人类活动对碳循环的影响是气候变化研究的重要核心问题之一。大量研究表明, 开垦会在一定程度上产生碳源效应^[1-4]。例如, 三江平原沼泽湿地开垦初期土壤有机碳损失较快, 经过15a以上稳定而长期的耕作后, 有机碳最终趋于一个相对的稳定值^[5-6]；利用历史土地覆盖数据和簿记模型对东北地区过去300年来开垦导致碳排放量的估算研究表明, 东北全境约38%的草地、20%的森林和灌丛被开垦, 开垦导致的碳排放量中土壤碳库是较大的排放源^[7]；开垦在新疆干旱荒漠地区也可能产生有利于碳汇的情况, 自然土壤垦殖后最初5年有机碳含量增加明显, 年均增加0.65g/kg以上, 5年后维持在相对平衡的水平^[8]。

新疆对于我国国家安全、经济发展及“一带一路”建设均具有极其重要的战略地位, 是我国21世纪经济增长的重要支点和资源接替区, 也是保障国家粮食安全的重要耕地储备基地^[9]。1976—2016年, 由于新人工绿洲快速扩张, 面积仅占全疆8.22%的天山北麓经济带, 人口和耕地面积超过全疆的25%^[10]。开垦是对绿洲生态系统影响最大的人类活动, 本研究尝试采用地面土壤调查数据、遥感数据和气象数据, 结合光能利用率模型CASA(Carnegie-Ames-Stanford-Approach), 研究天山北麓新人工绿洲迅速扩张对区域植被、土壤碳库格局和碳库转移的影响, 以增进对人类活动影响下干旱区绿洲生态系统碳库反馈效应的理解和认识。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

20世纪中叶以后形成的绿洲称为新绿洲^[11]。从天山北麓绿洲分布和扩张轨迹来看, 新绿洲多分布在冲积平原中下部^[12]。近几十年来, 奇台绿洲的高强度农业开发在天山北麓具有代表性, 因此研究区选择在奇台平原绿洲下部与古尔班通古特沙漠东部毗邻的交错带区域, 范围：43°57′—44°13′N, 89°24′—90°09′E, 其中非沙漠区域面积为1582.6km², 年均气温5℃左右, 年均降水量约176mm, 年平均蒸发势达2141mm, 属温带大陆性干旱/半干旱气候。

1.2 数据资料

① 遥感数据：根据数据质量(云量、条带等)和时相匹配(研究区植物生长最旺盛季节为6月中旬前后)进行综合考虑, 选用1976年6月6日的Landsat MSS影像、1996年6月28日和2016年6月19日的Landsat TM影像共3期卫星数据, 时间间隔为20a。遥感数据使用前进行严格的预处理, 包括大气辐射校正和几何精校正, 几何校正误差不超过0.2个像元。

② 地面土壤实测数据：考虑到与影像过境时间相对应, 土壤数据选用于2009年6月9—23日采集的野外自然土壤和农田土壤样本所测定的结果：采样时在研究区未受开垦干扰的荒地定位布点60个, 样点尽可能规则遍及所有荒地类型, 用四分法采集剖面上0—20、20—40cm和40—60cm的土壤样本；从西向东在研究区选择耕种10年左右和耕种>20年的农田各挖取土壤剖面25个, 同样采集0—20、20—40、40—60cm的土壤样本。所有土壤样本在实验室内自然晾干、磨碎, 过2mm筛后, 用于土壤理化分析。

③ 其他数据：1976—2016气象数据、2004年以来历年定点观测、入村走访记录和景观照片库等。

1.3 研究方法

① 土地覆被变化分类：利用历年野外定点观测、走访记录和实地景观照片库, 采用监督分类方法对各期影像进行地物覆盖类型分类与验证, 计算通过遥感专业处理软件ENVI 5.0完成。

② 植被地上生物量与地下生物量估算：用植被净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)估算植被地上生物量。NPP指单位面积的绿色植物在单位时间内累积的有机物量, 是判定生态系统碳汇的主要因子^[13]。目前, 基于光能利用率的遥感模型被广泛应用于估算区域及全球尺度的NPP^[14-15], 本研究采用CASA模型进行NPP估算, 公式如下：

(1)

式中, APAR是光合有效辐射, T_ε1和T_ε2为温度胁迫系数, W_ε为水分胁迫影响系数, 最大光能转化率ε^*取值0.389gC/MJ, 具体计算过程和相关气象参数详见文献^[16], 需要说明的是, 新疆绿洲为灌溉农业, 灌溉过程由生产者根据土壤墒情决定, 不受降水条件限制, 因此本研究中, 农田与沼泽的W_ε取值为1。

不同植被类型具有不同的地下与地上部分生物量的比例系数, 通过比例系数可以计算植被的地下生物量。本文采用7.89、4.42、15.68作为温性荒漠草原、灌丛、沼泽类的地下与地上部分生物量的比例系数^[17]；农作物根茎比采用0.1^[18]。

③ 土壤有机碳密度计算：土壤有机碳用重铬酸钾-外加热法测定, 土壤容重通过环刀法测定, 土壤有机碳密度计算公式如下^[19]：

(2)

式中, SOCD为有机碳密度(kg/m²)；i为土层；D_i为土层厚度(cm)；BD_i为第i层土壤容重(g/cm³)；SOCC_i为第i层土壤有机碳百分含量(%)。

2 研究结果 2.1 新人工绿洲扩张与地表覆盖格局演变

根据研究区的历年定点观测和入户访查资料, 利用监督分类方法对3期影像进行分类(图 1), 分类精度分别为：96.38%、92.75%和98.45%。研究区目前主要的覆被类型为农田、草地、灌丛与裸盐碱地。种植面积最大的农作物有小麦、玉米、油葵及打瓜等；研究区天然植被主要为草本、灌木或半灌木的盐(碱)生植物, 草地以叉毛蓬、猪毛菜、碱蓬、骆驼蓬、骆驼刺等低矮草本植物为主；灌丛由株形较大的灌木/半灌木与草本混合群落构成, 例如柽柳+芨芨草+苦豆子+白刺等。研究区土壤呈碱性, 土壤pH值＞9.5的地方主要是光板地, 几乎无植物生长, 因此将其划分为裸盐碱地^[20]。部分田边、路边有防护林成线状分布, 但未能形成超过一个像元宽度(30m)的可提取面积信息, 因此未将林地单独分类。

研究区东南部海拔较高, 向西北处逐渐降低^[21]。由图 1可知, 1976年时研究区地表水资源较为丰富, 西北角建有一平原水库, 泉水溢出带由西南向东北弧状分布, 形成长短不一、流向向北的泉水河, 泉水溢出带在影像上表现为沼泽和灌丛特征, 经实地走访, 沼泽及泉水河周围生长有茂密的芦苇+芨芨草混合灌丛；1976年分类图上的大面积白色区域为高反射率的裸盐碱地；1976年研究区农田稀少, 呈零星斑块在中、西部小范围散布, 说明当时人类活动强度很弱, 研究区主要表现为天然草地+灌丛+沼泽+裸盐碱地的荒漠草原景观。1996年, 新垦耕地在原有田块周围迅速扩张, 泉水溢出带消失且大部分被开垦, 水库干涸, 灌丛明显减少；2016年, 地表覆盖主要由农田+草地+裸盐碱地构成, 适合大型农业机械作业的条田连接成片, 原来以荒漠草原景观为主的天然绿洲被新人工农业绿洲所替代。

提取各年份不同地物类别的覆盖面积(表 1), 1976年有农田5.15×10³hm², 仅占研究区面积的3.25%, 1996年, 农田增加至34.49×10³hm², 是1976年的6.7倍, 2016年农田占比已超过研究区面积的40%。由于高密度打井开采地下水来灌溉新垦耕地, 到1996年时研究区地下水位降幅超过10m^[22], 土壤中的毛管悬着水与毛管上升水不再连接, 土壤盐碱化进程停止, 活性盐碱土变成残余盐碱土, 在研究区近180mm年降水量的淋洗下, 表层土壤盐碱化程度逐渐减弱, 植物开始生长, 裸盐碱地逐渐向新生草地演变甚至被开垦、改良成为农田。40a里, 裸盐碱地面积减少41.06×10³hm², 减少近70%, 同期, 灌丛则从17.87×10³hm²减少到5.20×10³hm², 主要散布于田间地头, 已很少成片分布。

通过迁移矩阵来观察40年来地表覆被分布格局的变化(表 2), 1976年沼泽面积中的75.58%、水体面积的77.96%、灌丛面积的66.93%、草地面积中的41.43%和裸盐碱地中的23.86%被开垦, 构成了2016年农田；1976年草地中的43.62%在40年后仍旧是草地, 这部分草地被新垦农田分割呈碎片化分布, 与59.38%裸盐碱地演替而来的新生草地重新连接成片, 加上来自21.44%的灌丛、16.16%的水体、16.57%的沼泽和7.40%的农田退化形成的草地, 共同构成2016年的草地景观。1976年的裸盐碱地中仅有15.01%到2016年时依然存在, 其余的裸盐碱地来自少量的草地、沼泽和灌丛等的退化。新人工绿洲扩张使农田大幅增加, 区域水、土环境及覆被格局均发生巨大改变, 因此, 区域碳库平衡和碳库构成也必然随之发生改变。

2.2 新人工绿洲扩张过程中的植被碳库反馈效应

植被碳库由植物的地上生物量和地下生物量两部分构成。地上生物量用研究区6月NPP来计算, 地下生物量采用地下与地上生物量比例系数来计算, 植被碳储量按照植物有机干物质中碳占的比重(国际上常用转换率为0.45)转换为碳量^[23-24]。

2.2.1 地上与地下生物量变化

分别计算除水体和裸盐碱地外各地物类别中各个像元的NPP值(图 2), 介于120—70g·C/m²之间的主要为沼泽、芨芨草+苦豆子+柽柳+樟味藜+盐爪爪等混生灌丛群落, ≤70g·C/m²的主要为荒漠草原, 草地的单位面积NPP约在30—40g·C/m²范围内波动, 相对较稳定。农田单位面积NPP最高, 多高于120g·C/m²。

计算不同时期植被的地上与地下生物量总量(表 3), 1976年6月, 研究区地上生物量总计为41.02×10³t, 到2016年6月达到90.60×10³t, 增加了120.88%, 其中, 农田扩张产生的地上生物量增量达55.56×10³t。1976年农作物对研究区地上生物量的贡献率为8.62%, 1996年急增至49.09%, 2016年则达到了65.23%。由于农作物地下生物量较小, 2016年农田地下生物量在整个研究区地下生物量中占比不足2.5%。研究区1976年的地下生物量为284.08×10³t, 1996年迅速下降到211.73×10³t, 2016年有所回升为245.30×10³t, 比1976年仍减少13.65%。40年里, 灌丛和沼泽净损失了11.59×10³t地上生物量和88.57×10³t地下生物量, 而草地的地上、地下生物量均呈增加态势, 分别增加了5.61×10³t和44.24×10³t。从植被总生物量来看, 1976年研究区的地上与地下生物量之和为325.10×10³t, 1996年为268.26×10³t, 2016年为335.90×10³t, 比1976年略增3.3%, 说明研究区的新人工绿洲扩张过程中, 植被总生物量响应特征为迅速下降—逐渐恢复—相对稳定, 植被生物量分布格局显著改变, 地上生物量大幅增加, 地下生物量明显减少。

2.2.2 植被碳库迁移与碳储量变化

从植被碳储量来看(表 4), 1976年研究区植被碳库由草地(63.6%)、灌丛(18.2%)、沼泽(17.0%)和农田(1.2%)构成, 1996年由草地(78.1%)、灌丛(10.5%)和农田(11.4%)构成, 2016年由草地(76.4%)、灌丛(4.3%)和农田(19.3%)构成。1976年植被碳储量为146.3Gg(以C计, 下同), 1996年, 由于沼泽消失, 灌丛大幅减少, 碳储量下降到120.72Gg, 到2016年, 随着化肥及农药施用、盐碱地改良、农业机械化等耕作模式与管理手段的不断提高, 农田单位面积NPP明显提高, 总碳储量又增加到151.16Gg。

方精云等认为, 过去20年里中国农作物生物量碳库和固碳效率增加, 但这些增加的生物量碳绝大部分在短期内通过分解释放回大气中, 因此将农作物生物量碳汇设定为零^[23]。从这个角度出发, 研究区的农作物碳储量在40年里增加了约15倍, 均属于无效碳汇, 而灌丛、沼泽等天然植被碳库向农作物碳库迁移, 实际上是一个碳汇无效化过程。表 5计算了2016年相较于1976年研究区植被碳库的迁移状况。1976年的农田中有1.55Gg作物碳在40年后依然是作物碳, 只是固碳量增加了0.51Gg, 属无效碳汇；1976年有17.82Gg灌丛碳迁移到了2016年的作物碳库中成为无效碳汇, 迁移过程中固碳量损失12.41Gg, 固碳能力下降了近70%；沼泽和草地在向2016年作物碳库的迁移过程中产生的碳排放分别为16.48Gg和25.56Gg, 并各自将18.83Gg和38.53Gg的有效碳汇变成了无效碳汇；裸盐碱地在向草地和灌丛地演化过程中为植被碳库提供了58.36Gg有效碳汇补偿, 占2016年有效碳汇的近一半。

综上所述, 农田扩张是植被碳汇无效化过程, 天然植被减少或消失使区域植被固碳潜力降低, 而裸盐碱地向新生草地演替可产生植被有效碳汇补偿效应。从植被有效碳汇储量来看, 1976年为144.55Gg, 1996年为106.98Gg, 下降了37.57Gg, 2016年为121.91Gg, 较1996年增加13.96%, 说明, 在新人工绿洲扩张初期, 研究区植被碳库损耗最快, 之后, 由于裸盐碱地的碳汇补偿作用使碳损耗速度趋缓。2016年植被有效碳库较1976年下降了22.64Gg, 说明人工绿洲扩张使研究区植被固碳潜力降低, 呈弱碳源特征。

2.3 新人工绿洲扩张过程中的土壤碳库反馈效应

研究区地带性土壤为荒漠灰钙土, 发育在黄土状物质覆盖的山前倾斜平原和古老冲积平原上, 矿质营养丰富, 是新疆优质的土地资源之一^[25]。

2.3.1 研究区土壤碳库构成

表 6为实测的不同地类土壤有机碳密度分布情况。灌丛地土壤有机碳表聚性最高, 其次是草地。灌丛地群落高度大、结构相对稳定, 每年输入土壤的凋落物较多, 因此土壤有机碳密度最大, 0—60cm厚度土层中平均可达9.067kg/m², 其固碳量是草地的近2.4倍、裸盐碱地4.3倍。耕作10年左右的土壤有机碳密度与草地相近, 比裸盐碱地高61.64%, 但是仅为灌丛地的37.51%, 耕作时间超过20年后, 土壤有机碳密度明显提高, 达6.404kg/m², 是裸盐碱地的3.04倍。

研究区沼泽在1996年以前就全部消失, 因此无法获得沼泽土壤有机碳的实测数据。对已发表文献中相关研究进行分析, 全球湿地土壤(土层厚度0—100cm)的有机碳密度在42.5—66.1kg/m²之间^[26-27]。牟长城等于5月下旬在大兴安岭实测的天然灌丛沼泽土壤有机碳密度为33.06kg/m²(0—50cm)^[28], 霍莉莉对黑龙江省东南部未垦殖天然沼泽湿地土壤实测的有机碳密度为29.1kg/m²(土层厚度0—60cm)^[29]。考虑到淹水条件下, 沼泽湿地有机碳积累主要受温度影响, 霍莉莉的采样区纬度与本文研究区较接近且土层厚度一致^[29], 因此本文采用有机碳密度29.1kg/m²来估算研究区沼泽消失造成的土壤有机碳损失。

计算不同时期各地类土壤碳储量(表 7), 1996年和1976年耕地用耕种＞20年的碳密度均值计算, 1996年之后开垦的耕地用耕种10年的碳密度计算。1976年研究区土壤碳总储量为7814.1Gg, 耕地、草地、灌丛地、裸盐碱地和沼泽地分别占4.2%、33.6%、20.7%、15.9%和25.6%, 草地为最大土壤碳库。1996年由于沼泽消失, 灌丛地减少等, 研究区的土壤有机碳储量下降到6843.2Gg, 呈碳源特征。2016年, 由于耕地面积的大幅增加, 耕地土壤有机碳储量占比近50%, 超过草地, 总碳储量与1996年相比仅微降1.2%, 土壤碳库重新趋于稳定。

2.3.2 土壤碳库迁移与碳储量变化

新人工绿洲的大规模扩张导致地下水被大量超采, 整个天山北麓尤以奇台县地下水超采最为严重^[30], 近几年来, 研究区的垦荒行为开始被严格控制。

假设研究区维持现有生态景观格局, 不再进行新的开垦活动, 已垦新农田在持续耕种后土壤碳汇效率趋于稳定和平衡(表 8, 其中耕地碳库均采用耕种＞20年土壤有机碳密度计算), 耕地土壤碳储量可达4126.8Gg, 占土壤总碳库的53.9%, 土壤总碳储量可达7653.9Gg, 仅比1976年略低160.2Gg, 与1996年相比回升11.8%, 40年中开垦造成的土壤碳库损失可基本得到恢复。其中, 裸盐碱地土壤碳库在向耕地、灌丛地、草地土壤碳库的迁移过程中可分别为总土壤碳储量贡献603.9、68.9、592.6Gg的碳汇增量, 对土壤碳库的补偿贡献达16.53%。草地土壤碳库在向耕地、灌丛地碳库的迁移过程中则分别贡献了748Gg和145.5Gg的碳储量增量。沼泽地是干旱区最为脆弱的土壤碳库, 在碳库迁移过程中造成的碳汇损失也最大。

3 讨论 3.1 气候因素对研究区碳库的可能影响

40年来, 天山北麓的气候呈现一定的暖湿化趋势, 但升温主要在冬季, 影响植物生长的春季温度仅上升了0.14℃/10a、夏季气温还略有下降, 为-0.14℃/10a^[31], 说明温度对研究区植被生物量和植被碳库的影响较小。研究区近40年来的年降水量升率为15.8mm/10a^[31], 不足2mm/a的降水升率对干旱区植被碳库的影响也相对有限。

温度相对稳定情况下, 水分和土壤结构的变化是影响土壤有机碳的分解或积累的直接因素。研究区原来碳密度较高的沼泽地、灌丛地、草地垦为耕地后, 淹水条件和地表水供给消失, 土壤透气性增加, 将促进土壤中原有有机碳的分解和矿化形成碳排放；耕作土壤通过灌溉和种植可以保障水分和有机质的定期输入, 长期耕作后的土壤会维持一个相对稳定的碳密度水平。因此, 人类开垦活动是驱动研究区生态系统碳库格局改变和碳库迁移的决定性因素。

3.2 研究区土壤脱盐碱化与碳失汇

科学家们在全球碳循环研究中发现大气中CO₂存在收支不平衡, 认为可能存在一个未知的碳汇(失汇Missing sink)^[32]。许多研究指出这个较大的未知碳汇可能存在于北半球中纬度地区的陆地生态系统中^[33-34]。Houghton认为土地耕作制度的变化增加了全球碳循环研究的不确定性, 促使“碳失汇”的形成^[35]。我国学者也认为土地利用方式改变对“碳失汇”成因具有重要作用, 揭示“碳失汇”将有助于理解碳的迁移和转化过程^[36]。但是由于碳失汇问题的复杂性, 目前许多研究尚有待于通过增加实验观测获取土地利用、气候以及植被、土壤碳氮动态详细资料来进行验证^[37]。

本研究中, 天山北麓强烈的人类开垦活动改变了地表水分的供应和分布, 盐碱土发育过程中断, 使原来大面积分布在荒漠-绿洲交错带的盐碱土进入脱盐碱化的逆向演变, 盐碱土碳库逐渐向新生草地碳库、耕作土壤碳库等具有较高固碳潜力的碳库迁移, 为开垦造成的碳排放提供了有效碳汇补偿, 这种补偿能在多大程度上为“碳失汇”做出贡献尚有待今后在更大区域尺度上进行进一步的综合观测和研究。

4 结论

1976—2016年, 研究区新人工绿洲快速扩张, 植被总生物量经历了从迅速下降到逐渐恢复的过程, 在这个过程中, 整个区域的生物量分布格局发生显著改变, 植被地上生物量大幅增加, 地下生物量大幅减少。开垦导致的天然植被碳库向作物碳库迁移是植被碳汇无效化的过程, 植被无效碳汇增加使研究区植被固碳潜力降低, 成为一个弱的碳源。

1976年研究区(0—60cm)的土壤碳总储量为7.814Tg, 其中耕地、草地、灌丛地、裸盐碱地和沼泽地分别占4.2%、33.6%、20.7%、15.9%和25.6%, 到2016年, 耕地土壤有机碳储量占比近50%。裸盐碱地土壤碳库在向耕地、灌丛地、草地土壤碳库的迁移过程中为总土壤碳库增加了1.265Tg的碳储量, 草地土壤碳库在向耕地、灌丛地碳库的迁移过程中增加了0.894Tg的碳储量。碳排放效应减弱, 土壤碳库开始重新趋于稳定。在研究区水资源的制约下, 若维持现有耕地规模不再进行新的垦荒活动, 40a来开垦造成的土壤碳库损失可以逐渐得到恢复。