1990-2015年中国草原和荒漠草原的时空变化及其对温室气体的封存潜力

李 楠，崔耀平，张帅帅，刘素洁，付一鸣

（中原经济区“三化”协调发展河南省协同创新中心 / 河南大学黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室，河南 开封 475004）

草地生态系统是地球上分布面积较广的生态系统类型之一，碳储量占全球陆地生态系统的1/3，是一个巨大的碳库[1]，在陆地生态系统碳循环中占据着重要地位[2-3]。中国草地主要分布在东北平原、内蒙古高原、黄土高原、青藏高原和新疆地区[4-8]。其中天然草地总面积约为394.93万 km2，约占国土面积的40%[9]。研究中国草地的变化，并量化其封存的温室气体(GHG)潜量对评估我国草地生态系统的碳储量和气候调节效应均有重要的价值。

在全球气候变化大背景下，Fan等[10]利用文献数据和实测生物量数据估算的中国草地生物量碳库为 3.32 Pg，与 Ni[11]的估算结果 3.06 Pg 差距较大，也远大于Piao等[12]的结果(1.11 Pg)。在中国草地总碳储量(包括植被碳储量和土壤碳储量)方面，李克让等[13]的研究表明，中国草地总碳储量(包括植被碳储量和土壤碳储量)为32.4 Pg，而张峰[14]估算的为14.5 Pg。理论上看，由于草地分类系统、资料来源、估算方法各不相同，不可能有一个统一的结果，实际上，通过搜集前人的研究结果也证实了这一问题，说明在研究草地生态系统的碳储量方面，还没有形成相对统一的研究框架。此外，在全国或区域大尺度上，一直以来，有很多集中在碳封存方面的研究[13, 15]；近年来，生态系统类型承载的其他主要温室气体，如CH4和N2O等也开始被越来越多的学者关注[16-17]。

但是不同温室气体在生态系统中的承载量如何有效地进行大尺度上的量化？这一基本问题依然困扰着研究人员[18-19]。并且，很多相关温室气体封存的研究往往通过分析生态系统承载的有机质储量[20]，或通过地表温室气体的通量[21]，或两者结合起来量化温室气体的量[22]，但这些方法均很难完全量化生态系统承载的主要温室气体的量。Anderson-Teixeira和Delucia[23]针对这个问题，构建了计算生态系统温室气体值 (green-house gas value, GHGV)的模型，细化生态系统每部分的生物量，将生态系统所有植被层与土壤层所含有机质经过燃烧腐殖分解等转化为温室气体(CO2、CH4和N2O)的总量累积值，这也使得量化生态系统封存的温室气体潜量值成为可能。该模型已被用来在全球范围的大尺度上开展模拟研究[24-25]，但尚未被用来在中国范围内开展相应的工作，其实用性或应用潜力如何尚不得知。

综上所述，本研究针对草原、荒漠草原生态系统承载的温室气体变化及其气候调节效应无法有效量化的现状，通过引入国际上较为新颖的GHGV模型，在参数本地化后，结合草原、荒漠草原数据，模拟分析生态系统变化引起的碳储量及温室气体排放效应。该研究可以清晰地阐释和量化中国草原、荒漠草原生态系统的气候调节服务，也可以为草原、荒漠草原管理决策提供数据支持。

1 研究方法和数据

1.1 温室气体值模型

本研究引入Anderson-Teixeira和Delucia提出的GHGV模型来模拟量化CO2、CH4和N2O三大温室气体的值。生态系统的GHGV量化了区域内的植被完全被清除后生态系统与大气之间所发生的所有温室气体的持续交换量(最大量)，是一个把生态系统百年时间段的三大温室气体的气候效应都考虑的量，包括：1)有机物(植被)清除后的温室气体释放；2)生态系统与大气之间稳定的温室气体通量；3)其他扰动引起的温室气体交换。式(1)为模型主要公式，其主要是通过辐射强迫代换将其他温室气体统一转换成CO2来衡量不同生态系统的温室气体释放潜力。

式中：ax是温室气体x有效的辐射效率值1.4 × 104nW·(m2·ppb)-1，= 4.9 × 105nW·(m2·ppb)-1，涉 及 到 CO2、CH4和N2O共3种主要温室气体的辐射率值。是清除 1 hm2生态系统释放的温室气体x。

本研究分别利用参数本地化的全球默认参数开展模拟研究，并对模型结果加以比较。Sx、Ix和GHGV分别对应了草原、荒漠草原生态系统有机质清理后的温室气体 (CO2、 CH4、 N2O)潜在释放量、温室气体净释放量和生态系统温室气体转换为CO2气体后的量值。为便于分析，本研究通过50年的模拟年际结果来对比生态系统Sx和Ix值全球参数模拟结果和本地化参数模拟结果的差异。

1.2 模型输入数据及参数获取

草地数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)的中国土地利用和土地覆被类型数据，空间分辨率为1 km，共有1990年到2015年6期数据，时间间隔为5年1期[28]。本研究同时参考中国1∶100万植被类型图，调整土地利用类型为 USGS(United States Geological Survey)的生态系统标准类型。这里将中国的草原生态系统根据草本植被密度，进一步划分为草原与荒漠草原。

为了有效对比中国草原、荒漠草原生态系统在不同地区的生长分布状况，本研究利用中国综合生态地理分区图，将中国划分为东北区(NEC)、内蒙区(IM)、西北区(NWC)、青藏区(QTP)、华中区(CC)、华东区(EC)和华南区(SC)7个地理大区进行统计分析。

此外，根据模型及研究目标，结合文献[3, 13,28-32]，收集整理了草原、荒漠草原生态系统类型的生物量密度、地表生物量密度、地下根系生物量密度、凋落物/枯枝落叶有机质密度、土壤有机质密度和生态系统CO2年通量等关键参数，并得到最终的本地化参数(表1)。

表1 中国草原、荒漠草原的本地化参数Table 1 Local parameters of the steppe and desert steppe in China

1.3 数据处理

采用ArcGIS10.2处理土地利用和土地覆被类型数据；借助Matlab平台处理数据，并输出重要参数结果；ArcGIS10.2以及Excel进行绘图。

2 结果与分析

2.1 1990-2015 年中国草原、荒漠草原时空变化

从七大地理分区上来看，草原和荒漠草原主要分布在QTP、NWC和IM(图1a)，总面积占全国草原、荒漠草原总面积的82.8%(图1b)；其次为CC和EC，面积占比也均超过了5%；NEC的草地总面积占比为3.7%；草原和荒漠草原分布面积最小的区为SC，一些平原、盆地和丘陵分布着零散的、斑块状的草原(图1a)。

从研究时段来看(图1b)，草原和荒漠草原的总面积从1990年的372万km2减少到了2015年的365万 km2。从变化过程来看，草原和荒漠草原的总面积以1990年最多，且呈现出持续下降的趋势。具体到各区而言，除了QTP的总面积基本维持在169万 km2左右之外，其余各区均呈现下降态势，特别是NEC，25年间的总面积下降了10.24%。

2.2 全球参数和本地化参数的模拟结果比较

两种参数下的模拟结果显示，中国草原生态系统的有机质潜在温室气体释放量Sx在初始时间是最大的，达到 1 995.93 kmol·hm-2，Sx值的衰减速度较快，中国荒漠草原生态系统初始时间的Sx值与中国草原生态系统接近，衰减速度差别也很小。全球温带草原生态系统的初始时间Sx值要小于以上两种中国的生态系统，衰减速度也较慢(图2a)。中国草原生态系统的有机质潜在温室气体净释放量Ix在初始时间是最大的，达到2 030.55 kmol·hm-2，Ix值的衰减速度较快，中国荒漠草原生态系统初始时间的Ix值与中国草原生态系统接近，衰减速度差别也很小。全球温带草原生态系统的初始时间Ix值要小于以上两种中国的生态系统，衰减速度也较慢(图2b)。

比较草原、荒漠草原生态系统，发现中国草原的GHGV在前10年是增长最快的，每年增速达到20.19 Mg·(CO2-eq·hm2)-1，按照前 10 年 GHGV 增长速度排序，依次为中国草原、中国荒漠草原、全球温带草原。可见中国的草原、荒漠草原在GHGV的增长上快于全球平均值，数值上也高于全球平均值。而在后50年里，中国草原、荒漠草原与全球温带草原的GHGV增加趋势都变缓，每年增速都在 0.5 Mg·(CO2-eq·hm2)-1以下。在 100 年分析时间末，按照GHGV大小排序依次为中国草原、中国荒漠草原、全球温带草原(图2c)。整体上将本地化参数带入GHGV模型后，得到的模拟结果虽然与全球相近类型生态系统的模拟结果数据上差别较大，但是在较长的分析时间跨度上的模拟值变化趋势是一致的。

图1 中国草原、荒漠草原生态系统2015年分布情况(a)和总面积变化(b)Figure 1 Distribution of steppe and desert steppe ecosystems in China in 2015 (a) and total area change (b)

图2 中国草原和荒漠草原对应的有机质潜在温室气体释放量(Sx)、净释放量(Ix)及温室气体值(GHGV)年际变化模拟Figure 2 Interannual variations of Sx , Ix , and GHGV corresponding to steppe and desert steppe ecosystems in China

2.3 中国草原、荒漠草原的温室气体封存潜量

在GHGV模型中，CH4、N2O经过辐射强迫值转化为CO2的量值，这个量化指标可以直接将生态系统与温室气体进行等值代换。同时，由于GHGV模型是一个面积变化驱动的模型，因此，可以根据中国草原、荒漠草原的面积变化得到其对应的温室气体的变化量，进而评估其整体的气候调节效应。

全球参数模拟结果显示，研究时间段内中国草原、荒漠草原的温室气体封存潜量分别下降了0.75 和 0.71 Pg·CO2-eq-1，表现为对温室气体的释放。本地化参数的模拟值结果较高，从变化率来看，中国草原、荒漠草原的GHG封存潜量分别下降了1.60%和2.06%(表2)。整体上，中国草原、荒漠草原呈现下降趋势，表明了生态系统类型转换对GHG封存潜力的影响不容乐观。

中国草原、荒漠草原生态系统总的GHGV值保持在 108.0 Pg·CO2-eq-1左右。从 1990 和 2015 年前后两期来看，减少了1.93 Pg·CO2-eq-1，说明多年来中国草原生态系统对温室气体的封存潜力有所减弱。具体到每个区域，GHGV值最大的区域是QTP，25 年来 GHGV 的平均值接近 50 Pg·CO2-eq-1，占比超过46.6%；其次为NWC，其对应的GHGV值 均 超 过 了 22 Pg·CO2-eq-1；IM 的 GHGV 值 也 在14 Pg·CO2-eq-1之上；NEC、EC 和 CC 的 GHGV 值在 4～10 Pg·CO2-eq-1，3 个区域的 GHGV 值也均呈现出一定程度的下降，对应下降的百分比分别为10.5%、1.3%和1.9%；SC的GHGV值最低，在1.5 Pg·CO2-eq-1左右，下降 0.9%(图 3)。

表2 1990和2015年中国草原、荒漠草原碳固定及温室气体封存潜量对比Table 2 Comparison of steppe and desert steppe carbon fixation and potential of greenhouse gas consequences in China in 1990 and 2015

图3 1990-2015 年中国草原、荒漠草原生态系统总GHGV变化Figure 3 Total changes in GHGV in steppe and desert steppe ecosystems in China from 1990 to 2015

3 讨论

3.1 草原时空变化及其影响因素

1990-2015年中国草原、荒漠草原总面积不断下降，受到开垦、鼠害、放牧等因素的影响。由于人口增加以及对粮食需求的增加，部分地区把天然草原当作宜农荒地开垦，致使草原面积不断减少[34]。根据遥感调查，20世纪90年代的后5年，西部地区所减少草原的54.86%转化为耕地，29.80%转化为未利用土地。就各个区域而言，草原退化严重的同时，鼠害草原面积呈不断扩大趋势。1999年，西部地区可利用草原面积占西部草原总面积的81.4%；草原鼠害面积则占可利用草原面积的7.1%。2000年，新疆、内蒙古、青海、甘肃、四川、陕西、宁夏、河北、辽宁、吉林、黑龙江、山西12省(区)草原发生鼠虫害总面积达42.7 万km2[35]。过度放牧也是造成草原面积减少的重要原因。在全世界草原退化总面积中，约有35%是由于过度放牧造成的，就规模而言，远远超过开垦的影响，而适度放牧并维持草原的可持续管理将可以减少碳排放，增加土壤碳储存。

1990-2015年中国草原、荒漠草原的温室气体封存潜量减少也是多种因素互相作用的结果。本研究基于GHGV模型来估算温室气体封存潜量，而此模型受草原面积变化的强烈影响，由于研究时段内草原、荒漠草原面积整体呈下降趋势，温室气体封存潜量也出现相应的减少。同时，本研究没有考虑草原、荒漠草原生态系统中土地利用/覆被类型未发生变化的部分内部参数的差异性(如草原植被低矮稀疏化)造成的GHGV变化，这也是本研究及模型的一个不足之处。

3.2 模型的不确定性分析

不同的研究差异性非常明显，进一步对比国内与全球草原生态系统的参数(图4)，可以方便对后续模型模拟结果进行比较分析。全球参数数据来自GHGV模型默认值，其对应的主要数据源包括国内外学者的研究结果和IPCC 2006年报告数据。其中，在地表生物量密度方面，对国内数据与全球数据进行比较，可以发现中国草原与全球温带草原的地表生物量取值接近，分别为1.6和2.4 Mg·hm-2；中国荒漠草原地表生物量密度也仅有0.39 Mg·hm-2。在地下生物量方面，中国参数要低于全球参数。较全球温带草原与国内生态系统在枯落物参数上的差异，中国草原略高于全球温带草原的生物量密度。全球土壤有机质密度低于中国相近类型生态系统，差值为58.61 Mg·hm-2。将中国生态系统与全球生态系统CO2年均通量进行比较，全球温带草原与中国草原的取值接近，差值仅为 0.86 kmol·(hm2·a)-1。

造成参数差异性的原因是多方面的：一是在参数本地化时，搜集的国内数据已经遇到过数据差距较大的情况[36-38]，且不同区域的草地本身的生长环境和碳储量也有差异；二是国内外对相关生态类型的定义和本研究由土地利用/覆被类型转换而来的生态系统类型也有不同，这也是造成参数差异较大的重要原因。这种差异实际上也反映出全球范围内对草地的研究仍然不够统一。

图4 本地化参数和全球默认参数的比较Figure 4 Localized parameters compared with global default parameters

本研究直接模拟得到的结果是考虑百年尺度下的草地生态系统变化对应的温室气体封存潜力，该模拟结果无法与相关领域其他学者研究成果进行直接对比。但是通过将CO2与C之间的分子量转换，可以求取中国草地变化导致的碳储量变化。为了对GHGV模型有效性进行验证，对本研究与其他学者的草地面积变化及碳储量变化情况进行对比(图5)。

图5 本研究结果与其他学者研究结果的比较Figure 5 Comparison between the results of this study and those of other studies

采用中国科学院资源环境科学数据中心遥感解译数据，测得中国草原和荒漠草原的总面积约372万km2，占全国陆地面积的38%。这个数值稍低于张利等[39]基于中国草地资源清查资料通过数字化处理获得中国草地总面积395万km2，高于方精云等[40]、王穗子等[41]采用的330万km2左右的草地面积。李克让等[13]取草地面积值为263万 km2，Tang等[42]取草地面积值为281万km2，均远小于本研究。说明由于定义或者其他方面的原因，草地面积数据本身就无法有效统一起来，而面积差异往往导致计算结果之间的差异被放大或缩小。

当前关于草地碳储量基于不同的研究，得到的碳储量也有很大区别。部分学者估算的碳储量介于 23.9～ 32.32 Pg[11, 40, 42]， 与 本 研 究 所 求 得 中 国 草原和荒漠草原的总碳储量(29.8 Pg)相接近，而王穗子等[41]根据碳密度和草地面积均值估算得出中国草地总碳库约为41.67 Pg，张利等[39]的研究结果表明，中国草地碳储量为59.47 Pg，均远高于本研究的值。本研究虽然无法明确哪个结果更为准确，但以上的研究对比揭示出当前研究的一些困境和挑战，即在草地生态系统面积及其承载的碳储量值这一最为基本的问题上，众多研究均面临着差异性较大的情况，预期未来研究涉及到CH4和N2O的量值差异性可能更为明显。同时，用模型自带的全球参数和本地化参数两套数据开展模拟研究其实是给出一个GHG封存潜量的区间值。其中，本地化参数模拟结果更多可以对应着国内他人的研究，而全球参数的模拟结果则可以有效地同全球其他区域进行直接对比分析。

4 结论

1990-2015年，中国草原、荒漠草原总面积由371.58万减少到364.87万 km2，共减少6.66万km2，其中草原减少3.43万km2，荒漠草原减少了3.23万km2。东北地区的草原、荒漠草原总面积下降明显，研究时段内下降了10.24%。模型自带全球参数模拟的结果显示，1990-2015年间中国草原和荒漠草原整个的GHG封存量从81.56 Pg·CO2-eq-1下降到 80.10 Pg·CO2-eq-1，封存总量减少了 1.8%；而本地化参数模拟的中国草原、荒漠草原生态系统的1990和2015年的总封存量分别为109.26和107.33 Pg·CO2-eq-1。两套不同参数均显示出草原、荒漠草原生态系统在近25年间的GHG封存潜量有所下降。

本研究所用的模型参数和模拟结果与他人的结果值差异非常明显，尽管如此，本研究首次尝试对中国区域的草原、荒漠草原生态系统的GHG封存潜量进行了研究。事实上，由于中国生态系统类型复杂以及长期人类活动干扰等因素，对全国草地碳储量这一基础问题的研究尚且遇到很多困难性，更不要说对主要温室气体方面的研究。因此，未来需要在一个统一框架下，进一步来细化生态系统内部的参数差异，并考虑收集遥感数据来提升研究精度。此外，模型本身采用的辐射强迫参数数据在时间序列上为一组固定的数据值，也需要进一步来完善。