青藏高原退牧還草重大生態(tài)工程氣候效應(yīng)

2024-01-13 07:41:50魏達(dá)趙慧祁亞輝王壯壯陶京牛犇王小丹

西藏科技 2023年11期

魏達(dá) 趙慧祁亞輝王壯壯陶京牛犇王小丹

1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

青藏高原擁有全球獨(dú)一無二的高寒草地，過度放牧導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)退化。青藏高原平均海拔約4000m 以上，境內(nèi)面積約240～260 萬km2。青藏高原是世界屋脊、國家生態(tài)安全屏障、水資源安全屏障、國土安全屏障和戰(zhàn)略資源儲備基地［1］。寒冷、干旱、強(qiáng)輻射等氣候條件下形成獨(dú)特的高寒草地，面積高達(dá)140 萬km2，是青藏高原陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在生物多樣性保育、水土保持、碳源匯、氣候調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著重要作用［2］。這些高寒草地是530 萬牧民和5859.96萬頭牲畜高度賴以生存的家園［3］，但近幾十年來牧場過度放牧率在27%～89%［4］.過度放牧對青藏高原等地區(qū)的可持續(xù)性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是草地退化的重要驅(qū)動力［5］。

國家實(shí)施系列天然林草重大生態(tài)工程，退牧還草成為其典型代表。自2004年以來，國家重點(diǎn)部署以西藏、三江源、祁連山和橫斷山等為核心的生態(tài)保護(hù)與建設(shè)戰(zhàn)略，實(shí)施了以天然草地保護(hù)與修復(fù)為代表的系列重大生態(tài)工程（圖1），使超過1/3以上的國土面積得到有效保護(hù)，成為我國乃至全球單個自然地域單元實(shí)施的規(guī)模最大的生態(tài)工程之一［6］。其中，為緩解和解決草地退化問題，我國于2003年發(fā)起了退牧還草工程，試圖恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和多功能性。近20年間，政府為推廣和建設(shè)這項(xiàng)生態(tài)工程在青藏高原廣大地區(qū)注入了大量資金。

圖1 青藏高原生態(tài)工程實(shí)施邊界[7]Figure 1 Main ecological restoration projects across the Tibetan Plateau[7]

青藏高原退牧還草正面效應(yīng)凸顯，成為我國碳中和領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。退牧還草工程累計(jì)實(shí)施總面積達(dá)到25 萬km2。其中，三江源區(qū)退牧還草工程實(shí)施面積達(dá)到11.19 萬km2，主要集中于玉樹、果洛等自治州及其周邊的22 個縣區(qū)。西藏自治區(qū)退牧還草工程實(shí)施面積達(dá)到8.49 萬km2，主要集中于阿里、那曲、日喀則等地市及周邊的42 個縣區(qū)；祁連山地區(qū)退化草地恢復(fù)工程實(shí)施面積0.62 萬km2，涉及甘肅和青海的21 個縣區(qū)；橫斷山區(qū)實(shí)施退化草地恢復(fù)工程4.70 萬km2，涉及四川、云南和西藏的31 個縣區(qū)［8］。生態(tài)工程產(chǎn)生了明顯的正面效應(yīng)，生態(tài)系統(tǒng)退化態(tài)勢得到了遏制，生態(tài)安全屏障功能總體穩(wěn)定向好［6］。在我國碳中和的新要求下，厘清重大生態(tài)工程氣候效應(yīng)成為我國氣候變化領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

1 生態(tài)工程地氣交換量化方法

科學(xué)界發(fā)展了多樣化的地氣交換量化方法。鑒于氣候變暖的全球重要性及溫室氣體的關(guān)鍵調(diào)控作用，科學(xué)界發(fā)展了多樣化的地氣效應(yīng)測定方法。按照自上而下的測定方法劃分，分為衛(wèi)星觀測-大氣反演法、微氣象法、箱法、剖面法等（圖2）。（1）大氣反演法大氣反演法通過觀測到的溫室氣體濃度并結(jié)合大氣化學(xué)傳輸模型進(jìn)行地面溫室氣體通量的間接測定［9,10］。溫室氣體濃度測定采用衛(wèi)星和地面背景站測定。衛(wèi)星觀測包括我國的碳衛(wèi)星（TanSat）、美國的OCO-2 和日本的GOSAT 等。大氣反演法還可以使用地面溫室氣體濃度測定作為驅(qū)動數(shù)據(jù)，例如我國在瓦里關(guān)等地建立的大氣背景站。（2）渦度相關(guān)技術(shù)：渦度相關(guān)是一種典型的微氣象測定方法，由于其較高的時間分辨率和空間代表性，已被國際公認(rèn)為測定生態(tài)系統(tǒng)與大氣間溫室氣體交換的重要手段［11,12］。渦度技術(shù)在近幾十年中得到了長足發(fā)展，在國際上形成了以FluxNet 為代表的全球觀測網(wǎng)，在我國形成了國家尺度碳通量觀測網(wǎng)絡(luò)ChinaFlux［13］。在區(qū)域尺度也出現(xiàn)面向特定研究對象的觀測網(wǎng)絡(luò)，如對青藏高原多年凍土碳通量的觀測形成了高寒生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測網(wǎng)絡(luò)EddyTibet［7］。（3）箱法：箱法構(gòu)造簡單、造價(jià)低廉且移動方便，是目前測量土壤和大氣間微量氣體排放通量應(yīng)用最廣泛的方法［14,15］。箱法分為密閉靜態(tài)箱和密閉動態(tài)箱，根據(jù)箱內(nèi)氣體濃度隨時間的變化率來計(jì)算地面溫室氣體通量。開放式動態(tài)箱則是通過箱入口和出口處氣體濃度差異來計(jì)算待測氣體的排放通量。有多種手段能夠?qū)崿F(xiàn)被測目標(biāo)溫室氣體濃度的測定，包括堿液吸收法、氣相色譜法、紅外溫室氣體分析儀法等。近期，便攜式溫室氣體分析儀的長足發(fā)展極大促進(jìn)了箱法的推廣，成為進(jìn)行快速原位溫室氣體濃度和通量測定的重要選擇之一。（4）土壤剖面法：土壤剖面法一般在不同的土壤層次埋設(shè)探頭或采樣測定溫室氣體濃度，基于菲克定律計(jì)算不同層次的溫室氣體排放通量：F=-Ds·?c/?z，其中Ds 為目標(biāo)溫室氣體在土壤中的擴(kuò)散系數(shù)，c 為目標(biāo)溫室氣體濃度，z 為土壤深度［16,17］。土壤層中的溫室氣體濃度一般采用抽氣法和原位法兩種。抽氣法預(yù)先埋設(shè)帶有孔隙的采氣管，原位法通常采用布設(shè)紅外溫室氣體分析探頭的方式進(jìn)行。土壤剖面法重要的缺陷在于須進(jìn)行管子或探頭的埋設(shè)，采樣過程中同樣也會存在壓差問題。同時，在濕地等生態(tài)系統(tǒng)開展土壤剖面法測定很容易造成管路漏水，土壤剖面法的局限性尤為明顯。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量測定主要方法分類、適用范圍及主要挑戰(zhàn)Figure 2 Classification and challenges of greenhouse gas exchange observation approaches

各類地氣交換測定方法各有特色，也有其特定的適用范圍。（1）大氣反演法一般適用于區(qū)域尺度、國家甚至洲際尺度的溫室氣體測定［18］。但大氣反演法對溫室氣體絕對濃度的精度要求較高，解算過程中對地面驅(qū)動數(shù)據(jù)也有較高的依賴性。同時，大氣反演適用于宏觀尺度的溫室氣體分析，空間分辨率非常有限［19］。（2）渦度相關(guān)技術(shù)作為目前最為蓬勃發(fā)展的溫室氣體觀測技術(shù)，適合于景觀尺度的溫室氣體通量測定［20］。除了渦度自身對下墊面等要求較為苛刻及數(shù)據(jù)處理過程繁瑣外，渦度相關(guān)技術(shù)不能區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)呼吸的組分，也不能直接測定光合作用［21］。渦度相關(guān)技術(shù)難以捕獲水平溫室氣體遷移，對河流等水體碳流失、糧食、林木產(chǎn)品等碳損失過程難以具體量化。（3）箱法是群落尺度的觀測方案，一般能夠?qū)资翈装倨椒嚼迕椎闹参锶郝錅厥覛怏w收支進(jìn)行測定，紅外溫室氣體分析儀的發(fā)展帶動了箱法的便攜化［22］。然而，箱法通常會對地面空氣流動產(chǎn)生干擾。靜態(tài)箱通常采用暗箱，其遮光效應(yīng)可能對光合過程及CH4傳輸過程產(chǎn)生抑制，從而造成測定偏差。部分研究采用透明箱，但透明箱可能在測定過程中帶來嚴(yán)重的升溫效應(yīng)，同樣能夠造成系統(tǒng)性偏差。同時，箱法1平米左右的空間范圍決定了它很難對森林等大型植被進(jìn)行測定，在草地或濕地等植被的測定也具有比較強(qiáng)的空間異質(zhì)性［23］。（4）土壤剖面法也僅能對小范圍的土壤碳排放進(jìn)行測定，很難涵蓋整個生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放。同時，剖面法可能改變土壤的物理結(jié)構(gòu)，并在采樣過程中帶來壓力差，從而給土壤碳通量測定帶來不確定性［24］。綜上，任何一種技術(shù)方案都有優(yōu)缺，在對溫室氣體通量的實(shí)際測定過程中，須根據(jù)研究對象及各類方法的適用范圍，選擇合適的技術(shù)方案。同時，在實(shí)驗(yàn)方案中須進(jìn)行各種方法的對比觀測，相互交叉印證，可能更真實(shí)反映研究對象的溫室氣體收支。

2 生態(tài)工程的CO2吸收效應(yīng)

青藏高原高寒草地是重要的CO2匯。通過定位監(jiān)測、控制試驗(yàn)和模型模擬等技術(shù)手段，研究發(fā)現(xiàn)青藏高原32 監(jiān)測點(diǎn)中26 個呈現(xiàn)凈碳匯。溫度敏感性分析、16 個控制實(shí)驗(yàn)和18 個模式的模擬表明，暖濕化對碳固定的促進(jìn)超過了凍土碳釋放的影響［7］。然而，由于目前大多數(shù)觀測極少涉及羌塘無人區(qū)（青藏高原最大的多年凍土區(qū)），尤其對生態(tài)工程的系統(tǒng)性關(guān)注還相對缺乏，導(dǎo)致碳匯的整體強(qiáng)度和未來變化格局仍存在不確定性。退牧還草主要基于三種方式影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)：（1）直接增加草地凈初級生產(chǎn)力，并通過凋落物向土壤中返還更多的有機(jī)碳；（2）禁牧對根系和土壤碳的長期影響將隨著前者的消耗而產(chǎn)生較大變化，但短期內(nèi)通常有利于植物地下根系而不是地上光合組織；（3）地下根系間的相互滲透、根系分泌物和枯枝落葉的添加，促使土壤變得相對疏松多孔，影響土壤性質(zhì)和土壤碳動態(tài)。

草地恢復(fù)生態(tài)工程顯著提升碳匯，其碳匯效應(yīng)決定于氣候格局。通過整合青藏高原碳通量發(fā)現(xiàn)，高寒草地修復(fù)總體提升碳匯強(qiáng)度在40%～60%，表明高寒草地碳匯具有較強(qiáng)的提升潛力（圖3）。青藏高原整體暖濕化，但局部地區(qū)呈現(xiàn)暖干化。生態(tài)恢復(fù)的碳匯效應(yīng)與氣候變化的總體格局密切相關(guān)，水分多寡極大影響生態(tài)恢復(fù)的碳匯效應(yīng)強(qiáng)度。生態(tài)恢復(fù)導(dǎo)致的碳匯效應(yīng)在水分較為充足的高寒草甸更加明顯，在較干旱的高寒草原略弱。實(shí)際上，目前的草地恢復(fù)主要以自上而下的任務(wù)下達(dá)方式開展，并未根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃疅釛l件和退化狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。

圖3 高寒草地恢復(fù)下不同高寒生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效應(yīng)Figure 3 Impacts of grassland restoration on carbon uptakes across various grassland types

草地恢復(fù)生態(tài)工程總體存在時序效應(yīng)，長期禁牧可能與牧民爭奪寶貴的牧場資源。青藏高原247個樣地的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生態(tài)恢復(fù)5～8 年時碳匯效應(yīng)達(dá)到“飽和點(diǎn)”。長期的生態(tài)恢復(fù)可能導(dǎo)致大量凋落物遮陰效應(yīng)、氮磷營養(yǎng)返還缺失、土壤酸化和土壤孔隙較大等［25,26］，從而限制碳匯效應(yīng)的進(jìn)一步增長。更重要的是，過長的生態(tài)恢復(fù)可能導(dǎo)致生態(tài)工程與牧民爭奪寶貴的牧場，造成長期禁牧區(qū)的草場閑置和牧草資源浪費(fèi)而放牧區(qū)草場壓力過大。目前，部分地區(qū)的退化草場存在長期禁牧，部分草場的重新開放時間隨意性較強(qiáng)，缺乏重開放時間的科學(xué)評估。

3 生態(tài)工程CH4源匯效應(yīng)

青藏高原高寒濕地是CH4弱源，生態(tài)恢復(fù)整體降低CH4排放。CH4是第二大溫室氣體，貢獻(xiàn)了氣候變暖的1/4 左右?？茖W(xué)界長期認(rèn)為高寒濕地是重要的CH4源，通過開展連續(xù)觀測研究和模型模擬，目前大多數(shù)學(xué)者定量高寒濕地為CH4弱源（0.25～1.25 Tg CH4/a）［27］。從空間格局來看，高寒濕地CH4釋放呈現(xiàn)出隨海拔升高顯著降低的特點(diǎn)［28］：例如，較低海拔(＜4000m)的高寒濕地平均CH4排放量是較高海拔(＞4000m)的數(shù)十倍。海拔高度的變化耦合了降水、溫度和有機(jī)質(zhì)條件等的變化，高寒濕地CH4排放的空間格局與氣候和降水格局導(dǎo)致的地下碳儲量、植被新鮮碳輸入、淹水狀態(tài)和微生物活性等密切相關(guān)。通過整合青藏高原甲烷通量監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)，高寒濕地禁牧樣地CH4排放量較放牧樣地減少了54.19%（圖4）。

圖4 高寒草地恢復(fù)下高寒生態(tài)系統(tǒng)退牧還草CH4通量效應(yīng)Figure 4 Impacts of grassland restoration on CH4 exchanges across various grassland types

高寒草原CH4吸收不容忽視，生態(tài)恢復(fù)總體促進(jìn)CH4吸收。與高寒濕地相反，青藏高原高寒草地是重要的CH4匯，CH4吸收量占中國草地CH4吸收總量的40%以上［29］。高寒草原和高寒草甸生長季CH4吸收速率均大于寒冷的非生長季，在生長季內(nèi)降水季節(jié)分布及其年際變化調(diào)節(jié)著高寒草原CH4的吸收［30,31］。輕度和中度放牧對草地生態(tài)系統(tǒng)無顯著影響，而重度放牧對草地CH4吸收具有較大負(fù)面影響［32,33］。在生態(tài)工程影響下，高寒草原和高原草甸禁牧樣地的CH4吸收量較放牧樣地分別提升了25.78%和17.88%，退牧還草對高寒草甸CH4吸收效應(yīng)不同且受到放牧強(qiáng)度、放牧?xí)r間的影響。

4 生態(tài)工程地氣間水熱交換

退牧還草有助于提升土壤持水能力，放牧顯著降低各生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量。草地恢復(fù)對各生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量的影響存在顯著差異（圖5）。具體而言，高寒草原、高寒草甸、高寒濕地中禁牧區(qū)土壤含水量相對放牧區(qū)分別提升了1.14%、4.21%、4.74%，退牧還草對水分的影響在草甸以及濕地高于草原。從土壤深度來看，根層（0～30 cm）土壤水分禁牧增加了3.69%，非根層（＞30 cm）增加了4.16%.無論退牧還草年限的長短，放牧區(qū)土壤水分均低于禁牧區(qū)，1～2年和3～5年的禁牧使得土壤水分分別提升4.33%和5.43%.

圖5 青藏高原圍欄內(nèi)外土壤含水量成效參數(shù)Figure 5 Impacts of grassland restoration on soil moisture across various grassland types

退牧還草顯著降低了土壤溫度。禁牧對各生態(tài)系統(tǒng)土壤溫度的影響存在顯著差異，高寒草原、高寒草甸、高寒濕地土壤溫度成效分別為：-0.28℃、-0.61℃、-2.27℃，退牧還草對高寒濕地的影響效果顯著高于草原及草甸（圖6）。從土壤層深度來看，禁牧對淺層（0～30 cm）與非根系集中層（＞30 cm）的土壤溫度均有降溫效應(yīng)，淺層與深層土壤溫度分別下降0.95℃和0.65℃，淺層制冷效應(yīng)更強(qiáng)烈。從放牧年限上看，不同時間段的土壤溫度變化存在一定差異。短期、中期、長期禁牧分別降低了0.62℃、1.09℃和1.06℃。

圖6 青藏高原圍欄內(nèi)外土壤溫度成效參數(shù)Figure 6 Impacts of grassland restoration on soil temperature across various grassland types

退牧還草生態(tài)工程建設(shè)影響水熱分配。當(dāng)前，關(guān)于青藏高原退牧還草下的地表能量變化的研究仍然缺乏。王壯壯等人［41］在藏北典型高寒草原和高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)量化了退牧還草對局地能量變化影響效果。該研究發(fā)現(xiàn)了退牧還草對不同生態(tài)系統(tǒng)類型的影響存在顯著差異。禁牧減小了高寒草原水熱通量值，感熱減小16.26%，潛熱減小16.78%，感熱、潛熱通量降低程度基本一致，植被覆蓋改善后吸收太陽輻射的改變可能導(dǎo)致到達(dá)地表的能量下降；禁牧增大了高寒濕地的水熱通量值，感熱增大16.07%，潛熱增大49.80%，禁牧對潛熱作用影響較大，存在一定物理降溫效應(yīng)，植被覆蓋改善后的蒸發(fā)散提升可能導(dǎo)致更多的能量損失。

5 加強(qiáng)青藏高原重大生態(tài)工程環(huán)境效應(yīng)的量化與提升

（1）打破部門信息和數(shù)據(jù)壁壘，整合建立碳匯聚合監(jiān)測體系。加強(qiáng)已有生態(tài)工程碳匯系統(tǒng)監(jiān)測和評估工作。生態(tài)工程不僅僅是退牧還草，還包括林地、沙化和水土流失治理等各類工程類型，涉及林草、生態(tài)環(huán)境和自然資源等部門。宜多部門協(xié)同，整合科研院所、高校和地方部門碳匯監(jiān)測資源、兼顧非二氧化碳溫室氣體、關(guān)注突變式碳排放等，建立碳匯聚合實(shí)時監(jiān)測體系，實(shí)現(xiàn)碳匯年報(bào)制度，切實(shí)認(rèn)知高原區(qū)域碳匯貢獻(xiàn)，服務(wù)青藏高原碳中和先行示范區(qū)創(chuàng)建。

（2）加強(qiáng)生態(tài)工程多尺度效應(yīng)研究，量化生態(tài)工程碳水熱遠(yuǎn)程貢獻(xiàn)。生態(tài)工程能夠極大改變地表下墊面，直接影響局地尺度的碳水熱過程，這在地面觀測中有所體現(xiàn)［41］。在更廣域的尺度，植被覆蓋的改善能夠提高植被蒸散量在蒸發(fā)散中所占的比例，影響流域尺度對流過程和云的形成［42］。同時，青藏高原的存在對我國地理格局具有重要影響，生態(tài)工程對下墊面的影響可能影響我國及周邊地區(qū)的水熱分布［43］。然而，目前的觀測和研究體系以局地尺度較多，較少有研究關(guān)注流域或區(qū)域尺度效應(yīng)。實(shí)際上，生態(tài)工程的實(shí)施可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出局地尺度，生態(tài)工程作為青藏高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分，屏障功能研究值得深化。

（3）根據(jù)立地條件進(jìn)行科學(xué)評判，加強(qiáng)生態(tài)工程空間格局優(yōu)化。重大生態(tài)工程應(yīng)當(dāng)根據(jù)水熱養(yǎng)分等立地條件和植被地帶性等進(jìn)行科學(xué)恢復(fù)，宜林則林、宜灌則灌、宜草則草。加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)投入和運(yùn)營成本核算，尤其水分、電力和人工等后期維護(hù)成本。同時生態(tài)恢復(fù)的空間布局還應(yīng)當(dāng)著眼于氣候變化的過去和未來，宜評估區(qū)域未來氣候變化的水熱組合模式開展生態(tài)恢復(fù)布局，優(yōu)先選擇水熱條件具備恢復(fù)潛力的地區(qū)進(jìn)行投入，以最大化生態(tài)工程碳匯效應(yīng)。

（4）建立生態(tài)工程恢復(fù)效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)體系，優(yōu)化生態(tài)工程年限。面向生態(tài)工程及其碳匯功能的可續(xù)性，加強(qiáng)時序效應(yīng)研究。建立以生物多樣性、土壤物理和化學(xué)性質(zhì)、碳匯強(qiáng)度等綜合評價(jià)指標(biāo)體系，系統(tǒng)評估退化草地恢復(fù)程度。需綜合考量生態(tài)工程可持續(xù)性，科學(xué)制定高寒草地重開放時間，還草于民，平衡高寒草地生產(chǎn)和生態(tài)，在保障牧民生產(chǎn)的前提下開展草地碳匯提升。