觀。

中國草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)總的GHGV值保持在 108.0 Pg·CO2-eq-1左右。從 1990 和 2015 年前后兩期來看，減少了1.93 Pg·CO2-eq-1，說明多年來中國草原生態(tài)系統(tǒng)對溫室氣體的封存潛力有所減弱。具體到每個區(qū)域，GHGV值最大的區(qū)域是QTP，25 年來 GHGV 的平均值接近 50 Pg·CO2-eq-1，占比超過46.6%；其次為NWC，其對應(yīng)的GHGV值 均 超 過 了 22 Pg·CO2-eq-1；IM 的 GHGV 值 也 在14 Pg·CO2-eq-1之上；NEC、EC 和 CC 的 GHGV 值在 4～10 Pg·CO2-eq-1，3 個區(qū)域的 GHGV 值也均呈現(xiàn)出一定程度的下降，對應(yīng)下降的百分比分別為10.5%、1.3%和1.9%；SC的GHGV值最低，在1.5 Pg·CO2-eq-1左右，下降 0.9%(圖 3)。

表2 1990和2015年中國草原、荒漠草原碳固定及溫室氣體封存潛量對比Table 2 Comparison of steppe and desert steppe carbon fixation and potential of greenhouse gas consequences in China in 1990 and 2015

圖3 1990-2015 年中國草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)總GHGV變化Figure 3 Total changes in GHGV in steppe and desert steppe ecosystems in China from 1990 to 2015

3 討論

3.1 草原時空變化及其影響因素

1990-2015年中國草原、荒漠草原總面積不斷下降，受到開墾、鼠害、放牧等因素的影響。由于人口增加以及對糧食需求的增加，部分地區(qū)把天然草原當(dāng)作宜農(nóng)荒地開墾，致使草原面積不斷減少[34]。根據(jù)遙感調(diào)查，20世紀(jì)90年代的后5年，西部地區(qū)所減少草原的54.86%轉(zhuǎn)化為耕地，29.80%轉(zhuǎn)化為未利用土地。就各個區(qū)域而言，草原退化嚴(yán)重的同時，鼠害草原面積呈不斷擴(kuò)大趨勢。1999年，西部地區(qū)可利用草原面積占西部草原總面積的81.4%；草原鼠害面積則占可利用草原面積的7.1%。2000年，新疆、內(nèi)蒙古、青海、甘肅、四川、陜西、寧夏、河北、遼寧、吉林、黑龍江、山西12省(區(qū))草原發(fā)生鼠蟲害總面積達(dá)42.7 萬km2[35]。過度放牧也是造成草原面積減少的重要原因。在全世界草原退化總面積中，約有35%是由于過度放牧造成的，就規(guī)模而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過開墾的影響，而適度放牧并維持草原的可持續(xù)管理將可以減少碳排放，增加土壤碳儲存。

1990-2015年中國草原、荒漠草原的溫室氣體封存潛量減少也是多種因素互相作用的結(jié)果。本研究基于GHGV模型來估算溫室氣體封存潛量，而此模型受草原面積變化的強(qiáng)烈影響，由于研究時段內(nèi)草原、荒漠草原面積整體呈下降趨勢，溫室氣體封存潛量也出現(xiàn)相應(yīng)的減少。同時，本研究沒有考慮草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中土地利用/覆被類型未發(fā)生變化的部分內(nèi)部參數(shù)的差異性(如草原植被低矮稀疏化)造成的GHGV變化，這也是本研究及模型的一個不足之處。

3.2 模型的不確定性分析

不同的研究差異性非常明顯，進(jìn)一步對比國內(nèi)與全球草原生態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)(圖4)，可以方便對后續(xù)模型模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。全球參數(shù)數(shù)據(jù)來自GHGV模型默認(rèn)值，其對應(yīng)的主要數(shù)據(jù)源包括國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果和IPCC 2006年報告數(shù)據(jù)。其中，在地表生物量密度方面，對國內(nèi)數(shù)據(jù)與全球數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)中國草原與全球溫帶草原的地表生物量取值接近，分別為1.6和2.4 Mg·hm-2；中國荒漠草原地表生物量密度也僅有0.39 Mg·hm-2。在地下生物量方面，中國參數(shù)要低于全球參數(shù)。較全球溫帶草原與國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)在枯落物參數(shù)上的差異，中國草原略高于全球溫帶草原的生物量密度。全球土壤有機(jī)質(zhì)密度低于中國相近類型生態(tài)系統(tǒng)，差值為58.61 Mg·hm-2。將中國生態(tài)系統(tǒng)與全球生態(tài)系統(tǒng)CO2年均通量進(jìn)行比較，全球溫帶草原與中國草原的取值接近，差值僅為 0.86 kmol·(hm2·a)-1。

造成參數(shù)差異性的原因是多方面的：一是在參數(shù)本地化時，搜集的國內(nèi)數(shù)據(jù)已經(jīng)遇到過數(shù)據(jù)差距較大的情況[36-38]，且不同區(qū)域的草地本身的生長環(huán)境和碳儲量也有差異；二是國內(nèi)外對相關(guān)生態(tài)類型的定義和本研究由土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)換而來的生態(tài)系統(tǒng)類型也有不同，這也是造成參數(shù)差異較大的重要原因。這種差異實際上也反映出全球范圍內(nèi)對草地的研究仍然不夠統(tǒng)一。

圖4 本地化參數(shù)和全球默認(rèn)參數(shù)的比較Figure 4 Localized parameters compared with global default parameters

本研究直接模擬得到的結(jié)果是考慮百年尺度下的草地生態(tài)系統(tǒng)變化對應(yīng)的溫室氣體封存潛力，該模擬結(jié)果無法與相關(guān)領(lǐng)域其他學(xué)者研究成果進(jìn)行直接對比。但是通過將CO2與C之間的分子量轉(zhuǎn)換，可以求取中國草地變化導(dǎo)致的碳儲量變化。為了對GHGV模型有效性進(jìn)行驗證，對本研究與其他學(xué)者的草地面積變化及碳儲量變化情況進(jìn)行對比(圖5)。

圖5 本研究結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)果的比較Figure 5 Comparison between the results of this study and those of other studies

采用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心遙感解譯數(shù)據(jù)，測得中國草原和荒漠草原的總面積約372萬km2，占全國陸地面積的38%。這個數(shù)值稍低于張利等[39]基于中國草地資源清查資料通過數(shù)字化處理獲得中國草地總面積395萬km2，高于方精云等[40]、王穗子等[41]采用的330萬km2左右的草地面積。李克讓等[13]取草地面積值為263萬 km2，Tang等[42]取草地面積值為281萬km2，均遠(yuǎn)小于本研究。說明由于定義或者其他方面的原因，草地面積數(shù)據(jù)本身就無法有效統(tǒng)一起來，而面積差異往往導(dǎo)致計算結(jié)果之間的差異被放大或縮小。

當(dāng)前關(guān)于草地碳儲量基于不同的研究，得到的碳儲量也有很大區(qū)別。部分學(xué)者估算的碳儲量介于 23.9～ 32.32 Pg[11, 40, 42]， 與 本 研 究 所 求 得 中 國 草原和荒漠草原的總碳儲量(29.8 Pg)相接近，而王穗子等[41]根據(jù)碳密度和草地面積均值估算得出中國草地總碳庫約為41.67 Pg，張利等[39]的研究結(jié)果表明，中國草地碳儲量為59.47 Pg，均遠(yuǎn)高于本研究的值。本研究雖然無法明確哪個結(jié)果更為準(zhǔn)確，但以上的研究對比揭示出當(dāng)前研究的一些困境和挑戰(zhàn)，即在草地生態(tài)系統(tǒng)面積及其承載的碳儲量值這一最為基本的問題上，眾多研究均面臨著差異性較大的情況，預(yù)期未來研究涉及到CH4和N2O的量值差異性可能更為明顯。同時，用模型自帶的全球參數(shù)和本地化參數(shù)兩套數(shù)據(jù)開展模擬研究其實是給出一個GHG封存潛量的區(qū)間值。其中，本地化參數(shù)模擬結(jié)果更多可以對應(yīng)著國內(nèi)他人的研究，而全球參數(shù)的模擬結(jié)果則可以有效地同全球其他區(qū)域進(jìn)行直接對比分析。

4 結(jié)論

1990-2015年，中國草原、荒漠草原總面積由371.58萬減少到364.87萬 km2，共減少6.66萬km2，其中草原減少3.43萬km2，荒漠草原減少了3.23萬km2。東北地區(qū)的草原、荒漠草原總面積下降明顯，研究時段內(nèi)下降了10.24%。模型自帶全球參數(shù)模擬的結(jié)果顯示，1990-2015年間中國草原和荒漠草原整個的GHG封存量從81.56 Pg·CO2-eq-1下降到 80.10 Pg·CO2-eq-1，封存總量減少了 1.8%；而本地化參數(shù)模擬的中國草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的1990和2015年的總封存量分別為109.26和107.33 Pg·CO2-eq-1。兩套不同參數(shù)均顯示出草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)在近25年間的GHG封存潛量有所下降。

本研究所用的模型參數(shù)和模擬結(jié)果與他人的結(jié)果值差異非常明顯，盡管如此，本研究首次嘗試對中國區(qū)域的草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的GHG封存潛量進(jìn)行了研究。事實上，由于中國生態(tài)系統(tǒng)類型復(fù)雜以及長期人類活動干擾等因素，對全國草地碳儲量這一基礎(chǔ)問題的研究尚且遇到很多困難性，更不要說對主要溫室氣體方面的研究。因此，未來需要在一個統(tǒng)一框架下，進(jìn)一步來細(xì)化生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)差異，并考慮收集遙感數(shù)據(jù)來提升研究精度。此外，模型本身采用的輻射強(qiáng)迫參數(shù)數(shù)據(jù)在時間序列上為一組固定的數(shù)據(jù)值，也需要進(jìn)一步來完善。