若尔盖高原泥炭地碳收支特征及固碳价值评价研究

吴海东 崔丽娟 王金枝 颜亮 张骁栋 李伟 李勇 康晓明*

（1 中国林业科学研究院湿地研究所，湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京 100091；2 四川若尔盖高寒湿地生态系统定位观测研究站，四川 阿坝藏族自治州 624500）

湿地作为全球生态系统的重要类型之一（Kang et al,2014），虽然仅占全球陆地总面积的5%～8%，但由于其特殊的生态环境，湿地的碳储量大约占陆地生态系统总碳储量的10%～20% （Erwin, 2009;Mitsch et al, 2012; Kang et al,2016）。泥炭地是一种特殊类型的湿地生态系统，IPCC （联合国政府间气候变化专门委员会）对其进行了估算，发现全球陆地生态系统约存储了2.48×106Tg C （1 Tg=1×1 012g)， 其 中 泥 炭 地 碳 储 量 为0.5×106Tg C。因此，泥炭地碳收支在全球碳循环中具有举足轻重的作用，其巨大的碳储量及碳汇功能在温室气体增汇减排方面发挥着重要作用，定量分析泥炭地生态系统的碳收支动态特征及其固碳价值具有非常重要的意义（Dixon et al,1995）。

位于青藏高原东北部的若尔盖高原泥炭地是全球气候变化最为敏感的地区之一，在全球具有典型性和代表性（郑度等,1999）。若尔盖高原泥炭地是全国乃至全世界最为广袤的高原泥炭沼泽复合体之一，其泥炭积累丰富，是中国最大的高原泥炭沼泽分布区，面积4 605 km2(孙广友,1992)。由于若尔盖高原处于高海拔地区，低温、昼夜温差大及淹水导致的厌氧条件极大地抑制了有机质的分解，形成了一层厚厚的泥炭层，一定程度上减少了CO2的排放 (Hao et al,2011;Chen et al,2013;Kang et al,2014)。然而，近年来由于气候变化和人类活动的双重作用，导致若尔盖泥炭沼泽湿地水位下降，逐渐萎缩、退化(杨永兴,1999)，碳汇功能受到影响(王根绪等,2007;万忠梅,2013)。

本研究以若尔盖高原泥炭地为研究对象，分析若尔盖高原泥炭地碳收支动态，并利用碳税法定量评估若尔盖高原泥炭地的固碳价值，为高原泥炭地的增汇减排及其碳汇管理提供科学依据和数据支撑。

1 研究地概况与研究方法

1.1 研究地概况

研究区域位于青藏高原的东部边缘，行政上隶属于四川省阿坝州，平均海拔3 400 m。该研究区属于高山寒温带季风气候，寒冷潮湿，年均温大约在-1.7～3.3oC，年均降水量为650～750 mm，大部分集中在4-9月，大约占全年降水量的90%。研究区域沼泽植被生长繁茂，较低的温度致使植物生长期较短，凋落物分解慢，有机质沉积，土壤中有机质含量丰富，从而形成深厚的泥炭层。研究区域的主要植被为木里苔草Carex muliensis、乌拉苔草Carex meyeriana、刚毛荸荠Eleocharis valleculosa等沼生植物。土壤泥炭层厚约2～5 m，pH值为6.8～7.2。

1.2 研究方法

1.2.1 野外观测 本研究以若尔盖高原泥炭地极端气候控制实验平台和涡度相关系统为依托，获得CO2和CH4等温室气体通量的数据。CO2通量数据通过涡度相关技术（Eddy Covariance Technology）获得，包括两部分，一部分是测量碳水通量的通量观测系统，一部分是用于监测背景气象数据的气象观测系统。通量观测系统由开路远红外CO2/H2O气体分析仪LI-7500（LI-COR Inc. NE, USA）、三维超声波测风仪CSAT3（Campbell Scientific Inc.,USA）和数据采集器CR5000（Campbell Scientific Inc.）等组成，主要测量距离地面2.2 m高的CO2通量、潜热和感热通量，仪器采样频率为10 Hz。同时，采用自制同化箱和激光光谱快速温室气体分析仪FGGA(DLT-100，LGR)连续监测CH4通量的季节动态，用透明箱与FGGA相连接，连续封闭测量10 min，然后开放箱子大约持续2 min，再测量下一个静态箱采样点。仪器和风扇采用12 V蓄电池供电，气体通量以箱内密闭气体浓度随时间变化的直线斜率计算。数据采集频率为1 Hz。

1.2.2 湿地固碳价值评估方法 涡度相关技术观测到的CO2通量是泥炭地的净生态系统CO2交换通量（Net ecosystem CO2exchange,NEE），是生态系统呼吸（Ecosystem respiration,ER）与总初级生产力（Gross primary productivity,GPP）之间的差值，即：NEE = ER - GPP。其中，NEE正值代表生态系统净排放CO2，负值代表生态系统净吸收CO2。

静态箱和激光光谱快速温室气体分析仪测定的是CH4通量（FCH4），是以气体浓度在单位时间内的直线斜率计算的（Mastepanov et al,2008），具体通量计算公式为（孙晓新,2009）：

式中：FCH4为同化箱中的CH4通量[mg/(m2·h)]，dc/dt代表箱内气体浓度随单位时间变化的直线斜率（ppm/h），V0、P0、T0分别为标准大气压下的标准摩尔体积（22.41 m3/mol）、标准大气压（101325 Pa）和绝对温度（K)，T为箱内的绝对温度(K)，P为采样点的大气压（Pa），M为被测气体的摩尔质量（g/mol)，H为箱子的有效高度(m)。

基于上述实测数据，本研究采用碳税法对若尔盖高原泥炭地固碳价值进行计算，既考虑泥炭地生态系统净CO2的交换，又考虑CH4排放对泥炭地碳汇功能的削减，将两种效应进行叠加，最终评价若尔盖高原泥炭地的固碳价值。其计算公式如下：

式中，Vgh为高原泥炭地温室气体排放价值(元/a)；NEE为芦苇湿地净CO2交换量(kg/hm2)，采用涡度相关技术实测值；FCH4为CH4排放通量，采用实测值；A为整个若尔盖高原泥炭地的面积，参考Chen等（2014）的数值3 179 km2，换算为31.79万 hm2；P为碳的价格，采用最新的瑞典碳税率187美元/t进行计算，换算为1 237.6元/t。由于不同温室气体对地球温室效应的贡献程度不同，在温室气体的总增温效应中，CO2贡献约占63%，CH4贡献约占18%。CH4的全球增温潜势（Global warming potential，GWP)是CO2的24.5倍，即1 t甲烷的二氧化碳当量是24.5 t(Jenkins et al,2010)，本研究规定CO2当量为度量温室效应的基本单位，以此计算CH4的CO2当量。所有数据作图主要利用Origin 9.0完成。

2 结果与分析

2.1 若尔盖高原泥炭地碳收支特征

若尔盖高原泥炭地的碳收支包括CO2和CH4的净交换，共同决定着泥炭地生态系统的碳源/汇功能。图1是若尔盖高原泥炭地5-9月净生态系统CO2交换（NEE）的日动态特征。由图可知若尔盖泥炭地碳汇功能7月最强，即7月＞8月＞6月＞9月＞5月。生态系统从上午7:00-8:00开始由碳源转变为碳汇，中午11:00-13:00碳汇强度最强，下午19:00-20:00 逐渐由碳汇转变为碳源,若尔盖泥炭地生态系统总体上表现为碳汇。图2是若尔盖高原泥炭地生长季平均CH4通量的日动态特征。若尔盖泥炭地生态系统总体上表现为CH4的排放源，CH4通量日动态总体上表现平稳，在上午6:00时排放量达到峰值。

图1 若尔盖高原泥炭地净生态系统CO2交换(NEE)5-9月的日动态特征Fig.1 The diurnal dynamics of net ecosystem CO2 exchange (NEE) of Zoige alpine peatland from May to September

图2 若尔盖高原泥炭地生长季平均CH4通量的日动态特征Fig. 2 The diurnal dynamics of averaged CH4 fluxes of Zoige alpine peatland during the growing season

图3 若尔盖高原泥炭地碳收支组分特征Fig. 3 Characteristics of carbon budgets for Zoige alpine peatland

通过对CO2和CH4通量进行累计加和，发现若尔盖高原泥炭地总体上表现为碳汇的功能（图3）。其中，若尔盖高原泥炭地年总初级生产力为25 135 kg CO2/hm2，年生态系统呼吸为22 213 kg CO2/hm2，年净固定CO2的量为2 922 kg CO2/hm2。若尔盖高原泥炭地年CH4排放量约为48 kg CH4/hm2，换算成CO2当量约为1 163 kg CO2/hm2。因此，若尔盖高原泥炭地总CO2的排放量为23 375.6 kg CO2/hm2，其中CH4排放的CO2当量仅占到了总CO2排放的5%。将若尔盖高原泥炭地吸收CO2的正效应减去CH4排放的负效应，得到若尔盖高原泥炭地的年净固碳量为1 759.4 kg CO2/hm2，总体表现出较强的碳汇功能（图3)。

2.2 若尔盖高原泥炭地固碳价值

利用各碳收支数据，综合CH4气体的全球增温潜势，通过碳税法计算得到若尔盖高原泥炭地净吸收CO2的价值为11.50亿元(正效应价值)，净排放CH4的价值为4.58亿元（负效应价值)。将正负效应进行整合，得到整个若尔盖高原泥炭地的总固碳价值为6.92亿元(图4)。

3 讨论与结论

图4 若尔盖高原泥炭地固碳价值Fig. 4 The values of carbon sequestration of Zoige alpine peatland

泥炭地是一种独特的湿地生态系统，由于长期或季节性淹水所导致的极端厌氧环境，植被及动物残体无法完全分解，长期而缓慢的泥炭积累使泥炭地生态系统中储存了大量的碳(Kang et al,2017)。泥炭地具有涵养水源、维持生物多样性、调节气候和大气组分等重要生态服务功能，其中最为重要的是其碳库的功能和价值(Kang et al,2017)。目前普遍认为未经扰动的泥炭沼泽为大气二氧化碳的弱汇(Roulet, 2000; Hao et al, 2011)，是甲烷排放的重要源，占全球自然生态系统甲烷排放的10%左右(Roulet, 2000)。本研究发现，若尔盖高原泥炭地总体上表现为较强的碳汇，其净吸收CO2的价值为11.50亿元，净排放CH4的价值为4.58亿元，总固碳价值为6.92亿。庞丙亮等（2014）利用野外实测的地上生物量、光谱信息得到的遥感植被指数及植被覆盖度进行回归拟合并外推，最终计算得到若尔盖湿地的固碳价值为8.21亿元。该研究仅考虑了植物通过光合作用所固定的碳，而没有考虑到整个生态系统通过呼吸作用所释放到大气中的碳，因此评价结果高于本研究。

近年来，由于气候变化（温度急剧升高、降水减少、极端气候事件）及人类活动的双重影响，若尔盖高原泥炭地的面积在逐渐减少（王根绪等,2007; Chen et al, 2013;万忠梅,2013），泥炭地质量不断下降（杨永兴,1999)，生态系统碳循环的过程发生了改变（周文昌等,2015），可能导致碳收支失衡，碳汇功能降低（周文昌等，2016），泥炭地的固碳价值发生重大变化。本研究没有考虑到长期气候变化和人类活动对固碳价值的影响，也没有考虑空间异质性的影响，如何通过有效的措施恢复若尔盖泥炭地的面积和质量，提高其碳汇功能，这些问题将会在后续工作中进行深入研究和探讨。

庞丙亮,崔丽娟,马牧源,等.2014.若尔盖高寒湿地生态系统服务价值评价[J].湿地科学,12(3):273-278

孙广友.1992.论若尔盖高原泥炭赋存规律成矿类型及资源储量[J].自然资源学报,7(4):334-346

孙晓新,牟长城,石兰英,等.2009.小兴安岭森林沼泽甲烷排放及其影响因子[J].植物生态学报,33(3):535-545

万忠梅.2013.水位对小叶章湿地CO2、CH4排放及土壤微生物活性的影响[J].生态环境科学,22(3):465-468

王根绪,李元寿,王一博,等.2007.近40年来青藏高原典型高寒湿地系统的动态变化[J].地理学报,62(5):481-491

杨永兴.1999.若尔盖高原生态环境恶化与沼泽退化及其形成机制[J].山地学报,17(4):318-323

郑度,李炳元.1999.青藏高原地理环境研究进展[J].地理科学,19(4):295-302

周文昌,崔丽娟,王义飞,等.2015.围栏禁牧与放牧对若尔盖高原泥炭地CO2和CH4排放的影响[J].生态环境学报,24(2):183-189

周文昌,索郎夺尔基,崔丽娟,等.2016.排水对若尔盖高原泥炭地土壤有机碳储量的影响[J].生态学报,36(8):2123-2132

Chen H, Wu N, Wang Y, et al. 2013. Inter-Annual Variations of Methane Emission from an Open Fen on the Qinghai-Tibetan Plateau: A Three-Year Study [J]. Plos One, 8(1):173-185

Chen H, Yang G, Peng C H, et al. 2014. The carbon stock of alpine peatlands on the Qinghai-Tibetan Plateau during the Holocene and their future fate[J]. Quaternary Science Reviews, 95:151-158

Cui L J, Kang X M, Li W, et al. 2017. Rewetting Decreases Carbon Emissions from the Zoige Alpine Peatland on the Tibetan Plateau[J]. Sustainability, 9(6):948

Dixon R K, Krankina O N. 1995. Can the Terrestrial Biosphere Be Managed to Conserve and Sequester Carbon? [J]. NATO ASI Series, 33:153-179

Erwin K L. 2009. Wetlands and global climate change: the role ofwetland restoration in a changing world [J]. Wetlands Ecology and Management, 17:71-84

Hao Y B, Cui X Y, Wang Y F, et al. 2011. Predominance of Precipitation and Temperature Controls on Ecosystem CO2Exchange in Zoige Alpine Wetlands of Southwest China [J].Wetlands, 31:413-422

IPCC, 2007. Climate Change 2007: The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA

Jenkins W A, Murray B C, Kramer R A, et al. 2010. Valuing ecosystem services from wetlands restoration in the Mississippi Alluvial Valley [J]. Ecological Economics, 69(5):1051-1061

Kang X M, Hao Y B, Cui X Y, et al. 2016. Variability and changes in climate, phenology, and gross primary production of an alpine wetland ecosystem[J]. Remote Sensing, 8(5):391

Kang X M, Wang Y F, Chen H, et al. 2014. Modeling carbon fluxes using multi-temporal MODIS imagery and CO2eddy flux tower data in Zoige alpine wetland, south-west China [J]. Wetlands, 34:603-618

Mastepanov M, Sigsgaard C, Dlugokencky EJ, et al. 2008. Large tundra methane burst during onset of freezing [J]. Nature,456(7222):628-658

Mitsch W J, Bernal B, Nahlik A M, et al. 2012. Wetlands, carbon, and climate change [J]. Landscape Ecology, 28:583-597

Roulet N. 2000. Peatlands, carbon storage, greenhouse gases, and the Kyoto Protocol: Prospects and significance for Canada [J].Wetlands, 20:605-615