云南省人工草地生物量碳庫估算

米 微 ，劉 洋 ，唐 昊 ，鄧菊芬 ?，嚴 菘

（1.云南省草山飼料工作站，云南昆明 650225；2.云南草原監(jiān)理站，云南昆明 650224）

由人類活動所導致CO2濃度升高和全球氣候變暖已經(jīng)成為當前人類面對的最為迫切的環(huán)境問題。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）《氣候變化2014綜合報告》（AR5）估算，1750－2010年人為的溫室氣體排放當量已達2040±310×109tCO2，而據(jù)報告測算每積累排放1000×109tCO2形式的碳會造成全球平均峰值表面溫度變化0.8～2.5℃[1]。為實現(xiàn)《巴黎協(xié)議》中把全球平均氣溫升幅控制在工業(yè)化前水平2℃之內(nèi)，并努力將氣溫升幅限制在工業(yè)化前水平以上1.5℃之內(nèi)的控制目標[2]，不僅需要對溫室氣體采取更加有力的減排措施，還需要不斷提升碳匯的供給和管理水平。

草地作為重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，有著巨大的碳匯潛力。據(jù)估算，全球草地碳匯總潛力約占全球碳匯潛力的30%左右[3]，僅次于森林生態(tài)系統(tǒng)。而我國作為草地資源大國，各類草地也蘊含著極大的碳匯潛力，任繼周等估算我國草地年碳匯潛力達到了773.21×106tC[4]。近年來國家通過實施草原生態(tài)保護獎勵政策及退牧還草、退耕還草、南方草地推進項目等一系列重大草原保護建設(shè)項目，大力推進人工草地建設(shè)和天然草地生態(tài)保護，不僅使得我國原本嚴重退化的草原得到了休養(yǎng)生息，同時也大幅提升了草地碳匯潛力。

一方面，目前對草地資源碳匯開展的研究數(shù)量相對較少；另一方面，由于針對草地碳匯研究主要采取以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過凈初級生產(chǎn)力綜合順序分類模型等數(shù)學模型對草地碳庫進行估算，這些估算方法需要較為專業(yè)的遙感、數(shù)據(jù)處理和建模知識，對于基層草原技術(shù)人員而言，較難使用和推廣。因此，本研究以《2006年IPCC國家溫室氣體清單排放指南》[5]（以下簡稱指南）方法學為基礎(chǔ)，結(jié)合行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)與已公開的研究成果，通過對云南省2012－2016年人工草地生物量碳庫變化開展估算和分析，期望能夠為未來云南草原碳匯研究提供參考和依據(jù)，同時也為廣大基層草原技術(shù)人員介紹和推廣一種易于學習和使用的草原生物量碳庫估算的方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域簡介

云南省地處我國西南邊陲，位于東經(jīng)97°31＇～106°12＇，北緯21°08＇～29°15＇之間，國土面積39.4萬 km2，2016年末常住人口4770萬人。全省為山地、高原和丘陵地形。地勢西北高、東南低，平均海拔達到2000 m。全省屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，立體氣候特點顯著[6]。同時，云南省還是我國草地資源大省，草地面積1530.84萬hm2，居全國第七位[7]。

1.2 人工草地生物量碳庫估算方法學

本次對人工草地碳庫的估算方法主要基于指南第四卷第6章“草地”中對于草地地上和地下生物量碳庫估算推薦的優(yōu)良做法（公式1）。按照IPCC對氣候帶和生態(tài)帶劃分，云南省處于北半球暖溫帶濕潤區(qū)，其地下部分與地上部分生物量的比例為4.0，干物質(zhì)的碳比例為0.47 tC/t。

A=不同人工草地建設(shè)方式面積，×104hm2

DM=不同牧草類型干物質(zhì)產(chǎn)量，t/hm2

R=地下部分與地上部分生物量的比例

CF=干物質(zhì)的碳比例

i=生態(tài)帶

J=氣候帶

1.3 人工草地面積和干物質(zhì)產(chǎn)量

根據(jù)統(tǒng)計年鑒，人工草地按建設(shè)方式不同可以分為人工種草、改良草地、飛播種草3種。其中，人工種草主要指經(jīng)過翻耕、播種的人工種植草地；改良草地主要指經(jīng)過人工補播改良的天然草地；飛播草地主要指通過飛機播種牧草的天然草地。人工草地面積和干物質(zhì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于統(tǒng)計資料[8-11]和公開文獻[12]（見表1～2）。

1.4 不確定性估算

不確定性估算是IPCC方法學的基本組成之一，也是評價核算工作質(zhì)量的重要依據(jù)。不確定性主由以下幾個方面產(chǎn)生：一是清單編制缺乏完整性，二是模型，三是缺乏數(shù)據(jù)，四是數(shù)據(jù)缺乏代表性，五是樣品隨機誤差，六是測量誤差，七是錯誤報告和分類，八是丟失數(shù)據(jù)。針對不確定性估算，指南也鼓勵通過優(yōu)良做法、改進模式、改善代表性、獲取特定地區(qū)數(shù)據(jù)等方法來減少不確定性。按照指南，各類參數(shù)量化后不確定性見表3，估算方法采用指南推薦優(yōu)良做法即蒙特卡洛方法進行合并估算，計算軟件為Oracle Crystal Ball 11.1.2.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工草地建設(shè)情況

云南省自2011年開始實施草原生態(tài)保護獎勵政策以來，人工草地建設(shè)力度不斷增強。2012-2016年人工草地總面積由81.94萬hm2增加至136.86萬hm2，5年時間增加54.92萬hm2，年均增幅為10.80%。其中，人工種草面積由51.83萬hm2增加至80.04萬hm2，年均增幅為9.08%；改良種草面積由28.41萬hm2增加至55.12萬hm2，年增幅高達14.17%；由于2011年前國家飛播種草項目已經(jīng)結(jié)束，飛播種草面積一直維持在1.7萬hm2。

2.2 人工草地生物量碳庫變化情況

根據(jù)2012－2016年云南省人工草地面積、人工草地牧草干物質(zhì)平均產(chǎn)量以及相關(guān)核算參數(shù)，估算出2012－2016年人工草地生物量碳庫變化情況（表4）。整體上人工草地生物量碳庫呈現(xiàn)增加趨勢，2012年人工草地碳庫為1599.25×104tC，2015年達到最大值為3430.35×104tC，2016年較2015年出現(xiàn)小幅下降，也達3256.35×104tC，5年期間人工草地碳庫年均增加幅度15.28%。其中，人工種草碳庫從2012年的1071.65×104tC增加至2016年的1915.23×104tC，年均增幅12.31%；改良種草則由2012年的497.82×104tC增加至2016年的1301.00×104tC，年均增幅高達21.18%。

表1 人工草地面積

表2 人工草地牧草干物質(zhì)產(chǎn)量

表3 各參數(shù)量化的不確定性

從5年期間的不同類型草地生物量碳庫占比的變化可以看出（圖1），人工種草和改良種草碳庫占比呈增加趨勢，2012年二者占總碳庫比重分別為67.01%和31.13%，至2016年人工種草碳庫小幅下降至58.81%，而改良種草則大幅上升至39.95%。

從人工草地生物碳密度變化情況分析（圖2），人工草地生物碳密度總體在穩(wěn)步增加，從2012年的1951.75 gC·m2增加至2016年的2379.33 gC·m2，年均增幅為5.07%，在2015年時最高達到2698.65 gC·m2。說明通過大力推進人工草地建設(shè)、推廣優(yōu)質(zhì)牧草、提升草地管理水平，能夠增加草地植被的生物碳密度。

2.3 不確定性分析

通過Oracle Crystal Ball軟件，對2012-2016年期間總體碳庫計算結(jié)果進行了3萬次蒙特卡洛模擬計算，人工草地碳庫在95%置信區(qū)間的不確定性見表5。2016年人工草地碳庫不確定性最小，為-92.90%～106.74%，而2013年不確定性最大，為-93.36%～110.77%（圖3～4）。

通過對各年不確定性進行敏感性分析可發(fā)現(xiàn)（表6），2012－2016年，對人工草地生物量碳庫不確定性影響最大的3個因素分別是地下部分與地上部分生物量的比例、多年生草地干物質(zhì)產(chǎn)量、多年生牧草人工種草面積，三者合計對人工草地不確定性的影響超過97%。其中，地下部分與地上部分生物量的比例對人工草地不確定性的影響高達90.4%～92.2%，是整個研究中對結(jié)果不確定性最主要的影響因素。

3 討論與結(jié)論

1）通過2012－2016年云南省大力推進草原生態(tài)保護獎勵補助政策、退牧還草、退耕還草、南方草地推進項目等國家重大草原保護建設(shè)項目的實施，云南省人工草地面積和人工草地生物量碳庫總量不斷增加。說明通過近年來大力推進人工草地建設(shè)，受損退化的天然草地得到了修復，草原植被得到了休養(yǎng)生息，草原生態(tài)價值得到了進一步提升。

表4 人工草地生物量碳庫量

圖1 不同土地利用類型碳庫占比

圖2 人工草地生物碳密度

表5 人工草地生物量碳庫不確定性

圖3 2012年人工草地碳生物量庫不確定性

圖4 2016年人工草地碳生物量庫不確定性

表6 人工草地碳庫不確定性敏感性分析

2） 通過我省人工草地生物質(zhì)碳密度估算發(fā)現(xiàn)，2016年云南省人工草地生物質(zhì)碳密度達到2379.33 gC·m2，遠遠高于此前方精云等[13]研究中300.2 gC·m2的全國草原平均生物量碳庫密度。究其原因，可能是由于此前的研究主要針對全國范圍內(nèi)的所有草原進行，其中既有人工草地也有天然草地，而天然草地中還包含了大量的退化草地以及荒漠地區(qū)極為貧瘠的草地，通常情況下人工草地生物量遠遠超過天然草地，這就可以在一定程度解釋了我省人工草地生物質(zhì)碳密度要遠高于全國平均值。同時，也可以再次證明通過加大人工草地建設(shè)力度、推廣優(yōu)質(zhì)牧草、改良天然草地、提高草地管理水平，不僅能夠起到修復草原、改善生態(tài)環(huán)境的效果，同時還能夠極大地擴展草原碳庫密度。

3）由于本研究主要基于行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其精確程度要低于采用“遙感數(shù)據(jù)+地面監(jiān)測”的草原生物量碳庫建模估算，特別是難以反映多年間土地利用變化對人工草地生物量碳庫的影響，同時還存在不同年代數(shù)據(jù)受不同統(tǒng)計口徑影響大等缺點；但優(yōu)點在于數(shù)據(jù)獲取容易，建模估算過程相對簡單，便于在基層推廣使用。

4）通過對不確定性來源分析后發(fā)現(xiàn)，地下部分與地上部分生物量的比例對人工草地不確定性的影響最大。而Tang等的研究則發(fā)現(xiàn)通過加密觀測點建設(shè)能夠大幅降低草地碳庫研究中的不確定性，獲得較為精確的研究結(jié)果。因此，未來還要加大對相關(guān)數(shù)據(jù)實地調(diào)查研究，獲取本地化的特征值，來降低整個研究中的不確定性。