全 文 ：植物生态学报 2008, 32 (4) 810~814
Journal of Plant Ecology (Chinese Version)
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收稿日期: 2007-06-27 接受日期: 2008-01-08
基金项目: 国家自然科学基金(40571057)和国家重点基础研究发展规划项目(2007CB106807)
野外试验得到了北京师范大学闫玉春和刘亮的帮助, 在此表示感谢
* 通讯作者 Author for correspondence E-mail: tanghp@bnu.edu.cn
草原固碳量估算方法及其敏感性分析
常瑞英 唐海萍*
(地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京师范大学资源学院,北京 100875)
摘 要 通过提高草地管理水平来增加草地生态系统的碳储量, 是一种低成本的固碳减排途径。固碳量的确定是
固碳成本估算中的重要组成部分, 目前国际上通用的草地固碳量估算方法有两种: 碳储量变化法和碳通量法。该
文以禁牧为固碳措施, 通过敏感性分析讨论了这两种方法对草原固碳成本估算的适宜性。结论得出: 在一定牧压
强度范围和一定面积研究区内, 固碳成本与牧压强度成线性增长关系, 与研究区面积成非线性关系, 表现出“饱和
增长”的趋势; 与碳通量法相比, 碳储量变化法对牧压强度和研究区面积都较不敏感。造成这种差异的主要原因是
不同方法选取的研究区及其放牧强度背景不同。从草地生态系统过程看, 碳储量变化法与碳通量法在本质上是一
致的, 二者都较适于草原禁牧措施下的固碳量和固碳成本的估算, 可根据获取数据类型的不同而采用不同的方
法。
关键词 碳储量变化法 碳通量法 禁牧措施 固碳成本 羊草草原
SENSITIVITY ANALYSIS ON METHODS OF ESTIMATING CARBON SE-
QUESTRATION IN GRASSLAND ECOSYSTEM OF INNER MONGOLIA,
CHINA
CHANG Rui-Ying and TANG Hai-Ping*
State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, College of Resources Science & Technology, Beijing Normal University,
Beijing 100875, China
Abstract Aims Improved rangeland management activities, such as prohibiting grazing, contribute
significantly to increased carbon storage in grassland at low cost. Estimating carbon sequestration is
important to evaluating cost and potential of carbon sequestration in grassland. We described and com-
pared two methods for estimating carbon sequestration, stock-difference and gain-loss, in order to assess
their suitability and accuracy for estimating cost of carbon sequestration in grassland.
Methods Using the grassland in Xilin River Basin of Inner Mongolia as a case study, we estimated the
amount and cost of carbon sequestration by the stock-difference and gain-loss methods and compared
results through sensitivity analysis.
Important findings There are significant differences in the amount and cost of carbon sequestration
between the two methods, because of different grazing intensities. The cost of carbon sequestration is a
function of grazing intensity and size of study area, with a linear relationship between cost and grazing
intensity and a nonlinear relationship between cost and size of study area. The gain-loss method is more
sensitive to grazing intensity and size of study area. The stock-difference method is more accurate and
suitable for estimating cost of grassland carbon sequestration. However, the main reason for the differ-
ence between the two methods is different conditions of study areas. The two methods are essentially
the same with regard to grassland succession. With sufficient data, both methods to estimate the amount
and cost of carbon sequestration in grassland will give similar results.
Key words Stock-difference method, Gain-loss method, prohibited grazing, cost of carbon-sequestration,
Leymus chinensis grassland
DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2008.04.009
4 期 常瑞英等: 草原固碳量估算方法及其敏感性分析 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2008.04.009 811
草地生态系统在我国分布面积广泛 , 约有4
亿hm2, 为我国第一大陆地生态系统 , 其植被碳
储量约占我国陆地生态系统总植被碳储量的
16.7% (方精云等, 1996)。放牧是我国草地的主要
利用方式之一 , 对于草地碳储量有重要影响(李
凌浩, 1998; 于贵瑞, 2003)。通过提高草地管理(包
括放牧管理和火管理等)可以有效地增加草地生
态系统碳储量, 被认为是一种低成本的固碳减排
途径(IPCC, 2000, 2007)。草地固碳成本的估算不
仅对于提高我国草地生态系统服务价值的认识有
重要作用, 而且对退化草地的恢复重建和今后我
国应对全球变化策略的制定都具有重要意义。
基于项目的草地固碳成本可以表达为实施某
一固碳措施的总成本与这一措施实施后所能固定
的碳量之比, 单位为RMB·Mg–1C。固碳成本估算
首先需要确定固碳量。草地生态系统固碳量估算
方 法 有 两 种 , 碳 储 量 变 化 法 (Stock-difference
method)和碳通量法(Gain-loss method)。不同的固
碳量估算方法其应用条件存在差异, 有不同的适
宜性。过度放牧是我国草地退化的主要原因(陈佐
忠和汪诗平, 2000; 齐玉春等, 2003), 其影响规模
远大于草地开垦(于贵瑞, 2003)。不同退化程度的
草地生态系统的碳储量差异很大 (孙卫国等 ,
2006; 仝川等, 2006)。退化草地通过围栏禁牧这
种草地管理方式可以得到恢复, 增加碳储量。本
文以草地禁牧为固碳措施, 通过敏感性检验分析
了两种草地固碳量估算方法下固碳成本对参数的
敏感性程度, 讨论了碳储量变化法和碳通量法对
草原固碳成本估算的适宜性。
1 方法介绍
1.1 固碳量估算方法
碳储量变化法: 依据草地生态系统在禁牧措
施实施前后碳储量差值来估算草地禁牧的固碳
量。以公式(1)表示:
T 0C = (C - C ) AΔ × (1)
式中 , 为草地生态系统碳储量变化量
(Mg C), C
CΔ
0为禁牧时的草地碳储量(Mg C·hm–2),
CT为禁牧T年后草地的碳储量(Mg C·hm–2), A为草
地面积(hm2)。
碳通量法: 通过测定禁牧期内草地生态系统
CO2通量变化量估算草地禁牧的固碳量。以公式
(2)表示:
(2)
式中 , CΔ 为草地生态系统碳储量变化量
(Mg C), G为草地生态系统年均碳吸收量 (Mg
C·hm–2·a–1), L为草地生态系统年均碳损失量(Mg
C·hm–2·a–1), T为禁牧年限; A为草地面积(hm2)。
碳储量变化法和碳通量法的应用条件不同。
前者需要草地实施禁牧前及禁牧后某一时刻的碳
储量数据 ; 后者需要基于一些仪器(例如涡度相
关仪等)测量或模型模拟得到的禁牧期内草地年碳
收支状况以及禁牧年限。以碳通量法估算固碳量
可能会带来较大的不确定性, 因为直接测定草地
生态系统年度碳收支面临着确定大基数之间的小
差值的问题(李克让, 2002), 结果需要经过验证。
1.2 总固碳成本
由于实施禁牧措施而产生的放牧收益损失对
牧民影响最大, 也是禁牧最主要的成本项目, 故
本文将这部分放牧收益损失作为禁牧总成本。放
牧的收益来源为牲畜的销售收入。假设单位羊售
价为250元, 每年牧民将一半羊出售。放牧的成本
包括每年除去售出羊以外的剩余羊只的冬季饲料
喂养成本, 设为每只羊80元, 以及人工放牧成本。
人工放牧成本与放牧牲畜数量有关, 一定的放牧
牲畜, 其人工放牧成本为常数, 设为P。放牧强度
和研究区面积分别设为 R 和 A, 单位分别为
羊·hm–2和hm2。禁牧年限设为T。总固碳成本(CT)
可以表达为:
=[(250-80) ( /2)-P]TC A R T × × × (3)
1.3 草原固碳成本估算
根据前面介绍的草地固碳成本含义,
Cs＝CT / CΔ (4)
其中, Cs为草地固碳成本, CT为禁牧总固碳成本,
CΔ 为禁牧固碳量。
2 案例分析
2.1 样地选取
本 文 选 取 内 蒙 古 锡 林 河 流 域 4 个 羊 草
(Aneurolepidium chinese)草原样地 , 分别是中国
科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的退化样
地围栏内外(43°33′ N,116°42′ E)、羊草样地(43°32′
Ｎ , 116°40′ E)以及牧民的放牧样地 (43°32′ N,
116°40′ E)。前人在此有相当丰富的研究积累, 样
地描述见表1, 各样地自然、植被和土壤等详细描
812 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 32 卷
述见表中相应文献。
2.2 结果与敏感性分析
2.2.1 固碳成本
将退化样地围栏内外土壤碳储量差值作为过
牧羊草草原6年围栏禁牧的固碳量。羊草样地和放
牧样地碳通量差值作为中等牧压强度羊草草原20
年禁牧的年均固碳量。退化样地围封前处于过牧
状态 , 假设其牧压强度范围为5.0～8.0羊 ·hm–2,
放牧羊草样地牧压强度范围设为2.0～5.0羊·hm–2,
分别以中位数进行计算 , 即 6.5羊 ·hm–2 与 3.0
羊 ·hm–2。过牧与中等牧压羊草样地面积设为50
hm–2, 人工放牧成本设为10 000元。根据公式
(1)~(4)得到各样地禁牧恢复的固碳量、总固碳成
本与固碳成本(表2)。
表1 草原固碳成本估算选取的4个羊草样地描述及其数据来源说明
Table 1 Description of the study areas and data sources
固碳量估算方法
Methods
研究区
Study area
土壤碳储量*
Soil carbon storage
(kg C·hm–2)(0~100
cm)
碳通量**
Carbon flux (kg
C·hm–2·a–1)
取样时间
Time
放牧状况
Grazing condition
引用文献
References
退化样地围栏内
Nongrazed exclosure
plot
539 084.8 — 1989 禁牧6年
Grazing excluded
for 6 years
碳储量变化法
Stock-difference
method
退化样地围栏外
Heavy grazed plot
501 492.4 — 1989 过度放牧
Heavy grazing
吕贻忠等,
1992
羊草样地
Aneurolepidium chi-
nese sample plot
(ACSP)
— 269.0 1998 and
1999
禁牧20年
Grazing excluded
for 20 years
Li et al. , 2002碳通量法
Gain-loss method
放牧样地
Moderated grazed
plot
— –106.0 1998 and
1999
中等强度放牧
Moderated grazing
李凌浩等,
2004
*: 据文献整理换算得到。土壤有机碳与土壤有机质的平均换算系数取1.724; 据2007年样地调查数据 , 退化样地围栏内容重为1 481
kg·m–3, 围栏外容重为1 587kg·m–3; 粒径大于2 mm的石砾所占体积百分比为0 Estimate based on Lü et al (1992). SOC=SOM/1.724. According
to collected data in 2007, the soil bulk density of nongrazed exclosure plot and heavy grazed plot is 1 481 kg·m–3 and 1587 kg·m–3 respectively. The
particle beyond 2 mm in diameter size is null. **: 据文献整理得到, 数据的可靠性李凌浩等(2004)中已经经过检验。数字表示系统有净碳流入,
“－”表示系统发生碳损失 Estimate based on Li et al. (2002, 2004). The reliability of the data has been verified in Li et al. (2004). Number
denotes carbon flow into grassland system, and “-”denotes carbon lost from the system
表2 碳储量变化法与碳通量法的固碳量、总固碳成本与固碳成本
Table 2 The amount and cost of carbon sequestration calculated by the two approaches
结论
Conclusions
方法
Methods
固碳量(△C)
Amount of carbon (Mg C)
总固碳成本(CT)
Total cost (元, RMB)
固碳成本(Cs)
Cost (RMB·Mg–1 C)
碳储量变化法
Stock-difference method
1879.6 105 750.0 56.3
碳通量法
Gain-loss method
375.0 55 000.0 146.7
从表2可以看出 , 碳储量变化法和碳通量法
计算得到的固碳量和固碳成本差异较大, 主要是
因为两方法选择的研究区和放牧强度不同。不同
放牧强度(退化程度)的草原, 围栏禁牧后的恢复
速率与所需时间存在很大差异(郝敦元和刘钟龄,
2004), 因此在不同禁牧时间下的固碳量也不相
同。从公式(1)~(3)可以看出, 碳储量变化法和碳
通量法计算得到的固碳成本是研究区面积与牧压
强度的函数, 需要进一步通过敏感性检验分析各
参数变化对固碳成本的影响。
2.2.2 敏感性分析
2.2.2.1 固碳成本对牧压强度变化的敏感性分析
在牧压强度变化范围内等间距取5个点 , 得
到7个不同的牧压强度。研究区面积设为50 hm2,
其它参数不变。通过计算得到固碳成本与牧压强
度的变化曲线图(图1)。从图1中可以看出, 固碳成
本与牧压强度成线性增长关系, 不同方法得到的
固碳成本对牧压强度变化的敏感性存在差异。碳
4 期 常瑞英等: 草原固碳量估算方法及其敏感性分析 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2008.04.009 813
储量变化法较碳通量法对牧压强度变化敏感程度
低。例如, 当牧压强度增加0.5个单位时, 以碳储
量变化法计算得到的固碳成本约增加了6.8元, 相
比碳通量法固碳成本的变化量113.3元 , 差异较
大。
图1 固碳成本随牧压强度变化曲线
Fig. 1 The relationship between the cost of carbon and the
grazing intensity
图2 固碳成本随研究区面积变化曲线
Fig. 2 The relationship between the cost of carbon and the
area of study site
2.2.2.2 固碳成本对研究区面积变化的敏感性分
析
假设研究区面积范围为25～85 hm2, 在此变
化范围内等间取5个点, 得到7个不同的研究区面
积。设过度放牧羊草样地牧压强度为6.5羊·hm–2,
中等牧压放牧样地为3羊·hm–2, 其它参数不变。通
过计算得到固碳成本随研究区面积变化的曲线图
(图2)。从图2可以看出, 固碳成本与研究区面积成
非线性增长关系, 表现出“饱和”增长的趋势, 随
着研究区面积不断增大, 固碳成本增加速度逐渐
减小直至为零。在实际中, 情况更复杂, 因为当研
究区面积增大到一定程度时, 人工放牧成本不能
作为常数处理, 而是一个随研究区面积变化而变
化的不连续函数, 这在一定程度上增大了固碳成
本达到恒定时的研究区面积。碳储量变化法与碳
通量法对研究区面积变化的敏感性也存在差异 ,
从图2中曲线的变化速率可以看出 , 碳储量变化
法对研究区面积变化较不敏感。
3 讨论与小结
通过敏感性检验得出: 在牧压强度和研究区
面积这两个参数取值范围一定的情况下, 固碳成
本与前者成线性增长关系, 与后者成非线性关系,
表现出“饱和增长”的趋势。与碳通量法相比, 碳
储量变化法对这两个参数都较不敏感。
从敏感性检验结果来看, 两种固碳量估算方
法在我国草地固碳成本估算中存在不同的适宜
性, 但是经过分析认为, 造成两种方法对参数的
敏感性存在差异的一个主要原因是选择的研究区
以及放牧强度不同。放牧草地的碳储量变化对于
禁牧前牧压强度的响应程度不同, 造成不同放牧
强度的草地禁牧后的固碳量与总固碳成本变化的
同步性差异较大, 从而产生固碳成本对参数敏感
性的差异。另一个造成碳储量变化法和碳通量法
敏感性差异的潜在原因是估算误差。敏感性检验
的一个假设条件是: 在一定牧压范围内, 例如文
中过度放牧的假设范围为5～8羊·hm–2, 过牧和中
等牧压羊草草原禁牧后的年固碳量与禁牧前的放
牧强度无关。这有可能导致对固碳量的估算产生
偏差, 继而影响固碳成本的敏感性分析结果。
从草地生态系统自然演替过程中植被土壤碳
积累过程来看, 碳储量变化法与碳通量法在本质
上是一致的, 二者都较适于草原禁牧下固碳量和
固碳成本的估算, 可根据获取的数据类型不同而
采用不同的方法。例如, 通过野外观测或模型模
拟能够获得草地禁牧期间每年的碳通量数据, 可
以应用碳通量法进行固碳量估算; 仅能够获取草
地禁牧前后两期的碳储量数据, 碳储量变化法则
成为唯一选择方法; 如果能够获得足够的数据支
持, 同一研究区相同背景下以两种方法计算得到
的固碳成本应当是相等的。
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责任编委: 周广胜 责任编辑: 姜联合