土地利用变化对生态系统固碳服务影响研究——以内蒙古乌审旗为例

张 靖，李政海，鲍雅静，胡志超，孙 振，周丽娜

(1.大连民族学院 环境与资源学院，辽宁大连116605;2.呼和浩特市气象局，呼和浩特010020;3.内蒙古大学生命科学学院，呼和浩特010021)

自工业革命以来，以CO2为主的温室气体排放的增加，导致了全球气候变化，气候变暖是最明显的特征之一［1］。碳固定作为生态系统所提供的的重要服务之一［2］，对大气中温室气体变化起着重要的调节作用［3］。土地利用是影响碳循环的重要因素之一，其变化所导致的土地覆盖变化往往伴随着大量的碳交换［4］，已经成为仅次于化石燃料的人为碳排放源［5-6］，土地利用的变化对生态系统固碳服务的供给能力产生影响。正因如此，科学界开始重视研究土地利用变化以及不同土地利用方式下的生态系统固碳服务变化情况:如估算我国森林、草地、灌草丛和农田等陆地生态系统的碳汇［7］;分析不同土地利用方式下碳源/汇状况及其强度［8］;建立区域土地利用碳效应综合评估及优化调控的方法［9］;揭示经济发展、土地利用变化与碳排放之间的动态关系［10］等。然而，土地利用变化不仅表现为土地用途转移(如草地转变为农田等)，且包括土地利用集约度的变化(如农业机械化水平的提高等)［11-12］。目前关于区域土地利用集约度变化与区域生态系统固碳服务之间关系的研究较少。但有研究表明，内蒙古乌审旗(相当于县)从上世纪80年代到2010年左右沙地总体上呈现出良性发展态势，植被恢复［13-14］，期间牲畜数量(以羊单位计)持续增加，利用方式从自由放牧转变为人工草场和舍饲结合的畜牧业［15］，这是土地利用集约化的体现。

本文以内蒙古乌审旗为例，使用4期土地利用图，结合实测不同土地利用类型有机碳密度，在InVEST模型支持下，揭示其1987—2012年陆地生态系统固碳服务变化，通过分析土地利用集约度变化对生态系统固碳服务大小的影响，形成一整套碳减排的土地利用政策保障体系，为制定碳增汇的土地利用模式提供科学依据。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究区概况

乌审旗位于鄂尔多斯高原东南部，毛乌素沙地腹地。属温带大陆性气候，年均温6.8℃，年均降水量约350 mm;主要地貌为沙地景观，特点为“梁地、滩地、沙地”相间;土壤以梁地发育的栗钙土，沙地发育的各类风沙土，滩地、丘间低地发育的草甸土等为主;境内分布以本氏针茅(Stipa bungeana)建群的地带性植被，沙丘地上发育的油蒿(Artemisia ordosica)群落和油蒿 -中间锦鸡儿(Caragana intermediaKuang et H.C.Fu)群落等非地带性植被;主要的土地利用为牧业，并存在少量的种植业。

1.2 数据来源及处理

参考《第二次全国土地调查技术规程》并根据乌审旗的地域特征，划分9类土地利用类型(见表1)。畜牧业人工草场和舍饲的增加会导致对天然草地放牧压力的减轻，因此，通过划分3种沙地类型(固定沙地、半固定沙地、流动沙地)以及三者之间面积的转化，表征土地利用集约化的变化;其他的土地利用类型的变化则表征土地用途转移。收集1987年、1997年和2007年的Landsat 5 TM，以及2012年HJ-1A CCD2等多期遥感数据，经过几何校正、波段合成、目视解译来获得4期土地利用图。

各土地利用类型有机碳密度包括植物有机碳和土壤有机碳两部分。根据土地利用类型，2011—2012年分别设置33个调查样地，采样时间为7月中旬至8月下旬。采用样方法获得植物生物量:地上生物量、地上凋落物、地下生物量;在各样方内分层获得地下1 m的土样，并使用环刀法获得各层土壤容重。由于部分土地利用类型缺乏实测数据，这些类型的碳密度来自于相关文献。使用EA3000元素分析仪测定不同植物样品和土壤有机碳含量，经过数据处理后得到该旗各土地利用类型含碳量密度(见表1)。

将处理好的4期土地利用图和各类型土地利用碳密度实测值，在InVEST 3.1.0软件支持下，计算不同时期的陆地生态系统固碳量，在ArcGIS 10.0中通过图层间两两叠加，获得该区不同土地利用碳库增减情况。

表1 不同土地利用类型的植被地上、植被地下和土壤有机碳含量

2 结果与分析

2.1 乌审旗生态系统固碳服务能力变化

以1987年乌审旗有机碳库储量为生态系统固碳服务研究的起点。过去25 a该旗有机碳库变化如图1:1987年有机碳库起始值为44.23 Tg C(1Tg=1×1012g=100万t)，到1997年固碳服务能力降低，有机碳储量减少到最低值(43.52 Tg C)，其后固碳服务供给能力增加，到2012年有机碳库储量达到最大值(45.47 Tg C)，超过1987年有机碳库起始值，有机碳库储量为44.61 Tg C。从各个研究时段碳源/汇变化来看:1987—1997年，有机碳储量减少0.71 Tg C，平均年因固碳服务降低而损失有机碳储量0.07 Tg C;1997—2007年，该旗固碳服务能力降低的趋势得到了抑制并逐渐增强，相对于1997年末有机碳储量增加1.7 Tg C，碳增汇量0.17 Tg·a-1;而2007—2012 年固碳服务增加的趋势降低，碳增汇量仅为0.05 Tg·a-1。

图1 1987—2012年乌审旗有机碳储量变化

2.2 乌审旗土地利用变化对生态系统固碳服务的影响

以固定、半固定及流动沙地所组成的沙地景观是乌审旗的主要的景观类型，三者的面积之和超过乌审旗面积的80%，加之沼泽地有机碳含量较高(面积约占10%)，乌审旗碳源汇变化主要由4种土地利用类型所决定(见表2)。即乌审旗生态系统固碳服务的变化几乎完全受到这4种土地利用变化所影响。

表2 不同年份各土地利用类型面积和有机碳储量变化情况

1987—1997年有机碳库减少主要受沼泽地面积减少的影响，面积减少164.8 km2，损失1.78 Tg C;相反该地区沙地植被的恢复——固定、半固定和流动沙地分布分别增加 222.5 ，283.3，-292.6 km2——并没有抵消沼泽地损失所造成的碳损失，生态系统固碳服务能力并没有恢复到1987年末的状态;至研究时段1997—2012年，随着该地区沙漠化逆转的持续发生(流动沙地减少1 224.8 km2)，以及沼泽地面积的初步恢复(由1997年的9.35%到2012年的9.93%)，生态系统固碳服务能力逐渐恢复甚至超过1987年末，碳汇超过1.24 Tg C。

3 结论与讨论

(1)在1987—2012年乌审旗陆地生态系统碳库储量呈增汇状态，且呈“V”型变化。即研究时段1987—1997年是碳库储量减少阶段，减少0.7 Tg C;研究时段1997—2012年处于碳增汇阶段，相对于1987年增汇1.24 Tg C。生态系统固碳服务供给能力相对于该旗的土地利用集约度的变化结果——沙漠化逆转——有一定的“延迟”。大致以2000年前后分为两个时期:①上世纪80年代到90年代中后期该旗沙漠化扩展趋势得到抑制［13］，沙漠化开始逆转。在此转变过程中该旗固碳服务所固定的有机碳量并没有随着沙地固定面积的扩大而增加，却因沼泽地面积的减少被抵消(见表3)。②1997年以后毛乌素沙地总体上呈现出良性发展态势，植被进一步恢复［14，18］。即1997—2012年，随着沙地持续固定，其所贡献的碳储量增加，以及沼泽地面积的恢复，乌审旗有机碳储量逐渐接近甚至超过20世纪80年代末期，生态系统固碳服务能力增加。说明区域生态环境的保护与建设是一项长期的系统工程，必须做好地区长远规划。

期间，社会经济文化因素的变化:从20世纪80年代开始，该地区实施飞播造林和“三北工程”［19］;自1998年以来的生态环境综合治理、水土保持、退耕还林还草、“禁牧”等生态恢复与生态建设工程［18］;20世纪80年代中期，青贮玉米的推广［20］，牧户逐渐从传统的自由放牧转变成人工草地(玉米)和牲畜的结合的放牧方式［21］等等，共同驱动了1987—2012年乌审旗土地利用和固碳能力的变化。

(2)乌审旗陆地生态系统存在较大的碳增汇潜力。乌审旗陆地生态系统有机碳平均含量为3.89 kg·m-2，低于全国8.01 ～10.83 kg·m-2的平均范围［22-23］。风沙土是该旗主要的土壤类型(有机碳含量仅为2.61 ～4.29 kg·m-2)，低于一些学者估算的中国土壤有机碳含量7.23～19.10 kg·m-2［24-26］，只有沼泽地土壤中有机碳含量在这个范围内(9.40 kg·m-2)。流动和半固定沙地的面积约占全旗的50%，若该部分植被恢复，则可为乌审旗碳库增加6.98 Tg C。

土地利用集约化程度的进一步提高将促进“粗放型畜牧业向集约型畜牧业转变”。牧户通过“以地养地”的形式开垦小部分草地种植青贮玉米发展高效饲草料基地［21］，使牲畜得到充足的高质量草料供应，从而减轻大部分草地的放牧压力。积极发展第三产业，鼓励有经济条件的家庭发展特色旅游业等，转变传统的粗放型土地利用方式为集约化土地利用可以提高土地的固碳服务功能。

沼泽地约占该旗面积的10%，是主要的土地利用类型之一，其有机碳库含量约为乌审旗碳库储量的30%。然而因湿地植被生长较好，对其放牧利用强度往往大于其他区域。自1987年以来，沼泽地面积减少明显。因此，在低湿地保护和恢复过程中，应充分发挥政府管理作用，制定相应的政策，合理引导、限制放牧强度，建立湿地合理利用机制，促进沼泽地的恢复。

［1］SUSAN S.Climate change 2007-the physical science basis:Working group I contribution to the fourth assessment report of the IPCC［M］.Cambridge:Cambridge U-niversity Press，2007.

［2］ MA.Ecosystems and Human Well-Being:Synthesis［M］.Washington DC:Island press 2005.

［3］于贵瑞，王秋凤，刘迎春，等.区域尺度陆地生态系统固碳速率和增汇潜力概念框架及其定量认证科学基础［J］.地理科学进展，2011，30(7):771-787.

［4］ WATSON R T，NOBLE I R，BOLIN B，et al.Land use，land-use change，and forestry:a special report of the intergovernmental panel on climate change［M］.Cambridge:Cambridge University Press，2000.

［5］HOUGTHON R A，HACKLER J L.Sources and sinks of carbon from landuse change in China［J］.Globle Biogeochem Cycles，2003，17(2):1034.

［6］HOUGHTON R.The annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use 1850-1990［J］.Tellus B，1999，51(2):298-313.

［7］方精云，郭兆迪，朴世龙，等.1981～2000年中国陆地植被碳汇的估算［J］.中国科学(D辑:地球科学)，2007，37(6):804-812.

［8］刘英，赵荣钦，焦士兴.河南省土地利用碳源/汇及其变化分析［J］.水土保持研究，2010，17(5):154-157.

［9］赵荣钦，黄贤金，钟太洋，等.区域土地利用结构的碳效应评估及低碳优化［J］.农业工程学报，2013，29(17):220-229.

［10］刘伟玲，张林波，龚斌，等.深圳市土地利用碳排放环境库兹涅茨曲线协整分析［J］.水土保持研究，2013，20(4):172-178.

［11］史培军，江源，王静爱，等.土地利用/覆盖变化与生态安全响应机制［M］.北京:科学出版社，2004.

［12］李秀彬.土地利用变化的解释［J］.地理科学进展，2002，21(3):195-203.

［13］吴薇.近50年来毛乌素沙地的沙漠化过程研究［J］.中国沙漠，2001，21(6):164-169.

［14］刘静，银山，张国盛，等.毛乌素沙地17年间植被覆盖度变化的遥感监测［J］.干旱区资源与环境，2009(7):162-167.

［15］张靖，牛建明，同丽嘎，等.多水平/尺度的驱动力变化与沙漠化之间的关系--以乌审旗为例［J］.中国沙漠，2013，33(6):1643-1653.

［16］丁越岿.毛乌素沙地不同植被类型土壤有机碳库研究［D］.呼和浩特:内蒙古大学，2011.

［17］吕昌伟.内蒙古高原湖泊碳(氮、磷、硅)的地球化学特征［D］.呼和浩特:内蒙古大学，2008.

［18］王玉华，杨景荣，丁勇，等.近年来毛乌素沙地土地覆被变化特征［J］.水土保持通报，2008(6):53-57.

［19］刘玉平.毛乌素沙地的飞播固沙成效［J］.中国草地，1993(3):45-48.

［20］JIANG H.Cooperation，Land Use，and the Environment in Uxin Ju:The Changing Landscape of a Mongolian-Chinese Borderland in China［J］.Annals of the Association of American Geographers，2004，94(1):117-139.

［21］DAI Z.Intensive agropastoralism:dryland degradation，the Grain-to-Green Program and islands of sustainability in the Mu Us Sandy Land of China［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2010，138:249-256.

［22］韩道瑞，曹广民，郭小伟，等.青藏高原高寒草甸生态系统碳增汇潜力［J］.生态学报，2011，31(24):7408-7417.

［23］WU H，GUO Z，PENG C.Distribution and storage of soil organic carbon in China［J］.Global Biogeochemical Cycles，2003，17(2):1-6.

［24］XIE X，SUN B，ZHOU H，et al.Soil Organic Carbon Storage in China［J］.Pedosphere，2004，14(4):491-500.

［25］王绍强，周成虎.中国陆地土壤有机碳库的估算［J］.地理研究，1999，18(4):349-356.

［26］李克让，王绍强，曹明奎.中国植被和土壤碳贮量［J］.中国科学(D 辑:地球科学)，2003，33(1):72-80.