土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)影響研究——以內(nèi)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(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧大連116605;2.呼和浩特市氣象局，呼和浩特010020;3.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010021)

自工業(yè)革命以來，以CO2為主的溫室氣體排放的增加，導(dǎo)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(tài)系統(tǒng)所提供的的重要服務(wù)之一［2］，對(duì)大氣中溫室氣體變化起著重要的調(diào)節(jié)作用［3］。土地利用是影響碳循環(huán)的重要因素之一，其變化所導(dǎo)致的土地覆蓋變化往往伴隨著大量的碳交換［4］，已經(jīng)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)的供給能力產(chǎn)生影響。正因如此，科學(xué)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(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)變化情況:如估算我國(guó)森林、草地、灌草叢和農(nóng)田等陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯［7］;分析不同土地利用方式下碳源/匯狀況及其強(qiáng)度［8］;建立區(qū)域土地利用碳效應(yīng)綜合評(píng)估及優(yōu)化調(diào)控的方法［9］;揭示經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用變化與碳排放之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系［10］等。然而，土地利用變化不僅表現(xiàn)為土地用途轉(zhuǎn)移(如草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田等)，且包括土地利用集約度的變化(如農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高等)［11-12］。目前關(guān)于區(qū)域土地利用集約度變化與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)之間關(guān)系的研究較少。但有研究表明，內(nèi)蒙古烏審旗(相當(dāng)于縣)從上世紀(jì)80年代到2010年左右沙地總體上呈現(xiàn)出良性發(fā)展態(tài)勢(shì)，植被恢復(fù)［13-14］，期間牲畜數(shù)量(以羊單位計(jì))持續(xù)增加，利用方式從自由放牧轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯げ輬?chǎng)和舍飼結(jié)合的畜牧業(yè)［15］，這是土地利用集約化的體現(xiàn)。

本文以內(nèi)蒙古烏審旗為例，使用4期土地利用圖，結(jié)合實(shí)測(cè)不同土地利用類型有機(jī)碳密度，在InVEST模型支持下，揭示其1987—2012年陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)變化，通過分析土地利用集約度變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)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(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 研究區(qū)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(diǎn)為“梁地、灘地、沙地”相間;土壤以梁地發(fā)育的栗鈣土，沙地發(fā)育的各類風(fēng)沙土，灘地、丘間低地發(fā)育的草甸土等為主;境內(nèi)分布以本氏針茅(Stipa bungeana)建群的地帶性植被，沙丘地上發(fā)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(yè)，并存在少量的種植業(yè)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

參考《第二次全國(guó)土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》并根據(jù)烏審旗的地域特征，劃分9類土地利用類型(見表1)。畜牧業(yè)人工草場(chǎng)和舍飼的增加會(huì)導(dǎo)致對(duì)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(dòng)沙地)以及三者之間面積的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)，經(jīng)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(jī)碳密度包括植物有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳兩部分。根據(jù)土地利用類型，2011—2012年分別設(shè)置33個(gè)調(diào)查樣地，采樣時(shí)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(nèi)分層獲得地下1 m的土樣，并使用環(huán)刀法獲得各層土壤容重。由于部分土地利用類型缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這些類型的碳密度來自于相關(guān)文獻(xiàn)。使用EA3000元素分析儀測(cè)定不同植物樣品和土壤有機(jī)碳含量，經(jīng)過數(shù)據(jù)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(shí)測(cè)值，在InVEST 3.1.0軟件支持下，計(jì)算不同時(shí)期的陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳量，在ArcGIS 10.0中通過圖層間兩兩疊加，獲得該區(qū)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(jī)碳含量

2 結(jié)果與分析

2.1 烏審旗生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)能力變化

以1987年烏審旗有機(jī)碳庫儲(chǔ)量為生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)研究的起點(diǎn)。過去25 a該旗有機(jī)碳庫變化如圖1:1987年有機(jī)碳庫起始值為44.23 Tg C(1Tg=1×1012g=100萬t)，到1997年固碳服務(wù)能力降低，有機(jī)碳儲(chǔ)量減少到最低值(43.52 Tg C)，其后固碳服務(wù)供給能力增加，到2012年有機(jī)碳庫儲(chǔ)量達(dá)到最大值(45.47 Tg C)，超過1987年有機(jī)碳庫起始值，有機(jī)碳庫儲(chǔ)量為44.61 Tg C。從各個(gè)研究時(shí)段碳源/匯變化來看:1987—1997年，有機(jī)碳儲(chǔ)量減少0.71 Tg C，平均年因固碳服務(wù)降低而損失有機(jī)碳儲(chǔ)量0.07 Tg C;1997—2007年，該旗固碳服務(wù)能力降低的趨勢(shì)得到了抑制并逐漸增強(qiáng)，相對(duì)于1997年末有機(jī)碳儲(chǔ)量增加1.7 Tg C，碳增匯量0.17 Tg·a-1;而2007—2012 年固碳服務(wù)增加的趨勢(shì)降低，碳增匯量?jī)H為0.05 Tg·a-1。

圖1 1987—2012年烏審旗有機(jī)碳儲(chǔ)量變化

2.2 烏審旗土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)的影響

以固定、半固定及流動(dòng)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(jī)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(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)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(jī)碳儲(chǔ)量變化情況

1987—1997年有機(jī)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(qū)沙地植被的恢復(fù)——固定、半固定和流動(dòng)沙地分布分別增加 222.5 ，283.3，-292.6 km2——并沒有抵消沼澤地?fù)p失所造成的碳損失，生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)能力并沒有恢復(fù)到1987年末的狀態(tài);至研究時(shí)段1997—2012年，隨著該地區(qū)沙漠化逆轉(zhuǎn)的持續(xù)發(fā)生(流動(dòng)沙地減少1 224.8 km2)，以及沼澤地面積的初步恢復(fù)(由1997年的9.35%到2012年的9.93%)，生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)能力逐漸恢復(fù)甚至超過1987年末，碳匯超過1.24 Tg C。

3 結(jié)論與討論

(1)在1987—2012年烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲(chǔ)量呈增匯狀態(tài)，且呈“V”型變化。即研究時(shí)段1987—1997年是碳庫儲(chǔ)量減少階段，減少0.7 Tg C;研究時(shí)段1997—2012年處于碳增匯階段，相對(duì)于1987年增匯1.24 Tg C。生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)供給能力相對(duì)于該旗的土地利用集約度的變化結(jié)果——沙漠化逆轉(zhuǎn)——有一定的“延遲”。大致以2000年前后分為兩個(gè)時(shí)期:①上世紀(jì)80年代到90年代中后期該旗沙漠化擴(kuò)展趨勢(shì)得到抑制［13］，沙漠化開始逆轉(zhuǎn)。在此轉(zhuǎn)變過程中該旗固碳服務(wù)所固定的有機(jī)碳量并沒有隨著沙地固定面積的擴(kuò)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(xiàn)出良性發(fā)展態(tài)勢(shì)，植被進(jìn)一步恢復(fù)［14，18］。即1997—2012年，隨著沙地持續(xù)固定，其所貢獻(xiàn)的碳儲(chǔ)量增加，以及沼澤地面積的恢復(fù)，烏審旗有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸接近甚至超過20世紀(jì)80年代末期，生態(tài)系統(tǒng)固碳服務(wù)能力增加。說明區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，必須做好地區(qū)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。

期間，社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化因素的變化:從20世紀(jì)80年代開始，該地區(qū)實(shí)施飛播造林和“三北工程”［19］;自1998年以來的生態(tài)環(huán)境綜合治理、水土保持、退耕還林還草、“禁牧”等生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)工程［18］;20世紀(jì)80年代中期，青貯玉米的推廣［20］，牧戶逐漸從傳統(tǒng)的自由放牧轉(zhuǎn)變成人工草地(玉米)和牲畜的結(jié)合的放牧方式［21］等等，共同驅(qū)動(dòng)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(tài)系統(tǒng)存在較大的碳增匯潛力。烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳平均含量為3.89 kg·m-2，低于全國(guó)8.01 ～10.83 kg·m-2的平均范圍［22-23］。風(fēng)沙土是該旗主要的土壤類型(有機(jī)碳含量?jī)H為2.61 ～4.29 kg·m-2)，低于一些學(xué)者估算的中國(guó)土壤有機(jī)碳含量7.23～19.10 kg·m-2［24-26］，只有沼澤地土壤中有機(jī)碳含量在這個(gè)范圍內(nèi)(9.40 kg·m-2)。流動(dòng)和半固定沙地的面積約占全旗的50%，若該部分植被恢復(fù)，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(jìn)一步提高將促進(jìn)“粗放型畜牧業(yè)向集約型畜牧業(yè)轉(zhuǎn)變”。牧戶通過“以地養(yǎng)地”的形式開墾小部分草地種植青貯玉米發(fā)展高效飼草料基地［21］，使牲畜得到充足的高質(zhì)量草料供應(yīng)，從而減輕大部分草地的放牧壓力。積極發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，鼓勵(lì)有經(jīng)濟(jì)條件的家庭發(fā)展特色旅游業(yè)等，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)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(wù)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(jī)碳庫含量約為烏審旗碳庫儲(chǔ)量的30%。然而因濕地植被生長(zhǎng)較好，對(duì)其放牧利用強(qiáng)度往往大于其他區(qū)域。自1987年以來，沼澤地面積減少明顯。因此，在低濕地保護(hù)和恢復(fù)過程中，應(yīng)充分發(fā)揮政府管理作用，制定相應(yīng)的政策，合理引導(dǎo)、限制放牧強(qiáng)度，建立濕地合理利用機(jī)制，促進(jìn)沼澤地的恢復(fù)。

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