青藏高原退牧還草重大生態(tài)工程氣候效應(yīng)

魏達 趙慧 祁亞輝 王壯壯 陶京 牛犇 王小丹

1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

青藏高原擁有全球獨一無二的高寒草地，過度放牧導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)退化。青藏高原平均海拔約4000m 以上，境內(nèi)面積約240～260 萬km2。青藏高原是世界屋脊、國家生態(tài)安全屏障、水資源安全屏障、國土安全屏障和戰(zhàn)略資源儲備基地［1］。寒冷、干旱、強輻射等氣候條件下形成獨特的高寒草地，面積高達140 萬km2，是青藏高原陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在生物多樣性保育、水土保持、碳源匯、氣候調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著重要作用［2］。這些高寒草地是530 萬牧民和5859.96萬頭牲畜高度賴以生存的家園［3］，但近幾十年來牧場過度放牧率在27%～89%［4］.過度放牧對青藏高原等地區(qū)的可持續(xù)性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是草地退化的重要驅(qū)動力［5］。

國家實施系列天然林草重大生態(tài)工程，退牧還草成為其典型代表。自2004年以來，國家重點部署以西藏、三江源、祁連山和橫斷山等為核心的生態(tài)保護與建設(shè)戰(zhàn)略，實施了以天然草地保護與修復(fù)為代表的系列重大生態(tài)工程（圖1），使超過1/3以上的國土面積得到有效保護，成為我國乃至全球單個自然地域單元實施的規(guī)模最大的生態(tài)工程之一［6］。其中，為緩解和解決草地退化問題，我國于2003年發(fā)起了退牧還草工程，試圖恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和多功能性。近20年間，政府為推廣和建設(shè)這項生態(tài)工程在青藏高原廣大地區(qū)注入了大量資金。

圖1 青藏高原生態(tài)工程實施邊界[7]Figure 1 Main ecological restoration projects across the Tibetan Plateau[7]

青藏高原退牧還草正面效應(yīng)凸顯，成為我國碳中和領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。退牧還草工程累計實施總面積達到25 萬km2。其中，三江源區(qū)退牧還草工程實施面積達到11.19 萬km2，主要集中于玉樹、果洛等自治州及其周邊的22 個縣區(qū)。西藏自治區(qū)退牧還草工程實施面積達到8.49 萬km2，主要集中于阿里、那曲、日喀則等地市及周邊的42 個縣區(qū)；祁連山地區(qū)退化草地恢復(fù)工程實施面積0.62 萬km2，涉及甘肅和青海的21 個縣區(qū)；橫斷山區(qū)實施退化草地恢復(fù)工程4.70 萬km2，涉及四川、云南和西藏的31 個縣區(qū)［8］。生態(tài)工程產(chǎn)生了明顯的正面效應(yīng)，生態(tài)系統(tǒng)退化態(tài)勢得到了遏制，生態(tài)安全屏障功能總體穩(wěn)定向好［6］。在我國碳中和的新要求下，厘清重大生態(tài)工程氣候效應(yīng)成為我國氣候變化領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。

1 生態(tài)工程地氣交換量化方法

科學(xué)界發(fā)展了多樣化的地氣交換量化方法。鑒于氣候變暖的全球重要性及溫室氣體的關(guān)鍵調(diào)控作用，科學(xué)界發(fā)展了多樣化的地氣效應(yīng)測定方法。按照自上而下的測定方法劃分，分為衛(wèi)星觀測-大氣反演法、微氣象法、箱法、剖面法等（圖2）。（1）大氣反演法大氣反演法通過觀測到的溫室氣體濃度并結(jié)合大氣化學(xué)傳輸模型進行地面溫室氣體通量的間接測定［9,10］。溫室氣體濃度測定采用衛(wèi)星和地面背景站測定。衛(wèi)星觀測包括我國的碳衛(wèi)星（TanSat）、美國的OCO-2 和日本的GOSAT 等。大氣反演法還可以使用地面溫室氣體濃度測定作為驅(qū)動數(shù)據(jù)，例如我國在瓦里關(guān)等地建立的大氣背景站。（2）渦度相關(guān)技術(shù)：渦度相關(guān)是一種典型的微氣象測定方法，由于其較高的時間分辨率和空間代表性，已被國際公認(rèn)為測定生態(tài)系統(tǒng)與大氣間溫室氣體交換的重要手段［11,12］。渦度技術(shù)在近幾十年中得到了長足發(fā)展，在國際上形成了以FluxNet 為代表的全球觀測網(wǎng)，在我國形成了國家尺度碳通量觀測網(wǎng)絡(luò)ChinaFlux［13］。在區(qū)域尺度也出現(xiàn)面向特定研究對象的觀測網(wǎng)絡(luò)，如對青藏高原多年凍土碳通量的觀測形成了高寒生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測網(wǎng)絡(luò)EddyTibet［7］。（3）箱法：箱法構(gòu)造簡單、造價低廉且移動方便，是目前測量土壤和大氣間微量氣體排放通量應(yīng)用最廣泛的方法［14,15］。箱法分為密閉靜態(tài)箱和密閉動態(tài)箱，根據(jù)箱內(nèi)氣體濃度隨時間的變化率來計算地面溫室氣體通量。開放式動態(tài)箱則是通過箱入口和出口處氣體濃度差異來計算待測氣體的排放通量。有多種手段能夠?qū)崿F(xiàn)被測目標(biāo)溫室氣體濃度的測定，包括堿液吸收法、氣相色譜法、紅外溫室氣體分析儀法等。近期，便攜式溫室氣體分析儀的長足發(fā)展極大促進了箱法的推廣，成為進行快速原位溫室氣體濃度和通量測定的重要選擇之一。（4）土壤剖面法：土壤剖面法一般在不同的土壤層次埋設(shè)探頭或采樣測定溫室氣體濃度，基于菲克定律計算不同層次的溫室氣體排放通量：F=-Ds·?c/?z，其中Ds 為目標(biāo)溫室氣體在土壤中的擴散系數(shù)，c 為目標(biāo)溫室氣體濃度，z 為土壤深度［16,17］。土壤層中的溫室氣體濃度一般采用抽氣法和原位法兩種。抽氣法預(yù)先埋設(shè)帶有孔隙的采氣管，原位法通常采用布設(shè)紅外溫室氣體分析探頭的方式進行。土壤剖面法重要的缺陷在于須進行管子或探頭的埋設(shè)，采樣過程中同樣也會存在壓差問題。同時，在濕地等生態(tài)系統(tǒng)開展土壤剖面法測定很容易造成管路漏水，土壤剖面法的局限性尤為明顯。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體通量測定主要方法分類、適用范圍及主要挑戰(zhàn)Figure 2 Classification and challenges of greenhouse gas exchange observation approaches

各類地氣交換測定方法各有特色，也有其特定的適用范圍。（1）大氣反演法一般適用于區(qū)域尺度、國家甚至洲際尺度的溫室氣體測定［18］。但大氣反演法對溫室氣體絕對濃度的精度要求較高，解算過程中對地面驅(qū)動數(shù)據(jù)也有較高的依賴性。同時，大氣反演適用于宏觀尺度的溫室氣體分析，空間分辨率非常有限［19］。（2）渦度相關(guān)技術(shù)作為目前最為蓬勃發(fā)展的溫室氣體觀測技術(shù)，適合于景觀尺度的溫室氣體通量測定［20］。除了渦度自身對下墊面等要求較為苛刻及數(shù)據(jù)處理過程繁瑣外，渦度相關(guān)技術(shù)不能區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)呼吸的組分，也不能直接測定光合作用［21］。渦度相關(guān)技術(shù)難以捕獲水平溫室氣體遷移，對河流等水體碳流失、糧食、林木產(chǎn)品等碳損失過程難以具體量化。（3）箱法是群落尺度的觀測方案，一般能夠?qū)资翈装倨椒嚼迕椎闹参锶郝錅厥覛怏w收支進行測定，紅外溫室氣體分析儀的發(fā)展帶動了箱法的便攜化［22］。然而，箱法通常會對地面空氣流動產(chǎn)生干擾。靜態(tài)箱通常采用暗箱，其遮光效應(yīng)可能對光合過程及CH4傳輸過程產(chǎn)生抑制，從而造成測定偏差。部分研究采用透明箱，但透明箱可能在測定過程中帶來嚴(yán)重的升溫效應(yīng)，同樣能夠造成系統(tǒng)性偏差。同時，箱法1平米左右的空間范圍決定了它很難對森林等大型植被進行測定，在草地或濕地等植被的測定也具有比較強的空間異質(zhì)性［23］。（4）土壤剖面法也僅能對小范圍的土壤碳排放進行測定，很難涵蓋整個生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放。同時，剖面法可能改變土壤的物理結(jié)構(gòu)，并在采樣過程中帶來壓力差，從而給土壤碳通量測定帶來不確定性［24］。綜上，任何一種技術(shù)方案都有優(yōu)缺，在對溫室氣體通量的實際測定過程中，須根據(jù)研究對象及各類方法的適用范圍，選擇合適的技術(shù)方案。同時，在實驗方案中須進行各種方法的對比觀測，相互交叉印證，可能更真實反映研究對象的溫室氣體收支。

2 生態(tài)工程的CO2吸收效應(yīng)

青藏高原高寒草地是重要的CO2匯。通過定位監(jiān)測、控制試驗和模型模擬等技術(shù)手段，研究發(fā)現(xiàn)青藏高原32 監(jiān)測點中26 個呈現(xiàn)凈碳匯。溫度敏感性分析、16 個控制實驗和18 個模式的模擬表明，暖濕化對碳固定的促進超過了凍土碳釋放的影響［7］。然而，由于目前大多數(shù)觀測極少涉及羌塘無人區(qū)（青藏高原最大的多年凍土區(qū)），尤其對生態(tài)工程的系統(tǒng)性關(guān)注還相對缺乏，導(dǎo)致碳匯的整體強度和未來變化格局仍存在不確定性。退牧還草主要基于三種方式影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)：（1）直接增加草地凈初級生產(chǎn)力，并通過凋落物向土壤中返還更多的有機碳；（2）禁牧對根系和土壤碳的長期影響將隨著前者的消耗而產(chǎn)生較大變化，但短期內(nèi)通常有利于植物地下根系而不是地上光合組織；（3）地下根系間的相互滲透、根系分泌物和枯枝落葉的添加，促使土壤變得相對疏松多孔，影響土壤性質(zhì)和土壤碳動態(tài)。

草地恢復(fù)生態(tài)工程顯著提升碳匯，其碳匯效應(yīng)決定于氣候格局。通過整合青藏高原碳通量發(fā)現(xiàn)，高寒草地修復(fù)總體提升碳匯強度在40%～60%，表明高寒草地碳匯具有較強的提升潛力（圖3）。青藏高原整體暖濕化，但局部地區(qū)呈現(xiàn)暖干化。生態(tài)恢復(fù)的碳匯效應(yīng)與氣候變化的總體格局密切相關(guān)，水分多寡極大影響生態(tài)恢復(fù)的碳匯效應(yīng)強度。生態(tài)恢復(fù)導(dǎo)致的碳匯效應(yīng)在水分較為充足的高寒草甸更加明顯，在較干旱的高寒草原略弱。實際上，目前的草地恢復(fù)主要以自上而下的任務(wù)下達方式開展，并未根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃疅釛l件和退化狀態(tài)進行科學(xué)規(guī)劃。

圖3 高寒草地恢復(fù)下不同高寒生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效應(yīng)Figure 3 Impacts of grassland restoration on carbon uptakes across various grassland types

草地恢復(fù)生態(tài)工程總體存在時序效應(yīng)，長期禁牧可能與牧民爭奪寶貴的牧場資源。青藏高原247個樣地的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生態(tài)恢復(fù)5～8 年時碳匯效應(yīng)達到“飽和點”。長期的生態(tài)恢復(fù)可能導(dǎo)致大量凋落物遮陰效應(yīng)、氮磷營養(yǎng)返還缺失、土壤酸化和土壤孔隙較大等［25,26］，從而限制碳匯效應(yīng)的進一步增長。更重要的是，過長的生態(tài)恢復(fù)可能導(dǎo)致生態(tài)工程與牧民爭奪寶貴的牧場，造成長期禁牧區(qū)的草場閑置和牧草資源浪費而放牧區(qū)草場壓力過大。目前，部分地區(qū)的退化草場存在長期禁牧，部分草場的重新開放時間隨意性較強，缺乏重開放時間的科學(xué)評估。

3 生態(tài)工程CH4源匯效應(yīng)

青藏高原高寒濕地是CH4弱源，生態(tài)恢復(fù)整體降低CH4排放。CH4是第二大溫室氣體，貢獻了氣候變暖的1/4 左右?？茖W(xué)界長期認(rèn)為高寒濕地是重要的CH4源，通過開展連續(xù)觀測研究和模型模擬，目前大多數(shù)學(xué)者定量高寒濕地為CH4弱源（0.25～1.25 Tg CH4/a）［27］。從空間格局來看，高寒濕地CH4釋放呈現(xiàn)出隨海拔升高顯著降低的特點［28］：例如，較低海拔(＜4000m)的高寒濕地平均CH4排放量是較高海拔(＞4000m)的數(shù)十倍。海拔高度的變化耦合了降水、溫度和有機質(zhì)條件等的變化，高寒濕地CH4排放的空間格局與氣候和降水格局導(dǎo)致的地下碳儲量、植被新鮮碳輸入、淹水狀態(tài)和微生物活性等密切相關(guān)。通過整合青藏高原甲烷通量監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)，高寒濕地禁牧樣地CH4排放量較放牧樣地減少了54.19%（圖4）。

圖4 高寒草地恢復(fù)下高寒生態(tài)系統(tǒng)退牧還草CH4通量效應(yīng)Figure 4 Impacts of grassland restoration on CH4 exchanges across various grassland types

高寒草原CH4吸收不容忽視，生態(tài)恢復(fù)總體促進CH4吸收。與高寒濕地相反，青藏高原高寒草地是重要的CH4匯，CH4吸收量占中國草地CH4吸收總量的40%以上［29］。高寒草原和高寒草甸生長季CH4吸收速率均大于寒冷的非生長季，在生長季內(nèi)降水季節(jié)分布及其年際變化調(diào)節(jié)著高寒草原CH4的吸收［30,31］。輕度和中度放牧對草地生態(tài)系統(tǒng)無顯著影響，而重度放牧對草地CH4吸收具有較大負(fù)面影響［32,33］。在生態(tài)工程影響下，高寒草原和高原草甸禁牧樣地的CH4吸收量較放牧樣地分別提升了25.78%和17.88%，退牧還草對高寒草甸CH4吸收效應(yīng)不同且受到放牧強度、放牧?xí)r間的影響。

4 生態(tài)工程地氣間水熱交換

退牧還草有助于提升土壤持水能力，放牧顯著降低各生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量。草地恢復(fù)對各生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量的影響存在顯著差異（圖5）。具體而言，高寒草原、高寒草甸、高寒濕地中禁牧區(qū)土壤含水量相對放牧區(qū)分別提升了1.14%、4.21%、4.74%，退牧還草對水分的影響在草甸以及濕地高于草原。從土壤深度來看，根層（0～30 cm）土壤水分禁牧增加了3.69%，非根層（＞30 cm）增加了4.16%.無論退牧還草年限的長短，放牧區(qū)土壤水分均低于禁牧區(qū)，1～2年和3～5年的禁牧使得土壤水分分別提升4.33%和5.43%.

圖5 青藏高原圍欄內(nèi)外土壤含水量成效參數(shù)Figure 5 Impacts of grassland restoration on soil moisture across various grassland types

退牧還草顯著降低了土壤溫度。禁牧對各生態(tài)系統(tǒng)土壤溫度的影響存在顯著差異，高寒草原、高寒草甸、高寒濕地土壤溫度成效分別為：-0.28℃、-0.61℃、-2.27℃，退牧還草對高寒濕地的影響效果顯著高于草原及草甸（圖6）。從土壤層深度來看，禁牧對淺層（0～30 cm）與非根系集中層（＞30 cm）的土壤溫度均有降溫效應(yīng)，淺層與深層土壤溫度分別下降0.95℃和0.65℃，淺層制冷效應(yīng)更強烈。從放牧年限上看，不同時間段的土壤溫度變化存在一定差異。短期、中期、長期禁牧分別降低了0.62℃、1.09℃和1.06℃。

圖6 青藏高原圍欄內(nèi)外土壤溫度成效參數(shù)Figure 6 Impacts of grassland restoration on soil temperature across various grassland types

退牧還草生態(tài)工程建設(shè)影響水熱分配。當(dāng)前，關(guān)于青藏高原退牧還草下的地表能量變化的研究仍然缺乏。王壯壯等人［41］在藏北典型高寒草原和高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)量化了退牧還草對局地能量變化影響效果。該研究發(fā)現(xiàn)了退牧還草對不同生態(tài)系統(tǒng)類型的影響存在顯著差異。禁牧減小了高寒草原水熱通量值，感熱減小16.26%，潛熱減小16.78%，感熱、潛熱通量降低程度基本一致，植被覆蓋改善后吸收太陽輻射的改變可能導(dǎo)致到達地表的能量下降；禁牧增大了高寒濕地的水熱通量值，感熱增大16.07%，潛熱增大49.80%，禁牧對潛熱作用影響較大，存在一定物理降溫效應(yīng)，植被覆蓋改善后的蒸發(fā)散提升可能導(dǎo)致更多的能量損失。

5 加強青藏高原重大生態(tài)工程環(huán)境效應(yīng)的量化與提升

（1）打破部門信息和數(shù)據(jù)壁壘，整合建立碳匯聚合監(jiān)測體系。加強已有生態(tài)工程碳匯系統(tǒng)監(jiān)測和評估工作。生態(tài)工程不僅僅是退牧還草，還包括林地、沙化和水土流失治理等各類工程類型，涉及林草、生態(tài)環(huán)境和自然資源等部門。宜多部門協(xié)同，整合科研院所、高校和地方部門碳匯監(jiān)測資源、兼顧非二氧化碳溫室氣體、關(guān)注突變式碳排放等，建立碳匯聚合實時監(jiān)測體系，實現(xiàn)碳匯年報制度，切實認(rèn)知高原區(qū)域碳匯貢獻，服務(wù)青藏高原碳中和先行示范區(qū)創(chuàng)建。

（2）加強生態(tài)工程多尺度效應(yīng)研究，量化生態(tài)工程碳水熱遠程貢獻。生態(tài)工程能夠極大改變地表下墊面，直接影響局地尺度的碳水熱過程，這在地面觀測中有所體現(xiàn)［41］。在更廣域的尺度，植被覆蓋的改善能夠提高植被蒸散量在蒸發(fā)散中所占的比例，影響流域尺度對流過程和云的形成［42］。同時，青藏高原的存在對我國地理格局具有重要影響，生態(tài)工程對下墊面的影響可能影響我國及周邊地區(qū)的水熱分布［43］。然而，目前的觀測和研究體系以局地尺度較多，較少有研究關(guān)注流域或區(qū)域尺度效應(yīng)。實際上，生態(tài)工程的實施可能遠遠超出局地尺度，生態(tài)工程作為青藏高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分，屏障功能研究值得深化。

（3）根據(jù)立地條件進行科學(xué)評判，加強生態(tài)工程空間格局優(yōu)化。重大生態(tài)工程應(yīng)當(dāng)根據(jù)水熱養(yǎng)分等立地條件和植被地帶性等進行科學(xué)恢復(fù)，宜林則林、宜灌則灌、宜草則草。加強生態(tài)修復(fù)投入和運營成本核算，尤其水分、電力和人工等后期維護成本。同時生態(tài)恢復(fù)的空間布局還應(yīng)當(dāng)著眼于氣候變化的過去和未來，宜評估區(qū)域未來氣候變化的水熱組合模式開展生態(tài)恢復(fù)布局，優(yōu)先選擇水熱條件具備恢復(fù)潛力的地區(qū)進行投入，以最大化生態(tài)工程碳匯效應(yīng)。

（4）建立生態(tài)工程恢復(fù)效應(yīng)評價指標(biāo)體系，優(yōu)化生態(tài)工程年限。面向生態(tài)工程及其碳匯功能的可續(xù)性，加強時序效應(yīng)研究。建立以生物多樣性、土壤物理和化學(xué)性質(zhì)、碳匯強度等綜合評價指標(biāo)體系，系統(tǒng)評估退化草地恢復(fù)程度。需綜合考量生態(tài)工程可持續(xù)性，科學(xué)制定高寒草地重開放時間，還草于民，平衡高寒草地生產(chǎn)和生態(tài)，在保障牧民生產(chǎn)的前提下開展草地碳匯提升。

（5）加強重大生態(tài)工程認(rèn)證方法學(xué)研究，探索生態(tài)工程碳匯交易。生態(tài)工程碳匯認(rèn)證體系的建立，依賴于可測量、可報告、可核查的方法學(xué)研究。在典型林草區(qū)開展關(guān)鍵示范案例建設(shè)，探索基于碳匯的轉(zhuǎn)移支付體系建立。成立具有獨立法人性質(zhì)的西藏碳匯管理機構(gòu)，促進碳匯經(jīng)濟有序、規(guī)范化發(fā)展，逐步將開發(fā)碳匯資源統(tǒng)籌到生態(tài)文明發(fā)展總體布局中，并納入到城鎮(zhèn)發(fā)展戰(zhàn)略、經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略、循環(huán)經(jīng)濟戰(zhàn)略和節(jié)能減排戰(zhàn)略之中。