干旱区面积占陆地总面积30%—40%，不仅是陆地生态系统的重要组成部分，而且在全球碳循环过程中占有十分重要的地位^[1]，超过全球陆地生态系统碳储量的20%存储在干旱区^[2]。严酷的自然条件和频繁的人类活动，使得原本敏感而脆弱的生态系统面临着退化的威胁^[3]，将“植物—土壤”连续体中所固定的碳以CO₂的形式释放到大气中^[4]。特别是在未来全球气候变化的背景下，干旱区面积可能会扩大，将对全球碳平衡和气候变化产生更深远影响^[5]。由于地域的特殊性，干旱区生态系统有机碳库变化常常表现出和湿润区截然不同的变化特征，如在湿润区人类的土地利用通常会导致碳汇损失^[6]，而干旱区农业开发通常被认为是碳汇过程^[7]。目前，对干旱区生态系统碳库储量变化的研究多集中在：估算干旱区生态系统碳储量变化^{[8, 9, 10]}，研究不同环境因素对干旱区碳循环的影响^[11]、模拟不同气候变化情景下碳汇效应^{[12, 13]}、分析土地利用变化对陆地生态系统有机碳库的影响^{[7, 14]}等方面，但对如何促进干旱区生态系统碳增汇方面研究相对较少。

毛乌素沙地从20世纪80年代末沙漠化扩展的趋势得到抑制，植被覆盖状况恢复明显^[15]，那么该地区有机碳贮存量发生了怎样的变化，其陆地生态系统是否存在碳增汇的潜力，主要的增汇途径如何。本文以乌审旗为研究区，在揭示该旗有机碳库储量变化特征的基础上，根据当地的特点设定不同土地利用变化情景，对该地区碳增汇潜力进行分析。以期为形成适合该地区的碳增汇调控途径和措施提供科学依据，为陆地生态系统碳增汇技术和对策研究这一科学问题提供理论补充。

乌审旗位于内蒙古自治区最南端，鄂尔多斯高原东南部，毛乌素沙地腹地。属温带大陆性气候，年均气温6.8℃，年均降水量约350 mm，年蒸发量＞2200 mm；海拔高度在1300—1400 m；地貌类型包括：梁地、滩地、固定沙地、半固定沙丘、流动沙丘、内陆湖淖等；土壤类型有：梁地上发育的栗钙土，沙地发育的各类风沙土，滩地、丘间低地等发育的草甸土、盐碱土；境内分布以本氏针茅(Stipa bungeana)建群地带性植被，及沙丘地上发育的油蒿(Artemisia ordosica)群落和油蒿-中间锦鸡儿(Caragana intermedia Kuang et H. C. Fu)群落和沙地先锋植物群落等，滩地、丘间低地、湖滨低地等分布着草甸植被和盐生植被等非地带性植被。

对乌审旗有机碳库储量的估算包括植被有机碳库和土壤有机碳库两部分。2011—2012年分别设置33个调查样地，采样时间为7月中旬至8月下旬。草本植物样方获得植物分种地上生物量、地上凋落物，使用根钻法获得地下生物量；灌木样方则测量灌木高度、冠幅，采用标准株的方法，计算样方内生物量，通过标准株法得到地下生物量。在各植被样方内分层获得地下1 m的土样(0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—60 cm、60—100 cm)；使用环刀法获得各层土壤容重。使用EA3000元素分析仪测定各种植物和不同土壤类型有机碳含量。由于部分植被类型样方只有地上生物量(面积约占乌审旗总面积的13.89%)，本文从相关文献中查阅根茎(根冠)比例系数，并使用系数0.45将生物量转换为有机碳量^[16]；从文献中获得部分缺乏的土壤有机碳密度值。乌审旗植被类型含碳量数据见表 1。

收集1977年Landsat 3 MSS，1987年、1997年和2007年的Landsat 5 TM，2012年HJ-1A CCD2等多期遥感数据，经过几何校正、波段合成，目视解译获得5期植被覆盖图(解译过程中参考1987年《乌审旗植被图》，植被类型见表 1，该表同时包括植被类型和土地利用/覆盖类型两种分类系统)。将处理好的植被类型图与各植被类型碳密度实测值，应用InVEST 3.1.0 软件的碳储与吸收模型，计算不同时期的陆地生态系统固碳量。

情景预测使用IDRISI Selva软件的CA-Markov模型，其综合了约束性细胞自动机(Constrained Cellular Automaton)及马尔可夫链模型(Markov)的优点，提高传统细胞自动机模型的模拟精度。各情景均以2012年为基准年，模拟终期为2050年。情景1，各植被类型面积变化根据2007—2012年Markov模型生成的面积转移矩阵发展变化。情景2，当地政府力争将森林覆盖率提高到26%，森林植被包括：人工林群落，臭柏群落，柠条、油蒿群落和沙地柳湾林。为了研究该地区沙漠化变化情况对有机碳库储量的贡献，采用了土地覆盖变化极值的形式设计了情景3—情景6：情景3(沙漠化逆转1)，组成半固定、流动沙地的植被全部转变成固定沙地植被；情景4(沙漠化逆转2)，组成半固定、流动沙地的植被50%面积转变为固定沙地植被；情景5(沙漠化扩展1)，组成固定、半固定沙地的植被全部转变成流动沙地的植被；情景6(沙漠化扩展2),固定、半固定沙地的植被50%面积转变成流沙地植被。低湿地植被面积约占乌审旗总面积的10%，因此本文设计了情景7(低湿地植被面积增加100%)和情景8(低湿地植被面积减少100%，转变为流动沙地植被)，考虑低湿地变化对有机碳库的影响。应用InVEST 3.1.0 软件的碳储与吸收模型，计算不同情景下乌审旗的陆地生态系统固碳量。

以1977年乌审旗生态系统有机碳库储量为碳增汇研究的起点。过去35 a该旗机碳库变化如表 2所示。1977年有机碳库起始值为47.58 Tg C，经1987年减少(47.01 Tg C)，到1997年有机碳储量减少到最低值(45.90 Tg C)，其后有机碳储量开始增加，到2012年达到最大值(48.38 Tg C)，平均有机碳库是47.37 Tg C。从各个研究时段碳汇年变化来看：

1977—1987、1987—1997年，有机碳储量分别减少0.06 Tg C/a和0.11 Tg C/a，变化相对平稳。有机碳储量减少1.68 Tg C，有机碳库减少区域为1502.48 km²，碳库增加区域1424.60 km²。1997—2007年碳汇增量变化较大，年均增汇0.21 Tg C，增汇现象明显；而2007—2012年碳汇增量减弱，为0.08 Tg C/a，碳库储量相对于1977年增加0.80 Tg C。期间碳库减少区域1160.40 km²，碳库增加区域2176.41 km²。

不同发展情景下乌审旗有机碳库储量如图 1所示：情景1、2、3、4、7的乌审旗陆地生态系统有机碳汇都超过2012年参考情景，其中情景7(低湿地植被面积增加)有机碳库增量最为显著，其次为情景3(沙漠化逆转，固定沙地面积增加)，两者分别较2012参考年有机碳库增加13.40 Tg C 和6.98 Tg C；情景5和6是沙漠化扩展情景，情景8是低湿地植被面积减少情景，这3个情景相对于2012参考年有机碳库减少量分别为10.37 Tg C、4.98 Tg C和12.10 Tg C。

一切如常情景(情景1)，有机碳库较2012参考年增加0.41 Tg C；在情景2中(政策情景)，乌审旗陆地生态系统碳库有了明显的增加，较情景1和2012年分别增加1.59 Tg C 和2.00 Tg C；沙漠化逆转情景(情景3和4)，相对于情景1有机碳库增加6.57 Tg C和4.33 Tg C，而沙漠化扩展情景(情景5和6)，有机碳库量相对于情景1减少10.78 Tg C和5.39 Tg C；当低湿地面积增加1倍(情景7)或全部消失时(情景8)，其有机碳库量较情景1分别增加12.99 Tg C和减少12.51 Tg C。

图 1 不同发展情景下乌审旗有机碳库储量 Fig.1 The organic carbon storage of Uxin under different scenarios

图选项

根据研究结果，乌审旗不同植被类型生态系统有机碳储量差异较大，除低湿地和盐生植被的有机碳密度超过或接近1 kg C/m²、人工林群落有机碳密度较高外(0.62 kg C/m²)，其他类型的植物群落有机碳密度较少。该旗植被平均有机碳含量为0.31 kg C/m²，略低于我国草地植被单位面积有机碳密度0.32—0.35 kg C/m^{2 [16, 22]}，远低于中国陆地生态系统平均有机碳密度1.47 kg C/m^{2 [23]}。风沙土是主要土壤类型(固定沙地的风沙土有机碳含量仅为3.51—4.86 kg C/m²之间)，都低于一些学者得出的中国土壤有机碳含量7.23—19.10 kg C/m^{2 [23, 24, 25]}，只有草甸与沼泽植被土壤中有机碳含量在这个范围内(13.62 kg C/m²)。乌审旗陆地生态系统有机碳平均含量为4.06 kg C/m²，低于全国8.01—10.83 kg/m²的平均范围^{[26, 27]}。该旗流动和半固定沙地的面积约占全旗的50%，若该部分植被恢复，则可以为乌审旗碳库增加6.98 Tg C，表明乌审旗沙地生态系统有着一定的碳增汇潜力。

总体来说，乌审旗有机碳库储量变化与其沙漠化变化的趋势基本吻合，且呈“V”型变化。研究表明，20世纪90年代后乌审旗土地沙漠化发生了逆转，人为因素延缓气候作用，并促进该地区植被的恢复^[15]，进而提高了区域有机碳储量。本研究显示1977—1997年该旗有机碳库储量减少，主要因为沙地半灌木及草本植被和草甸与沼泽植被面积减少所致，此阶段沙漠化扩展加剧：寸草滩及禾草滩(面积减少106.69 km²，有机碳库减少1.63 Tg C)、固定沙地上的油蒿群落(面积减少120.93 km²，有机碳库减少0.52 Tg C)、芨芨草滩(面积减少36.68 km²，有机碳库减少0.23 Tg C)、油蒿、苦豆子、牛心朴子群落(面积减少32.05 km²，碳库减少0.12 Tg C)。1997—2012年有机碳库储量增加阶段，其中1997—2007年碳汇增量变化较大，增汇现象明显。其主要原因是流动沙地植被面积(共减少1224.80 km²)、固定沙地植被面积(共增加336.31 km²)和半固定沙地植被面积(共增加571.78 km²)的增加、农田面积(增加225.82 km²)的增加等。其中主要碳增汇的植被类型为：固定沙地上的油蒿群落(增加1.63 Tg C)、寸草滩及禾草滩(增加1.49 Tg C)、半固定沙地上的油蒿群落(增加1.11 Tg C)、农田(增加0.63 Tg C)、沙地柳湾林(增加0.52 Tg C)。20世纪60年代后，乌审旗地区降水趋于减少、气温逐渐升高，气候因素有利于该区沙漠化发展，但是，20世纪90年代后乌审旗土地沙漠化发生了逆转，人为因素延缓气候作用，并促进该地区植被的恢复^[15]，如：“双权一制”政策的逐步推行^[28]，90年代后期实施的“退耕还林还草”、“禁牧”等政策^[29]，促进了该地区植被恢复，因此对其有机碳库储量的增加起到了积极的影响。

根据情景分析的结果，本文认为增加森林覆盖率、转变土地利用方式、湿地保育等措施，是适宜增强该区域碳增汇能力的有效途径。

(1)增加森林覆盖率，提高乌审旗陆地生态系统固碳能力。该地区森林植被有机碳库储量约占乌审旗总储量的14%。根据政策情景(森林覆盖率增加到26%)，乌审旗陆地生态系统碳库较2012年增加3.83 Tg C。人工植树造林和合理的森林管理措施将可能大大提高生态系统的碳固定能力，如实施飞播造林、加强“三北工程”建设和管护等，在恢复沙地植被的同时提高碳固持能力；在固沙造林活动中，考虑到该地区干旱少雨的特点，应选择耐旱的灌木作为造林的主体树种，不应种植蒸腾耗水量大的速生树种，减少对该地区生态用水的消耗。

(2)转变土地利用方式，恢复区域植被。在理想状态下该地区流动和半固定沙地固定后，有机碳库较2012年可以增汇6.98 Tg C。将占全旗面积较大的流动沙地和半固定沙地固定下来、恢复植被、增加碳汇，转变土地利用方式是可行的措施之一。研究表明轻牧或无牧可以提高区域尺度碳增汇能力^[30]，通过“围封和禁牧”、“推广人工草场和舍饲技术”等措施减轻对草地的放牧压力，增强草地碳汇功能。同时，通过土地利用集约化程度——促进“粗放型畜牧业向集约型畜牧业转变”和土地利用方式的转变。乌审旗牧户家庭拥有牧业和农业生产技能，鼓励开辟高效地，种植人工草地，“以地养地”，供给牲畜充足草料，减轻放牧压力、恢复植被。最后，积极发展第三产业，鼓励有经济条件的家庭发展特色旅游业等。通过这些措施转变传统的粗放型土地利用方式。

(3)湿地保育，增加固碳潜力。低湿地植被有机碳库含量约为乌审旗碳库储量的30%，是主要的固碳植被类型之一。通过情景分析发现(情景7)，乌审旗碳库储量较2012年增加13.40 Tg C，碳增汇效果非常明显。然而，因为湿地植被生长较好，对其放牧利用强度往往较其他区域大。自1977年以来，该旗湿地损失碳储量0.52 Tg C，特别是研究时段1977—1997年湿地退化明显。在低湿地保护和恢复过程中，充分发挥政府管理的作用，制定相应的政策，发挥生态补偿的作用，合理引导、限制放牧强度，建立湿地水资源合理利用机制，保障湿地生态用水，促进湿地面积恢复。

碳计量方法通常还包括模型估算法和CO₂通量观测法等。前者包括气候模型、遥感反演模型、光能利用率模型和生态系统过程模型等^{[30, 31]}。与其他的碳计量模型相比，InVEST碳储与吸收模型具有直接、技术简单等优点，特别适用于拥有多期植被类型(土地利用/覆盖)图形或统计数据的快速碳评估。但其假定每一植被类型的碳密度基本保持不变，碳储量变化只能随着植被类型(土地覆盖)类型变化。因此，在研究中计算该旗陆地生态系统碳储量存在着一定的误差，如可能过高估计一些植被群落土壤有机碳含量。植被覆盖的变化或恢复并不意味着土壤有机质的恢复，如流动沙地固定后其新成土经过40多年才能演变倾向于区域性的土壤^[32]；而固定沙地向流动沙地演变后，土壤有机碳损失速度较快^[33]。在情景分析中，可能高估了情景1、2、3、4、7的碳存储量，而低估情景5、6、8的碳贮存量。

另外，土壤无机碳是土壤碳的重要组成部分，特别在干旱区无机碳约占土壤含碳量的30%。在干旱沙区固沙植被建立后，沙丘表层土壤向地带性的钙积正常干旱土方向演变，随着植被恢复时间延长，土壤无机碳含量不断增加。土壤无机碳在植被演替中的响应相对缓慢，无机碳保持是碳储量长期处于相对稳定的状态^[34]。如赵洋等通过研究腾格里沙漠土壤中无机碳密度含量分析发现，天然植被区、各年代固沙区的无机碳含量虽略高于流沙区，但差异不显著^[35]。在本研究中由于数据获取的限制没有考虑土壤无机碳在土壤碳库中的地位，低估了陆地生态系统中实际碳储量，因此，在今后的研究中应加强土壤无机碳方面的研究。

(1)在1977—2012年乌审旗陆地生态系统碳库储量呈“V”型变化。研究时段1977—1997年是碳库储量减少阶段，减少1.68 Tg C；研究时段1997—2012年处于碳增汇阶段，相对于1977年和1997年分别增加0.80 Tg C和2.48 Tg C。

(2)乌审旗陆地生态系统存在较大的碳增汇潜力。根据情景分析的结果，本文认为增加森林覆盖度、转变土地利用方式、湿地保育等措施，是适合该地区提高有机碳库储量的可行措施。