中国草地碳库估算差异性综合分析

王穗子， 樊江文， 刘 帅

(1. 中国科学院地理科学与资源研究所 陆地表层格局与模拟院重点实验室， 北京100101； 2. 中国科学院大学， 北京100049； 3. 农业部草原监理中心， 北京 100125)

随着《联合国气候变化框架公约》和《京都协议书》的推出，全球气候变化和碳增汇减源成为了国际社会广泛关注的焦点。陆地生态系统在全球碳循环中起着重要作用[1]，而草地作为分布最广泛的植被类型之一，是重要的碳汇资源，在热带和温带均有分布，大约占据了陆地面积的20%。其具有保持水土、净化空气、防风固沙、控制温室气体排放的功能，在全球碳循环和对区域气候的变化上具有重要作用[2-3]。

我国草地资源极为丰富[4]，天然草地面积大，占世界草地面积的5.71%～9.34%，蕴藏着全球草地碳的3.59%～15.98%[5-10]，中国草地生态系统面积为陆地生态系统面积的28.97%～47.40%，其植被碳储量占到中国陆地生态系统植被层碳储量的2.65%～13.58%，土壤层碳储量高达12.62%～64.59%[11-14]，表明我国草地碳储量在世界草地碳储蓄积占据重要地位[15-16]，具有相当深厚的碳汇潜力。草地生态系统的碳收支对我国乃至世界陆地生态系统的碳汇功能具有不可替代的意义，也是目前国际地圈-生物圈研究计划碳循环研究中的重要组成部分[17]。

有大量学者对草地生态系统进行了碳蓄积的研究，Atjay等[5]估算全球草地碳储量为761 PgC。Raich等[18]认为全球草地生态系统碳储量约为266.3 PgC，约占陆地生态系统碳储量的12.7%。据WBGU估算，全球草地生态系统碳储量约为1 200 PgC[19]。Ojima等[20]也应用CENTU-RY模型模拟计算了全球7个草地生态区域的土壤表层有机碳含量。近年来国内一些学者也相继开展了我国草地碳库碳汇的研究[21-27]。但是由于采用的草地分类系统、草地面积的不同、估算方法和技术差异，草地生态系统的碳储量和碳汇估算结果存在很大的不确定性。因此，本文综合分析了中国草地生态系统碳储量和碳汇研究中已发布的数据，试图阐述(1)中国草地碳库和碳汇的大小及其变化；(2)中国草地碳蓄积分布格局；(3)中国草地碳储量估算中不确定性因素导致的差异性。以期系统梳理草地生态系统碳库的研究结果，为我国草地生态系统碳循环研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于相关文献以及统计年鉴、草地普查资料等各类数据。选择关键词为：中国(China/Chinese)、草地(grassland)、碳储量(carbon storage/stock)、碳汇(carbon sink)，通过搜索Web of Science和中国期刊全文数据库(CNKI)，筛选出截止2017年前的相关文献。提取每篇文献的中国草地面积、草地生物量碳储量、草地土壤碳储量、碳密度、草地年均碳汇。若文献中数据是以图的形式，则使用软件GetData Graph Digitizer将图形进行数值化后再提取。

1.2 数据分析

采用EXCEL 2016软件对文献中收集到的数据进行初步统计分析，采用SPSS 17.0软件中单因素方差分析(one-way ANOVA)对各研究的中国不同草地类型面积和碳储量进行差异显著性检验。并利用origin 9.1和graphPad Prism5进行制图。

2 结果与分析

2.1 中国草地碳储量及碳汇

由于不同的研究年限、草地分类系统、资料来源、估算方式、采用草地面积的差异和地下生物量数据的缺乏，使得估算出的碳库大小存在较大差异，各研究中采用的中国草地面积为184.67×104～430.66×104km2[28-29]，其中广泛采用的草地面积为331.4×104km2[30-34]。目前各研究中，中国草地生物量碳库的估算范围是900～4660 TgC之间，土壤碳库估算范围是12.4～63.44 PgC，中国草地生态系统碳库大小为14.5～64.46 PgC，几乎绝大部分的碳存储于土壤中。

2.1.1草地植被碳储量 不同研究得到的草地生物量碳库估算值介于900～4 660 TgC，相差4～5倍(表1)。Fang等[29-31]与Piao等[32-33]基于草场普查资料和根茎比、Yang等[34]使用2008年全国草地监测数据和遥感影像、高树琴等[35]通过相关文献结合1∶100万植被图和遥感影像对中国草地生物量碳库进行估算，估算结果较为相近(约1 PgC)。沈海花等[36]整合分析近年资料并结合1982-2011年遥感数据，估算中国草地生物量碳库为2 620 TgC，碳密度为936.8 g C·m-2，研究估算结果高于前面，主要是因为该研究中包括生物量密度较高的草丛和草本沼泽，而未包括生物量密度较低的荒漠植被。Fan等[37]利用1980年中国草地资源资料和2003-2004年野外实测生物量数据估算结果为3 316 TgC，平均生物量密度为1 002 g C·m-2，远高于Fang等人[29-31]和Piao等人[32-33]的估算值，可能由于植物样方里还包括了凋落物和立枯物。Ni等[13,15]根据全球平均生物量碳密度估算中国草地生物量碳库为3 060～4 660 TgC，与Fan等[37]研究结果相近。基于CEVSA模型、DNDC模型、TEM模型估算出的中国草地生物量碳储量分别为3 356 TgC[12]，2 100 TgC[38]和3 150 TgC[39]。如表1所示，草地生物量碳库在估算上存在差异主要是由于草地分类系统的差异、植物样方内的凋落物和立枯物的统计差异及生物量密度估算范围差异。

表1 相关研究估算的中国草地生物量碳库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草地土壤碳储量 土壤碳库是植被碳库的3倍，大气碳库的2倍[40]，是全球碳循环非常重要的组成部分，土壤碳库的变化会改变大气CO2浓度进而影响全球的碳平衡。草地生态系统碳循环的主要过程是在土壤中完成。草地生态系统的碳库主要储存于土壤中，约占草地生态系统碳库总量的90%以上[12-13,31]。基于基础数据和计算方法的差异，不同研究对中国草地土壤碳库的估算结果差异较大，低至12.4 PgC[38]，高至59.47 PgC[39](表2)。Ni等[13,15]基于全球土壤数据库估算出中国草地土壤碳密度为13.20 kg C·m-2，估算得到中国草地1 m深土壤碳库为53.72 PgC，其中可利用草原为41.03 PgC。Xie等[41]根据第二次全国土壤普查数据中2 743个土壤剖面资料，估算出中国草地土壤有机碳密度为15.10 kg C·m-2，高于全球土壤数据库估算出的碳密度值。张利[39]基于第二次全国土壤普查数据和TEM模型得到的土壤碳密度略低于Xie[41]，为14.30 kg C·m-2。Li等[12]采用CEVSA模型预测出草地土壤碳密度为9.99 kg C·m-2，有林草地土壤碳密度为12.76 kg C·m-2。

表2 相关研究估算的中国草地土壤碳库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草地碳汇 碳汇体现为汇集、吸收和固定二氧化碳的能力，是一种过程、活动或机制和贮存库，可以用来表征碳循环过程的一种状态。Fang等[30]根据遥感数据和草地资源普查数据计算出中国草地地上生物量及其时空变化，结合地上与地下生物量比例估算得出1981-2000年中国草地总碳汇为0.127 PgC，年均碳汇7.04 Tg C·a-1。Piao等[16, 33]利用草场资源数据、NDVI、时间序列数据和基于卫星的统计模型，研究显示1982-1999年中国草地生物量年均碳汇为1.01 Tg C·a-1。Fang等[42]采用CASA模型估算出1982-2000年中国草地(包括温带草原、高山草地和萨王纳)净初级生产力增加为7.20 Tg C·a-1。Sui等[43]采用生物地球化学循环模型分析1951-2007年中国草地碳汇，结果得出年均碳汇为7.30 Tg C·a-1。Tian等[44]使用了两种基于过程的生态系统/生物地球化学模型(陆地生态系统模型和陆地生态系统动态模型)研究得出1981-2000年中国草地生态系统生物量年均碳汇5 Tg C·a-1，草地土壤碳汇为22 Tg C·a-1。任继周等[45]采用综合顺序分类法(CSCS)及NPP分类指数模型计算中国草地近50年(1950-2000)和未来50年(2001-2050)空间分布，研究表明1950-2000年我国潜在草地年碳汇潜力773.21 Tg C(潜在草地面积为549.38×104km2)，并估算2001-2050年我国潜在草地年碳汇潜力901.25 Tg C(潜在草地面积为530.40×104km2)。

2.2 草地碳储量与碳汇的变化

根据草地资源普查数据和遥感数据，Piao等[33]发现 1982-1999年中国草地地上生物量碳库显著增加1.01 Tg C·a-1。基于土壤有机碳与NDVI及气候因子建立多元回归统计模型，Piao等[16]估算1982-1999年中国草地生物量有机碳库平均年碳沉积量为7±2.5 Tg C，草地土壤有机碳储量增加6.0±1.0 Tg C/年。有研究表明1961-2013年，中国草地碳平均增长速率为19.4 Tg C·a-1[39]。2000-2007年，中国草地年碳沉积量为71±4 Tg C[38]。由此可见中国草地生态系统仍是一个碳汇。而Yang等[46-47]基于大样本野外测定数据，结果表明，过去20余年中国北方草地和青藏高原草地土壤有机碳没有明显变化。Ma等[48]基于更长时间序列研究表明，1982-2006年中国北方草地生物量碳库增加趋势微弱，平均每年增加0.2 Tg C，但特别在20世纪80年代后期几乎无显著变化趋势。Xie等[41]根据文献综述，估算近20年来中国草地土壤有机碳库的变化，发现大量有机碳的流失。

2.3 中国草地碳蓄积分布格局

目前相关研究在估算草地碳储量和碳汇时主要采用4种草地分类系统，第一种是中国草地普查资料[49]，第二种是中国草地资源图[50]，第三种为中国土地利用图[51]，第四种是中国植被图[52-53]。综合计算相关文献[15,34,37-38, 54]中对中国18个草地类型的碳蓄积估算，得到结果如图1所示。 沼泽的植被碳密度最大(3 kg·m-2)，其次为热性灌草丛类、干热稀树灌草丛类、暖性灌草丛类、低地草甸类、温性草甸草原类，约为1.5～1.6 kg·m-2。土壤碳密度最高的草地类型是高寒草甸草原类、高寒草甸类和山地草甸类，约18.2 kg·m-2。中国草地的有机碳主要分布于高寒和温带地区，高寒地区占中国草地面积32.50%，碳储量为21.15 PgC(占中国草地碳储量的48.76%)，占据中国草地面积34.91%的温带地区碳储量为10.54 PgC(24.30%)。 其中面积占15.21%的高寒草甸类储存了中国草地26.31%的碳。温性草原类和高寒草原类也分别占中国草地总碳储量的10.86%和14.49%。对中国草地总碳储量具有重要作用。高寒草甸类和高寒草原类面积约为中国草地面积的1/4，储存了中国草地土壤中约1/2的碳，说明高寒地区草地碳储量丰富。这两类草原主要位于青藏高原，植被类型极为丰富且年均温低，能缓解土壤有机质的分解速率和增加有机质积累，土壤碳储量巨大[55]。而其他类型草地，包括沼泽、温性荒漠草原类、温带草原性荒漠类、温性荒漠类、高寒荒漠类、高寒荒漠草原类、暖性草丛类、暖性灌草丛类、热带草丛类、热带灌草丛类、干热稀树灌草丛类碳储量只有12.90 PgC，不足草地总碳储量的1/3，尤其是沼泽面积和碳储量都很低。

2.4 中国草地碳储量估算的差异分析

2.4.1中国草地面积估算来源的差异性 按照中国植被图估算得出中国草地面积为280×104km2[36]，336.98×104km2[38]和406×104km2[13]。而根据中国草场资源普查资料估算出中国草地面积差异也较大，最小为298.97 ×104km2[15]，最大达430.66 ×104km2[29]。利用卫星遥感数据估算出的结果也存在较大的不确定性，基于TM和中国陆地卫星影像(1999-2000)估算出中国草地面积为331×104km2[56]。根据2001年MODIS草地覆盖数据得到的中国草地面积为225×104km2[57]。而基于NOAA/AVHRR(8 km)全球植被覆盖数据，得出中国草地面积是263.22×104km2[12]。也可使用模型根据植被和气候关系估算潜在的植被分布[58-59]，Ni等人[58]以BIOME3模型根据当前气候条件、CO2增强气候条件、对植物生理的直接影响的气候情景估算出中国草地面积分别为377.6×104km2，416.9×104km2和357.3×104km2。

图1 不同类型草地碳密度和碳储量Fig.1 The carbon density and carbon storage in different grassland types注：A.各类型草地面积; B. 各类型草地总碳储量; C.各类型草地植被碳密度; D. 各类型草地土壤碳密度Note: A. Area ratio; B. Total carbon storage ratio; C. Vegetation carbon density; D. Soil carbon density

不同的草地分类系统和资料来源会导致草地面积和单位面积碳密度不同，估算的草地面积差异常会导致碳储量估算结果差异较大。中国草地面积估算存在不确定性主要是由于中国植被图、草场普查资料、卫星遥感数据、模型这4种不同类型数据来源引起的。综合分析已有的研究估算结果，中国草地面积为184.67×104～430.66×104km2。不同来源资料所采用的中国草地面积由大到小为：草场普查资料>模型>中国植被图>卫星遥感数据，其中草场普查资料的估算值显著大于卫星遥感数据的估算值(P<0.05)。不同资料来源估算出的中国草地面积均值在274.45×104～355.04×104km2之间(图2)。

图2 不同来源资料的中国草地面积Fig 2 The grassland area of China in different data resources注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Note: different lowercase letters indicate significant difference among data resources at the 0.05 level

2.4.2草地碳库不同估算方法的差异性 中国草地碳库估算方法，目前主要有遥感-植被指数法、全球生物量密度法、实地调查法、模型估算法(图3,表3)。全球生物量密度法的生物量碳储量估值(3.86 PgC)显著大于遥感植被指数法和实地调查法(P<0.05)，其次是模型估算法(2.87 PgC)。遥感-植被指数法得到的数值最小(1.08 PgC)，显著低于全球生物量密度法和模型估算法的到的估值。4种估算方法估算出的草地土壤碳储量，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种估算方法的数值无显著差异。4种估算方法的中国草地总碳储量值之间差异也不显著，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)，且遥感-植被指数法、实地调查法、模型估算法估值均很相近。采用遥感-植被指数法的得到的生物量和土壤碳储量估值差异最小，数值较为接近，而模型估算法得出的土壤碳储量和总碳储量的估值差距最大，该方法得到的数据误差较大。

图3 不同估算方法得到的草地生物量碳储量和土壤碳储量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储量Table 3 The carbon storage of grassland estimated by different methods

生物量碳储量 /PgCBiomass carbon storage土壤碳储量 /PgCSoil carbon storage总碳储量 /PgCTotal carbon storage遥感植被指数法 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实地调查法 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异性 估算草地地下生物量最常见的方法是根冠比，但根冠比数据相对缺乏，因此以根冠比数据估算也会产生很大误差。有研究表明，全球各类植被根冠比数据中约62%都存在问题[60]。Fan等[37]对我国17个不同类型的草地群落进行调查并结合文献记录数据得到根冠比范围在0.99～52.28。Piao等[33]和方精云等[29]根据文献记录得到草地的根冠比，Piao等[33]认为17类草地根茎比范围在0.45～15.68，方精云等[29]得出6类草地类型根茎比平均值为0.38～25。Yang等[61]通过大量的调查分析北方草地根冠比范围为0.4～14.3。各研究中根冠比的范围差异较大，从0.38～52.3。根冠比均值之间差异性也高达两倍，Fan根冠比平均值是Piao的两倍。根据不同研究中的根冠比，得到的地下生物量估值会存在显著差异。

3 讨论

通过综合分析已有的研究结果[12-16,28-39,41-44,54]，得到中国草地生物量碳密度平均值约为623.9 g C·m-2，土壤碳密度均值约为12.22 kg C·m-2，中国草地面积估算均值为324.47×104±57.03×104km2。根据碳密度和草地面积均值进行估算，得出中国草地总碳库约为41.67 PgC(其中草地生物量碳储量为2.02 PgC，草地土壤碳储量约为39.65 PgC)。中国草地碳储量主要集中于高寒草甸类、高寒草原类、温性草原类这几类草原，主要位于中国北部和西部，占中国草原面积38.56%，却储存了大约中国草地土壤51.65%的碳。其中高寒草甸类和高寒草原类主要分布于青藏高原地区，该地区海拔高、温度低，有机质分解缓慢，碳储量较高[62-63]，对全球碳循环具有重要意义。其他草地类型如荒漠、沼泽、山坡等则碳储量较低。中国草地碳储量估算存在差异性，主要是因为草地面积、估算方法的不同。4种不同类型数据来源(分别为中国植被图、草场清查资料、卫星遥感数据、模型数据)导致中国草地面积估算存在不确定性和差异性。中国草地面积估算低至184.67×104km2[28]，高至430.66×104km2[29]。中国草场清查资料中划分了18类植被类型，对草地的定义中还包括了灌木和稀疏乔木的饲用植物地。中国植被图将草地划分为40多种类型，对草地定义是以草本植物占优势的植物群落。遥感资料没有统一的分类系统且缺乏详细的地面验证，故估算出的面积结果具有较大的差异。不同的估算方法中，根据全球生物量碳密度法得到的草地碳储量估值均为最大[15]，但是全球碳密度数据库高度简化了地球上各类生态系统，且不同的植被分类系统，不同的草地类型之间群落结构和物种组成均差异较大，故用此方法来估算中国草地碳库可能会存在较大的误差。实地调查法的数据较为可靠，但实际操作中较难均匀取样，在有限的实地调查中得到的数据来推算整个地区的碳储量也存在较大误差。模型估算法中生物量碳储量估算值较高，且估值差异较大，可能与其模型自身适用性和估算精度有关，获取驱动模型所需的数据也较为困难。遥感-植被指数法结合实地调查法，可以更为准确的反映中国草地碳库的真实情况。而根冠比的不同，同样会导致地下生物量估算存在很大不确定性，可能会大大低估草地生态系统的碳储存能力，亟待更精确的各种草地类型的根冠比数据。

4 结论

中国草地碳库在全球及区域尺度上对全球碳平衡均具有很重要的意义，特别是草原土壤碳库。草地中植物根系庞大，且地下生物量占据很大的比例，草地碳储量的估算具有很大的不确定性，估算面积、草地分类、土壤分类、估算方法、数据收集、土壤采样等均是碳蓄积量估算误差的重要因素。应进一步完善我国草地分类系统和土壤分类的标准和划分依据，进一步完善土壤剖面实测数据，进一步开展地下生物量碳和土壤碳的研究，尽可能获取地下生物量数据，从而准确的评估中国草地生态系统的碳储量，这将对正确认识我国草地在全球碳库的地位具有重要的意义。CO2浓度升高、温度升高、降水格局改变、土地利用变化等都会导致草地有机碳库的变化，目前多只考虑单一因子或部分因子对草地碳库的影响，应开展系统的综合研究，加强多因子对草地碳储量动态变化、退化机理和生态影响的研究，这对草地生态系统乃至陆地生态系统碳平衡具有非常重要的作用。