若爾蓋高原泥炭地碳收支特征及固碳價(jià)值評(píng)價(jià)研究

吳海東 崔麗娟 王金枝 顏亮 張驍棟 李偉 李勇 康曉明*

（1 中國林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2 四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，四川 阿壩藏族自治州 624500）

濕地作為全球生態(tài)系統(tǒng)的重要類型之一（Kang et al,2014），雖然僅占全球陸地總面積的5%～8%，但由于其特殊的生態(tài)環(huán)境，濕地的碳儲(chǔ)量大約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的10%～20% （Erwin, 2009;Mitsch et al, 2012; Kang et al,2016）。泥炭地是一種特殊類型的濕地生態(tài)系統(tǒng)，IPCC （聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)）對(duì)其進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)全球陸地生態(tài)系統(tǒng)約存儲(chǔ)了2.48×106Tg C （1 Tg=1×1 012g)， 其 中 泥 炭 地 碳 儲(chǔ) 量 為0.5×106Tg C。因此，泥炭地碳收支在全球碳循環(huán)中具有舉足輕重的作用，其巨大的碳儲(chǔ)量及碳匯功能在溫室氣體增匯減排方面發(fā)揮著重要作用，定量分析泥炭地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支動(dòng)態(tài)特征及其固碳價(jià)值具有非常重要的意義（Dixon et al,1995）。

位于青藏高原東北部的若爾蓋高原泥炭地是全球氣候變化最為敏感的地區(qū)之一，在全球具有典型性和代表性（鄭度等,1999）。若爾蓋高原泥炭地是全國乃至全世界最為廣袤的高原泥炭沼澤復(fù)合體之一，其泥炭積累豐富，是中國最大的高原泥炭沼澤分布區(qū)，面積4 605 km2(孫廣友,1992)。由于若爾蓋高原處于高海拔地區(qū)，低溫、晝夜溫差大及淹水導(dǎo)致的厭氧條件極大地抑制了有機(jī)質(zhì)的分解，形成了一層厚厚的泥炭層，一定程度上減少了CO2的排放 (Hao et al,2011;Chen et al,2013;Kang et al,2014)。然而，近年來由于氣候變化和人類活動(dòng)的雙重作用，導(dǎo)致若爾蓋泥炭沼澤濕地水位下降，逐漸萎縮、退化(楊永興,1999)，碳匯功能受到影響(王根緒等,2007;萬忠梅,2013)。

本研究以若爾蓋高原泥炭地為研究對(duì)象，分析若爾蓋高原泥炭地碳收支動(dòng)態(tài)，并利用碳稅法定量評(píng)估若爾蓋高原泥炭地的固碳價(jià)值，為高原泥炭地的增匯減排及其碳匯管理提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究區(qū)域位于青藏高原的東部邊緣，行政上隸屬于四川省阿壩州，平均海拔3 400 m。該研究區(qū)屬于高山寒溫帶季風(fēng)氣候，寒冷潮濕，年均溫大約在-1.7～3.3oC，年均降水量為650～750 mm，大部分集中在4-9月，大約占全年降水量的90%。研究區(qū)域沼澤植被生長繁茂，較低的溫度致使植物生長期較短，凋落物分解慢，有機(jī)質(zhì)沉積，土壤中有機(jī)質(zhì)含量豐富，從而形成深厚的泥炭層。研究區(qū)域的主要植被為木里苔草Carex muliensis、烏拉苔草Carex meyeriana、剛毛荸薺Eleocharis valleculosa等沼生植物。土壤泥炭層厚約2～5 m，pH值為6.8～7.2。

1.2 研究方法

1.2.1 野外觀測 本研究以若爾蓋高原泥炭地極端氣候控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和渦度相關(guān)系統(tǒng)為依托，獲得CO2和CH4等溫室氣體通量的數(shù)據(jù)。CO2通量數(shù)據(jù)通過渦度相關(guān)技術(shù)（Eddy Covariance Technology）獲得，包括兩部分，一部分是測量碳水通量的通量觀測系統(tǒng)，一部分是用于監(jiān)測背景氣象數(shù)據(jù)的氣象觀測系統(tǒng)。通量觀測系統(tǒng)由開路遠(yuǎn)紅外CO2/H2O氣體分析儀LI-7500（LI-COR Inc. NE, USA）、三維超聲波測風(fēng)儀CSAT3（Campbell Scientific Inc.,USA）和數(shù)據(jù)采集器CR5000（Campbell Scientific Inc.）等組成，主要測量距離地面2.2 m高的CO2通量、潛熱和感熱通量，儀器采樣頻率為10 Hz。同時(shí)，采用自制同化箱和激光光譜快速溫室氣體分析儀FGGA(DLT-100，LGR)連續(xù)監(jiān)測CH4通量的季節(jié)動(dòng)態(tài)，用透明箱與FGGA相連接，連續(xù)封閉測量10 min，然后開放箱子大約持續(xù)2 min，再測量下一個(gè)靜態(tài)箱采樣點(diǎn)。儀器和風(fēng)扇采用12 V蓄電池供電，氣體通量以箱內(nèi)密閉氣體濃度隨時(shí)間變化的直線斜率計(jì)算。數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。

1.2.2 濕地固碳價(jià)值評(píng)估方法 渦度相關(guān)技術(shù)觀測到的CO2通量是泥炭地的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量（Net ecosystem CO2exchange,NEE），是生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Ecosystem respiration,ER）與總初級(jí)生產(chǎn)力（Gross primary productivity,GPP）之間的差值，即：NEE = ER - GPP。其中，NEE正值代表生態(tài)系統(tǒng)凈排放CO2，負(fù)值代表生態(tài)系統(tǒng)凈吸收CO2。

靜態(tài)箱和激光光譜快速溫室氣體分析儀測定的是CH4通量（FCH4），是以氣體濃度在單位時(shí)間內(nèi)的直線斜率計(jì)算的（Mastepanov et al,2008），具體通量計(jì)算公式為（孫曉新,2009）：

式中：FCH4為同化箱中的CH4通量[mg/(m2·h)]，dc/dt代表箱內(nèi)氣體濃度隨單位時(shí)間變化的直線斜率（ppm/h），V0、P0、T0分別為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積（22.41 m3/mol）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325 Pa）和絕對(duì)溫度（K)，T為箱內(nèi)的絕對(duì)溫度(K)，P為采樣點(diǎn)的大氣壓（Pa），M為被測氣體的摩爾質(zhì)量（g/mol)，H為箱子的有效高度(m)。

基于上述實(shí)測數(shù)據(jù)，本研究采用碳稅法對(duì)若爾蓋高原泥炭地固碳價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，既考慮泥炭地生態(tài)系統(tǒng)凈CO2的交換，又考慮CH4排放對(duì)泥炭地碳匯功能的削減，將兩種效應(yīng)進(jìn)行疊加，最終評(píng)價(jià)若爾蓋高原泥炭地的固碳價(jià)值。其計(jì)算公式如下：

式中，Vgh為高原泥炭地溫室氣體排放價(jià)值(元/a)；NEE為蘆葦濕地凈CO2交換量(kg/hm2)，采用渦度相關(guān)技術(shù)實(shí)測值；FCH4為CH4排放通量，采用實(shí)測值；A為整個(gè)若爾蓋高原泥炭地的面積，參考Chen等（2014）的數(shù)值3 179 km2，換算為31.79萬 hm2；P為碳的價(jià)格，采用最新的瑞典碳稅率187美元/t進(jìn)行計(jì)算，換算為1 237.6元/t。由于不同溫室氣體對(duì)地球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)程度不同，在溫室氣體的總增溫效應(yīng)中，CO2貢獻(xiàn)約占63%，CH4貢獻(xiàn)約占18%。CH4的全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP)是CO2的24.5倍，即1 t甲烷的二氧化碳當(dāng)量是24.5 t(Jenkins et al,2010)，本研究規(guī)定CO2當(dāng)量為度量溫室效應(yīng)的基本單位，以此計(jì)算CH4的CO2當(dāng)量。所有數(shù)據(jù)作圖主要利用Origin 9.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 若爾蓋高原泥炭地碳收支特征

若爾蓋高原泥炭地的碳收支包括CO2和CH4的凈交換，共同決定著泥炭地生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯功能。圖1是若爾蓋高原泥炭地5-9月凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換（NEE）的日動(dòng)態(tài)特征。由圖可知若爾蓋泥炭地碳匯功能7月最強(qiáng)，即7月＞8月＞6月＞9月＞5月。生態(tài)系統(tǒng)從上午7:00-8:00開始由碳源轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R，中午11:00-13:00碳匯強(qiáng)度最強(qiáng)，下午19:00-20:00 逐漸由碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?若爾蓋泥炭地生態(tài)系統(tǒng)總體上表現(xiàn)為碳匯。圖2是若爾蓋高原泥炭地生長季平均CH4通量的日動(dòng)態(tài)特征。若爾蓋泥炭地生態(tài)系統(tǒng)總體上表現(xiàn)為CH4的排放源，CH4通量日動(dòng)態(tài)總體上表現(xiàn)平穩(wěn)，在上午6:00時(shí)排放量達(dá)到峰值。

圖1 若爾蓋高原泥炭地凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換(NEE)5-9月的日動(dòng)態(tài)特征Fig.1 The diurnal dynamics of net ecosystem CO2 exchange (NEE) of Zoige alpine peatland from May to September

圖2 若爾蓋高原泥炭地生長季平均CH4通量的日動(dòng)態(tài)特征Fig. 2 The diurnal dynamics of averaged CH4 fluxes of Zoige alpine peatland during the growing season

圖3 若爾蓋高原泥炭地碳收支組分特征Fig. 3 Characteristics of carbon budgets for Zoige alpine peatland

通過對(duì)CO2和CH4通量進(jìn)行累計(jì)加和，發(fā)現(xiàn)若爾蓋高原泥炭地總體上表現(xiàn)為碳匯的功能（圖3）。其中，若爾蓋高原泥炭地年總初級(jí)生產(chǎn)力為25 135 kg CO2/hm2，年生態(tài)系統(tǒng)呼吸為22 213 kg CO2/hm2，年凈固定CO2的量為2 922 kg CO2/hm2。若爾蓋高原泥炭地年CH4排放量約為48 kg CH4/hm2，換算成CO2當(dāng)量約為1 163 kg CO2/hm2。因此，若爾蓋高原泥炭地總CO2的排放量為23 375.6 kg CO2/hm2，其中CH4排放的CO2當(dāng)量僅占到了總CO2排放的5%。將若爾蓋高原泥炭地吸收CO2的正效應(yīng)減去CH4排放的負(fù)效應(yīng)，得到若爾蓋高原泥炭地的年凈固碳量為1 759.4 kg CO2/hm2，總體表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳匯功能（圖3)。

2.2 若爾蓋高原泥炭地固碳價(jià)值

利用各碳收支數(shù)據(jù)，綜合CH4氣體的全球增溫潛勢，通過碳稅法計(jì)算得到若爾蓋高原泥炭地凈吸收CO2的價(jià)值為11.50億元(正效應(yīng)價(jià)值)，凈排放CH4的價(jià)值為4.58億元（負(fù)效應(yīng)價(jià)值)。將正負(fù)效應(yīng)進(jìn)行整合，得到整個(gè)若爾蓋高原泥炭地的總固碳價(jià)值為6.92億元(圖4)。

3 討論與結(jié)論

圖4 若爾蓋高原泥炭地固碳價(jià)值Fig. 4 The values of carbon sequestration of Zoige alpine peatland

泥炭地是一種獨(dú)特的濕地生態(tài)系統(tǒng)，由于長期或季節(jié)性淹水所導(dǎo)致的極端厭氧環(huán)境，植被及動(dòng)物殘?bào)w無法完全分解，長期而緩慢的泥炭積累使泥炭地生態(tài)系統(tǒng)中儲(chǔ)存了大量的碳(Kang et al,2017)。泥炭地具有涵養(yǎng)水源、維持生物多樣性、調(diào)節(jié)氣候和大氣組分等重要生態(tài)服務(wù)功能，其中最為重要的是其碳庫的功能和價(jià)值(Kang et al,2017)。目前普遍認(rèn)為未經(jīng)擾動(dòng)的泥炭沼澤為大氣二氧化碳的弱匯(Roulet, 2000; Hao et al, 2011)，是甲烷排放的重要源，占全球自然生態(tài)系統(tǒng)甲烷排放的10%左右(Roulet, 2000)。本研究發(fā)現(xiàn)，若爾蓋高原泥炭地總體上表現(xiàn)為較強(qiáng)的碳匯，其凈吸收CO2的價(jià)值為11.50億元，凈排放CH4的價(jià)值為4.58億元，總固碳價(jià)值為6.92億。龐丙亮等（2014）利用野外實(shí)測的地上生物量、光譜信息得到的遙感植被指數(shù)及植被覆蓋度進(jìn)行回歸擬合并外推，最終計(jì)算得到若爾蓋濕地的固碳價(jià)值為8.21億元。該研究僅考慮了植物通過光合作用所固定的碳，而沒有考慮到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)通過呼吸作用所釋放到大氣中的碳，因此評(píng)價(jià)結(jié)果高于本研究。

近年來，由于氣候變化（溫度急劇升高、降水減少、極端氣候事件）及人類活動(dòng)的雙重影響，若爾蓋高原泥炭地的面積在逐漸減少（王根緒等,2007; Chen et al, 2013;萬忠梅,2013），泥炭地質(zhì)量不斷下降（楊永興,1999)，生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過程發(fā)生了改變（周文昌等,2015），可能導(dǎo)致碳收支失衡，碳匯功能降低（周文昌等，2016），泥炭地的固碳價(jià)值發(fā)生重大變化。本研究沒有考慮到長期氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)固碳價(jià)值的影響，也沒有考慮空間異質(zhì)性的影響，如何通過有效的措施恢復(fù)若爾蓋泥炭地的面積和質(zhì)量，提高其碳匯功能，這些問題將會(huì)在后續(xù)工作中進(jìn)行深入研究和探討。

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