李 楠，崔耀平，張帥帥，劉素潔，付一鳴

（中原經濟區(qū)“三化”協調發(fā)展河南省協同創(chuàng)新中心 / 河南大學黃河中下游數字地理技術教育部重點實驗室，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)中占據著重要地位[2-3]。中國草地主要分布在東北平原、內蒙古高原、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)的碳儲量和氣候調節(jié)效應均有重要的價值。

在全球氣候變化大背景下，Fan等[10]利用文獻數據和實測生物量數據估算的中國草地生物量碳庫為 3.32 Pg，與 Ni[11]的估算結果 3.06 Pg 差距較大，也遠大于Piao等[12]的結果(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)一的結果，實際上，通過搜集前人的研究結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者關注[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)承載的有機質儲量[20]，或通過地表溫室氣體的通量[21]，或兩者結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，構建了計算生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體值 (green-house gas value, GHGV)的模型，細化生態(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質經過燃燒腐殖分解等轉化為溫室氣體(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開展相應的工作，其實用性或應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節(jié)效應無法有效量化的現狀，通過引入國際上較為新穎的GHGV模型，在參數本地化后，結合草原、荒漠草原數據，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。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)的氣候調節(jié)服務，也可以為草原、荒漠草原管理決策提供數據支持。

1 研究方法和數據

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都考慮的量，包括：1)有機物(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迫代換將其他溫室氣體統(tǒng)一轉換成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本地化的全球默認參數開展模擬研究，并對模型結果加以比較。Sx、Ix和GHGV分別對應了草原、荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)有機質清理后的溫室氣體 (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年的模擬年際結果來對比生態(tài)系統(tǒng)Sx和Ix值全球參數模擬結果和本地化參數模擬結果的差異。

1.2 模型輸入數據及參數獲取

草地數據來自于中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)的中國土地利用和土地覆被類型數據，空間分辨率為1 km，共有1990年到2015年6期數據，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，調整土地利用類型為 USGS(United States Geological Survey)的生態(tài)系統(tǒng)標準類型。這里將中國的草原生態(tài)系統(tǒng)根據草本植被密度，進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)進行統(tǒng)計分析。

此外，根據模型及研究目標，結合文獻[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/枯枝落葉有機質密度、土壤有機質密度和生態(tài)系統(tǒng)CO2年通量等關鍵參數，并得到最終的本地化參數(表1)。

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

1.3 數據處理

采用ArcGIS10.2處理土地利用和土地覆被類型數據；借助Matlab平臺處理數據，并輸出重要參數結果；ArcGIS10.2以及Excel進行繪圖。

2 結果與分析

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 全球參數和本地化參數的模擬結果比較

兩種參數下的模擬結果顯示，中國草原生態(tài)系統(tǒng)的有機質潛在溫室氣體釋放量Sx在初始時間是最大的，達到 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)的有機質潛在溫室氣體凈釋放量Ix在初始時間是最大的，達到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)現中國草原的GHGV在前10年是增長最快的，每年增速達到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?？梢娭袊牟菰?、荒漠草原在GHGV的增長上快于全球平均值，數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帶入GHGV模型后，得到的模擬結果雖然與全球相近類型生態(tài)系統(tǒng)的模擬結果數據上差別較大，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的有機質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經過輻射強迫值轉化為CO2的量值，這個量化指標可以直接將生態(tài)系統(tǒng)與溫室氣體進行等值代換。同時，由于GHGV模型是一個面積變化驅動的模型，因此，可以根據中國草原、荒漠草原的面積變化得到其對應的溫室氣體的變化量，進而評估其整體的氣候調節(jié)效應。

全球參數模擬結果顯示，研究時間段內中國草原、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，表現為對溫室氣體的釋放。本地化參數的模擬值結果較高，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、荒漠草原呈現下降趨勢，表明了生態(tài)系統(tǒng)類型轉換對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 值也均呈現出一定程度的下降，對應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)把天然草原當作宜農荒地開墾，致使草原面積不斷減少[34]。根據遙感調查，20世紀90年代的后5年，西部地區(qū)所減少草原的54.86%轉化為耕地，29.80%轉化為未利用土地。就各個區(qū)域而言，草原退化嚴重的同時，鼠害草原面積呈不斷擴大趨勢。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，遠遠超過開墾的影響，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烈影響，由于研究時段內草原、荒漠草原面積整體呈下降趨勢，溫室氣體封存潛量也出現相應的減少。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)生變化的部分內部參數的差異性(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，進一步對比國內與全球草原生態(tài)系統(tǒng)的參數(圖4)，可以方便對后續(xù)模型模擬結果進行比較分析。全球參數數據來自GHGV模型默認值，其對應的主要數據源包括國內外學者的研究結果和IPCC 2006年報告數據。其中，在地表生物量密度方面，對國內數據與全球數據進行比較，可以發(fā)現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，中國參數要低于全球參數。較全球溫帶草原與國內生態(tài)系統(tǒng)在枯落物參數上的差異，中國草原略高于全球溫帶草原的生物量密度。全球土壤有機質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。

造成參數差異性的原因是多方面的：一是在參數本地化時，搜集的國內數據已經遇到過數據差距較大的情況[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；二是國內外對相關生態(tài)類型的定義和本研究由土地利用/覆被類型轉換而來的生態(tài)系統(tǒng)類型也有不同，這也是造成參數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對草地的研究仍然不夠統(tǒng)一。

圖4 本地化參數和全球默認參數的比較Figure 4 Localized parameters compared with global default parameters

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

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

采用中國科學院資源環(huán)境科學數據中心遙感解譯數據，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%。這個數值稍低于張利等[39]基于中國草地資源清查資料通過數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，草地面積數據本身就無法有效統(tǒng)一起來，而面積差異往往導致計算結果之間的差異被放大或縮小。

當前關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]的研究結果表明，中國草地碳儲量為59.47 Pg，均遠高于本研究的值。本研究雖然無法明確哪個結果更為準確，但以上的研究對比揭示出當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和本地化參數兩套數據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，本地化參數模擬結果更多可以對應著國內他人的研究，而全球參數的模擬結果則可以有效地同全球其他區(qū)域進行直接對比分析。

4 結論

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，研究時段內下降了10.24%。模型自帶全球參數模擬的結果顯示，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和模擬結果與他人的結果值差異非常明顯，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封存潛量進行了研究。事實上，由于中國生態(tài)系統(tǒng)類型復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，進一步來細化生態(tài)系統(tǒng)內部的參數差異，并考慮收集遙感數據來提升研究精度。此外，模型本身采用的輻射強迫參數數據在時間序列上為一組固定的數據值，也需要進一步來完善。