內蒙古草原固碳現狀評估與碳匯實現路徑建議

石 磊,孫海蓮,王慧敏,謝 宇,劉亞紅,王 洋,木 蘭,張雅茹,邱 曉,*

(1.內蒙古自治區農牧業科學院/生態草業可持續發展內蒙古自治區工程研究中心,呼和浩特 010031;2.內蒙古科技大學包頭師范學院,包頭 014030;3.內蒙古自治區林業和草原監測規劃院,呼和浩特 010020)

按照為緩解全球氣候變暖而制定的《聯合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》中的定義,碳匯是指從大氣中清除二氧化碳的過程、活動或機制。狹義上碳匯是指通過植樹造林、種草、種植農作物、保護濕地等,利用植物光合作用吸收大氣中的二氧化碳,并將其固定在植被和土壤中,從而減少溫室氣體濃度的活動或機制。碳匯的形式主要有森林碳匯、草地碳匯、耕地碳匯、濕地碳匯、海洋碳匯等。草原是一個十分活躍的碳庫,其增匯潛力巨大。草原碳庫主要包含地上生物量、地下生物量、凋落物和土壤有機質等4部分形成的碳庫,固碳形式多樣,固碳穩定,因此草原是最經濟而有效的生態型儲碳庫。近年來,國內外專家學者針對草原碳匯開展了一些研究工作,有研究結果初步測算了草地生態系統的碳儲量。依據德國全球變化咨詢委員會的估算,全世界陸地生態系統有機碳儲量分布,草地占33%～34%,森林占39%～40%,草地僅次于森林碳儲藏能力。任繼周等[1]研究表明1950—2000年我國潛在草地年碳匯潛力為773.21 TgC,并估算2001—2050年我國潛在草地年碳匯潛力為901.25 TgC。樊江文通過對我國各類型草原地上、地下生物量樣方實測,估算出我國草原總碳儲量約為332億噸[2]。也有研究表明,我國草地植被碳儲量為31.5億t,土壤碳儲量為563.2億t,約占全球草原碳儲量的9.7%[3]。不同研究對草地生態系統碳儲量的評估結果不一致,因為在評估方法、草地范圍、參數選擇等方面存在差異,但已有研究結果均表明在應對氣候變化上,草地可以發揮重要的碳匯功能[4-9]。

草原是內蒙古的生態主體,根據2010年內蒙古草地調查數據,內蒙古天然草原面積約7 586.67 萬hm2,占自治區土地面積的64.1%,占全國草原面積的20%,是我國草原面積最大的省區,也是歐亞大陸草原分布最重要的地區之一。草原是內蒙古光合作用最大的載體,是發揮固碳生態調節服務功能的主要生態系統,也是內蒙古面積最大的碳庫。隨著退耕還草、京津風沙源工程、草畜平衡、草原生態補獎政策等保護工程與政策的實施,草原的固碳能力持續增強,且退化草地的固碳增量更加明顯。文獻研究結果表明,內蒙古草原碳庫總計為474 433 萬t,其中土壤有機質碳庫445 211 萬t,占內蒙古草原碳儲量的93.82%。內蒙古草原是潛力巨大的碳庫[10]。因此,內蒙古開發草原碳匯生態產品價值,是建設祖國北方生態安全屏障的重要舉措,是踐行“綠水青山就是金山銀山”的生動實踐,是生態優先綠色高質量發展的內在要求。

1 內蒙古草原固碳潛力評估

草原植物由于其自身特點,在生長過程中通過光合作用,吸收二氧化碳,轉化并積累有機物質,形成了地上植被生長和地下豐富的根系生長,構成了草原穩定的碳庫。草原植物還有重要的土壤層,植物的生長與土壤進行著物質循環和能量交換,從而使土壤不斷積累大量有機物質,構成了草原巨大的碳庫。從草原碳庫的形成機理上,主要從地上生物量、地下生物量和土壤有機質等三方面來評估內蒙古草原固碳潛力。

1.1 研究方法

草原生物固碳量包括地上生物量固碳和地下生物量固碳,固碳潛力采用凈生態系統生產力法計算,凈生態系統生產力(NEP)是定量化分析生態系統碳源/匯的重要科學指標,生態系統固碳量可以用凈生態系統生產力(NEP)衡量。凈生態系統生產力(NEP)廣泛應用于碳循環研究中,凈生態系統生產力(NEP)可由凈初級生產力(NPP) 減去異氧呼吸消耗得到,公式如下:

GVC=Mco2/Mc×NEP×A

NEP=NPP-RS

式中,GVC表示草原生物固碳量,NPP為凈初級生產力,RS表示土壤呼吸消耗碳量。草原NPP數據采用修正的CASA 模型運算[11,12],A為草原面積。

CASA模型是基于光能利用率原理的過程模型,已被全球1 900多個實測站點校準。CASA模型估算的植被NPP可以由植被吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)兩個變量來確定[11],其估算公式如下:

NPP(x,t)=APRA(x,t)×ε(x,t)

式中,APRA(x,t)表示像元x在t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2),ε(x,t)表示像元在t月份的實際光能利用率(g C/MJ)。

光合有效輻射(PAR)是植被進行光合作用的動力,植被吸收的光合有效輻射(APAR)取決于太陽總輻射和植被對光合有效輻射的吸收比例;光能利用率(ε)是指植被把所吸收的光合有效輻射(PAR)轉化為有機碳的效率,它主要受溫度和水分的影響。計算公式如下:

APRA(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

式中,SOL(x,t)表示像元x在t月份的太陽總輻射量(MJ/m2)常數0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(400～700 mm)占太陽總輻射的比例;FPAR表示植被層對入射的光合有效輻射(PAR)的吸收比例,在一定范圍內FPAR與NDVI、SR存在較好的線性關系。Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示溫度對光能利用率的影響,Wε(x,t)表示水分條件對光能利用率的影響,εmax表示在理想狀態下植被的最大光能利用率,其取值因植被類型不同有較大差別,在傳統CASA模型中所使用的全球植被最大光能利用率為0.389 gC/MJ[11]。

草原土壤固碳潛力采用草原土壤有機碳含量計算,公式如下:

GSC=β×ρ×H×A

式中,GSC表示草原土壤固碳量,β表示表土有機碳含量,ρ表示土壤容重,H表示土層厚度,依據國內對草原土壤的研究一般取樣到30 cm,本公式中取值30 cm。A為草原面積。土壤數據采用中國土壤數據庫[13]。

1.2 數據來源

本研究使用2020年數據。NDVI數據采用的是NASA(美國國家航空航天局)網站提供的 MODIS 產品中的 MOD13Q1_V005 數據,氣象數據來源中國氣象科學數據共享服務網。

1.3 結果與分析

1.3.1內蒙古草原生物固碳量分析

基于凈生態系統生產力法計算草原生物量固碳潛力,2020年,內蒙古草原生物固碳總量為16 919.44 萬t,東部地區草原生物量固碳量高于西部地區。從不同盟(市)來看,錫林郭勒盟和呼倫貝爾市草原生物固碳量最高,分別為4 692.54 萬t和4 671.86萬t,占全區草原生物固碳總量的27.73%和27.61%;赤峰市、興安盟、通遼市、鄂爾多斯市和烏蘭察布市5個盟(市)草原生物固碳量為911.51～1 754.64萬t,占全區草原生物固碳總量的比例為5.39%～10.37%;巴彥淖爾市、包頭市、阿拉善盟、呼和浩特市、烏海市等中西部盟(市)草原生物固碳量相對較低,為5.04～379.48萬t,占全區草原生物固碳總量的比例僅為0.03%～2.24%。

圖1 內蒙古各盟(市)草原生物量固碳量

1.3.2內蒙古草原土壤固碳分析

基于草原土壤有機碳含量計算草原土壤固碳潛力,2020年,內蒙古草原土壤固碳總量為457 071.48萬t,東部盟(市)地區草原生物量固碳量高于西部盟(市)地區。從不同盟(市)來看,錫林郭勒盟和呼倫貝爾市草原土壤固碳量最高,分別為134 841.81萬t和134 246.85萬t,占全區草原土壤固碳總量的29.50%和29.37%;其次興安盟和赤峰市草原土壤固碳量相對較高,分別為44 660.83萬t和33 922.86萬t,分別占全區草原土壤固碳總量的9.77%和7.42%;烏蘭察布市、鄂爾多斯市、通遼市、阿拉善盟、巴彥淖爾市、包頭市、呼和浩特市和烏海市8個盟(市)草原土壤固碳量為27 141.92 萬t～132.63 萬t,占全區草原土壤固碳總量的比例為5.94%～0.03%。

圖2 內蒙古各盟(市)草原土壤固碳量

1.3.3內蒙古草原固碳潛力分析

草原固碳潛力采用草原生物固碳量與草原土壤固碳量之和計算, 2020年,內蒙古草原固碳總量為473 990.92 萬t,東部盟(市)地區草原固碳量高于西部盟(市)地區。從不同盟(市)來看,錫林郭勒盟和呼倫貝爾市草原固碳量最高,分別為139 534.35 萬t和138 918.71 萬t,占全區草原固碳總量的29.44%和29.31%;其次興安盟和赤峰市草原固碳量相對較高,分別為46 100.33萬t和35 677.51 萬t,分別占全區草原固碳總量的9.73%和7.53%;烏蘭察布市、鄂爾多斯市、通遼市、阿拉善盟、巴彥淖爾市、包頭市、呼和浩特市和烏海市8個盟(市)草原固碳量為28 053.42～137.67 萬t,占全區草原固碳總量的比例為5.92%～0.03%。

從內蒙古草原固碳量的構成來看,全區草原土壤固碳量占草原固碳總量的比例為96.43%,草原生物固碳量占草原固碳總量的比例為3.57%,草原土壤固碳在草原固碳潛力中發揮主導作用。從各盟(市)草原固碳量的構成來看,草原土壤固碳量占比為93.49%～97.08%,草原生物固碳量占比為1.51%～6.51%,草原土壤固碳貢獻率較高。

圖3 內蒙古各盟(市)草原總固碳量

1.4 討論

草原在陸地生態系統碳收支平衡過程中發揮著重要的作用,有研究估算全球草地生態系統碳儲量為 7.61 TgC,約占陸地生態系統碳儲量的三分之一,是僅次于森林生態系統的第二大碳庫[14,15]。據估算,我國草地生態系統碳儲量為 44.09 Pg[16,17]。內蒙古是我國草地面積大的省區,在固碳功能發揮著舉足輕重的作用。本研究評估結果,2020年內蒙古草原固碳總量為473 990.92萬t,草原固碳潛力巨大,從東部到西部草原固碳總量存在差異。內蒙古地域廣闊,氣候、地形和土壤等自然條件差異大,草地類型多樣,因此草原生物量和土壤有機碳含量存在很大差異,也是導致草原固碳量地域差異的關鍵因素。

草地生態系統碳儲量主要包括植被碳儲量和土壤有機碳儲量[18]。草地生態系統碳循環的主要過程是在土壤中完成,因此,草地生態系統土壤碳儲量巨大,遠大于植被層蓄積的碳儲量。研究表明,草地生態系統中的三分之二的碳是固定在土壤中,且以有機質的形式分布在地表土壤中[18-21]。草地生態系統通過光合作用固定大氣中的CO2,儲存于植物碳庫和土壤碳庫中,其中植物碳庫約占10.6%,土壤碳庫占89.4%,草地作為碳匯的功能特別明顯[22,23]。已有研究表明,分析寧夏草甸草原、溫性草原、草原化荒漠和荒漠草原4種天然草地生態系統的植被碳儲量、土壤有機碳儲量和生態系統碳儲量結果發現,土壤有機碳儲量分別占到了草地生態系統碳儲量的 96.6%、96.8%、95.6%和 96.5%,土壤有機碳儲量是寧夏典型天然草地碳儲量的主體[24]。內蒙古錫林郭勒盟典型草原土壤固碳潛力約為24.84 TgC[25]。本研究從內蒙古草原固碳的構成上看,土壤固碳量占比為96.43%,生物固碳量占比為3.57%,土壤固碳潛力大,草原土壤是內蒙古草地生態系統的巨大碳庫。

關于草地生態系統固碳量評估方法,基于區域尺度多數選擇碳循環模型,另外也有通過野外控制試驗選擇采集植物、枯落物、土壤進行實測研究。目前,研究者基于碳循環模型,開展了大量生態系統固碳量的研究,表明生態系統凈初級生產力(NEP:net primary productivity)表示生態系統中的固碳量,可以表征生態系統的固碳潛力[26,27]。Feng等[28]使用CASA模型,發現2000—2008年實行的退耕還林工程使得黃土高原從碳源逆轉為碳匯。內蒙古草原面積大且類型豐富,自然條件復雜多樣,目前沒有建立起草原固碳量監測體系,實際采樣調查困難,因此本研究是從區域尺度采用生態系統凈初級生產力方法評估了內蒙古草原固碳現狀,相對科學的估算了內蒙古草原固碳潛力,還缺乏與實測數據相結合做到更精準的計量。

2 內蒙古草原碳匯實現徑路建議

草原是內蒙古的生態主體。內蒙古是祖國北方重要的生態安全屏障,承擔生態功能,要發揮好草原對維護生態安全的基礎性作用;內蒙古是國家重要能源和戰略資源基地,加快實現綠色低碳發展,要發揮好草原應對氣候變化的戰略性作用;內蒙古是國家重要農畜產品生產基地,實施鄉村振興戰略,要發揮好草原推進社會經濟發展的長效性作用。草原是一種生態資產,是一種戰略資源,也是一種經濟資本,草原碳匯是兼顧生態效益、經濟效益及社會效益的一種多重效益生態產品,因此,內蒙古聚焦草原碳匯生態產品價值實現具有重要意義,要加快研究與發展草原碳匯。

2.1 摸清家底,重視草原碳匯潛力

內蒙古草原資源豐富,依據本研究核算,草原碳庫總計為473 990.92 萬t,作為碳匯儲備庫潛力巨大,是天然的碳匯基地,要充分發揮內蒙古草原碳匯功能對實現碳中和目標的重要作用,要進一步及時全面準確掌握草原碳儲量狀況變化情況。依據內蒙古不同草原類型,建立草原碳匯調查監測體系,對草原植被、土壤碳儲量開展長期定位監測和遙感監測,制定相關監測技術與方法標準體系,確保全面計量內蒙古不同類型草原資源碳儲量狀況及其動態變化情況,為測算草原碳匯潛力提供堅實的數據和信息基礎,摸清草原碳匯家底,為開展碳匯交易奠定堅實的基礎。

2.2 加強保護,增加草原碳匯資源

內蒙古地域遼闊,草原面積大,2000年以來,在國家各類草原生態保護工程與政策的實施下,不斷加強草原生態保護修復,草原質量穩步提升,平均植被覆蓋度提高到了44%,但仍低于全國草原綜合植被覆蓋度55%,內蒙古草原植被覆蓋度仍然相對較低,草原質量還有較大提升空間。內蒙古草地生態系統仍較為脆弱,要繼續加強草原保護,建立以草地生態修復、草原生物多樣性優化、草原土壤改良、草畜平衡科學利用等為目標的草原保護工程體系,深入推進實施多年生人工草地、草種基地等擴大草地面積的建設行動,逐步通過提高草原質量和面積來增加草原碳匯資源,保障草原固碳功能長期、穩定地發揮。

2.3 創新路徑,實現草原碳匯價值

草原提供了水源涵養、土壤保持、防風固沙、固碳、氣候調節等生態系統服務,形成公共性生態產品,難以通過市場化的方式反映,但碳匯是可以實現交易的一類生態產品,創新思路發展草原碳匯生態產品多元化。要積極探索草原碳匯價值實現機制,健全草原碳匯政策制度,制定發展規劃,構建交易平臺,破解碳匯專業性強、分布分散的特點。建立草原碳匯生態補償機制,政府購買草原碳匯;搭建碳匯減排交易市場,實現企業市場交易碳匯;構建碳匯資源融合體系,實現牧民草原碳匯收益;保障草原碳匯供需穩定性發展,拓寬草原碳匯實現渠道。

2.4 抓住重點,突出草原碳匯優勢

內蒙古草原碳儲量分布不均,碳儲量高的地區大多是自然保護區、生態紅線區,已經具有了最嚴格的生態保護,發展草原碳匯優勢明顯,加快建立草原碳匯的先行地、示范地。通過頂層設計,制定試點方案,配套地方支撐政策,成立草原碳匯研究機構,建立交易平臺,在碳匯考核、碳匯計量、碳匯市場、碳匯產品等方面進行大膽探索,提供一些可復制的試點經驗和有意義的示范,在內蒙古乃至全國草原碳匯功能發揮、生態產品價值實現等方面貢獻力量。