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在气候变化背景下通过草地生态系统恢复提高青藏高原东北部的下碳减排潜力
黄麟、徐新良、邵全琴、刘纪远
中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101
信函应提交给徐新良；xuxl@lreis.ac.cn
收到时间：2014.2.14；接收时间：2014.4.2；发表时间：2014.5.8
学术编辑：江东
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为了保护水塔生态环境和保护生物多样性，中国在三江源地区实施一个投资力度巨大的生态系统恢复工程。我们在这篇文章里探讨了1990年至2012年草原退化和恢复的动态及其与三江源地区气候减缓的关系，为草原退化和恢复对气候变化的威胁和反应提供了明确的答案。然后，我们估计其气候减缓效益的潜力可以解决生态恢复是否能够有效扭转生态系统碳减排服务的下降的问题。气象站观测到的年平均气温和降水趋势大致增加。2004年前后，草地退化面积略有增加。但是，退化草地近三分之一表现出改善，草原植被覆盖度显著增加。目前的草原的植被覆盖度与草地类型相同的健康植被相比，近一半地区仍需要进一步恢复植被覆盖。草原退化导致碳排放严重增加，但是恢复其健康状况已被评估为技术减排潜力。
1 介绍
生态系统退化正在导致生态系统状况下降，生物多样性丧失，导致生态系统服务提供量减少[1-3]，并可能导致生态系统功能的不可逆转的损失，如土壤和土壤保湿，水流调节和碳氮循环调节[4、5]。生态恢复是一项重建和增加生态系统服务供应以及扭转生物多样性丧失的重大战略[3、6]，但可能会出现冲突，特别是如果某个单一服务陷入孤立境地，就会导致恢复缓慢和不完全。另外，缺乏对影响生态系统服务供应及其经济利益的科学认识限制了其纳入土地利用规划和决策[7、8]。
来自草原的许多生态系统服务将由不同的利益相关者进行各种评估，当地利益相关者可能倾向于重视生产性服务和特定的生态系统服务，如水文服务，而国际估值可能适用于利基产品或生物多样性保护服务[5]。然而，目标不同的生态系统服务之间通常存在权衡[9]。恢复转化的草原可能会改善生态系统服务功能[10、11]，在某些情况下与未退化的草原相当，但可能无法完全恢复到与天然草地的生态系统服务供应相同的程度[10、12]。
景观尺度上的植被覆盖度变化有可能影响地区气候[13]，而且该影响大于全球气候变化对地区气候的影响[5]。各种改善草地管理的方法可以隔离土壤[14]和地上、地下生物量中的碳[15]。与其他减缓方案相比，草地减缓更具有成本竞争力[16、17]。草原的气候变化减缓服务可能为保护和恢复草原的估价提供了切入点。从全球来看，放牧土地管理预计到2030年为止每年有1.5吨CO2当量的技术减排潜力[5]。退化草原通过保护和恢复草原可能具有重大的碳封存潜力[18]。不幸的是，退化草原的恢复潜力数据不可用。草原保护和恢复费用的系统记录和分析仍然有限[5]。
为了给草原退化和恢复气候变化的胁迫和反应及其气候减缓效益的潜力提供一个明确大的答案，需要更多的分析和数据。在这篇文章中，我们详细探讨了三江源地区的草原退化和恢复的动态及其与气候减缓的关系。具体来说，我们提出以下问题：（1）如何分析气候变化下草原退化和恢复的动态？（2）生态恢复能否有效扭转生态系统碳减排服务的衰落？（3）重点关注生态服务系统，能够为其潜在的气候效益提供机制吗？
2 方法
2.1 研究区域
三江源地区（图1）位于青藏高原东北都，面积36万平方公里。是长江、黄河、湄公河的发源地，也是中国最重要的生物多样性热点地区之一。在这里平均海拔高度超过4000米，年平均气温为-5.6~-3.8℃，因此冰川、多年冻土和雪在这里覆盖很广。这里也被视为2238种稀有动物的血管高原植物的基因库，是400多种濒危动物物种的适宜居住地。近6亿生活在下游的人要靠这个地区中的河流正常运作来生活。约有60万人居住在该地区，其中牧民占68.15%。位于三江源地区的三江源国家级自然保护区（SNNR)是世界上最高、最广泛的湿地保护区，面积0.15万平方公里，可分为6个分区，由18个保护区组成。自2005年以来，中国政府提供了75亿元人民币（9.247亿美元），用于保护和恢复SNNR的生态环境，重点是高山沼泽草地和独特野生动物的自然栖息地。
2.2 草原植被覆盖
植被覆盖率是测量地表植被状况的最重要的指标之一，其变化反映了植被生长条件。在本文中，收集了半月份1公里的NOAA-AVHRR(1990-2000)和1公里SPOTVGT(1998-2012年)作为数据来源。我们通过最大值复合方法（MVC）生成年度最大NDVI值。线性回归分析与相关分析采用像素平均法对AVHRR和VGT的重叠年份（1998-2000年）进行处理，建立了三年AVHRR与VGT数据之间的线性回归关系。通过网格应用这些关系来对AVHRR数据进行网格校正。然后应用1㎞的NDVI数据产品，计算和分析在三江源地区实施的生态恢复工程前（1990-2004）和生态恢复工程后（2004-2012年）年平均最大植被覆盖率，来表明植被生长恢复或者恶化。
为了说明该地区植被生长的潜力，我们根据“青海草原调查”的类型，制定了健康草草地生态系统的植被覆盖分布图，从平均覆盖区域群落的典型草坪中提取。我们认为，草地类型形同的植被覆盖度是未来恢复目标。
2.3 草原退化与恢复
三江源地区的草原退化遥感分类系统通过遥感来解释草原退化的趋势，其依据是遥感图像解释的原理和特点以及中国国家标准“天然草原退化、荒漠化、盐沼（GB19377-20031）等级指标”。主要数据来源是20世纪70年代的MSS，1990年的TM，2004年的TM/ETM。图像采集集中在七月和八月。然后进行假彩色组合、几何校正、图像拼接和分割处理。草原退化类型的轮廓是通过比较不同时期的图像以及参考以前的轮廓来界定的。通过视觉解读，我们产生了三江源地区20世纪70年代-1990年和1990-2004年期间的草原退化条件和趋势。
为了更准确地反映草原生态系统的变化趋势，特别是改善和恢复草原，我们根据草原退化状况，开发了退化草地变化趋势分类体系。基于1990-2004年期间草原退化遥感解读图，通过比较2004年和2012年的TM或ETM遥感图像，我们制作了退化草原生态系统变化情况图，其中包括新出现的退化、强化退化、不变、轻微恢复和大量轻微恢复。根据退化草原的变化信息，我们确定了草原植被的生长变化情况。
2.4 气候变化因素分析
在三江源地区几乎没有几个国家和地方站有跨越20世纪60年代到现在的气象记录。对于长期气象站，我们获得了十三个国家站的日常数据，其中包括从国家气象局获得的每日最高和最低空气温度、气压、每日总等效降水量、相对湿度、雪深和蒸发量。分布平均的场地的温度和降水数据集由软件ANUSPLIN插值，该模型考虑了地形因子的影响，适合长期观测资料。
水分指数等于年降水量和年度潜在蒸散量（PET）的比值。
图1 研究区域位置分布图
对于每个气象台，我们使用地面气象测量和DEM作为输入数据估算年度潜在蒸散量和水分指数，对融合过程应用改进的Penman-Monteith和Thornthwaite水分指数，然后估算该地区每年每年的水量平衡。粮农组织在1998年推荐的改良的Penman-Monteith提出了PET和Thornthwaite水分指数如下：
在（1）中，ET0是潜在的蒸散量（mm/天），Rn是冠层净辐射（MJ/m2/天），G是土壤热通量（MJ/m2/天），T是2米处的空气温度（℃），U2是2米处的风速（m/s），es和ea分别为饱和蒸汽压和实际水汽压力（kPa），Delta;为饱和蒸汽压的曲线斜率（kPa/℃），gamma;是温度计的常数（kPa/℃）
2.5 碳密度变化
退草还田造成大量的碳排放到大气中。对于草原的恢复和改善管理，从其他出版的参考文献中进行了meta分析后，表1给出了一些当地的单位面积减排潜力估计值[19-25]。
表1 由草原恢复或退化总结的碳密度变化
图2 1975-2012年年平均气温和年降水趋势
3 结果
3.1 1990-2012年三江源地区气候变化
1975年至2012年期间，三江源地区气象站的年平均气温为-0.34℃；年平均温度变化率约为0.48℃/10a（图2）。1990-2004年间，年平均气温为-0.14℃，变化幅度约为1.38℃/10a。2004-2012年间，年平均气温为0.48℃，变化率约为0.19℃/10a。2004年前后比较，平均气温上升0.62℃，升温幅度明显降低。长江源区1975年至2012年6个气象站的年平均气温为-1.37℃，2004-2012年与1990-2004年相比平均气温上升了0.72℃。黄河源区1975年至2012年四个气象站的平均温度为-0.34℃，2004-2012年与1990-2004年相比平均气温上升了0.41℃。澜沧江源区1975年至2012年两个气象站的年平均气温为2.73℃，2004-2012年比1990-2004年相比平均气温上升了0.72℃。在2004年之前（图3），三江源地区中部和西南部的温度变化率高于其他地区，从南到北逐渐降低。年平均气温高于0℃的平均海拔高度为3646m。2004年以后，三江源中部地区的温度变化更为显著，北部地区的趋势略有下降。年平均气温高于0℃的平均海拔高度为3968m，反映了年平均气温高于0℃的高原线升高造成的变暖过程。
1975年至2012年期间，三江源地区气象站年平均降水量为481.83mm，变化趋势为9.9mm/10a（图2）。1990-2004年间，年平均降水量为463.56mm，变化趋势为7.02mm/10a。2004-2012年间，年平均降水量为518.66mm，变化趋势为68.44mm/10a。2004年前后比较，年降水量增加55.10mm，增幅趋于明显。长江源区1975年至2012年6个气象站年平均降水量为461.66mm，2004-2012年与1990-2004年相比年平均降水量增加了64.17mm。黄河源区1975年至2012年四个气象站年平均降水量为481.78mm，2004-2012年与1990-2004年相比年平均降水量增加了57.63mm。澜沧江源区1975年至2012年两个气象站的年平均降水量为542.48mm，2004-2012年与1990-2004年相比增加了22.84mm。在三江源地区，西部和西南部地区降水量增加较大；东部和中部地区的年降水量变化率增加较少（图3）。
1975年至2012年期间，三江源地区年平均湿度指数为-57，范围为在-86和-12之间（图3）。1990-2004年与2004-2012年相比较，年平均湿度指数从-57增加到-53。2004年以前，湿度指数呈下降趋势，特别是东南部地区。自2004年以来，在中部地区开始出现上升趋势，南部地区呈下降趋势。1975-2012年间，年均湿度指数从东南到西北地区呈下降趋势。湿度指数较高值主要分布在温度相对较低、潜在蒸发和降雨量较大的地区，如东南部和南部高山。低值主要分布在温度、潜在蒸散、年降水量更低的地方，如西北部高寒草原和沙漠地区。
图3 1975-2012年温度、降水和湿度指数图
3.2 过去40年的草原退化与恢复
三江源地退化草原的空间分布格局基本形成于20世纪70年代，草原退化过程从20世纪70年代到2004年持续发生（图4）。20世纪70年代到1990年期间，草地退化面积76444.9km2，占全区草原面积的32.83%。1990年至2004年，草地退化面积84102.66km2，占全区草原面积的36.12%。比较2004年前后的草地退化面积，增加了3.87%。从降解程度（表2）可以看出，三江源地区的草地退化主要表现为轻度和中等程度的降解，严重退化仅在局部的地区出现。20世纪70年代至1990年，草原面积略有退化，占全区草原面积的22.88%，从1990年到2004年上升到23.93%，同比增长1.05%。20世纪70年代末至1990年，中等退化草原占草原总量的9.5%，1990年至2004年增长到11.74%，增长了2.24%。
从2004年到2012年，三江源地区原始草原退化面积呈现不同程度的恢复，部分地区草地情况有所改善。非变化退化面积60213.5km2，占退化草原总量的68.52%。改良草原22927.5km2，占退化草地总量的31.02%。改良草原中，退化草地轻度退化占退化草原总量的24.85%，明显改善为6.17%。退化草原面积297.5km2，占退化草原总量的0.34%。新产生的退化草原为105.9km2。20世纪90年代初期与2004年相比，轻度、中度、重度退化草地面积明显减少，特别是中等退化草地下降了5.35%，轻度和重度草原仅下降了0.33%和0.09%。
黄
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