張　靖，同麗嘎，李政海,*，鮑雅靜，孫　振，胡志超，周麗娜

1 大連民族大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，大連　116600 2 包頭師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，包頭　014030 3 內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特　010021 4 呼和浩特市氣象局，呼和浩特　010020

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內(nèi)蒙古烏審旗有機(jī)碳庫(kù)變化及其增匯調(diào)控途徑

張靖1，同麗嘎2，李政海1,*，鮑雅靜1，孫振3，胡志超4，周麗娜3

1 大連民族大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，大連116600 2 包頭師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，包頭014030 3 內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010021 4 呼和浩特市氣象局，呼和浩特010020

摘要:干旱區(qū)面積占陸地總面的積30%—40%，在全球碳循環(huán)過(guò)程中占有十分重要的地位。以烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)該區(qū)域1977—2012年間半灌木及草本植被、草甸與沼澤、鹽生植被等幾種主要植被和土壤有機(jī)碳密度進(jìn)行調(diào)查，在InVEST碳儲(chǔ)與吸收模塊支持下，結(jié)合5期植被類(lèi)型圖，估算了該旗有機(jī)碳儲(chǔ)量；并以2012年為基準(zhǔn)年，采用8種不同的土地利用情景，對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)碳增匯潛力進(jìn)行估算，并提出適應(yīng)該旗地域特點(diǎn)的碳增匯調(diào)控途徑。結(jié)果表明：在1977—2012年35 a中，烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量呈“V”型變化，平均碳庫(kù)為47.38 Tg C，1977—1997年為有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量減少階段，減少1.68 Tg C，1997—2012年為有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量增加階段，增加0.80 Tg C；通過(guò)情景分析表明，烏審旗沙地生態(tài)系統(tǒng)存在較大的碳增匯潛力，增加森林植被覆蓋度、轉(zhuǎn)變土地利用方式、濕地保育等措施是適宜該地區(qū)有效的碳增匯途徑。通過(guò)該研究，以期為權(quán)衡生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、為形成適合該地區(qū)的碳增匯調(diào)控途徑和措施提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碳增匯；調(diào)控途徑；情景分析；InVEST；烏審旗

Analysis of organic carbon sink increment and management in Uxin Banner,

干旱區(qū)面積占陸地總面積30%—40%，不僅是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，而且在全球碳循環(huán)過(guò)程中占有十分重要的地位[1]，超過(guò)全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的20%存儲(chǔ)在干旱區(qū)[2]。嚴(yán)酷的自然條件和頻繁的人類(lèi)活動(dòng)，使得原本敏感而脆弱的生態(tài)系統(tǒng)面臨著退化的威脅[3]，將“植物—土壤”連續(xù)體中所固定的碳以CO2的形式釋放到大氣中[4]。特別是在未來(lái)全球氣候變化的背景下，干旱區(qū)面積可能會(huì)擴(kuò)大，將對(duì)全球碳平衡和氣候變化產(chǎn)生更深遠(yuǎn)影響[5]。由于地域的特殊性，干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫(kù)變化常常表現(xiàn)出和濕潤(rùn)區(qū)截然不同的變化特征，如在濕潤(rùn)區(qū)人類(lèi)的土地利用通常會(huì)導(dǎo)致碳匯損失[6]，而干旱區(qū)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)通常被認(rèn)為是碳匯過(guò)程[7]。目前，對(duì)干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)儲(chǔ)量變化的研究多集中在：估算干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化[8- 10]，研究不同環(huán)境因素對(duì)干旱區(qū)碳循環(huán)的影響[11]、模擬不同氣候變化情景下碳匯效應(yīng)[12- 13]、分析土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫(kù)的影響[7, 14]等方面，但對(duì)如何促進(jìn)干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳增匯方面研究相對(duì)較少。

毛烏素沙地從20世紀(jì)80年代末沙漠化擴(kuò)展的趨勢(shì)得到抑制，植被覆蓋狀況恢復(fù)明顯[15]，那么該地區(qū)有機(jī)碳貯存量發(fā)生了怎樣的變化，其陸地生態(tài)系統(tǒng)是否存在碳增匯的潛力，主要的增匯途徑如何。本文以烏審旗為研究區(qū)，在揭示該旗有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量變化特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)設(shè)定不同土地利用變化情景，對(duì)該地區(qū)碳增匯潛力進(jìn)行分析。以期為形成適合該地區(qū)的碳增匯調(diào)控途徑和措施提供科學(xué)依據(jù)，為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳增匯技術(shù)和對(duì)策研究這一科學(xué)問(wèn)題提供理論補(bǔ)充。

1數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.1研究區(qū)概況

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

對(duì)烏審旗有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量的估算包括植被有機(jī)碳庫(kù)和土壤有機(jī)碳庫(kù)兩部分。2011—2012年分別設(shè)置33個(gè)調(diào)查樣地，采樣時(shí)間為7月中旬至8月下旬。草本植物樣方獲得植物分種地上生物量、地上凋落物，使用根鉆法獲得地下生物量；灌木樣方則測(cè)量灌木高度、冠幅，采用標(biāo)準(zhǔn)株的方法，計(jì)算樣方內(nèi)生物量，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)株法得到地下生物量。在各植被樣方內(nèi)分層獲得地下1 m的土樣(0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—60 cm、60—100 cm)；使用環(huán)刀法獲得各層土壤容重。使用EA3000元素分析儀測(cè)定各種植物和不同土壤類(lèi)型有機(jī)碳含量。由于部分植被類(lèi)型樣方只有地上生物量(面積約占烏審旗總面積的13.89%)，本文從相關(guān)文獻(xiàn)中查閱根莖(根冠)比例系數(shù)，并使用系數(shù)0.45將生物量轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳量[16]；從文獻(xiàn)中獲得部分缺乏的土壤有機(jī)碳密度值。烏審旗植被類(lèi)型含碳量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　不同植被類(lèi)型的植被地上、植被地下和土壤有機(jī)碳含量

平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；a： 根莖比例系數(shù)為0.51[17]；b： 根莖比例系數(shù)3.95[18]；c: 土壤有機(jī)碳含量來(lái)源于鄭姚閩[19]；d: 農(nóng)田土壤含碳量數(shù)據(jù)來(lái)源于丁越巋[20]；e: 根據(jù)呂昌偉的水體碳密度(0.64×104μmol/L)計(jì)算而來(lái)[21]；f: 本文認(rèn)為城鎮(zhèn)村土壤碳儲(chǔ)量與流動(dòng)沙地相同

收集1977年Landsat 3 MSS，1987年、1997年和2007年的Landsat 5 TM，2012年HJ-1A CCD2等多期遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)幾何校正、波段合成，目視解譯獲得5期植被覆蓋圖(解譯過(guò)程中參考1987年《烏審旗植被圖》，植被類(lèi)型見(jiàn)表1，該表同時(shí)包括植被類(lèi)型和土地利用/覆蓋類(lèi)型兩種分類(lèi)系統(tǒng))。將處理好的植被類(lèi)型圖與各植被類(lèi)型碳密度實(shí)測(cè)值，應(yīng)用InVEST 3.1.0軟件的碳儲(chǔ)與吸收模型，計(jì)算不同時(shí)期的陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳量。

1.3碳庫(kù)變化情景分析

情景預(yù)測(cè)使用IDRISI Selva軟件的CA-Markov模型，其綜合了約束性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(Constrained Cellular Automaton)及馬爾可夫鏈模型(Markov)的優(yōu)點(diǎn)，提高傳統(tǒng)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型的模擬精度。各情景均以2012年為基準(zhǔn)年，模擬終期為2050年。情景1，各植被類(lèi)型面積變化根據(jù)2007—2012年Markov模型生成的面積轉(zhuǎn)移矩陣發(fā)展變化。情景2，當(dāng)?shù)卣?zhēng)將森林覆蓋率提高到26%，森林植被包括：人工林群落，臭柏群落，檸條、油蒿群落和沙地柳灣林。為了研究該地區(qū)沙漠化變化情況對(duì)有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)，采用了土地覆蓋變化極值的形式設(shè)計(jì)了情景3—情景6：情景3(沙漠化逆轉(zhuǎn)1)，組成半固定、流動(dòng)沙地的植被全部轉(zhuǎn)變成固定沙地植被；情景4(沙漠化逆轉(zhuǎn)2)，組成半固定、流動(dòng)沙地的植被50%面積轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭ㄉ车刂脖?；情?(沙漠化擴(kuò)展1)，組成固定、半固定沙地的植被全部轉(zhuǎn)變成流動(dòng)沙地的植被；情景6(沙漠化擴(kuò)展2),固定、半固定沙地的植被50%面積轉(zhuǎn)變成流沙地植被。低濕地植被面積約占烏審旗總面積的10%，因此本文設(shè)計(jì)了情景7(低濕地植被面積增加100%)和情景8(低濕地植被面積減少100%，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)沙地植被)，考慮低濕地變化對(duì)有機(jī)碳庫(kù)的影響。應(yīng)用InVEST 3.1.0軟件的碳儲(chǔ)與吸收模型，計(jì)算不同情景下烏審旗的陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳量。

2結(jié)果

2.1烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)儲(chǔ)量變化

以1977年烏審旗生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量為碳增匯研究的起點(diǎn)。過(guò)去35 a該旗機(jī)碳庫(kù)變化如表2所示。1977年有機(jī)碳庫(kù)起始值為47.58 Tg C，經(jīng)1987年減少(47.01 Tg C)，到1997年有機(jī)碳儲(chǔ)量減少到最低值(45.90 Tg C)，其后有機(jī)碳儲(chǔ)量開(kāi)始增加，到2012年達(dá)到最大值(48.38 Tg C)，平均有機(jī)碳庫(kù)是47.37 Tg C。從各個(gè)研究時(shí)段碳匯年變化來(lái)看：

本文通過(guò)對(duì)1983 年至2018 年，CNKI 檢索到的關(guān)于中文分詞的文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和綜述工作，得到了關(guān)于年度、項(xiàng)目、機(jī)構(gòu)和主題的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，綜述了關(guān)于中文分詞的算法、歧義詞、未登錄詞和分詞系統(tǒng)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，最后總結(jié)了研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1977—1987、1987—1997年，有機(jī)碳儲(chǔ)量分別減少0.06 Tg C/a和0.11 Tg C/a，變化相對(duì)平穩(wěn)。有機(jī)碳儲(chǔ)量減少1.68 Tg C，有機(jī)碳庫(kù)減少區(qū)域?yàn)?502.48 km2，碳庫(kù)增加區(qū)域1424.60 km2。1997—2007年碳匯增量變化較大，年均增匯0.21 Tg C，增匯現(xiàn)象明顯；而2007—2012年碳匯增量減弱，為0.08 Tg C/a，碳庫(kù)儲(chǔ)量相對(duì)于1977年增加0.80 Tg C。期間碳庫(kù)減少區(qū)域1160.40 km2，碳庫(kù)增加區(qū)域2176.41 km2。

2.2烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)碳增匯潛力分析

不同發(fā)展情景下烏審旗有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量如圖1所示：情景1、2、3、4、7的烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳匯都超過(guò)2012年參考情景，其中情景7(低濕地植被面積增加)有機(jī)碳庫(kù)增量最為顯著，其次為情景3(沙漠化逆轉(zhuǎn)，固定沙地面積增加)，兩者分別較2012參考年有機(jī)碳庫(kù)增加13.40 Tg C 和6.98 Tg C；情景5和6是沙漠化擴(kuò)展情景，情景8是低濕地植被面積減少情景，這3個(gè)情景相對(duì)于2012參考年有機(jī)碳庫(kù)減少量分別為10.37 Tg C、4.98 Tg C和12.10 Tg C。

一切如常情景(情景1)，有機(jī)碳庫(kù)較2012參考年增加0.41 Tg C；在情景2中(政策情景)，烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)有了明顯的增加，較情景1和2012年分別增加1.59 Tg C 和2.00 Tg C；沙漠化逆轉(zhuǎn)情景(情景3和4)，相對(duì)于情景1有機(jī)碳庫(kù)增加6.57 Tg C和4.33 Tg C，而沙漠化擴(kuò)展情景(情景5和6)，有機(jī)碳庫(kù)量相對(duì)于情景1減少10.78 Tg C和5.39 Tg C；當(dāng)?shù)蜐竦孛娣e增加1倍(情景7)或全部消失時(shí)(情景8)，其有機(jī)碳庫(kù)量較情景1分別增加12.99 Tg C和減少12.51 Tg C。

3討論

3.1烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量特征

根據(jù)研究結(jié)果，烏審旗不同植被類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量差異較大，除低濕地和鹽生植被的有機(jī)碳密度超過(guò)或接近1 kg C/m2、人工林群落有機(jī)碳密度較高外(0.62 kg C/m2)，其他類(lèi)型的植物群落有機(jī)碳密度較少。該旗植被平均有機(jī)碳含量為0.31 kg C/m2，略低于我國(guó)草地植被單位面積有機(jī)碳密度0.32—0.35 kg C/m2[16, 22]，遠(yuǎn)低于中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)平均有機(jī)碳密度1.47 kg C/m2[23]。風(fēng)沙土是主要土壤類(lèi)型(固定沙地的風(fēng)沙土有機(jī)碳含量?jī)H為3.51—4.86 kg C/m2之間)，都低于一些學(xué)者得出的中國(guó)土壤有機(jī)碳含量7.23—19.10 kg C/m2[23- 25]，只有草甸與沼澤植被土壤中有機(jī)碳含量在這個(gè)范圍內(nèi)(13.62 kg C/m2)。烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳平均含量為4.06 kg C/m2，低于全國(guó)8.01—10.83 kg/m2的平均范圍[26- 27]。該旗流動(dòng)和半固定沙地的面積約占全旗的50%，若該部分植被恢復(fù)，則可以為烏審旗碳庫(kù)增加6.98 Tg C，表明烏審旗沙地生態(tài)系統(tǒng)有著一定的碳增匯潛力。

表2　不同年份各植被類(lèi)型面積和有機(jī)碳儲(chǔ)量變化情況

圖1　不同發(fā)展情景下烏審旗有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量Fig. 1　The organic carbon storage of Uxin under different scenarios

總體來(lái)說(shuō)，烏審旗有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量變化與其沙漠化變化的趨勢(shì)基本吻合，且呈“V”型變化。研究表明，20世紀(jì)90年代后烏審旗土地沙漠化發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，人為因素延緩氣候作用，并促進(jìn)該地區(qū)植被的恢復(fù)[15]，進(jìn)而提高了區(qū)域有機(jī)碳儲(chǔ)量。本研究顯示1977—1997年該旗有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量減少，主要因?yàn)樯车匕牍嗄炯安荼局脖缓筒莸榕c沼澤植被面積減少所致，此階段沙漠化擴(kuò)展加?。捍绮轂┘昂滩轂?面積減少106.69 km2，有機(jī)碳庫(kù)減少1.63 Tg C)、固定沙地上的油蒿群落(面積減少120.93 km2，有機(jī)碳庫(kù)減少0.52 Tg C)、芨芨草灘(面積減少36.68 km2，有機(jī)碳庫(kù)減少0.23 Tg C)、油蒿、苦豆子、牛心樸子群落(面積減少32.05 km2，碳庫(kù)減少0.12 Tg C)。1997—2012年有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量增加階段，其中1997—2007年碳匯增量變化較大，增匯現(xiàn)象明顯。其主要原因是流動(dòng)沙地植被面積(共減少1224.80 km2)、固定沙地植被面積(共增加336.31 km2)和半固定沙地植被面積(共增加571.78 km2)的增加、農(nóng)田面積(增加225.82 km2)的增加等。其中主要碳增匯的植被類(lèi)型為：固定沙地上的油蒿群落(增加1.63 Tg C)、寸草灘及禾草灘(增加1.49 Tg C)、半固定沙地上的油蒿群落(增加1.11 Tg C)、農(nóng)田(增加0.63 Tg C)、沙地柳灣林(增加0.52 Tg C)。20世紀(jì)60年代后，烏審旗地區(qū)降水趨于減少、氣溫逐漸升高，氣候因素有利于該區(qū)沙漠化發(fā)展，但是，20世紀(jì)90年代后烏審旗土地沙漠化發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，人為因素延緩氣候作用，并促進(jìn)該地區(qū)植被的恢復(fù)[15]，如：“雙權(quán)一制”政策的逐步推行[28]，90年代后期實(shí)施的“退耕還林還草”、“禁牧”等政策[29]，促進(jìn)了該地區(qū)植被恢復(fù)，因此對(duì)其有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量的增加起到了積極的影響。

3.2烏審旗碳增匯調(diào)控途徑

根據(jù)情景分析的結(jié)果，本文認(rèn)為增加森林覆蓋率、轉(zhuǎn)變土地利用方式、濕地保育等措施，是適宜增強(qiáng)該區(qū)域碳增匯能力的有效途徑。

(1)增加森林覆蓋率，提高烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。該地區(qū)森林植被有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量約占烏審旗總儲(chǔ)量的14%。根據(jù)政策情景(森林覆蓋率增加到26%)，烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)較2012年增加3.83 Tg C。人工植樹(shù)造林和合理的森林管理措施將可能大大提高生態(tài)系統(tǒng)的碳固定能力，如實(shí)施飛播造林、加強(qiáng)“三北工程”建設(shè)和管護(hù)等，在恢復(fù)沙地植被的同時(shí)提高碳固持能力；在固沙造林活動(dòng)中，考慮到該地區(qū)干旱少雨的特點(diǎn)，應(yīng)選擇耐旱的灌木作為造林的主體樹(shù)種，不應(yīng)種植蒸騰耗水量大的速生樹(shù)種，減少對(duì)該地區(qū)生態(tài)用水的消耗。

(2)轉(zhuǎn)變土地利用方式，恢復(fù)區(qū)域植被。在理想狀態(tài)下該地區(qū)流動(dòng)和半固定沙地固定后，有機(jī)碳庫(kù)較2012年可以增匯6.98 Tg C。將占全旗面積較大的流動(dòng)沙地和半固定沙地固定下來(lái)、恢復(fù)植被、增加碳匯，轉(zhuǎn)變土地利用方式是可行的措施之一。研究表明輕牧或無(wú)牧可以提高區(qū)域尺度碳增匯能力[30]，通過(guò)“圍封和禁牧”、“推廣人工草場(chǎng)和舍飼技術(shù)”等措施減輕對(duì)草地的放牧壓力，增強(qiáng)草地碳匯功能。同時(shí)，通過(guò)土地利用集約化程度——促進(jìn)“粗放型畜牧業(yè)向集約型畜牧業(yè)轉(zhuǎn)變”和土地利用方式的轉(zhuǎn)變。烏審旗牧戶(hù)家庭擁有牧業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技能，鼓勵(lì)開(kāi)辟高效地，種植人工草地，“以地養(yǎng)地”，供給牲畜充足草料，減輕放牧壓力、恢復(fù)植被。最后，積極發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，鼓勵(lì)有經(jīng)濟(jì)條件的家庭發(fā)展特色旅游業(yè)等。通過(guò)這些措施轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的粗放型土地利用方式。

(3)濕地保育，增加固碳潛力。低濕地植被有機(jī)碳庫(kù)含量約為烏審旗碳庫(kù)儲(chǔ)量的30%，是主要的固碳植被類(lèi)型之一。通過(guò)情景分析發(fā)現(xiàn)(情景7)，烏審旗碳庫(kù)儲(chǔ)量較2012年增加13.40 Tg C，碳增匯效果非常明顯。然而，因?yàn)闈竦刂脖簧L(zhǎng)較好，對(duì)其放牧利用強(qiáng)度往往較其他區(qū)域大。自1977年以來(lái)，該旗濕地?fù)p失碳儲(chǔ)量0.52 Tg C，特別是研究時(shí)段1977—1997年濕地退化明顯。在低濕地保護(hù)和恢復(fù)過(guò)程中，充分發(fā)揮政府管理的作用，制定相應(yīng)的政策，發(fā)揮生態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔?，合理引?dǎo)、限制放牧強(qiáng)度，建立濕地水資源合理利用機(jī)制，保障濕地生態(tài)用水，促進(jìn)濕地面積恢復(fù)。

3.3對(duì)模型研究精度的討論

碳計(jì)量方法通常還包括模型估算法和CO2通量觀測(cè)法等。前者包括氣候模型、遙感反演模型、光能利用率模型和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型等[30- 31]。與其他的碳計(jì)量模型相比，InVEST碳儲(chǔ)與吸收模型具有直接、技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于擁有多期植被類(lèi)型(土地利用/覆蓋)圖形或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的快速碳評(píng)估。但其假定每一植被類(lèi)型的碳密度基本保持不變，碳儲(chǔ)量變化只能隨著植被類(lèi)型(土地覆蓋)類(lèi)型變化。因此，在研究中計(jì)算該旗陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量存在著一定的誤差，如可能過(guò)高估計(jì)一些植被群落土壤有機(jī)碳含量。植被覆蓋的變化或恢復(fù)并不意味著土壤有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)，如流動(dòng)沙地固定后其新成土經(jīng)過(guò)40多年才能演變傾向于區(qū)域性的土壤[32]；而固定沙地向流動(dòng)沙地演變后，土壤有機(jī)碳損失速度較快[33]。在情景分析中，可能高估了情景1、2、3、4、7的碳存儲(chǔ)量，而低估情景5、6、8的碳貯存量。

另外，土壤無(wú)機(jī)碳是土壤碳的重要組成部分，特別在干旱區(qū)無(wú)機(jī)碳約占土壤含碳量的30%。在干旱沙區(qū)固沙植被建立后，沙丘表層土壤向地帶性的鈣積正常干旱土方向演變，隨著植被恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，土壤無(wú)機(jī)碳含量不斷增加。土壤無(wú)機(jī)碳在植被演替中的響應(yīng)相對(duì)緩慢，無(wú)機(jī)碳保持是碳儲(chǔ)量長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[34]。如趙洋等通過(guò)研究騰格里沙漠土壤中無(wú)機(jī)碳密度含量分析發(fā)現(xiàn)，天然植被區(qū)、各年代固沙區(qū)的無(wú)機(jī)碳含量雖略高于流沙區(qū)，但差異不顯著[35]。在本研究中由于數(shù)據(jù)獲取的限制沒(méi)有考慮土壤無(wú)機(jī)碳在土壤碳庫(kù)中的地位，低估了陸地生態(tài)系統(tǒng)中實(shí)際碳儲(chǔ)量，因此，在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)土壤無(wú)機(jī)碳方面的研究。

4結(jié)論

(1)在1977—2012年烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)儲(chǔ)量呈“V”型變化。研究時(shí)段1977—1997年是碳庫(kù)儲(chǔ)量減少階段，減少1.68 Tg C；研究時(shí)段1997—2012年處于碳增匯階段，相對(duì)于1977年和1997年分別增加0.80 Tg C和2.48 Tg C。

(2)烏審旗陸地生態(tài)系統(tǒng)存在較大的碳增匯潛力。根據(jù)情景分析的結(jié)果，本文認(rèn)為增加森林覆蓋度、轉(zhuǎn)變土地利用方式、濕地保育等措施，是適合該地區(qū)提高有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量的可行措施。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]Lal R. Carbon Sequestration in Dryland Ecosystems. Environmental Management, 2004, 33(4): 528- 544.

[2]Watson R T, Noble I R, Bolin B, Ravindranath N H, Verardo D J, Dokken D J. Land Use, Land-Use Change, and Forestry: A Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2000.

[3]樊恒文, 賈曉紅, 張景光, 馬鳳云, 李新榮. 干旱區(qū)土地退化與荒漠化對(duì)土壤碳循環(huán)的影響. 中國(guó)沙漠, 2002, 22(6): 525- 533.

[4]Helldén U, Tottrup C. Regional desertification: a global synthesis. Global and Planetary Change, 2008, 64(3/4): 169- 176.

[5]緱倩倩, 屈建軍, 韓致文, 肖建華. 西北干旱半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進(jìn)展. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2013, 29(35): 205- 210.

[6]Guo L B, Gifford R M. Soil carbon stocks and land use change: a meta analysis. Global Change Biology, 2002, 8(4): 345- 360.

[7]陳耀亮, 羅格平, 葉輝, 趙樹(shù)斌, 王淵剛, 韓其飛. 近30年土地利用變化對(duì)新疆森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的影響. 地理研究, 2013, 32(11): 1987- 1999.

[8]陶冶, 張?jiān)? 中亞干旱荒漠區(qū)植被碳儲(chǔ)量估算. 干旱區(qū)地理, 2013, 36(4): 615- 622.

[10]Padilla F M, R H, Vidal B, Sánchez J, Pugnaire F I. Land-use changes and carbon sequestration through the twentieth century in a Mediterranean mountain ecosystem: implications for land management. Journal of Environmental Management, 2010, 91(12): 2688- 2695.

[11]徐小鋒, 田漢勤, 萬(wàn)師強(qiáng). 氣候變暖對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 31(2): 175- 188.

[12]韓其飛, 羅格平, 李超凡, 葉輝, 馮異星. 基于Biome-BGC模型的天山北坡森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)模擬. 干旱區(qū)研究, 2014, 31(3): 375- 382.

[13]Li C F, Zhang C, Luo G P, Chen X. Modeling the carbon dynamics of the dryland ecosystems in Xinjiang, China from 1981 to 2007-The spatiotemporal patterns and climate controls. Ecological Modelling, 2013, 267: 148- 157.

[14]許文強(qiáng), 陳曦, 羅格平, 張清, 張?jiān)シ? 唐飛. 基于CENTURY模型研究干旱區(qū)人工綠洲開(kāi)發(fā)與管理模式變化對(duì)土壤碳動(dòng)態(tài)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(14): 3707- 3716.

[15]吳曉旭, 鄒學(xué)勇, 王仁德, 錢(qián)江, 格日樂(lè). 內(nèi)蒙古烏審旗土地沙漠化退化過(guò)程研究. 水土保持研究, 2009, 16(1): 136- 140.

[16]方精云, 郭兆迪, 樸世龍, 陳安平. 1981—2000年中國(guó)陸地植被碳匯的估算. 中國(guó)科學(xué)(D輯: 地球科學(xué)), 2007, 37(6): 804- 812.

[17]吳小山. 楊樹(shù)人工林生物量碳計(jì)量參數(shù)研究[D]. 雅安: 四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 2008.

[18]牛存洋, 阿拉木薩, 宗芹, 駱永明, 押田敏雄, 孫貴凡, 劉謙. 科爾沁沙地小葉錦雞兒地上-地下生物量分配格局. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(8): 1980- 1986.

[19]鄭姚閩, 牛振國(guó), 宮鵬, 戴永久, 上官微. 濕地碳計(jì)量方法及中國(guó)濕地有機(jī)碳庫(kù)初步估計(jì). 科學(xué)通報(bào), 2013, 58(2): 170- 180.

[20]丁越巋. 毛烏素沙地不同植被類(lèi)型土壤有機(jī)碳庫(kù)研究[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古大學(xué), 2011.

[21]呂昌偉. 內(nèi)蒙古高原湖泊碳(氮、磷、硅)的地球化學(xué)特征[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古大學(xué), 2008.

[22]樸世龍, 方精云, 賀金生, 肖玉. 中國(guó)草地植被生物量及其空間分布格局. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 28(4): 491- 498.

[23]李克讓, 王紹強(qiáng), 曹明奎. 中國(guó)植被和土壤碳貯量. 中國(guó)科學(xué)(D輯:地球科學(xué)), 2003, 33(1): 72- 80.

[24]Xie X L, Sun B, Zhou H Z, Li A B. Soil organic carbon storage in China. Pedosphere, 2004, 14(4): 491- 500.

[25]王紹強(qiáng), 周成虎. 中國(guó)陸地土壤有機(jī)碳庫(kù)的估算. 地理研究, 1999, 18(4): 349- 356.

[26]韓道瑞, 曹廣民, 郭小偉, 張法偉, 李以康, 林麗, 李婧, 唐艷鴻, 古松. 青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)碳增匯潛力. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(24): 7408- 7417.

[27]Wu H B, Guo Z T, Peng C H. Distribution and storage of soil organic carbon in China. Global Biogeochemical Cycles, 2003, 17(2), doi: 10.1029/2001GB001844.

[28]Jiang H. Cooperation, land use, and the environment in Uxin Ju: the changing landscape of a mongolian- chinese borderland in China. Annals of the Association of American Geographers, 2004, 94(1): 117- 139.

[29]王玉華, 楊景榮, 丁勇, 寧爭(zhēng)平, 張宏林. 近年來(lái)毛烏素沙地土地覆被變化特征. 水土保持通報(bào), 2008, 28(6): 53- 57.

[30]Han Q F, Luo G P, Li C F, Xu W Q. Modeling the grazing effect on dry grassland carbon cycling with Biome-BGC model. Ecological Complexity, 2014, 17: 149- 157.

[31]Piao S L, Fang J Y, Ciais P, Peylin P, Huang Y, Sitch S, Wang T. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China. Nature, 2009, 458(7241): 1009- 1013.

[32]楊麗雯, 周海燕, 樊恒文, 賈曉紅, 劉立超, 李?lèi)?ài)霞. 沙坡頭人工固沙植被生態(tài)系統(tǒng)土壤恢復(fù)研究進(jìn)展. 中國(guó)沙漠, 2009, 29(6): 1116- 1123.

[33]蘇永中, 趙哈林, 張銅會(huì), 趙學(xué)勇. 不同退化沙地土壤碳的礦化潛力. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 24(2): 372- 378.

[34]崔麗峰, 劉叢強(qiáng), 涂成龍, 李龍波, 丁虎. 黃土地區(qū)不同覆被下土壤無(wú)機(jī)碳分布及同位素組成特征. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(5): 1187- 1194.

[35]趙洋, 陳永樂(lè), 張志山, 吳攀, 回嶸, 虎瑞, 高艷紅. 騰格里沙漠東南緣固沙區(qū)深層土壤無(wú)機(jī)碳密度及其垂直分布特征. 水土保持學(xué)報(bào), 2012, 26(5): 206- 210.

Inner Mongolia, China

ZHANG Jing1, BAO Tongliga2, LI Zhenghai1,*, BAO Yajing1, SUN Zhen3, HU Zhichao4, ZHOU Lina3

1CollegeofEnvironmentandResources,DalianNationalitiesUniversity,Dalian116600,China2FacultyofResourcesandEnvironment,BaotouTeacher′sCollege,Baotou014030,China3CollegeofLifeSciences,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China4HohhotMeteorologicalBureau,Hohhot010020,China

Abstract：Modifications of land surface through human activity have become an important factor affecting the global carbon cycle. Land surface changes can result in the release of carbon from terrestrial ecosystems. Additionally, through reasonable land use and management, land surface alterations can also serve to increase carbon sinks. In dryland ecosystems, which occupy 30%—40% of Earth′s land surface and play an important role in the global carbon cycle, harsh natural conditions combined with frequent human activities release carbon stored in the ‘plant-soil’ continuum as CO2 into the atmosphere. Given the increased rates of desertification due to climate change, the expansion of arid land surfaces may have a profound impact on the global carbon balance. Therefore, we selected Uxin Banner (equal to county), located in Mu Us Sandy Land, Inner Mongolia, China, as a case study. To assess the increment of organic carbon sinks and the management regulations for arid land, we classified six vegetation categories and 16 sub-categories using cloud-free Landsat images across five decades (1977, 1987, 1997, 2007, and 2012) using ArcGIS 10.0. Carbon density, including aboveground organic carbon, belowground organic carbon, and soil organic carbon, was also analyzed for each category. Combining vegetation maps and carbon density data, we analyzed organic carbon storage using Cellular Automata-Markov model implemented in InVEST software package to develop different scenarios of carbon sink increment of this area. (1) The results showed that during the 35 years, from 1977 to 2012, carbon storage in Uxin Banner averaged at 47.38 Tg C. Patterns revealed that carbon decreased by 1.69 Tg C from 1977 to 1997 and carbon storage increased by 0.77 Tg C from 1997 to 2012. These patterns are similar to those of desertification, where changes in climate coupled with human influence enhanced recovery of vegetation in the region, thereby increasing the carbon sink. (2) The results from the scenario analysis indicate that the potential for carbon sink increment in Uxin Banner is relatively large if effective regulatory approaches, such as increasing the forest vegetation coverage, transferring land use patterns, and wetland conservation, are applied. According to the policy scenario, terrestrial ecosystem carbon stocks of Uxin would increase by 3.83 Tg C compared to those in 2012. Given the dry and rainless climate in the region, drought-tolerant shrubs and indigenous shrubs should be selected in the project for sand fixation and afforestation to reduce the consumption of region′s ecological water. According to four desertification scenarios, changes in land use patterns are feasible ways to increase carbon sinks. After stabilization of mobile and semi-fixed sand land, organic carbon pool might increase by 6.98 Tg C compared to the levels in 2012. Changes in land use practice, such as enclosing grassland, forbidding open grazing, extending artificial grassland, and drylot feeding, might help to reduce grazing pressure on grasslands and enhance carbon sink function. Wetland is one of the major vegetation types involved in carbon sequestration in Uxin, which has higher grazing utilization by herdsmen. For the protection of wetland, government should establish regulatory approaches to promote wetland area recovery such as limiting grazing intensity, affording ecological compensation, and establishing reasonable water use of the wetland area. The present research, using scientific output, provides recommendations to encourage balancing between protection of the natural environment and the development of social economy through regulatory approaches and measures suitable for the increment of carbon sinks.

Key Words:carbon sink increment; regulatory approach; scenario analysis; InVEST; Uxin Banner

基金項(xiàng)目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC201501070201, DC201501070403); 環(huán)境保護(hù)部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(201109025-3);大連民族大學(xué)人才啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(0701-110088)

收稿日期:2014- 08- 05; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 25

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: li-lzhh@263.net

DOI:10.5846/stxb201408051561

張靖，同麗嘎，李政海，鮑雅靜，孫振，胡志超，周麗娜.內(nèi)蒙古烏審旗有機(jī)碳庫(kù)變化及其增匯調(diào)控途徑.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(9):2552- 2559.

Zhang J, BAO Tongliga, Li Z H, Bao Y J, Sun Z, Hu Z C, Zhou L N.Analysis of organic carbon sink increment and management in Uxin Banner, Inner Mongolia, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(9):2552- 2559.