全 文 ：内蒙古典型草原土壤固碳潜力及其不确定性的估算*
王摇 玮1 摇 邬建国1,2,3**摇 韩兴国1,4
( 1中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室, 北京 100093; 2美国亚利桑那州立大学生命科学学院和全球可持
续研究所, Tempe, AZ 85287; 3内蒙古大学中美生态、能源及可持续性科学研究中心, 呼和浩特 010021; 4中国科学院沈阳应
用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室, 沈阳 110164)
摘摇 要摇 以内蒙古锡林郭勒盟典型草原围封和放牧对照的实测数据为基础,比较了不同植物
群落类型的碳储量和固碳量,并估算了重度退化草地完全恢复后的土壤固碳潜力.结果表明:
在局地尺度上,以羊草、大针茅和克氏针茅为优势种的 3 种植被类型的年均固碳量均随着围
封年限的增加而减少.羊草和大针茅草原群落的碳储量显著高于克氏针茅草原群落,而在过
牧导致的退化过程中,后者流失了更多的土壤有机碳,其固碳潜力高于前两者. 在区域尺度
上,内蒙古典型草原土壤表层 0 ~ 20 cm的固碳潜力在-0. 03伊104 ~ 3. 71伊104 kg C·a-1范围内
变化,总固碳潜力为 12. 1伊108 kg C·a-1 .不确定性分析发现,忽略石砾含量不会造成土壤固
碳潜力估算值的较大偏差,而气象数据空间插值造成的误差为依4. 7伊109 kg C·a-1 .假设未来
生长季降水的平均变化值为 - 3. 2 mm·(10 a) -1时,土壤固碳潜力将减少 1. 07 伊 108
kg C·(10 a) -1 .
关键词摇 内蒙古典型草原摇 草地退化摇 草地恢复摇 固碳潜力摇 尺度推绎摇 不确定性分析
*国家自然科学基金创新研究群体项目 ( 30821062 )、国家自然科学基金重点项目 ( 30830026 )和国家重点基础研究发展计划项目
(2007CB106801)资助.
**通讯作者. E鄄mail: Jingle. Wu@ asu. edu
2011鄄05鄄12 收稿,2011鄄10鄄26 接受.
文章编号摇 1001-9332(2012)01-0029-09摇 中图分类号摇 Q142;S812;XI7l摇 文献标识码摇 A
Estimation of soil carbon sequestration potential in typical steppe of Inner Mongolia and as鄄
sociated uncertainty. WANG Wei1, WU Jian鄄guo1,2,3, HAN Xing鄄guo1,4 ( 1 State Key Laboratory
of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100093, China; 2School of Life Sciences and Global Institute of Sustainability, Arizona State Univer鄄
sity, Tempe, AZ 85287, USA; 3Sino鄄US Center for Conservation, Energy and Sustainability Science,
Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China; 4State Key Laboratory of Forest and Soil Ecolo鄄
gy, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110164, China) . 鄄Chin.
J. Appl. Ecol. ,2012,23(1): 29-37.
Abstract: Based on the measurements in the enclosure and uncontrolled grazing plots in the typical
steppe of Xilinguole, Inner Mongolia, this paper studied the soil carbon storage and carbon seques鄄
tration in the grasslands dominated by Leymus chinensis, Stipa grandis, and Stipa krylovii, respec鄄
tively, and estimated the regional scale soil carbon sequestration potential in the heavily degraded
grassland after restoration. At local scale, the annual soil carbon sequestration in the three grass鄄
lands all decreased with increasing year of enclosure. The soil organic carbon storage was signifi鄄
cantly higher in the grasslands dominated by L. chinensis and Stipa grandis than in that dominated
by Stipa krylovii, but the latter had much higher soil carbon sequestration potential, because of the
greater loss of soil organic carbon during the degradation process due to overgrazing. At regional
scale, the soil carbon sequestration potential at the depth of 0-20 cm varied from -0. 03伊104 to
3郾 71伊104 kg C·a-1, and the total carbon sequestration potential was 12. 1伊108 kg C·a-1 . Uncer鄄
tainty analysis indicated that soil gravel content had less effect on the estimated carbon sequestration
potential, but the estimation errors resulted from the spatial interpolation of climate data could be
about 依4. 7伊109 kg C·a-1 . In the future, if the growth season precipitation in this region had an
average variation of -3. 2 mm·(10 a) -1, the soil carbon sequestration potential would be de鄄
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 1 月摇 第 23 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2012,23(1): 29-37
creased by 1. 07伊108 kg C·(10 a) -1 .
Key words: Inner Mongolia typical steppe; grassland degradation; grassland restoration; carbon
sequestration potential; scaling; uncertainty analysis.
摇 摇 土壤碳固持(soil carbon sequestration), 或称为
碳固定、碳截存,是指植物通过光合作用固定大气中
的 CO2,并存储为土壤有机质的过程[1] .在已有的国
内外相关研究中, 碳固持的概念不仅指这一生物学
过程,还表示这一过程中所固定的碳量,即土壤碳库
(soil carbon pool)的变化量[2-5] .草地生态系统是陆
地碳循环及碳固持的一个重要组成部分[6-7],其碳
储量约占陆地生态系统总碳储量的 34% [8] .欧亚草
原是世界最大的草原,内蒙古典型草原是欧亚草原
的典型代表[9] . 由于多年以放牧为主的过度利用,
草原群落生产力降低,草层高度和地表盖度显著降
低,土壤侵蚀强度和面积增加,使草地生态系统土壤
有机碳含量降低[10] .以内蒙古锡林河流域羊草草原
为例,40 年来,过度放牧已使土壤表层(0 ~ 20 cm)
土壤碳储量降低了 12郾 4% [11] .
加强草地管理,恢复退化草地可以有效地增加
草地土壤有机碳储量[3,12-13] . Conant 等[14]对全球范
围内 115 个相关研究的 300 多个数据点的统计分析
表明,改进管理措施后,草原土壤碳储量提高了
0郾 11 ~ 3郾 04 Mg C · hm-2 · a-1 (平 均 提 高
0郾 54 Mg C·hm-2·a-1).依据国内长期定位试验数
据,郭然等[15]估算了我国草地生态系统的固碳现状
和潜力,结果显示,人工种草、退耕还草和草场围栏
累计面积的固碳总量分别为 25郾 59、 1郾 46 和
12郾 01 Tg·a-1,总计 39郾 06 Tg·a-1 .由此可见,我国
乃至全球的退化草地生态系统的恢复具有很大的固
碳潜力.
在退化草地的恢复重建中,围栏封育是经济而
有效的手段之一,可以显著地提高退化草地碳贮
量[16-19] .不同围封时间的退化草地群落代表了不同
的生态系统恢复阶段,相应的草地固碳时间序列数
据可用来估算草地土壤固碳潜力. 但由于先前研究
的空间分辨率低,考虑相关因素较少,到目前为止退
化草地固碳潜力仍存在很大的不确定性.此外,虽然
有一些根据试验点土壤养分动态数据估测草地固碳
潜力的研究[15],但采用的尺度推绎方法多为简单的
面积加权平均.如此上推到区域尺度,准确性低,而
且缺乏不确定性估计. 本文以锡林郭勒盟长期定位
试验的数据为基础,结合气象数据,通过比较典型草
原区重度退化的不同植被群落的碳储量 ( carbon
storage)和固碳量( carbon sequestration),进而估算
重度退化草地植被完全恢复后的土壤固碳潜力(soil
carbon sequestration potential)及不确定性,旨在进一
步完善草原土壤固碳潜力估算及其不确定性分析.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
锡林郭勒盟 ( 41毅 35忆—46毅 46忆 N, 111毅 09忆—
119毅58忆 E)位于我国内蒙古自治区中东部,辖 9 旗 2
市 1 县.该区域属中温带半干旱大陆性气候,冬季寒
冷,夏季炎热,降水不均,雨热同期[20] .
典型草原构成了锡林郭勒盟草原的主体部分,
大体上分布于 112毅30忆—117毅30忆 E 之间. 东部以大
针茅(Stipa grandis)和羊草(Leymus chinensis)草原
为主,土壤为暗栗钙土;西部降水量减少,大针茅被
克氏针茅(Stipa krylovii)取代,土壤为典型栗钙土.
在强度放牧下,典型草原退化为冷蒿(Artemisia frigi鄄
da)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)占优势的群
落;长期高强度放牧使冷蒿群落向更严重退化的星
毛萎陵菜(Potentilla acaulis)或狼毒(Stellera chamae鄄
jasme)占优势的群落演变[21] . 退化群落在禁牧或减
轻放牧压力后,尚可恢复为以羊草、大针茅或克氏针
茅为优势种的原生群落类型.
1郾 2摇 数据获取及处理
1郾 2郾 1 样点土壤有机碳数据摇 本研究选取已发表文
献中锡林郭勒盟境内与典型草原实验地点相近、气
候和土壤条件变化不大的过度放牧和围封处理的对
照试验数据.过牧样点的植被类型为以冷蒿、糙隐子
草或星毛委陵菜为优势种的退化群落类型;对照样
地围封若干年后,恢复为以羊草、大针茅或克氏针茅
为优势种的群落类型.数据包括 0 ~ 20 cm 土壤有机
碳(用重铬酸钾硫酸外加热法测定)、容重(用环刀法
测定)、围封年限、采样点坐标、采样时间等信息.在所
收集的对照试验中,羊草草原样点 19个,大针茅草原
样点 4个,克氏针茅草原样点 4个(图 1,表 1).
摇 摇 为了与碳储量的概念进行区分,本文采用固碳
量[5]来表示一段时间内单位面积土壤碳储量的差
量,用年均固碳量 ( annual carbon sequestration,
ACS)来表示土壤碳储量单位面积的年变化量.
03 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 1摇 样点分布图
Fig. 1摇 Distribution map of sampling sites.
Lc:羊草 Leymus chinensis; Sg:大针茅 Stipa grandis; Sk:氏针茅 Stipa
krylovii. 下同 The same below.
摇 摇 土壤碳储量(SOC, kg C·m-2)的计算公式为:
SOC=CBDH(1-G) / 10 (1)
式中: C为土壤有机碳含量(% ),若原始数据中测
量指标为土壤有机质,则以 1郾 724 颐 1 的比值关系换
算为土壤有机碳;BD为土壤容重( g·cm-3 ) ,采用
表 1摇 样点地理位置
Table 1摇 Location of sampling sites
植被类型
Grassland
type
序号
Number
地理位置
Location
植被类型
Grassland
type
序号
Number
地理位置
Location
羊草
Leymus
1 43毅32忆39舀N
116毅40忆00义 E
chinensis 2 43毅33忆00舀N
116毅40忆20义 E
3 43毅33忆06义 N
116毅40忆08义 E
4 43毅35忆50义 N
116毅44忆19义 E
5 43毅33忆06义 N
116毅40忆20义 E
6 43毅37忆46义 N
116毅41忆10义 E
7 43毅32忆58义 N
116毅40忆43义 E
8 43毅33忆06义 N
116毅40忆20义 E
9 43毅35忆50义 N
116毅44忆20义 E
10 43毅35忆47义 N
116毅44忆20义 E
11 43毅35忆47义 N
116毅44忆20义 E
12 43毅35忆50义 N
116毅44忆16义 E
13 43毅35忆50义 N
116毅44忆20义 E
14 43毅33忆06义 N
116毅40忆20义 E
羊草
Leymus
15 41毅41忆53义 N
115毅11忆50义 E
chinensis 16 41毅41忆48义 N
115毅11忆55义 E
17 41毅45忆46义 N
115毅12忆00义 E
18 41毅49忆51义 N
115毅13忆31义 E
19 41毅42忆14义 N
115毅11忆14义 E
大针茅
Stipa
20 43毅32忆21义 N
116毅33忆12义 E
grandis 21 43毅33忆04义 N
116毅33忆10义 E
22 43毅32忆25义 N
116毅33忆18义 E
23 43毅35忆35义 N
116毅44忆28义 E
24 42毅02忆00义 N
116毅17忆00义 E
克氏针茅
Stipa
25 42毅00忆55义 N
116毅17忆00义 E
krylovii 26 42毅00忆55义 N
116毅17忆00义 E
27 42毅00忆55义 N
116毅17忆00义 E
文献中提供的数据,如原文没有测量容重数据,则参
考相近实验点的数据代替;H为土壤厚度,鉴于目前
国内相关研究,本文中 H=20 cm;G为>2 mm石砾含
量(% ).
固碳量(吟SOC, kg C·m-2)的计算公式为:
吟SOC = SOC0 -SOCd (2)
式中: SOC0为围封草地的表层土壤有机碳含量
(kg C·m-2);SOCd为退化草地的表层土壤有机碳
含量(kg C·m-2).
年均固碳量(ACS)的计算公式为:
ACS =吟SOC / n (3)
式中: ACS 为 采 取 围 封 措 施 的 年 均 固 碳 量
(kg C·m-2·a-1);n为围封时间(a).
本文将退化草地恢复的固碳潜力定义为重度退
化草地恢复到未退化状态的过程中所固定的土壤有
机碳总量,在数量上,与草地退化所造成的草地土壤
有机碳的损失相等.固碳潜力(kg C·a-1)可以根据
草地退化面积和年均固碳量来计算.
1郾 2郾 2 气象数据摇 为了分析草地固碳量和气候因子
之间的关系,收集了有关气象数据.本研究采用的土
壤有机碳数据取样时间多集中于 2000—2009 年,因
此,采用同一时间段的内蒙古自治区及周围河北、山
西等地 31 个气象台站的月尺度气象数据,计算 10
个气候指标:年均温(T)、年降水(P)、生长季(4—9
月)降水(Pg)、温暖指数(WI)、湿润指数(HI)、年生
物温度(ABT)、年较差(ART)、有效温度(ET)、温和
度(TN)和水热综合因子(S) [22] .部分气候因子计算
公式如表 2 所示.
摇 摇 以数字高程模型(digital elevation model, DEM)
作为辅助信息,利用 ArcGIS 9郾 3 的 Co鄄kringing插值
表 2摇 气候因子计算公式
Table 2摇 Formulas for calculating climate variables
气候指标
Climate variable
计算公式
Formula
温暖指数
Warmth index (WI,益)
WI = 移(T - 5) (T为>5 益的月
均温)
湿润指数
Humidity index (HI)
HI=P / WI
有效温度
Effective temperature (ET) ET=
8T+14R
8+R (T为年均温,R 为年
较差)
温和度
Temperateness (TN)
TN= 109-30lg[(14-T) 2 +(1郾 46 +
0郾 366R) 2](T为年均温,R 为年较
差)
水热因子综合指标
Bailey爷s index (S) S = 移
12
i = 1
0郾 18ri / 1郾 045T
[ ri 为月均降水量(mm)]
131 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 玮等: 内蒙古典型草原土壤固碳潜力及其不确定性的估算摇 摇 摇
法,分别对每年的 10 个气候指标进行插值,提取采
样年份试验样点的对应气象因子;另外对 10 个指标
的 10 年平均值进行插值,作为估算模型中的自变量
数值.
1郾 2郾 3 摇 MODIS 遥感影像及植被图 摇 利用 20 世纪
50、60 年代绘制的 1 颐 100 万中国植被图[23]和矢量
格式的行政边界图提取锡盟的羊草、大针茅和克氏
针茅植被类型区,作为草地退化前的原始图.
草地退化会引起生物量显著下降,通过生物量
的变异来划分草地退化程度是最直接和简单的方
法[24] .刘钟龄等[21]研究认为,在锡林郭勒盟典型草
原区,重度退化草地的地上生物量下降比例在 65%
以上.据此,根据已有研究中[25-26]收集的典型草原
地上生物量,在年均降水量<200 mm、200 ~ 300 mm
和>300 mm 的区域,典型草原重度退化的标准分别
设定为:地上生物量 < 37 g·m-2、80 g·m-2和
113 g·m-2 .由于在锡盟典型草原,MODIS鄄NDVI 和
地上生物量具有很好的线性相关性[27],本文采用张
连义[27]研究结果中得到的函数关系 (生物量 =
368郾 273 NDVI-2郾 973),通过 NDVI得出锡盟典型草
原的重度退化分布图.
采用美国国家航天局(NASA)免费提供的 2009
年 8 月覆盖研究区的 3 幅 MOD09Q1 产品. MOD09Q1
是 8 d合成的空间分辨率为 250 m 的地表反射率产
品.投影统一设置为 Albers, Datum为WGS84;计算 3
幅影像的 NDVI,通过最大值合成法(MVC)得到 8 月
植被指数灰度图像;利用提取的典型草原区做掩膜,
并根据退化分级标准,得到研究区重度退化草地分布
图. 以上处理均在软件 MRT (MODIS Reprojection
Tool)、ENVI和 ArcGIS中完成.
1郾 3摇 统计处理
采用 SPSS 13郾 0软件进行统计分析.利用单因素
方差分析(one鄄way ANOVA)分析植被类型对土壤碳
储量和固碳量的影响.采用 Pearson 分析气候因子与
土壤年均固碳量的相关关系,用偏相关分析控制降水
量之后其他气候因子和土壤年均固碳量的关系.
1郾 4摇 尺度推绎
利用土壤年均固碳量与气候指标逐步回归分析
结果,并结合重度退化草地分布图和对应的气候因
素的数值来计算研究区典型草原的固碳潜力. 进而
根据固碳量与气候因素关系的不确定性估算典型草
原区域固碳潜力尺度上推的误差范围.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 样点尺度上 3 种植被类型年均固碳量和碳储
量比较
在样点尺度上,羊草、大针茅和克氏针茅草原的
年均固碳量在围封初期最大,随着围封年限的增加,
均呈减小趋势(图 2),在围封 30 年左右的羊草和大
针茅样地,年均固碳量已接近 0郾 这表明采取围栏封
育使退化植被自然恢复时,初期表层土壤固碳量较
高,但当围封期限长达一定时间,生态系统得以恢
复,土壤有机碳的固持能力保持相对稳定.
摇 摇 由图 3可以看出,3种植被类型的碳储量中,羊草
草原(3郾 8 kg C·m-2)和大针茅草原(3郾 4 kg C·m-2)
的土 壤 碳 储 量 显 著 高 于 克 氏 针 茅 草 原
(3郾 0 kg C·m-2),羊草草原和大针茅草原的土壤碳
储量没有显著差异;克氏针茅草原在恢复过程中的
固碳量 ( 2郾 1 kg C · m-2 ) 显著高于羊草草原
(0郾 9 kg C·m-2)和大针茅草原(0郾 7 kg C·m-2),
羊草草原和大针茅草原之间的土壤固碳量没有显著
差异.
图 2摇 不同植被类型年均固碳量的变化
Fig. 2摇 Change of annual carbon sequestration (ACS) of different grassland types (mean依SE).
玉:地理位置在 43毅33忆 N、116毅40忆 E附近的羊草草原采样点 The sampling sites on L郾 chinensis steppe around 43毅33忆 N,116毅40忆 E[19, 22, 28-34] ;域:地理位
置在 41毅42忆 N、115毅11忆 E附近的羊草草原采样点 The sampling sites on L郾 chinensis steppe around 41毅42忆 N,115毅11忆 E[35] ; 芋:地理位置在 43毅32忆—
43毅35忆 N、116毅33忆—116毅44忆 E的大针茅草原采样点 The sampling sites on Stipa grandis steppe at 43毅32忆—43毅35忆 N,116毅33忆—116毅44忆 E[16,28,33,36] ;
郁:地理位置在 42毅02忆 N、116毅17忆 E附近的克氏针茅草原样点 The sampling sites on Stipa krylovii at 42毅02忆 N,116毅17忆 E[ 37-39] .
23 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 3摇 3 种植被类型的碳储量和固碳量
Fig. 3摇 Carbon storage and carbon sequestration of three grass鄄
land types (mean依SE).
不同小写字母表示差异显著 (P<0郾 05) Different small letters repre鄄
sented statistically significant difference at 0郾 05 level.
2郾 2摇 区域尺度气候因子对年均固碳量的影响
采用 Pearson 相关分析对草地表层土壤年均固
碳量与气候因子之间的相关关系进行分析. 结果表
明,年均固碳量与年降水量、生长季降水、湿润指数、
温和度和水热综合因子均呈显著正相关;与年较差
呈显著负相关;与其他气候因子无明显相关关系
(表 3).但在控制降水因子之后的偏相关分析中发
现,降水之外的其他因子对年均固碳量的影响均没
有达到显著性水平(表 4). 这表明退化草地在恢复
过程中的年均固碳量主要受降水影响.对 0 ~ 20 cm
土壤的年均固碳量与气候指标进行逐步回归分析,
结果发现,生长季降水对年均固碳量的影响最大,拟
图 4摇 锡林郭勒盟典型草原固碳潜力的分布
Fig. 4摇 Distribution of carbon sequestration potential (CSP) of
typical steppe in Xilinguole.
合回归方程为:
ACS=0郾 004Pg-0郾 701 (R2 =0郾 489, P<0郾 001) (4)
2郾 3摇 区域尺度上固碳潜力的估算
利用式(4),结合重度退化草地分布图和对应
的 2000—2009 年平均生长季降水量的插值,计算研
究区典型草原的固碳潜力,并做出分布图(图 4).根
据线性回归模型计算得到的固碳潜力为-0郾 03伊104 ~
3郾 71 伊 104 kg C·a-1,其中约 50% 的固碳潜力在
0郾 10伊104 ~ 1郾 50伊104 kg C·a-1 . 3 种植被类型总的
固碳潜力为 12郾 1伊108 kg C·a-1,其中克氏针茅草原
的固碳潜力最大,占 53% (表 5).
2郾 4摇 区域固碳潜力计算结果的不确定性分析
从两个方面对区域固碳潜力计算结果的不确定
性进行分析.首先,利用气象数据插值生成的标准误
差,估算了气象数据对回归方程的计算结果所造成
的不确定性,其数值为依4郾 7伊109 kg C·a-1 .此外,由
于采样点缺乏>2 mm石砾含量的相关记录,故在样
表 3摇 气候因子与土壤年均固碳量(ACS)的相关分析
Table 3摇 Correlation analysis between climate variables and soil annual carbon sequestration
T
(益)
P
(mm)
Pg
(mm)
ART
(益)
ABT
(益)
WI
(益)
HI TN ET S
ACS F 0郾 214 0郾 663** 0郾 699** -0郾 504** -0郾 182 0郾 008 0郾 681** 0郾 418* -0郾 075 0郾 669**
(kg C·m-2·a-1) P 0郾 284 0郾 000 0郾 000 0郾 007 0郾 364 0郾 970 0郾 000 0郾 030 0郾 711 0郾 000
*P<0郾 05;**P<0郾 01.
表 4摇 控制降水的气候因子与年均固碳量(ACS)的偏相关分析
Table 4摇 P鄄correlation analysis between climate variables and soil annual carbon sequestration while precipitation condition is
fixed
控制变量
Fixed variable
T
(益)
ART
(益)
ABT
(益)
WI
(益)
HI TN ET S
P(mm) ACS F 0郾 032 -0郾 177 -0郾 213 -0郾 033 0郾 238 0郾 123 -0郾 128 0郾 131
(kg C·m-2·a-1) P 0郾 876 0郾 386 0郾 296 0郾 875 0郾 243 0郾 550 0郾 533 0郾 522
331 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 玮等: 内蒙古典型草原土壤固碳潜力及其不确定性的估算摇 摇 摇
表 5摇 3 种植被类型的固碳潜力
Table 5摇 Carbon sequestration potential of three vegetation
types
植被类型
Vegetation type
面积
Area
(伊102 km2)
固碳潜力
Carbon sequestration
potential
(伊108 kg C·a-1)
羊草 Leymus chinensis 11郾 76 2郾 8
大针茅 Stipa grandis 28郾 90 2郾 9
克氏针茅 Stipa krylovii 43郾 14 6郾 4
总计 Total 83郾 80 12郾 1
点计算中未加考虑.在区域尺度上,研究区土壤类型
多样,有必要估算忽略石砾含量可能造成的估算误
差.因此利用 1 颐 100 万土壤类型图提取研究区相应
的土壤类型,根据《中国土壤》 [40]中对各类型土壤的
描述,确定 0 ~ 20 cm 土壤>2 mm 石砾含量.结果表
明,忽略石砾含量使计算结果仅变化 0郾 6% . 可见,
在研究区内,忽略石砾含量不会造成土壤固碳潜力
估算值的较大偏差.
2郾 5摇 土壤固碳潜力对气候变化的响应
根据 Ni 和 Zhang[41]利用 GCM 模型的预测,未
来 100 年内蒙古草原年均降水量会增加 30 ~
100 mm,但生长季降水会轻微减少,大部分的增加
量发生在冬季.根据锡林郭勒盟境内 16 个气象站点
1971—2000 年生长季的平均降雨资料,王永利[42]发
现,期间研究区降雨量总体减少,但平均变化值为
-9郾 5 mm.
基于王永利[42]的研究结果,假设未来气候按照
已有数据的趋势变动,即锡林郭勒盟生长季降水的
平均变化值为-3郾 2 mm·(10 a) -1,根据式(4)计算
得出,生长季降水的下降将导致土壤固碳潜力减少
1郾 07伊108 kg C·(10 a) -1,占固碳潜力的比例较小,
说明未来典型草原生长季降水的变化不会对土壤固
碳潜力产生较大的影响.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 草地生态系统碳平衡与退化草地碳库的恢复
时间
围栏封育是促进退化草地恢复行之有效的措施
之一[10,43] . 退化草地植被恢复到羊草、大针茅和克
氏针茅等典型草原代表植被类型后,地上生物量显
著增加[44],草层高度、地表盖度显著提高[35],减缓
了土壤风蚀,有利于土壤有机碳的积累[45-46] .
在样点尺度上,羊草、大针茅和克氏针茅 3 种植
被类型在由退化状态逐步恢复过程中的年均固碳
量,均随着围封年限的增加而减少. 有研究认为,草
地土壤有机碳对草地管理措施的响应时间至少需要
20 年[11] . Werth 等[47]认为,德国西南部地区土壤有
机质在恢复 20 年后可以达到稳定状态;而 Burke
等[48]则认为,对于土壤活性有机质的恢复和营养物
质的可利用性来说,50 年的时间尺度比较合适,而
总的土壤碳库的恢复是一个更为缓慢的过程. 本研
究结果表明,从土壤固碳潜力的角度考虑,重度退化
的典型草原至少在围封 20 ~ 26 年这段时间内,其土
壤碳库在不断增加,有利于草地固碳. 围封时间在
30 年以上,其土壤碳库达到最大值,固碳潜力降低,
而且可能造成土壤碳的流失[49] .
3郾 2摇 不同草地类型的碳储量和固碳量
样点尺度上,未退化或退化程度相当的羊草和
大针茅草原的碳储量显著高于克氏针茅草原,但后
者因放牧而造成的退化程度最高,其固碳量亦最高.
高英志等[50]研究表明,土壤有机质含量低的土壤比
含量高的土壤更易受放牧的影响. 由于克氏针茅的
生境更干旱,土壤质地较粗,植被退化加速了土壤的
风蚀[51] 郾 这也是克氏针茅草原表层土壤碳储量比
其他两种典型草原类型下降更多的重要原因之一.
据此看来,虽然重度退化的克氏针茅群落在 3 种草
原类型中有着最大的固碳量,但其恢复过程可能需
要更长的时间.
3郾 3摇 影响退化草地年均固碳量的主要气候因子
在研究之前,本文假设多个气候因素(包括年
降水量、生长季降水、湿润指数、温和度、年较差和水
热综合因子)对退化草地年均固碳量会产生影响.
然而研究结果表明,在区域尺度上,只有降水(尤其
是生长季降水)是土壤年均固碳量的决定性因子.
这可能是由于在植被和土壤恢复过程中,降水是地
上、地下生物量最主要的限制因子,从而影响土壤有
机碳的积累[22] . 考虑到锡盟草原雨热同季的特点,
温度的重要性也可能被生长季降水的重要性所涵
盖.此外,由于温度和降水量之间存在很强的正相
关,因此在分析土壤有机碳与温度、降水之间的相关
性时,宜采用偏相关分析方法,否则结果可能出现
错误.
3郾 4摇 典型草原土壤固碳潜力估算及不确定性分析
以国内长期定位试验的数据为基础,郭然[52]估
算了中国典型草地(包括内蒙古以及中国东部和南
部各省的所谓典型草地、草坡)的固碳潜力.结果表
明,在围封恢复的过程中,0 ~ 30 cm 深土壤固碳潜
力平均为 0郾 47 t C·hm-2·a-1 .石锋等[10]估算了我
国温 性 草 原 围 封 的 土 壤 有 机 碳 增 加 量 为
43 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
0郾 37 t C·hm-2·a-1 .本研究结果显示,锡盟典型草原
区围封恢复的固碳潜力平均为 1郾 44 t C ·hm-2·a-1 .
与上述两个研究相比,锡盟典型草原区退化草地恢
复的固碳潜力远大于中国典型草地或中国温性草原
的平均水平.
参照马文红[53]对内蒙古草原现状碳储量的调
查结果,刘美玲[22]研究发现,典型草原 0 ~ 30 cm 土
壤有机碳库在得到完全恢复后能增加 0郾 87 Pg C.假
设重度退化的草地生态系统经过 25 年可以完全恢
复,那么本文计算的锡盟典型草原土壤固碳潜力约
占内蒙古总土壤固碳潜力的 3郾 5% ,而锡盟重度退
化的草地面积占内蒙古典型草原面积的 3郾 3% ,这
意味着锡盟典型草地土壤的固碳潜力略高于内蒙古
草原的平均水平.
为了实现对区域固碳潜力计算结果的不确定性
分析,本文利用土壤类型图和《中国土壤》 [40]中的数
据估算了忽略砾石含量引起的误差. Wu 等[54]利用
第二次全国土壤普查数据计算出中国土壤有机碳储
量,并与 Fang 等[55]和 Wang 等[56]的估算值进行对
比.结果发现,由于考虑了石砾含量,估算结果减小
约 10% . Fang等[57]认为,由于草地土壤中的石砾含
量更高,可能会导致更大的误差. 根据本研究结果,
在锡盟典型草原区,忽略石砾含量不会造成土壤固
碳潜力估算值的较大偏差,而气象数据空间插值误
差所造成的不确定性则高达依4郾 7伊109 kg C·a-1 .
3郾 5摇 固碳潜力对未来气候变化的响应
通过前人对锡林郭勒盟气候变化的研究结果,
假设 在 未 来 生 长 季 降 水 的 平 均 变 化 值 为
-3郾 2 mm·(10 a) -1 时, 土 壤 固 碳 潜 力 将 减 少
1郾 07伊108 kg C·(10 a) -1 . 本文仅考虑了生长季降
水量的变化,并未考虑降水格局的变化.而降水格局
的变化可能会引起典型草原面积、分布格局以及群
落结构的改变,从而对土壤固碳潜力产生影响. 因
此,本文对未来气候条件下锡林郭勒盟典型草原固
碳潜力变化的估算存在一定的不确定性,需要在未
来固碳潜力估算的研究中进一步加以验证.
致谢摇 论文写作过程中得到梁存柱、马文红、李昂和张靖的
帮助,特此感谢.
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作者简介摇 王摇 玮,女,1986 年生,硕士研究生.主要从事草
地固碳研究. E鄄mail: wangwei861220@ 126. com
责任编辑摇 李凤琴
731 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 玮等: 内蒙古典型草原土壤固碳潜力及其不确定性的估算摇 摇 摇