《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之七

编者按  为给全国煦丰碳中和组织各级工委，国内985、211、双一流等高校，全球碳排放权、碳汇交易机构提供全球范围内的碳汇形成分类和碳汇计算评估方法学专业理论知识和具体实践办法，全国煦丰碳中和知识产权组织和《碳同化碳中和组合物光合溶剂、其制备方法及其应用》发明专利发明团队编著了中共中央国务院新质生产力杰出代表/煦丰碳中和技术培训系列教材之九《碳汇形成分类与计算评估方法学概论总目录》。本教材总目录共分37章172节570分节。今天发布的是：

《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之七

第07章

草原碳汇分类及

计算评估方法学

草原作为全球分布最广的陆地生态系统之一，其碳汇功能正受到越来越多的关注，但它与森林碳汇在机制和评估方法上有着显著不同。

以下为您详细解答草原碳汇的定义、分类及评估方法学。

第01节  什么是草原碳汇

草原碳汇是指草原生态系统通过植物光合作用，吸收大气中的二氧化碳，并将其固定存储在植物体内和土壤中的过程、活动或机制。

一、核心特征

与森林碳汇主要储存在地上生物量（树干、枝叶）不同，草原碳汇的碳绝大部分储存在地下（根系和土壤有机碳）。据估计，全球草原土壤有机碳储量占其总碳储量的85-90%以上。

二、主要碳库

（一）地上生物量：草本植物的茎、叶、花、果实（占比极小，且多为一年生或季节性枯死）。

（二）地下生物量：植物的根系（尤其是细根，占总生物量50-80%）。

（三）凋落物：枯死的地上部分。

（四）土壤有机碳：是草原碳汇的绝对主体，包括根系分泌物、微生物残体以及稳定的腐殖质。

三、关键区别

（一）森林：碳主要锁在树木中（木质素难分解，相对稳定）。

（二）草原：碳主要锁在土壤中（依赖地下根系输入和微生物作用，稳定性高，但对环境扰动非常敏感）。

第02节  草原碳汇的分类

草原碳汇的分类通常从碳储存的载体和管理干预方式两个维度进行划分。

《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之七

一、按碳载体和储存位置分类

这是最核心的分类方式，直接对应碳汇计算评估的参数。

类型/定义/主要成分/特点

（一）地上生物量碳

生长在草原上的草本植物地上部分（茎、叶、花）中储存的碳。包括活体植物（如禾本科、莎草科、豆科）的叶、茎、花序。受季节影响极大，枯死凋落后部分分解、部分转化为凋落物。是碳汇中最不稳定、最易释放的部分（如火灾、过度放牧）。

（二）地下生物量碳汇

植物根系（包括主根、侧根、细根）中储存的碳。细根是核心（周转快，每年更新），粗根（如部分草原灌木）相对持久。是草原向土壤输入碳的主要途径（占年净初级生产力50-80%）。根系更新速度比森林快，是土壤有机碳的重要来源。

（三）凋落物碳汇

枯死并脱落的植物地上部分（枯草层）或死亡根系临时储存的碳。包括枯枝、落叶、枯死残留物。是连接地上与地下的桥梁。其分解速率受气候（湿度、温度）和微生物活性控制，决定了碳是否最终被释放还是进入土壤。

（四）土壤有机碳汇

土壤中由动植物残体、微生物及其代谢产物构成的有机化合物中储存的碳。根际碳（根系分泌物+微生物）、颗粒有机碳（POM，较活跃）、矿物结合有机碳（MAOC，最稳定）。草原碳汇的“主战场”。稳定性极高（MAOC可稳定数百年至千年）。但扰动（如翻耕、过度放牧导致土壤侵蚀）会使其快速流失。

二、按干预措施分类

这是为了满足碳信用交易市场对环境效益的评估需求而划分的。

（一）天然草原保护碳汇

通过禁止开垦、控制放牧强度、防火、防控外来物种入侵等措施，维持或提升原有草地的碳储量。核心是避免碳流失。

（二）退化草原修复碳汇

通过围栏封育、补播、施肥（有机肥）、鼠虫害防治等措施，恢复退化的植被，促进土壤有机碳回升。核心是增加碳储量。

（三）草原管理优化碳汇

通过合理轮牧、季节性禁牧、划区轮牧等制度，优化草畜平衡，在维持牧草生产力的前提下，提升根系生长和土壤碳输入。核心是可持续收益下的增汇。

（四）人工草地建设碳汇

将退化草原或农田转变为人工草地。初期由于土壤扰动可能导致碳损失，但长期（>5-10年）通过高水平的生产力输入，可实现显著增汇。

第03节  草原碳汇计算评估方法学

评估草原碳汇的方法学核心是计算年度碳储量变化。它比森林复杂，因为草原地上部分每年周转，主要增量在土壤。

一、核心计算公式（以IPCC框架为基础）

\[\DeltaC_{\text{总}}=\DeltaC_{\text{AB}}+\DeltaC_{\text{BGB}}+\DeltaC_{\text{LIT}}+\Delta C_{\text{SOC}}\]

（一）ΔC_AB：地上生物量碳储量年变化。

（二）ΔC_BGB：地下生物量碳储量年变化。

（三）ΔC_LIT：凋落物碳储量年变化（通常视为短期波动，对年度净碳汇影响较小）。

（四）ΔC_SOC：土壤有机碳储量年变化（核心与难点）。

实操中，最常见的简化方法是直接评估：

\[\text{草原净生态系统碳汇}=\text{净初级生产力（NPP）}\times\text{碳含量系数}-\text{土壤呼吸/分解损失}\]

（一）NPP：单位面积年净初级生产力（t C/ha/yr），可用遥感（如MODIS NPP产品）或地面样方刈割法估算。

（二）碳含量系数：通常取0.45-0.50（植物干物质中碳的比例）。

（三）土壤呼吸损失：包括根呼吸（植物自身消耗）和微生物分解（异养呼吸，是真损失）。可以通过涡度相关法（通量塔）直接测量或模型估算。

二、主要评估技术方法

方法类别/具体技术/原理与应用/优缺点/

（一）地面调查法

样方刈割法、根系挖掘法、环刀法、土壤剖面法。

在固定样地中，采样测定地上、地下生物量和土壤有机碳含量，结合容重计算储量。

优点：最准确、直接，是验证其他方法的标准。

缺点：破坏性、耗时、空间代表性有限，难以覆盖大尺度。

《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之七

（二）遥感反演法

基于植被指数（NDVI、EVI）、光合有效辐射吸收比例（FPAR）等，结合过程模型（如BGC模型）估算NPP。

利用卫星数据（MODIS、Landsat）估算植被生产力，再通过根冠比（R/S）换算地下生物量，并估算土壤碳变化。

优点：可以实现大尺度、长时间序列的连续监测。

缺点：对土壤碳变化的估算误差大；R/S参数不确定性高。

（三）涡度相关法

通过安装通量塔，连续直接测量草原生态系统与大气间的CO₂净交换（NEE，即净生态系统碳交换量）。NEE为负值表示净吸收CO₂，即碳汇。这是目前认为最准确、可连续观测碳通量的方法。

优点：直接测量、高时间分辨率、可区分呼吸与光合。

缺点：覆盖范围小（塔周围几百米）、设备昂贵、维护难，不适合大面积普查。

（四）过程模型模拟法

利用模型（如CENTURY、DNDC、RothC）输入气候、土壤、植被、管理数据（放牧强度等），模拟碳循环过程。能揭示不同驱动因子（气候变化、放牧）对碳汇的影响机制，并预测未来趋势。

优点：可进行情景模拟、参数外推，是管理决策的重要工具。

缺点：模型参数多、校准困难、不确定性大。

（五）同位素标记法

使用稳定的¹³C或放射性¹⁴C标记植物，追踪碳在植株-根系-土壤-微生物间的分配和周转。用于研究碳在根际土壤中的具体去向，验证模型参数。

优点：揭示机理（如新碳与老碳的分配）。

缺点：对场地影响大、成本高，不做常规评估。

三、草原碳汇评估的特殊挑战与注意事项

（一）难点一

土壤碳变化极慢且空间异质性强。地下根系和土壤有机碳的年度变化量通常仅占存量的大约1-2%（或更少），需要长期定位观测（>5年）和高密度采样才能检测到统计上显著的变化。单一时间点的测量无法代表年变化。

（二）难点二

根系周转与分配的不确定性。根冠比（R/S）在不同草原类型、不同放牧强度下差异巨大，且难以直接测量，是模型最大的不确定来源。

（三）难点三

家畜与放牧的综合影响。放牧直接采食地上部分（减少碳输入），但通过践踏促进枯落物接触土壤（加速分解或促进混合），同时粪便既是碳排放源（甲烷）也是碳输入（有机质）。需要核算放牧的净影响，即除去家畜的甲烷排放和粪便分解后的净碳汇。

（四）难点四

旱地草原的特殊性。干旱年可能发生“草原呼吸作用>光合作用”，即从碳汇转变为碳源（称为“生物圈模型逆转”）。碳汇评估必须考虑年际气候波动。

《碳汇形成分类与计算评估方法学概论》连载之七

第04节  草原碳汇的核心在土壤

一、定义

草原碳汇是草原通过植物光合作用吸收CO₂，并主要存储在土壤有机碳中的过程。

二、分类

按载体分为地上、地下、凋落物、土壤四大碳库，其中土壤碳库是主体；按管理分为保护、修复、优化、建设四类项目。

三、方法学

核心是评估土壤有机碳储量的年际变化。常用方法包括地面调查+遥感+过程模型的融合。涡度相关法是验证净交换量的黄金标准，但大规模评估仍需依赖模型和卫星数据。

四、一句话总结

草原碳汇的核心在土壤，评估的最大挑战在于精确量化极其缓慢、高度异质的土壤碳积累过程，因此长期定位观测、高精度遥感数据以及先进过程模型的结合，是当前评估方法学的关键路径。