山西省科学技术厅
http://kjt.shanxi.gov.cn/ztzl/tdftzh/zjgd/202208/t20220831_7040624.shtml
发布日期：2022-08-31 19:13:33
实现“碳达峰”和“碳中和”是一场广泛而深刻的社会经济系统性变革，是我国生态文明建设和高质量发展的必然选择。在此背景下，陆地自然生态系统碳固存效应受到世界各国科学家的普遍关注。作为世界上植被类型分布最广的生态系统，草地既是重要的生态安全保障，又是重要的碳汇资源库，对调节大气CO2浓度、减缓温室效应、助力碳达峰和碳中和具有重要作用。相关研究成果表明，全世界陆地生态系统有机碳储量分布中，草地占33%~34%，仅次于森林碳储藏能力。因此，在发展绿色经济、循环经济、低碳经济的背景下，利用草地对碳存储积累的优势来降低大气CO2浓度，已成为一种公认的低成本固碳减排有效措施。
山西地处华北典型农牧交错带，根据最新国土三调数据，山西省拥有各类天然草地总面积为310.5万hm2，占全省国土总面积的20%左右，而相关数据表明每平方米草地即可以吸收50 g CO2，每公顷就可以吸收0.5吨左右的CO2，足以可见我省草原的碳汇功能潜力巨大。因此如何科学合理利用农牧交错带草地，在稳定和促进经济发展的前提下，增加草地碳汇潜力是我省实现“双碳”目标的一项重要举措。草地作为具有固碳潜力的自然生态系统，固持的碳主要储存在土壤系统中形成土壤有机碳库，但此种碳库容易受全球气候变化和人为干扰的影响，因此研究草地利用方式和全球变化对农牧交错带草地碳通量的影响及其机制成为了提升草地碳汇潜力的突破口。基于此，本文以山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站（以下简称“右玉站”）典型农牧交错带地为研究目标，详细论述了全球变化与人类活动干扰对草地生态系统碳通量的影响，以期为我省草原碳汇功能的开发提供科学依据。主要内容如下：
1、草地利用方式对农牧交错带草地碳通量的影响
放牧和割草是草地最主要的利用方式，合适的放牧强度和合理的割草制度可以促进草地光合作用对CO2的固定。为了研究放牧对农牧交错带草地碳过程的潜在影响，我们于2016年在右玉站设置了4个放牧强度的野外控制试验平台，发现轻度放牧（2.35 只羊/公顷·生长季）对土壤总呼吸没有显著影响，同时草地生产力与多样性得到了较好的维持。然而随着放牧强度的增加，虽然没有显著影响异养呼吸（微生物呼吸），但是降低了植物地上和地下的生物量，特别是根系生物量显著降低，从而引起土壤自养呼吸（植物根系呼吸）的变化，最终导致土壤总呼吸的变化。因此，维持中低强度的放牧是保持农牧交错带草地生产与生态功能的重要举措。
其次，割草会降低植物冠层光合作用并减少地上凋落物，使得向土壤中输入的碳减少，削弱土壤呼吸及其温度敏感性。同时，割草也会通过刺激丛枝菌根真菌的生长增强土壤呼吸。我们在右玉站进行了为期5年不同留茬高度的实验，发现10 cm的留茬高度由于降低了根系呼吸，显著降低了土壤总呼吸，减少了土壤碳的释放。而5 cm和2 cm的留茬高度对土壤总呼吸没有显著影响，这是由于自养和异养呼吸不一致造成的。因此，建议农牧交错带割草利用草地时，留茬高度应该不低于10 cm，以提升草地的碳汇功能。
2．全球变化（氮沉降和降水变化）对农牧交错带草地碳通量的影响
在各类全球变化的影响因子中，温度升高、降水格局改变及氮沉降是对陆地生态系统结构与功能影响较大的几个因子。全球变化养分联网实验（Nutrient Net）和极端干旱联网实验（Drought Net）遍及全球5大洲，我们依托2017年科技部重点研发专项在右玉站建立了养分和极端干旱实验平台，加入了全球变化联网实验，并在此基础上建立了不同水平氮添加试验以及不同形态氮添加试验平台等4个试验平台。我们发现，不同形态氮添加对土壤呼吸具有不同的影响，其中添加NH4NO3虽然提高了土壤呼吸，但其增加的植物地上生产力，从而可以固定更多的碳；而添加NH4HCO3的添加不仅没有提高草地地上生产力，反而显著增加了土壤碳排放（土壤呼吸），因此建议农牧局交错带草地管理利用时，考虑使用硝态氮肥以提升草地固碳潜力。
另外我们发现，水和氮存在着耦合效应，会共同影响草地生态系统碳循环。短期氮添加和降水的变化主要通过促进植物的生长来影响植物根呼吸和植物群落水平光合作用（如图1所示）。干旱时，氮的添加会降低草地的碳汇潜力，水分增加时，氮的添加则会提高草地的碳汇潜力。因此，如果同时考虑氮沉降与降水格局改变对草地生态系统碳通量的影响，水氮的耦合效应更多的依赖于降水，水分是提升农牧交错带草地碳汇潜力的重要因子。
图1 农牧交错带草地碳循环模型图（“+”表示氮和水共同作用）
综上所述，我们确信随着未来人们对于草地碳汇研究的不断深入，一定可以在自然资源综合调查观测的基础上，综合运用地面调查、航空遥感和物化探等技术，开展自然资源要素相关的碳储量综合调查，分析出草地生长这一自然过程的碳汇通量、变化过程及演化趋势，进而提出基于人为干预的固碳增汇技术措施，提高对草地基本家底、草地碳库计算方法、草地碳汇潜力及其影响因素等方面的认识，为我省草地在“双碳”目标实现过程中的作用和地位提供数据支持和科学依据。
供稿人：王常慧 山西农业大学草业学院 教授
草地生态保护与乡土草种质创新山西省重点实验室 主任
