中国草地固碳减排研究现状及其建议_李紫晶.pdf
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1、第 32 卷第 2 期Vol.32,No.2191-2002023 年 2 月草业学报ACTA PRATACULTURAE SINICA李紫晶,高翠萍,王忠武,等.中国草地固碳减排研究现状及其建议.草业学报,2023,32(2):191200.LI Zi-jing,GAO Cui-ping,WANG Zhong-wu,et al.Research status and suggestions for grassland carbon sequestration and emission reduction in China.Acta Prataculturae Sinica,2023,32(2
2、):191200.中国草地固碳减排研究现状及其建议李紫晶,高翠萍,王忠武,韩国栋*(内蒙古农业大学草原与资源环境学院,草地资源教育部重点实验室,农业农村部饲草栽培加工高效利用重点实验室,内蒙古自治区草地管理与利用重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010011)摘要:随着经济的快速发展,温室气体的排放量不断增加,加之人类对自然资源的利用强度逐渐增加,导致全球生态系统的固碳能力减弱,大气中的温室气体浓度达到新高,所造成的温室效应已经成为国际社会普遍关注的重大全球性问题。中国草地碳汇资源得天独厚,发展草原碳汇经济成为履行国际承诺、打造碳汇新经济、建设美丽中国的重要载体。综述中国草地固碳减排现状及其影响因
3、素,包括草地碳汇和家畜生产减排研究、气候变化背景下的草地碳汇、人工草地建设等方面,并提出中国草地固碳减排发展建议,以期为中国实现碳达峰、碳中和及草地固碳减排的贡献提供理论基础,为推动我国社会高质量发展、创造高品质生活提供坚实的技术支撑。关键词:草地碳汇;碳中和;碳达峰;气候变化;放牧管理;固碳减排Research status and suggestions for grassland carbon sequestration and emissionreduction in ChinaLI Zi-jing,GAO Cui-ping,WANG Zhong-wu,HAN Guo-dong*Key
4、 Laboratory of Grassland Resources of the Ministry of Education,Key Laboratory of Forage Cultivation,Processing and HighEfficient Utilization of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Inner Mongolia Key Laboratory of Grassland Management andUtilization,College of Grassland,Resources and Envir
5、onment,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010011,ChinaAbstract:With rapid economic development,and continuing increase in the emission of greenhouse gases,coupledwith intensification of human use of natural resources,the carbon sequestration capacity of the global ecosystem hasweakened,an
6、d the concentration of greenhouse gases in the global atmosphere has reached a new high.This hasbecome a major global issue of general concern to the international community.China s grassland carbon sinkresources are unique,and the development of the grassland carbon sink economy has become an impor
7、tant vehicle forfulfilling international commitments,creating a new carbon sequestration economy and building a beautiful Chinawith regenerative food production systems.This study reviews the current status of grassland carbon sequestrationand emission reduction in China and the factors influencing
8、sequestration,including research into grassland carbonsink capacity and reduction of emissions linked to livestock production now that there is a background of climatechange and establishment of sown artificial grassland construction.Our review proposes a plan for the developmentof grassland carbon
9、sequestration and emission reduction in China and provides a theoretical basis for contribution tocarbon neutrality,and carbon sequestration and emission reduction in China s grasslands.DOI:10.11686/cyxb2022049http:/收稿日期:2022-01-24;改回日期:2022-03-28基金项目:国家自然科学基金重大项目(32192463),教育部科技创新团队项目(IRT_17R59)和内蒙
10、古重大专项项目(zdzx2018020)资助。作者简介:李紫晶(1991-),女,内蒙古呼和浩特人,博士。E-mail: 通信作者 Corresponding author.E-mail:Vol.32,No.2ACTA PRATACULTURAE SINICA(2023)Key words:grassland carbon sink;carbon neutrality;carbon peaking;climate change;grazing management;carbonsequestration and emission reduction随着经济快速发展,二氧化碳(CO2)、甲烷(C
11、H4)等温室气体的大量排放,自然资源破坏严重,生态系统碳固持能力减弱,导致的全球气候变化已经成为国际社会普遍关注的重大全球性问题,它不仅对生态环境产生重大影响,还极大地影响到人类的生产、生活乃至生存与发展1-2。工业革命时,全球大气中的平均 CO2含量为 280ppm3,2019年,全球温室气体浓度达到新高,平均 CO2浓度为(410.50.2)ppm、CH4浓度为(1877.02.0)ppb、一氧化二氮(N2O)浓度为(332.00.1)ppb,分别为工业革命前水平的 148%、260%和 123%4。从 2012-2019年,全球温室气体排放量平均每年增加 1.1%5。温室气体排放导致全球
12、气候变暖,这已成为非常紧迫的环境问题之一,21世纪前 20年,全球平均温度比 1850-1900年的平均温度高 0.99 C6,而 2020年则是有气象记录以来3个最暖的年份之一4。为缓解全球气候变化,保护人类赖以生存的环境,国际社会在 1992年制定了 联合国气候变化框架公约,其最终目标是“将大气中温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到威胁的水平上,这一水平应当在足以使生态系统能够自然地适应气候变化、确保粮食生产免受威胁并使经济发展能够可持续地进行的时间范围内实现”7。2020年 9月 22日,习近平主席在第七十五届联合国大会上提出:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,CO
13、2排放力争于 2030年前达到峰值,努力争取 2060年前实现碳中和”8。在全球尺度上,碳源主要来源于土地利用方式改变、化石燃料燃烧等,碳汇主要是海陆生态系统对碳的吸收,而碳中和就是二者之间达到平衡9。草地是世界上分布最广的植被类型之一,在调节全球气候中发挥着重要作用,估算其碳储量的大小和影响因素,并在全球气候变化背景下系统分析草地生态系统对碳中和及碳达峰的贡献和价值,对增强草地保护意识、提高草地生态系统碳储量及碳汇潜力、发挥草地固碳减排能力十分重要10-11。1中国草地生态系统碳储量草地生态系统在全球碳循环和减缓气候变化方面发挥了重要作用,20世纪 70-90年代,国外机构和学者采用不同方法
14、对全球范围内草地生态系统碳储量进行了估算。由于草地面积、统计指标及估算方法各异,研究人员对草地生态系统碳储量的估算结果也不尽相同。据估计,全球草地生态系统碳储量约为 266.3761.0 Pg C(1Pg=1015g),其中大部分储存在土壤中12-14,例如 Whittaker等12认为,全球草地生态系统碳储量约为 266.3 Pg C,而 Prentice等14估算出的全球草地生态系统总碳储量约为 279.0 Pg C,其中植被碳储量为 27.9 Pg C,土壤碳储量为 250.5 Pg C。在 White 等152000 年的研究报告中指出,全球草地的土壤碳含量占全球总碳储量的 34.0%
15、37.1%,与森林生态系统碳储量相当,高于农田生态系统碳储量。而全球潜在草地总面积占全球潜在植被总面积的 59.69%,其年碳汇潜力为 18.82 Pg C,占全球陆地潜在植被年碳汇潜力的 34.52%16。根据我国 20 世纪 80 年代调查的数据,我国草地面积近 4108hm2,占国土总面积的 41.7%17。21 世纪初,Ni18利用碳密度法估算了中国草地碳储量,其中植被碳密度为 1.15 kg C m-2,土壤碳密度为 13.16 kg C m-2,据此估算的中国草地总碳储量为 44.09 Pg C,其中 3.06 Pg C 储存在植被中,41.03 Pg C 储存在土壤中。从地区上看
16、,青藏高原草地、内蒙古草地和新疆草地面积占中国草地面积的 80%,其中,青藏高原草地面积最大,其碳密度为 21.7 kg C m-2,年平均碳储量为 37.61 Pg C,占全国草地总碳储量的 63.2%;其次是新疆草地和内蒙古草地,碳密度分别为 14.2 和 7.9 kg C m-2,年平均碳储量分别为 9.38 和 6.63 Pg C,分别占中国碳储量的 15.8%和11.1%19(图 1)。就草地类型而言,高寒草甸、高寒草原和温性草原的碳储量占全国草地总碳储量的 51.1%,其碳储量分别为 11.28、6.39和 4.85 Pg C18。但是草地碳储量会受到气候变化、CO2浓度升高、大气
17、氮沉降及土地利用变化等因素的影响,例如 Xie等20研究表明 20世纪 80年代中国草地的土壤有机碳密度平均为 67.71 Mg C hm2(1 Mg=106g),有机碳储量为 37.71 Pg C,但由于草地退化,到 21世纪初草地土壤有机碳下降了 3.56 Pg C。张利等19基于陆地生态系统模型估算了 1961-2013 年中国草地的碳密度和碳储量,中国草地平均碳密度为192第 32 卷第 2 期草业学报 2023 年15.1 kg C m-2,总碳储量为 59.47 Pg C,其中植被碳 3.15 Pg C,土壤碳 56.32 Pg C;草地碳储量以 19.4 Tg C yr-1(1
18、Tg=1012g)的平均增速从 1961 年的 59.13 Pg C 增加到 2013 年的 60.16 Pg C。近期对中国 14371 个样地的调查显示,中国陆地生态系统土壤碳储量为(79.242.42)Pg C,其中 82.9%储存在土壤中,16.5%储存在生物量中,0.60%储存在凋落物中;森林、灌丛、草地和农田的碳储量分别为(30.831.57)Pg C、(6.690.32)PgC、(25.401.49)Pg C 和(16.320.41)Pg C,分别占中国陆地生态系统总碳储量的 38.9%、8.4%、32.1%和20.6%21。土壤碳库占生态系统碳库的比重较大,这可能与中国草地的生
19、物量碳密度较低有关,中国草地的平均生物量碳密度为 4.8 Mg C hm2,显著低于全球平均水平(7.2 Mg C hm2),这受到过度放牧等人类活动的影响21,因此中国草地还有较大的固碳潜力。2草地碳汇功能研究现状2.1草地碳汇概念、作用及价值草地碳汇主要是指草地生态系统通过植物光合作用、微生物化能自养以及土壤碳沉积等方式固定 CO2,将其固定在植被和土壤中,从而增加草地生态系统的碳吸收贮存能力,减少大气中的 CO2浓度。在 1981-2000年,中国草地的年平均碳汇为 7 Tg C yr-1 22,在各个草地类型中,冻原和高山草地、温带湿润草地及半荒漠草地是中国草地碳汇的主要来源,年碳汇潜
20、力占中国潜在草地年碳汇潜力的 93.29%16。草地减排增汇潜力较大,这受到草地利用方式和管理水平(如开垦、放牧方式不同等)的影响。但是,由于人口的快速增长和对食物及能源的高需求,草地的长期紧张利用导致中国大规模的生态系统退化,生物量和土壤碳储量大量损失23。甚至有研究表明在森林、灌丛、农田和草地 4个生态系统中,森林、灌丛和农田的碳储量均呈增加趋势,在过去 10年中 3个生态系统共吸收了 201.1 Tg C yr-1,表现为碳汇,而草地生态系统为弱碳源(-3.4 Tg C yr-1)1,这也反映了中国草地过去人为干扰较为严重,如果适当地降低人为干扰,未来的碳储存量可能会有所增加1。为了保护
21、环境,恢复生态系统功能,20世纪 70年代末,中国先后在全国范围内实施了 6项国家重点生态修复工程,包括“三北防护林计划”“京津风沙源治理”“森林保护工程”“退耕还林还草”等项目,并在这些生态恢复项目框架下采用了一系列管理措施,如草地自然保护区建设、草原生态保护补奖机制等,这些项目在防止碳从植被和土壤中流失,增加碳储量和碳汇中做出了积极贡献,在 2001-2010的 10年中,项目区碳汇总量为 132 Tg C yr-1,其中超过 56%(74 Tg C yr-1)归因于项目的实施24-25。2.2放牧管理与草原碳汇研究畜牧业是全球最大的土地利用系统,贡献了全球农业生产总值的 40%,为全球超
22、过 13亿人提供收入,并为至图 1中国各地区草地面积及草地碳储量Fig.1Grasslands area and carbon storage in various regions of China193Vol.32,No.2ACTA PRATACULTURAE SINICA(2023)少 8 亿没有粮食保障的人提供营养26。全世界的牧场面积估计为 3510837108hm2,其碳封存量为 0.010.30 Pg C yr-1 27。但是过度放牧等人类活动导致草地植被固碳能力降低,土壤中有机碳大量释放,加剧了土壤的呼吸,使土壤有机质加速分解,加速了碳向大气的释放速率28。我国畜牧业历经长期发展
23、,生产力得到极大提高,但一系列环境问题也接踵而至:早在 2003年,畜禽粪便年产生量已达到 24亿 t,已经达到了同期工业生产固体废弃物总量的 2倍以上29;并且由于过度放牧等不合理的土地利用方式,全国有 90%以上的天然草地均出现不同程度的退化,其碳汇功能严重下降30-31。特别是在干旱半干旱区,过度放牧威胁着草原的生物多样性和稳定性,改变了生态系统的结构和功能,导致土壤碳损失增加。在全球范围内,重度放牧使草地土壤碳含量比中度放牧草地平均降低 0.19 Mg C hm-2yr-1 32,显著降低了土壤、根系、土壤微生物和凋落物中的碳库,降低量分别为 10.28%、13.72%、21.62%和
24、 8.93%33;而在中国北方草地,030 cm 土层的碳储量随载畜率的增加呈线性下降趋势,轻度放牧草地 010 cm 土层的碳储量显著高于重度放牧草地34-35;也有研究表明在中国草地轻度放牧条件下土壤碳含量的增加主要是由于下层(20 cm)土壤碳含量的增加,而表层(020 cm)土壤碳含量则减少23,这主要是由于轻度放牧可以改变土壤碳输入的分配,促进土壤碳在下层土壤中的积累,从而抵消放牧对表层土壤碳含量的负面影响;内蒙古典型草原和荒漠草原的研究显示,轻度放牧可以促进土壤碳的固存,而中度和重度放牧均加剧了土壤碳的流失36-37。因此,适度放牧能够促进我国北方草原土壤碳的固存,对草地碳汇具有重
25、要意义。放牧会增加大气中的温室气体排放,反刍动物放牧产生的 CH4是家畜碳排放的主要来源。在全球范围内,CH4占牲畜非 CO2温室气体排放的 65%26,2019年 CH4排放量总计为 9.8 Gt CO2当量,其中 18%来自家畜放牧,而在牲畜排放的 CH4中,牛的排放量占其中的 2/35。内蒙古牧区的畜禽温室气体排放整体呈现增加趋势,由2001年的 1609.81万 t增加到 2011年的 2617.71万 t,年均增长率为 6.26%38。在轻度至中度强度下进行放牧管理,可以缓解 CH4的排放,优化牧草的摄入量及家畜的生产性能,如果将放牧绵羊和牛的每日增重分别优化到0.14和 0.70
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