若爾蓋高原泥炭地碳收支特征及固碳價值評價研究

吳海東 崔麗娟 王金枝 顏亮 張驍棟 李偉 李勇 康曉明*

（1 中國林業科學研究院濕地研究所，濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室，北京 100091；2 四川若爾蓋高寒濕地生態系統定位觀測研究站，四川 阿壩藏族自治州 624500）

濕地作為全球生態系統的重要類型之一（Kang et al,2014），雖然僅占全球陸地總面積的5%～8%，但由于其特殊的生態環境，濕地的碳儲量大約占陸地生態系統總碳儲量的10%～20% （Erwin, 2009;Mitsch et al, 2012; Kang et al,2016）。泥炭地是一種特殊類型的濕地生態系統，IPCC （聯合國政府間氣候變化專門委員會）對其進行了估算，發現全球陸地生態系統約存儲了2.48×106Tg C （1 Tg=1×1 012g)， 其 中 泥 炭 地 碳 儲 量 為0.5×106Tg C。因此，泥炭地碳收支在全球碳循環中具有舉足輕重的作用，其巨大的碳儲量及碳匯功能在溫室氣體增匯減排方面發揮著重要作用，定量分析泥炭地生態系統的碳收支動態特征及其固碳價值具有非常重要的意義（Dixon et al,1995）。

位于青藏高原東北部的若爾蓋高原泥炭地是全球氣候變化最為敏感的地區之一，在全球具有典型性和代表性（鄭度等,1999）。若爾蓋高原泥炭地是全國乃至全世界最為廣袤的高原泥炭沼澤復合體之一，其泥炭積累豐富，是中國最大的高原泥炭沼澤分布區，面積4 605 km2(孫廣友,1992)。由于若爾蓋高原處于高海拔地區，低溫、晝夜溫差大及淹水導致的厭氧條件極大地抑制了有機質的分解，形成了一層厚厚的泥炭層，一定程度上減少了CO2的排放 (Hao et al,2011;Chen et al,2013;Kang et al,2014)。然而，近年來由于氣候變化和人類活動的雙重作用，導致若爾蓋泥炭沼澤濕地水位下降，逐漸萎縮、退化(楊永興,1999)，碳匯功能受到影響(王根緒等,2007;萬忠梅,2013)。

本研究以若爾蓋高原泥炭地為研究對象，分析若爾蓋高原泥炭地碳收支動態，并利用碳稅法定量評估若爾蓋高原泥炭地的固碳價值，為高原泥炭地的增匯減排及其碳匯管理提供科學依據和數據支撐。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究區域位于青藏高原的東部邊緣，行政上隸屬于四川省阿壩州，平均海拔3 400 m。該研究區屬于高山寒溫帶季風氣候，寒冷潮濕，年均溫大約在-1.7～3.3oC，年均降水量為650～750 mm，大部分集中在4-9月，大約占全年降水量的90%。研究區域沼澤植被生長繁茂，較低的溫度致使植物生長期較短，凋落物分解慢，有機質沉積，土壤中有機質含量豐富，從而形成深厚的泥炭層。研究區域的主要植被為木里苔草Carex muliensis、烏拉苔草Carex meyeriana、剛毛荸薺Eleocharis valleculosa等沼生植物。土壤泥炭層厚約2～5 m，pH值為6.8～7.2。

1.2 研究方法

1.2.1 野外觀測 本研究以若爾蓋高原泥炭地極端氣候控制實驗平臺和渦度相關系統為依托，獲得CO2和CH4等溫室氣體通量的數據。CO2通量數據通過渦度相關技術（Eddy Covariance Technology）獲得，包括兩部分，一部分是測量碳水通量的通量觀測系統，一部分是用于監測背景氣象數據的氣象觀測系統。通量觀測系統由開路遠紅外CO2/H2O氣體分析儀LI-7500（LI-COR Inc. NE, USA）、三維超聲波測風儀CSAT3（Campbell Scientific Inc.,USA）和數據采集器CR5000（Campbell Scientific Inc.）等組成，主要測量距離地面2.2 m高的CO2通量、潛熱和感熱通量，儀器采樣頻率為10 Hz。同時，采用自制同化箱和激光光譜快速溫室氣體分析儀FGGA(DLT-100，LGR)連續監測CH4通量的季節動態，用透明箱與FGGA相連接，連續封閉測量10 min，然后開放箱子大約持續2 min，再測量下一個靜態箱采樣點。儀器和風扇采用12 V蓄電池供電，氣體通量以箱內密閉氣體濃度隨時間變化的直線斜率計算。數據采集頻率為1 Hz。

1.2.2 濕地固碳價值評估方法 渦度相關技術觀測到的CO2通量是泥炭地的凈生態系統CO2交換通量（Net ecosystem CO2exchange,NEE），是生態系統呼吸（Ecosystem respiration,ER）與總初級生產力（Gross primary productivity,GPP）之間的差值，即：NEE = ER - GPP。其中，NEE正值代表生態系統凈排放CO2，負值代表生態系統凈吸收CO2。

靜態箱和激光光譜快速溫室氣體分析儀測定的是CH4通量（FCH4），是以氣體濃度在單位時間內的直線斜率計算的（Mastepanov et al,2008），具體通量計算公式為（孫曉新,2009）：

式中：FCH4為同化箱中的CH4通量[mg/(m2·h)]，dc/dt代表箱內氣體濃度隨單位時間變化的直線斜率（ppm/h），V0、P0、T0分別為標準大氣壓下的標準摩爾體積（22.41 m3/mol）、標準大氣壓（101325 Pa）和絕對溫度（K)，T為箱內的絕對溫度(K)，P為采樣點的大氣壓（Pa），M為被測氣體的摩爾質量（g/mol)，H為箱子的有效高度(m)。

基于上述實測數據，本研究采用碳稅法對若爾蓋高原泥炭地固碳價值進行計算，既考慮泥炭地生態系統凈CO2的交換，又考慮CH4排放對泥炭地碳匯功能的削減，將兩種效應進行疊加，最終評價若爾蓋高原泥炭地的固碳價值。其計算公式如下：

式中，Vgh為高原泥炭地溫室氣體排放價值(元/a)；NEE為蘆葦濕地凈CO2交換量(kg/hm2)，采用渦度相關技術實測值；FCH4為CH4排放通量，采用實測值；A為整個若爾蓋高原泥炭地的面積，參考Chen等（2014）的數值3 179 km2，換算為31.79萬 hm2；P為碳的價格，采用最新的瑞典碳稅率187美元/t進行計算，換算為1 237.6元/t。由于不同溫室氣體對地球溫室效應的貢獻程度不同，在溫室氣體的總增溫效應中，CO2貢獻約占63%，CH4貢獻約占18%。CH4的全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP)是CO2的24.5倍，即1 t甲烷的二氧化碳當量是24.5 t(Jenkins et al,2010)，本研究規定CO2當量為度量溫室效應的基本單位，以此計算CH4的CO2當量。所有數據作圖主要利用Origin 9.0完成。

2 結果與分析

2.1 若爾蓋高原泥炭地碳收支特征

若爾蓋高原泥炭地的碳收支包括CO2和CH4的凈交換，共同決定著泥炭地生態系統的碳源/匯功能。圖1是若爾蓋高原泥炭地5-9月凈生態系統CO2交換（NEE）的日動態特征。由圖可知若爾蓋泥炭地碳匯功能7月最強，即7月＞8月＞6月＞9月＞5月。生態系統從上午7:00-8:00開始由碳源轉變為碳匯，中午11:00-13:00碳匯強度最強，下午19:00-20:00 逐漸由碳匯轉變為碳源,若爾蓋泥炭地生態系統總體上表現為碳匯。圖2是若爾蓋高原泥炭地生長季平均CH4通量的日動態特征。若爾蓋泥炭地生態系統總體上表現為CH4的排放源，CH4通量日動態總體上表現平穩，在上午6:00時排放量達到峰值。

圖1 若爾蓋高原泥炭地凈生態系統CO2交換(NEE)5-9月的日動態特征Fig.1 The diurnal dynamics of net ecosystem CO2 exchange (NEE) of Zoige alpine peatland from May to September

圖2 若爾蓋高原泥炭地生長季平均CH4通量的日動態特征Fig. 2 The diurnal dynamics of averaged CH4 fluxes of Zoige alpine peatland during the growing season

圖3 若爾蓋高原泥炭地碳收支組分特征Fig. 3 Characteristics of carbon budgets for Zoige alpine peatland

通過對CO2和CH4通量進行累計加和，發現若爾蓋高原泥炭地總體上表現為碳匯的功能（圖3）。其中，若爾蓋高原泥炭地年總初級生產力為25 135 kg CO2/hm2，年生態系統呼吸為22 213 kg CO2/hm2，年凈固定CO2的量為2 922 kg CO2/hm2。若爾蓋高原泥炭地年CH4排放量約為48 kg CH4/hm2，換算成CO2當量約為1 163 kg CO2/hm2。因此，若爾蓋高原泥炭地總CO2的排放量為23 375.6 kg CO2/hm2，其中CH4排放的CO2當量僅占到了總CO2排放的5%。將若爾蓋高原泥炭地吸收CO2的正效應減去CH4排放的負效應，得到若爾蓋高原泥炭地的年凈固碳量為1 759.4 kg CO2/hm2，總體表現出較強的碳匯功能（圖3)。

2.2 若爾蓋高原泥炭地固碳價值

利用各碳收支數據，綜合CH4氣體的全球增溫潛勢，通過碳稅法計算得到若爾蓋高原泥炭地凈吸收CO2的價值為11.50億元(正效應價值)，凈排放CH4的價值為4.58億元（負效應價值)。將正負效應進行整合，得到整個若爾蓋高原泥炭地的總固碳價值為6.92億元(圖4)。

3 討論與結論

圖4 若爾蓋高原泥炭地固碳價值Fig. 4 The values of carbon sequestration of Zoige alpine peatland

泥炭地是一種獨特的濕地生態系統，由于長期或季節性淹水所導致的極端厭氧環境，植被及動物殘體無法完全分解，長期而緩慢的泥炭積累使泥炭地生態系統中儲存了大量的碳(Kang et al,2017)。泥炭地具有涵養水源、維持生物多樣性、調節氣候和大氣組分等重要生態服務功能，其中最為重要的是其碳庫的功能和價值(Kang et al,2017)。目前普遍認為未經擾動的泥炭沼澤為大氣二氧化碳的弱匯(Roulet, 2000; Hao et al, 2011)，是甲烷排放的重要源，占全球自然生態系統甲烷排放的10%左右(Roulet, 2000)。本研究發現，若爾蓋高原泥炭地總體上表現為較強的碳匯，其凈吸收CO2的價值為11.50億元，凈排放CH4的價值為4.58億元，總固碳價值為6.92億。龐丙亮等（2014）利用野外實測的地上生物量、光譜信息得到的遙感植被指數及植被覆蓋度進行回歸擬合并外推，最終計算得到若爾蓋濕地的固碳價值為8.21億元。該研究僅考慮了植物通過光合作用所固定的碳，而沒有考慮到整個生態系統通過呼吸作用所釋放到大氣中的碳，因此評價結果高于本研究。

近年來，由于氣候變化（溫度急劇升高、降水減少、極端氣候事件）及人類活動的雙重影響，若爾蓋高原泥炭地的面積在逐漸減少（王根緒等,2007; Chen et al, 2013;萬忠梅,2013），泥炭地質量不斷下降（楊永興,1999)，生態系統碳循環的過程發生了改變（周文昌等,2015），可能導致碳收支失衡，碳匯功能降低（周文昌等，2016），泥炭地的固碳價值發生重大變化。本研究沒有考慮到長期氣候變化和人類活動對固碳價值的影響，也沒有考慮空間異質性的影響，如何通過有效的措施恢復若爾蓋泥炭地的面積和質量，提高其碳匯功能，這些問題將會在后續工作中進行深入研究和探討。

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