吉林西部草地退化恢复与碳收支的耦合研究

【摘要】：吉林西部草原位于欧亚大陆的最东部,属草甸草原。该区为一个闭流区,独特的地形条件及气候因素,造成该区地下水的矿化度较高,盐碱土得到了充分的发育,大面积的盐碱化土地影响了该区草地的生产及分布。自第四纪以来,该区经历了多次沙漠化和盐碱荒漠化的正逆演变过程,在平原形成了大面积的盐碱土沉积,为世界三大盐碱地之一,吉林西部属于国际地圈-生物圈计划(IGBP)样带之一的中国东北样带(NECT)范围内。因此,本文所讨论的吉林西部草原是集敏感性和典型性于一身的研究区域,开展退化草地恢复与碳收支的研究具有代表意义。 目前草地生态系统碳循环研究主要集中在碳储量、土壤呼吸和生态系统碳循环模拟这三方面,另外,在气候变化、人类活动及大气CO_2对碳循环过程的影响等方面也取得了很大的进展。在以往的研究中,没有将逆行演替和进展演替结合在一起以非平衡生态学理论和状态转移模型来考虑。 本研究是在国家自然科学基金“吉林西部50年来LUCC对土壤有机碳影响及驱动机制研究”和高等学校博士学科点专项科研基金“土壤盐碱化对松嫩草地生态系统碳循环的影响研究”的支持下完成的。在查明了LUCC对陆地生态系统的净初级生产力(NPP)和土壤有机碳的时空分布特征的影响的基础上,揭示自然和人为因素对草地生态系统碳储量变化的驱动机制。针对研究区草地退化所引起的生态环境问题,运用状态转移模型模拟了草地群落演替,从而获得演替过程各阶段的碳储量变化。在吉林省生态草建设的大背景下,论证了三种退化草地生态恢复模式下土壤碳增汇的可行性,分别计算3种生态恢复模式的固碳潜力,预测吉林西部在清洁发展机制(CDM)下发展碳汇草业的前景。关于草地碳收支及退化草地恢复的耦合研究对于客观认识吉林西部草地生态系统在LUCC影响下的碳源./汇效应,及全球生物圈在固定大气CO_2中的响应,为制定草地碳增汇和生态补偿政策具有理论意义和社会价值。 本次研究得出以下结论: 1、从1989-2008年,总体看来,研究区各地类呈现“四增五减”。其中,草地的面积总体减少。具体为1989至2000年持续降低,从2000至2008年则呈现逐渐增加的趋势。其中,高草面积持续减少,中草波动变化,低草面积增加,说明尽管草地生态系统得到了一定的恢复,但草地整体质量仍呈现下降趋势。 2、选取1989、2004年及2008年的TM影像数据,运用CASA模型和植被枯损模型,计算研究区地表植被碳储量,得出植被碳密度最大的为林地,1989-2008年间研究区内植被总碳储量呈减少趋势,研究区植被碳储量净减少了230.02Tg C。1989-2008年草地植被碳储量增加了53.97 Tg C。另外,草地土壤碳储量一直呈下降趋势。 3、设置状态转移模型描述吉林西部草地的群落演替,随着演替的进行,有机碳同含水率和TN呈正相关,同容重和pH呈负相关。通过计算土壤有机碳密度,0-100cm土层SOCD先升后降,说明天然草地的适度放牧造成的退化能增加草地碳储量,但是随着草地的持续放牧而加重的草地退化会减少草地碳储量。 4、针对研究区内退化草地现状,在姜家店草场选择不同的样地设置退耕还草、围栏封育和人工种草三种试验,设置背景碳库和对照碳库。通过试验得到,围栏封育和人工种草均能直线增加土壤有机碳储量,而退耕还草的过程中,土壤有机碳储量呈现先减少后增加的趋势。通过计算固碳速率和碳汇潜力,得出人工种草的固碳速率最大。综合看来,围栏封育是最好的生态恢复模式,若实施围栏封育政策来恢复吉林西部退化草地,围栏5年得碳汇潜力约为4.08×106t/a,围栏10年的碳汇潜力为1.3×107t/a。 5、若按照2008年吉林西部的退化草地面积估算不同措施的固碳量可达到0.15~1.33亿tC,其中CDM当前碳交易价格为6.3€/tC,以当前的欧元对人民币汇率计算,1欧元=8.5038人民币元,固碳的总价值将可达到7.7~71.4亿元,每公顷退化草地的固碳价值为140.3~4021.4元·hm-2·a-1。参照青海省的实施标准,将固碳总价值的30%用来发展碳贸易,每年可获得2.3~21.4×10~9元的资金,可以用来加快人工草地的建设和天然草地的保育。因此,加强对吉林西部退化草地的恢复,不仅可以改善研究区内的生态环境质量,而且可以提高吉林西部退化草地在碳贸易市场中争取更多的碳减排额度。