中國草地碳庫估算差異性綜合分析

王穗子， 樊江文， 劉 帥

(1. 中國科學院地理科學與資源研究所 陸地表層格局與模擬院重點實驗室， 北京100101； 2. 中國科學院大學， 北京100049； 3. 農業(yè)部草原監(jiān)理中心， 北京 100125)

隨著《聯(lián)合國氣候變化框架公約》和《京都協(xié)議書》的推出，全球氣候變化和碳增匯減源成為了國際社會廣泛關注的焦點。陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中起著重要作用[1]，而草地作為分布最廣泛的植被類型之一，是重要的碳匯資源，在熱帶和溫帶均有分布，大約占據了陸地面積的20%。其具有保持水土、凈化空氣、防風固沙、控制溫室氣體排放的功能，在全球碳循環(huán)和對區(qū)域氣候的變化上具有重要作用[2-3]。

我國草地資源極為豐富[4]，天然草地面積大，占世界草地面積的5.71%～9.34%，蘊藏著全球草地碳的3.59%～15.98%[5-10]，中國草地生態(tài)系統(tǒng)面積為陸地生態(tài)系統(tǒng)面積的28.97%～47.40%，其植被碳儲量占到中國陸地生態(tài)系統(tǒng)植被層碳儲量的2.65%～13.58%，土壤層碳儲量高達12.62%～64.59%[11-14]，表明我國草地碳儲量在世界草地碳儲蓄積占據重要地位[15-16]，具有相當深厚的碳匯潛力。草地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支對我國乃至世界陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能具有不可替代的意義，也是目前國際地圈-生物圈研究計劃碳循環(huán)研究中的重要組成部分[17]。

有大量學者對草地生態(tài)系統(tǒng)進行了碳蓄積的研究，Atjay等[5]估算全球草地碳儲量為761 PgC。Raich等[18]認為全球草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量約為266.3 PgC，約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的12.7%。據WBGU估算，全球草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量約為1 200 PgC[19]。Ojima等[20]也應用CENTU-RY模型模擬計算了全球7個草地生態(tài)區(qū)域的土壤表層有機碳含量。近年來國內一些學者也相繼開展了我國草地碳庫碳匯的研究[21-27]。但是由于采用的草地分類系統(tǒng)、草地面積的不同、估算方法和技術差異，草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量和碳匯估算結果存在很大的不確定性。因此，本文綜合分析了中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳匯研究中已發(fā)布的數據，試圖闡述(1)中國草地碳庫和碳匯的大小及其變化；(2)中國草地碳蓄積分布格局；(3)中國草地碳儲量估算中不確定性因素導致的差異性。以期系統(tǒng)梳理草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的研究結果，為我國草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

數據來源于相關文獻以及統(tǒng)計年鑒、草地普查資料等各類數據。選擇關鍵詞為：中國(China/Chinese)、草地(grassland)、碳儲量(carbon storage/stock)、碳匯(carbon sink)，通過搜索Web of Science和中國期刊全文數據庫(CNKI)，篩選出截止2017年前的相關文獻。提取每篇文獻的中國草地面積、草地生物量碳儲量、草地土壤碳儲量、碳密度、草地年均碳匯。若文獻中數據是以圖的形式，則使用軟件GetData Graph Digitizer將圖形進行數值化后再提取。

1.2 數據分析

采用EXCEL 2016軟件對文獻中收集到的數據進行初步統(tǒng)計分析，采用SPSS 17.0軟件中單因素方差分析(one-way ANOVA)對各研究的中國不同草地類型面積和碳儲量進行差異顯著性檢驗。并利用origin 9.1和graphPad Prism5進行制圖。

2 結果與分析

2.1 中國草地碳儲量及碳匯

由于不同的研究年限、草地分類系統(tǒng)、資料來源、估算方式、采用草地面積的差異和地下生物量數據的缺乏，使得估算出的碳庫大小存在較大差異，各研究中采用的中國草地面積為184.67×104～430.66×104km2[28-29]，其中廣泛采用的草地面積為331.4×104km2[30-34]。目前各研究中，中國草地生物量碳庫的估算范圍是900～4660 TgC之間，土壤碳庫估算范圍是12.4～63.44 PgC，中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫大小為14.5～64.46 PgC，幾乎絕大部分的碳存儲于土壤中。

2.1.1草地植被碳儲量 不同研究得到的草地生物量碳庫估算值介于900～4 660 TgC，相差4～5倍(表1)。Fang等[29-31]與Piao等[32-33]基于草場普查資料和根莖比、Yang等[34]使用2008年全國草地監(jiān)測數據和遙感影像、高樹琴等[35]通過相關文獻結合1∶100萬植被圖和遙感影像對中國草地生物量碳庫進行估算，估算結果較為相近(約1 PgC)。沈?；ǖ萚36]整合分析近年資料并結合1982-2011年遙感數據，估算中國草地生物量碳庫為2 620 TgC，碳密度為936.8 g C·m-2，研究估算結果高于前面，主要是因為該研究中包括生物量密度較高的草叢和草本沼澤，而未包括生物量密度較低的荒漠植被。Fan等[37]利用1980年中國草地資源資料和2003-2004年野外實測生物量數據估算結果為3 316 TgC，平均生物量密度為1 002 g C·m-2，遠高于Fang等人[29-31]和Piao等人[32-33]的估算值，可能由于植物樣方里還包括了凋落物和立枯物。Ni等[13,15]根據全球平均生物量碳密度估算中國草地生物量碳庫為3 060～4 660 TgC，與Fan等[37]研究結果相近。基于CEVSA模型、DNDC模型、TEM模型估算出的中國草地生物量碳儲量分別為3 356 TgC[12]，2 100 TgC[38]和3 150 TgC[39]。如表1所示，草地生物量碳庫在估算上存在差異主要是由于草地分類系統(tǒng)的差異、植物樣方內的凋落物和立枯物的統(tǒng)計差異及生物量密度估算范圍差異。

表1 相關研究估算的中國草地生物量碳庫Table 1 The biomass carbon stock of grassland ecosystem in China

注：*表示包括草地和有林草地

Note: * indicates including grassland and wooded grassland

2.1.2草地土壤碳儲量 土壤碳庫是植被碳庫的3倍，大氣碳庫的2倍[40]，是全球碳循環(huán)非常重要的組成部分，土壤碳庫的變化會改變大氣CO2濃度進而影響全球的碳平衡。草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要過程是在土壤中完成。草地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫主要儲存于土壤中，約占草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫總量的90%以上[12-13,31]?；诨A數據和計算方法的差異，不同研究對中國草地土壤碳庫的估算結果差異較大，低至12.4 PgC[38]，高至59.47 PgC[39](表2)。Ni等[13,15]基于全球土壤數據庫估算出中國草地土壤碳密度為13.20 kg C·m-2，估算得到中國草地1 m深土壤碳庫為53.72 PgC，其中可利用草原為41.03 PgC。Xie等[41]根據第二次全國土壤普查數據中2 743個土壤剖面資料，估算出中國草地土壤有機碳密度為15.10 kg C·m-2，高于全球土壤數據庫估算出的碳密度值。張利[39]基于第二次全國土壤普查數據和TEM模型得到的土壤碳密度略低于Xie[41]，為14.30 kg C·m-2。Li等[12]采用CEVSA模型預測出草地土壤碳密度為9.99 kg C·m-2，有林草地土壤碳密度為12.76 kg C·m-2。

表2 相關研究估算的中國草地土壤碳庫Table 2 The soil carbon stock of grassland ecosystem in China

注：*表示包括草地和有林草地

Note: * indicates including grassland and wooded grassland

2.1.3草地碳匯 碳匯體現為匯集、吸收和固定二氧化碳的能力，是一種過程、活動或機制和貯存庫，可以用來表征碳循環(huán)過程的一種狀態(tài)。Fang等[30]根據遙感數據和草地資源普查數據計算出中國草地地上生物量及其時空變化，結合地上與地下生物量比例估算得出1981-2000年中國草地總碳匯為0.127 PgC，年均碳匯7.04 Tg C·a-1。Piao等[16, 33]利用草場資源數據、NDVI、時間序列數據和基于衛(wèi)星的統(tǒng)計模型，研究顯示1982-1999年中國草地生物量年均碳匯為1.01 Tg C·a-1。Fang等[42]采用CASA模型估算出1982-2000年中國草地(包括溫帶草原、高山草地和薩王納)凈初級生產力增加為7.20 Tg C·a-1。Sui等[43]采用生物地球化學循環(huán)模型分析1951-2007年中國草地碳匯，結果得出年均碳匯為7.30 Tg C·a-1。Tian等[44]使用了兩種基于過程的生態(tài)系統(tǒng)/生物地球化學模型(陸地生態(tài)系統(tǒng)模型和陸地生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)模型)研究得出1981-2000年中國草地生態(tài)系統(tǒng)生物量年均碳匯5 Tg C·a-1，草地土壤碳匯為22 Tg C·a-1。任繼周等[45]采用綜合順序分類法(CSCS)及NPP分類指數模型計算中國草地近50年(1950-2000)和未來50年(2001-2050)空間分布，研究表明1950-2000年我國潛在草地年碳匯潛力773.21 Tg C(潛在草地面積為549.38×104km2)，并估算2001-2050年我國潛在草地年碳匯潛力901.25 Tg C(潛在草地面積為530.40×104km2)。

2.2 草地碳儲量與碳匯的變化

根據草地資源普查數據和遙感數據，Piao等[33]發(fā)現 1982-1999年中國草地地上生物量碳庫顯著增加1.01 Tg C·a-1?；谕寥烙袡C碳與NDVI及氣候因子建立多元回歸統(tǒng)計模型，Piao等[16]估算1982-1999年中國草地生物量有機碳庫平均年碳沉積量為7±2.5 Tg C，草地土壤有機碳儲量增加6.0±1.0 Tg C/年。有研究表明1961-2013年，中國草地碳平均增長速率為19.4 Tg C·a-1[39]。2000-2007年，中國草地年碳沉積量為71±4 Tg C[38]。由此可見中國草地生態(tài)系統(tǒng)仍是一個碳匯。而Yang等[46-47]基于大樣本野外測定數據，結果表明，過去20余年中國北方草地和青藏高原草地土壤有機碳沒有明顯變化。Ma等[48]基于更長時間序列研究表明，1982-2006年中國北方草地生物量碳庫增加趨勢微弱，平均每年增加0.2 Tg C，但特別在20世紀80年代后期幾乎無顯著變化趨勢。Xie等[41]根據文獻綜述，估算近20年來中國草地土壤有機碳庫的變化，發(fā)現大量有機碳的流失。

2.3 中國草地碳蓄積分布格局

目前相關研究在估算草地碳儲量和碳匯時主要采用4種草地分類系統(tǒng)，第一種是中國草地普查資料[49]，第二種是中國草地資源圖[50]，第三種為中國土地利用圖[51]，第四種是中國植被圖[52-53]。綜合計算相關文獻[15,34,37-38, 54]中對中國18個草地類型的碳蓄積估算，得到結果如圖1所示。 沼澤的植被碳密度最大(3 kg·m-2)，其次為熱性灌草叢類、干熱稀樹灌草叢類、暖性灌草叢類、低地草甸類、溫性草甸草原類，約為1.5～1.6 kg·m-2。土壤碳密度最高的草地類型是高寒草甸草原類、高寒草甸類和山地草甸類，約18.2 kg·m-2。中國草地的有機碳主要分布于高寒和溫帶地區(qū)，高寒地區(qū)占中國草地面積32.50%，碳儲量為21.15 PgC(占中國草地碳儲量的48.76%)，占據中國草地面積34.91%的溫帶地區(qū)碳儲量為10.54 PgC(24.30%)。 其中面積占15.21%的高寒草甸類儲存了中國草地26.31%的碳。溫性草原類和高寒草原類也分別占中國草地總碳儲量的10.86%和14.49%。對中國草地總碳儲量具有重要作用。高寒草甸類和高寒草原類面積約為中國草地面積的1/4，儲存了中國草地土壤中約1/2的碳，說明高寒地區(qū)草地碳儲量豐富。這兩類草原主要位于青藏高原，植被類型極為豐富且年均溫低，能緩解土壤有機質的分解速率和增加有機質積累，土壤碳儲量巨大[55]。而其他類型草地，包括沼澤、溫性荒漠草原類、溫帶草原性荒漠類、溫性荒漠類、高寒荒漠類、高寒荒漠草原類、暖性草叢類、暖性灌草叢類、熱帶草叢類、熱帶灌草叢類、干熱稀樹灌草叢類碳儲量只有12.90 PgC，不足草地總碳儲量的1/3，尤其是沼澤面積和碳儲量都很低。

2.4 中國草地碳儲量估算的差異分析

2.4.1中國草地面積估算來源的差異性 按照中國植被圖估算得出中國草地面積為280×104km2[36]，336.98×104km2[38]和406×104km2[13]。而根據中國草場資源普查資料估算出中國草地面積差異也較大，最小為298.97 ×104km2[15]，最大達430.66 ×104km2[29]。利用衛(wèi)星遙感數據估算出的結果也存在較大的不確定性，基于TM和中國陸地衛(wèi)星影像(1999-2000)估算出中國草地面積為331×104km2[56]。根據2001年MODIS草地覆蓋數據得到的中國草地面積為225×104km2[57]。而基于NOAA/AVHRR(8 km)全球植被覆蓋數據，得出中國草地面積是263.22×104km2[12]。也可使用模型根據植被和氣候關系估算潛在的植被分布[58-59]，Ni等人[58]以BIOME3模型根據當前氣候條件、CO2增強氣候條件、對植物生理的直接影響的氣候情景估算出中國草地面積分別為377.6×104km2，416.9×104km2和357.3×104km2。

圖1 不同類型草地碳密度和碳儲量Fig.1 The carbon density and carbon storage in different grassland types注：A.各類型草地面積; B. 各類型草地總碳儲量; C.各類型草地植被碳密度; D. 各類型草地土壤碳密度Note: A. Area ratio; B. Total carbon storage ratio; C. Vegetation carbon density; D. Soil carbon density

不同的草地分類系統(tǒng)和資料來源會導致草地面積和單位面積碳密度不同，估算的草地面積差異常會導致碳儲量估算結果差異較大。中國草地面積估算存在不確定性主要是由于中國植被圖、草場普查資料、衛(wèi)星遙感數據、模型這4種不同類型數據來源引起的。綜合分析已有的研究估算結果，中國草地面積為184.67×104～430.66×104km2。不同來源資料所采用的中國草地面積由大到小為：草場普查資料>模型>中國植被圖>衛(wèi)星遙感數據，其中草場普查資料的估算值顯著大于衛(wèi)星遙感數據的估算值(P<0.05)。不同資料來源估算出的中國草地面積均值在274.45×104～355.04×104km2之間(圖2)。

圖2 不同來源資料的中國草地面積Fig 2 The grassland area of China in different data resources注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Note: different lowercase letters indicate significant difference among data resources at the 0.05 level

2.4.2草地碳庫不同估算方法的差異性 中國草地碳庫估算方法，目前主要有遙感-植被指數法、全球生物量密度法、實地調查法、模型估算法(圖3,表3)。全球生物量密度法的生物量碳儲量估值(3.86 PgC)顯著大于遙感植被指數法和實地調查法(P<0.05)，其次是模型估算法(2.87 PgC)。遙感-植被指數法得到的數值最小(1.08 PgC)，顯著低于全球生物量密度法和模型估算法的到的估值。4種估算方法估算出的草地土壤碳儲量，也是全球生物量密度法估值最大(46.04 PgC)，而估值最小的方法是模型估算法(28.88 PgC)，但4種估算方法的數值無顯著差異。4種估算方法的中國草地總碳儲量值之間差異也不顯著，其中全球生物量密度法的估值最大(51.24 PgC)，模型估算法估值最小(31.84 PgC)，且遙感-植被指數法、實地調查法、模型估算法估值均很相近。采用遙感-植被指數法的得到的生物量和土壤碳儲量估值差異最小，數值較為接近，而模型估算法得出的土壤碳儲量和總碳儲量的估值差距最大，該方法得到的數據誤差較大。

圖3 不同估算方法得到的草地生物量碳儲量和土壤碳儲量Fig.3 The biomass and soil carbon storage estimated by different methods

表3 不同方法估算出的草地碳儲量Table 3 The carbon storage of grassland estimated by different methods

生物量碳儲量 /PgCBiomass carbon storage土壤碳儲量 /PgCSoil carbon storage總碳儲量 /PgCTotal carbon storage遙感植被指數法 Vegetation indicates1.08±0.05b32.53±2.07a33.65±1.95a全球生物量密度法 Carbon density3.86±0.65a46.04±5.51a51.24±5.83a實地調查法 Field survey2.16±0.95bc32.91±3.92a35.06±4.87a模型估算法 Model2.87±0.55ac28.88±19.53a31.84±19.92a

2.4.3草地地下生物量估算的差異性 估算草地地下生物量最常見的方法是根冠比，但根冠比數據相對缺乏，因此以根冠比數據估算也會產生很大誤差。有研究表明，全球各類植被根冠比數據中約62%都存在問題[60]。Fan等[37]對我國17個不同類型的草地群落進行調查并結合文獻記錄數據得到根冠比范圍在0.99～52.28。Piao等[33]和方精云等[29]根據文獻記錄得到草地的根冠比，Piao等[33]認為17類草地根莖比范圍在0.45～15.68，方精云等[29]得出6類草地類型根莖比平均值為0.38～25。Yang等[61]通過大量的調查分析北方草地根冠比范圍為0.4～14.3。各研究中根冠比的范圍差異較大，從0.38～52.3。根冠比均值之間差異性也高達兩倍，Fan根冠比平均值是Piao的兩倍。根據不同研究中的根冠比，得到的地下生物量估值會存在顯著差異。

3 討論

通過綜合分析已有的研究結果[12-16,28-39,41-44,54]，得到中國草地生物量碳密度平均值約為623.9 g C·m-2，土壤碳密度均值約為12.22 kg C·m-2，中國草地面積估算均值為324.47×104±57.03×104km2。根據碳密度和草地面積均值進行估算，得出中國草地總碳庫約為41.67 PgC(其中草地生物量碳儲量為2.02 PgC，草地土壤碳儲量約為39.65 PgC)。中國草地碳儲量主要集中于高寒草甸類、高寒草原類、溫性草原類這幾類草原，主要位于中國北部和西部，占中國草原面積38.56%，卻儲存了大約中國草地土壤51.65%的碳。其中高寒草甸類和高寒草原類主要分布于青藏高原地區(qū)，該地區(qū)海拔高、溫度低，有機質分解緩慢，碳儲量較高[62-63]，對全球碳循環(huán)具有重要意義。其他草地類型如荒漠、沼澤、山坡等則碳儲量較低。中國草地碳儲量估算存在差異性，主要是因為草地面積、估算方法的不同。4種不同類型數據來源(分別為中國植被圖、草場清查資料、衛(wèi)星遙感數據、模型數據)導致中國草地面積估算存在不確定性和差異性。中國草地面積估算低至184.67×104km2[28]，高至430.66×104km2[29]。中國草場清查資料中劃分了18類植被類型，對草地的定義中還包括了灌木和稀疏喬木的飼用植物地。中國植被圖將草地劃分為40多種類型，對草地定義是以草本植物占優(yōu)勢的植物群落。遙感資料沒有統(tǒng)一的分類系統(tǒng)且缺乏詳細的地面驗證，故估算出的面積結果具有較大的差異。不同的估算方法中，根據全球生物量碳密度法得到的草地碳儲量估值均為最大[15]，但是全球碳密度數據庫高度簡化了地球上各類生態(tài)系統(tǒng)，且不同的植被分類系統(tǒng)，不同的草地類型之間群落結構和物種組成均差異較大，故用此方法來估算中國草地碳庫可能會存在較大的誤差。實地調查法的數據較為可靠，但實際操作中較難均勻取樣，在有限的實地調查中得到的數據來推算整個地區(qū)的碳儲量也存在較大誤差。模型估算法中生物量碳儲量估算值較高，且估值差異較大，可能與其模型自身適用性和估算精度有關，獲取驅動模型所需的數據也較為困難。遙感-植被指數法結合實地調查法，可以更為準確的反映中國草地碳庫的真實情況。而根冠比的不同，同樣會導致地下生物量估算存在很大不確定性，可能會大大低估草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲存能力，亟待更精確的各種草地類型的根冠比數據。

4 結論

中國草地碳庫在全球及區(qū)域尺度上對全球碳平衡均具有很重要的意義，特別是草原土壤碳庫。草地中植物根系龐大，且地下生物量占據很大的比例，草地碳儲量的估算具有很大的不確定性，估算面積、草地分類、土壤分類、估算方法、數據收集、土壤采樣等均是碳蓄積量估算誤差的重要因素。應進一步完善我國草地分類系統(tǒng)和土壤分類的標準和劃分依據，進一步完善土壤剖面實測數據，進一步開展地下生物量碳和土壤碳的研究，盡可能獲取地下生物量數據，從而準確的評估中國草地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，這將對正確認識我國草地在全球碳庫的地位具有重要的意義。CO2濃度升高、溫度升高、降水格局改變、土地利用變化等都會導致草地有機碳庫的變化，目前多只考慮單一因子或部分因子對草地碳庫的影響，應開展系統(tǒng)的綜合研究，加強多因子對草地碳儲量動態(tài)變化、退化機理和生態(tài)影響的研究，這對草地生態(tài)系統(tǒng)乃至陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡具有非常重要的作用。