内蒙古草原生态安全屏障建设的核心是维持碳库稳定

摘  要：草原是内蒙古最大的生态系统碳库，土壤是有机碳库的主体。由于“三化”（退化、沙化、盐碱化），内蒙古草原已成为重要碳源。本文基于把内蒙古草原建设成为中国北方重要生态安全屏障和国家重要畜产品生产基地总要求，立足于碳达峰碳中和目标任务，阐述了内蒙古草原的基本生态特点，提出内蒙古草原生态安全屏障建设的核心是维持草原碳库稳定，根本途径是发展生态草牧业。

关键词：草原碳库     碳达峰碳中和     土壤有机碳     碳汇     碳库稳定     生态草牧业

草原是内蒙古面积最大的陆地生态系统，是巨大的碳库，其生态调节功能、碳平衡功能、生物多样性保护功能和水源涵养功能是建设北方生态安全屏障的基本前提；草原的畜牧业生产资料功能和系统开放延伸功能，是建成国家重要畜产品生产基地、构建完整产业链的保证。然而，以畜牧业经济为主体的内蒙古草原如今整体上是处于荒漠化状态的生态系统，而长期的过度利用和近年来愈演愈烈的气候变化，恰恰是草原荒漠化的主要因素。草原“三化”（退化、沙化和盐碱化）意味着碳库中碳的流失，“三化”越重，碳的流失越多，结果使草原生产潜力大量丧失，由碳汇变成碳源。这不仅是建设生态安全屏障中必须面对的现实难题，也是建设重要畜产品生产基地不得不应对的关键挑战。不同于国内国外其他区域的草原，内蒙古草原有其特有的自然禀赋和利用特点，应遵循其本身的内在规律，充分发挥碳库效应，努力维持草原碳库增量稳定，遏止碳源，形成补汇，争取早日恢复碳汇功能。实际上，内蒙古草原生态安全屏障建设的核心是稳定碳库，途径是发展生态草牧业。

一、草原是内蒙古最大的生态系统碳库

据测算，目前中国草原生态系统总碳储量约为427.3×108t，约占世界草地总碳储量的7.5%；也有人认为这个数据应是大约300×108-400×108t。对内蒙古草原的碳库量还没有准确的测定，有学者认为内蒙古是中国草地植被碳库最大的省份。如果按全国草原平均水平的一半及草原面积占比（20%）进行估算，为约30×108-40×108t。周杰等统计的内蒙古草地碳库总计为43.93×108t，其中包括地上生物量碳库约0.29×104t，地下生物量碳库约2.53×108t，土壤有机质碳库41.11×108t。由于北方温性草原植被具有“一岁一枯荣”的特点，加上食草动物的消耗，地上部分的碳储量很少且不稳定。Yongfei Bai和Francesca Cotrufo综述了全球草地碳库，认为草地储存了陆地生态系统有机碳总量的34%，其中约90%的碳储存在植物根系和土壤中。一般情况下，土壤碳库的碳储量可以根据土壤碳密度和植被的生长量进行直观测算，更多的是观测植被的碳库量。哈琴等在赛罕乌拉自然保护区选择了6个草地类型，进行了土壤50cm层及之上植被碳密度测定，并与世界主要温性草原植被碳密度进行了比较，证明了碳分配主要集中在地下碳库。赛罕乌拉自然保护区草地植被地上部分与北美草原相近而低于欧洲和俄罗斯草原，地下部分和总量则远高于三者。实际上，内蒙古草原的自然条件与北美草原近似，劣于欧洲和俄罗斯草原。赛罕乌拉之所以有较高的平均碳密度，主要是由于保护区多年保护的结果。这说明了植被保护对草原碳库量增加的重要性。草原土壤碳库的形成和积累是一个漫长的历史过程，影响因素很多。尽管受到严格保护，但由于受到气候因素不稳定的影响，草原形成碳汇也是困难的。人们往往通过草原植物的生物量来折算当年的碳固定量，当成是草原碳汇量，这是不准确的。王瑞利等在赛罕乌拉自然保护区与上述相同的草原类型上，应用DNDC模型模拟了1961-2015年间的植被碳储量年度动态，地上和地下碳储量分别占9.2％和90.8％；研究时段内31％年份表现为碳源；在自然保护区设立后的19a中，有7a表现为碳源。虽然植被地上部分碳储量占比较低，但地下碳储量则全部由地上的合成作用转化而来，在干旱等气候条件下，往往表现为“入不敷出”。在非保护的状态下，又经常有持续放牧和割草等干扰的草原，很难形成碳汇。

草原的土壤碳库主要以有机碳的形态存在于土壤有机质（如腐殖质、动植物残体和微生物体等）中，包括非活性有机碳和活性有机碳。非活性有机碳主要是有机酸类和腐殖酸等化合物，化学性质稳定，常称为难分解有机碳和惰性有机碳，是碳汇形成的标志性物质。活性有机碳是土壤有机碳的活性部分，有机质易被土壤微生物分解而使碳释放（碳源之一），主要包括微生物生物量碳、轻组有机质碳、易矿化的碳水化合物碳等。只有土壤有机质足够多，在满足自身肥力需求的情况下，把更多的活性有机碳转变为非活性有机碳，减少非活性有机碳的逆转，土壤碳库才是稳定的。因此，可以把以非活性有机碳构成的碳库称为持久性碳库，而把以活性有机碳构成的碳库称为短时性碳库。草原土壤有机碳始终处于非活性有机碳和活性有机碳的相互转换过程中，土壤碳库也是在不断碳输入（固碳）和碳输出（释碳）过程中保持相对平衡，即所谓碳汇和碳源的動态平衡。碳汇和碳源既表示动态过程，又表示状态结果，任何时候只有当草原生态系统碳固定量减去碳释放量是正值时，形成碳固定增量，才有补汇或增汇过程。在草原气候顶极状态下的稳定植物群落并有适度干扰，土壤有机碳的输入量与分解输出量会达到平衡，此时的土壤碳库接近于最大值，看成是草原可以实现的碳储存潜力值，代表着原始状态的碳库水平，可称为碳库高端平衡。在荒漠化状态下植物群落，土壤碳库量远低于最大值，即使碳的输入量与输出量达到暂时平衡，也是不稳定的，可称为碳库低端平衡。从低端平衡到高端平衡之间碳库量的差值属于土壤碳汇亏缺，补亏的过程是补汇过程。补汇是把已经释放到大气中的碳回收固定并存入碳库，并没有形成碳汇增量。在碳库高端平衡状态下，碳库也并不会完全饱和，土壤非活性有机碳仍在缓慢增加，这部分增加量才真正进入碳汇，形成碳汇增量。正常情况下，草甸土壤为黑色，草甸草原土壤为暗栗色或黑色，典型草原土壤为淡栗色至暗栗色，荒漠草原土壤为棕色，表明碳库处于或接近高端平衡状态，非活性有机碳越丰富，颜色越深；当土壤颜色变浅，说明已经是碳源。如果土壤沙化，颜色变成沙黄色，表明土壤碳已经释放殆尽。

二、荒漠化使内蒙古草原成为重要碳源

内蒙古草原整体上属于自然生态的脆弱区，气候变化的敏感区，能源利用的低效区，抵御干扰的弱弹区，资源消耗的超支区，这决定了对其保护要严，利用要轻，投入要大。而长期的过度利用干扰或者掠夺式经营，很容易形成草原荒漠化，这已经被无数的事实所证明。据2010年全区草原资源调查，内蒙古“三化”草原面积占草原总面积的60.98%，较21世纪初有所减少。对退化草原的调查统计，虽然有国家标准，但在操作中更多地是进行横向比较，把基况较好、土表受到破坏较少的草原都划入正常，较少与历史状态进行严格比对，从而低估了“三化”面积。李毓堂在20世纪80年代初统计，全国草原严重退化面积占总面积的1/3，仍在以每年200×104 hm2的速度扩展；各类草场产草量在上世纪60年代到70年代的20a内下降30%-50%，牧草质量大幅下降，而投入却极低；呼伦贝尔草原产草量减少了65%，由60年代初的2550kg/hm2降低到80年代初的900kg/hm2。中国在20世纪90年代之前的40a，草原投入平均每年仅有0.3-0.45元/hm2，而同期的产出是投入的50倍。虽然单位面积产出量很低，但同投入的比例过于悬殊，是真正的掠夺式经营。由于20世纪70年代以来的草原加速荒漠化和生物量降低，内蒙古草原目前的碳库属于亏缺碳库。荒漠化使土壤有机质降低，相关联的生物量减少。内蒙古草原正常状态的土壤有机质含量一般是草甸草原5%-7%，典型草原3%-5%，荒漠草原2%-3%；草甸都在7%以上，荒漠在1%以下。如今这些数值基本上仅存一半，也就是一半的碳已经流失；生物量降低表明碳固定能力下降，在利用强度不降低的情况下，碳释放会持续增加。以此推算，草原亏缺的土壤有机碳量大致与现存的量相当，约需补汇30×108-40×108t。草原被开垦，碳损失量也是巨大的。内蒙古草甸草原植被下的黑钙土不同层次有机碳含量因农垦分别损失34％-38％，主要发生在0-35cm处。

社会上不少人认为草原是碳汇，会大量吸收工业排放的温室气体，这种观点无疑是错误的。仅仅计算草原每年固定CO2的量，而忽略了土壤呼吸排放的量以及被动物采食后形成的生物损失量和由低温室效应气体（CO2）转化成高温室效应气体（CH4和N2O）的排放量，很容易对草原今天的固碳作用形成误导。事实上，荒漠化的普遍发生，已使内蒙古草原成为重要碳源。在中度和重度荒漠化的草原上，已经释放或流失的碳量不会低于现有库封存的量。如果是由于放牧过重造成的草原退化，不仅使土壤呼吸加重而造成CO2损失加快，还会通过动物的体内消化转换，排放更多的CH4和N2O，放大系统的增温效应。据IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）测算，如果把CO2的温室效应看成是1个当量，则同分量的CH4是25个，N2O是298个。在一定区域的草原放牧生态系统内，只有当植物当年合成固定的生物量碳的CO2当量数大于系统排放的CO2、CH4和N2O的CO2当量数时，草原才真正实现补汇和增汇，否则，就是碳源（图）。在這个系统中，动物采食碳包括家畜（最多）、野生动物和昆虫等，输出系统的碳主要是家畜活体和畜产品碳。放牧越重，不仅采食量越大，形成CH4和N2O的量越多，还促进微生物分解活动，排放更多的CO2。当然，动物粪便也有很大一部分返还到土壤，成为土壤有机质；如果考虑放牧刺激植物进行补偿性生长和消耗持久性碳库，这个关系将会更加复杂。这方面的研究至今还很薄弱。

所以，草原荒漠化不能仅看释放了多少CO2，而应该重视释放的CO2当量。例如，1头体重400kg的成年牛每天采食8kg干草，相当于消耗14.68kg CO2。牛的呼吸每天排放600 L CO2，相当于1.17kg；排放350 L CH4，重量为0.25kg，相当于6.25kg CO2当量。干草的消化率按60%计算，每天排出的粪便约3.2kg，加上排泄的尿，根据贮藏条件的不同，产生不同量的N2O。放牧状态下，粪尿都是草地露天排放，同时产生CO2和N2O。牛每天的体增重也固定大量碳，会随着牛的出售或产品出售而转移出草原，量也是很大的。只有当所有排放和转移的CO2当量小于每天同面积草原CO2固定量，才有可能形成补汇和增汇。这在内蒙古草原上是比较困难的，因为家畜每天的消耗和碳排放几乎是常数，而草原牧草的生产只在暖季进行。如果不能根本扭转草原荒漠化状况，不对目前草原土壤碳库加以严格保护，不能采取措施形成补汇局面，草原碳中和的效应就会是负面的。所以，应该创造一切有利条件，使草原每年新形成的有机物在经过所有的消耗后有盈余并进入碳库，把短时性碳库转变为持久性碳库，形成补汇。草原生态安全屏障建设的核心材料是土壤有机碳；要抓的主要矛盾，是遏止碳源过程，增加补汇量；根本任务是为碳达峰碳中和做出应有的贡献，起“缓冲器”作用。草原碳库量持续增加的过程，实际上体现的就是生态安全屏障逐渐筑牢的过程。

三、维持碳库稳定是内蒙古草原生态屏障建设的核心任务

于贵瑞等在梳理了全球、全国碳达峰碳中和现状的基础上，提出实现碳达峰碳中和目标必须应对的严峻挑战，探讨了中国实现这一目标的行动方略、技术途径与科技支撑。在具体实施方面，在草原上简单地进行围栏、补播、改良等措施，并不一定能形成碳汇，因为这些措施在固碳的同时，释碳的增加更值得考虑。在人为管理措施对生态系统碳汇效应（管理措施实施后的固碳速率）的影响及其定性评价中，人们习以为常的草原管理措施，包括天然草地封育、退耕还草、退化草地恢复措施、多年生混播草地建植、高产人工草地建植、合理控制放牧强度和划区轮牧/延迟放牧，除了退耕还草外，其他措施被IPCC承认度（该项管理措施是否能在目前IPCC清单编制中使用）都是“否”，主要因为这些措施在促进草地固碳的同时，也增加了释碳的风险。

影响土壤碳储量和碳库稳定的因素主要是高强度放牧和气候变暖。而在此背景下，维持草原碳库稳定的根本途径是发展生态草牧业。这除了积极鼓励发展碳排放少的非畜牧产业外，要严格控制放牧和割草对草原的利用强度。从科学利用的角度考虑，控制草原放牧场的载畜率和割草场的割草频次与留茬高度，是保护草原的核心措施。国外学者对放牧强度与根系生长量和分布深度的关系都做过长期观测研究，如果草原植物地上部分被采食掉少于50%，对根系影响很小；当被采食70%，一半的根系停止生长超过2周，根系分布变浅；当被采食90%，所有的根系都停止生长超过2周，根量大量减少。如果是采食较多，又过于频繁，或者是在开花结实期被大量采食，植物只有死亡。所以，要大力发展生态草牧业，积极应对气候变化。当然，必须依靠法治和科技进步，并做好科普宣传，使全社会对维持草原碳库稳定性的极端重要性有充分认识。

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（作者单位：内蒙古农业大学草原与资源环境学院）

责任编辑：张莉莉