森林碳庫及碳匯監測概述

劉金山，張萬林，楊傳金，楊 帆

(國家林業局中南林業調查規劃設計院，長沙410014)

森林碳庫及碳匯監測概述

劉金山，張萬林，楊傳金，楊 帆

(國家林業局中南林業調查規劃設計院，長沙410014)

氣候變化是全球未來發展所面臨的巨大挑戰，森林作為陸地生態系統的重要組成部分，在減緩溫室氣體排放方面發揮著重要的作用。介紹了森林碳庫和碳匯的研究背景、研究現狀，分析了碳匯監測的重要意義;林業碳匯監測急需完善針對區域的植被生物量模型，建立森林土壤碳儲量和碳匯監測體系。

碳庫;碳匯;監測;森林;土壤

1 森林碳庫、碳匯研究背景

氣候變化是當前國際社會普遍關注的重大環境問題之一。工業化的發展、化石能源的大量使用，向大氣中排放了大量溫室氣體，加之部分地區土地利用方式的改變，使土壤和植被的固碳量下降，碳匯與碳源平衡關系受到破壞，大氣CO2濃度增加，影響了全球碳循環和全球氣候變化。隨著全球變暖問題受到日益關注，對減緩由于人類活動(如大量使用化石燃料、毀林開荒等)引起的溫室氣體排放已達成共識。減少溫室氣體排放有兩種途徑:一是直接減排，又稱工業減排;二是間接減排，又稱生物減排，即固碳增匯。在工業化進程加快的全球大背景下，通過植物光合作用固碳具有更重要的意義。森林作為陸地生態系統的重要組成部分，具有巨大的生物量和碳儲量，是地球碳循環重要的庫和匯，其與氣候變化有著直接的聯系。國際社會對森林碳儲量變化和森林碳匯越來越予以關注，實施造林和再造林，增加森林碳庫，是經濟有效地緩解CO2濃度升高的辦法。森林生態系統的固碳措施，包括造林、再造林活動和森林經營管理，已經被納入到旨在減少全球大氣CO2排放的《京都議定書》中，以鼓勵各國通過造林綠化來抵消部分工業CO2排放量?！毒┒甲h定書》規定，自1990年以來，直接由人為活動引起的土地利用變化和林業活動——造林、再造林和砍伐森林所產生的溫室氣體源的排放和碳吸收方面的凈變化需進行衡量。2007年政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第三工作組發布了第四次評估報告［1］，分析了近期和中期林業可提供的減緩溫室氣體排放主要技術和方法。其中:近期措施包括造林、再造林、林區管理、減少砍伐林木、林產品管理、利用林產品制造生物能源以代替化石燃料;中期技術包括改良樹木品種以增加所產生的生物質和碳匯量;發展用于分析和評估植被和土壤固碳速率、潛力及土地利用變化制圖的遙感技術。

鑒于森林碳庫的重要作用，在各類涉及減緩氣候變化的國際談判和IPCC評估報告中，森林碳匯量作為一項重要內容，是氣候公約談判的必談議題和實現溫室氣體減排的重要途徑。我國政府也在《中國應對氣候變化國家方案》和《中國應對氣候變化的政策與行動》兩個政策文件中，將林業納入減緩與適應氣候變化的重點領域，強調植樹造林、保護森林、最大限度地發揮森林的碳匯功能是應對氣候變化的重要措施。2009年，國家主席胡錦濤在聯合國氣候變化峰會上莊嚴承諾，中國將大力增加森林碳匯，爭取到2020年森林面積比2005年增加4 000萬hm2，森林蓄積量比2005年增加13億m3。同年國家林業局發布了《應對氣候變化林業行動計劃》?？梢灶A期，隨著國家一系列政策和措施的出臺，我國人工營造林投入力度將繼續加大，森林資源保護會進一步加強，森林固碳增匯功能必然發揮更大的作用，林業在應對氣候變化領域的地位將更為突出。

2 森林碳庫及碳匯相關概念

森林生態系統碳庫(碳儲量)包括森林植被(喬木林、紅樹林、竹林、灌木林、疏林、散生木、四旁樹)碳儲量、林下土壤碳儲量和枯枝落葉層碳儲量。森林生態系統碳庫各部分及其定義見表1。

表1 森林生態系統碳庫各部分及其定義［2］

碳匯，指從大氣中清除二氧化碳的過程、活動或機制。

森林碳源，當森林生態系統向大氣排放的碳量大于吸收大氣CO2所固定的碳量時，該森林系統就成為大氣CO2的源，即森林碳源。

森林碳匯，當森林生態系統吸收大氣CO2所固定的碳量大于向大氣排放的碳量時，該森林系統就成為大氣CO2的匯，即森林碳匯。

森林碳匯量的監測和估算途徑，最常用的方法是碳儲量變化方法，即通過某一時期內碳儲量差值除以間隔時間計算，該方法適用于估算碳減緩、土地利用變化、土地保護和開發等項目。另一種方法是碳通量方法，即通過某一時期內植物凈初級生產力增加的碳庫減去微生物呼吸所消耗的碳庫?？偟膩碚f，計量監測碳匯的關鍵是科學的估算碳庫大小。

3 森林碳庫研究現狀

3.1 森林植被和土壤碳庫估算方法

對于區域森林植被碳庫進行估算的方法，是以國家森林資源連續清查成果為基礎數據，通過建立不同樹種(組)樣地蓄積量—生物量模型或樣木單株胸徑、樹高—生物量模型，再根據林木含碳率，估算區域森林植被碳儲量。對區域森林土壤碳庫估算而言，土壤有機碳含量直接影響了土壤碳循環和土壤的固碳能力，其值大小取決于地上枯落物、地下死亡根系的輸入和微生物呼吸作用引起的有機質分解輸出。死亡生物質的加入引起的碳輸入、有機質分解引起的碳輸出都與當地的氣候條件尤其是水熱條件緊密相關。因此在估算區域尺度上的森林土壤碳儲量時，根據研究區域的氣候條件和地理條件差異，確定不同土壤類型和不同植被類型分布，利用第二次全國土壤普查成果中對應類型的土壤剖面有機碳含量數據，計算區域森林土壤碳儲量。

3.2 我國森林植被碳庫估算

國內已有多位研究學者利用全國森林資源清查數據，使用換算因子連續函數法等方法建立的生物量模型，實現了蓄積量—生物量—碳儲量的轉換，進而估算出我國森林植被碳儲量和碳密度，結果見表2、表3。

表2 不同研究者［3－11］估算的我國森林植被碳儲量 億t

表 3 不同研究者［3－7，9－10］估算的我國森林植被碳密度 t/hm2

由表2、表3可以看出，總體來說，森林植被碳儲量呈增加趨勢，即森林表現為“碳匯”，這與近年來國家大力發展人工造林、森林資源的保護及森林的自然生長密不可分。但是就同一個時期而言，不同研究者估算數據差別較大，甚至掩蓋了森林碳儲量年際變化。這為準確評估森林資源增長帶來的碳儲量增加對于溫室氣體減排的貢獻率帶來了不便。為客觀評價森林生物量和生產力，監測森林碳儲量和碳匯，為國家應對全球氣候變化服務，國家林業局在第八次森林資源清查中組織開展了森林生物量調查建模工作。根據我國自然氣候條件和地理條件差異，為了滿足全國森林生物量監測的需要，需要逐步建立主要喬木樹種組、竹林樹種組、灌木類和草本類的生物量模型。國家林業局制定并正在實施分樹種(組)建模方案，對56個喬木樹種(組)、6個竹種(類)、30個灌木樹種(組)以及10個草本(組)，建立生物量單木模型，同時測定相應的含碳率。該數據庫的建立，將有效地解決現有模型樣本量不足的問題，同時考慮喬木徑階組分布、同一徑階組樹高級分布及灌木、草本蓋度、高度等因子等級均勻分布的原則，兼顧地域分布(行政區域、中心區和邊緣區)、林分起源、立地條件、齡組、密度等因素，所獲得的結果具有代表性，可全面而有效地評估整個森林系統喬、灌、草植被的碳儲量。

3.3我國森林土壤碳庫估算

已有文獻中對森林土壤碳庫大小報道并不多見。李克讓等［12］按面積加權法估算中國森林土壤平均有機碳密度為81.39 t/hm2，森林土壤總碳貯量約為105億t。周玉榮等［4］采用全國第四次森林資源清查資料，估算我國主要森林生態系統碳貯量為281億t，其中土壤碳庫為210億 t，占總量的74.6%。解憲麗等［13］基于第二次土壤普查典型土壤剖面數據和1∶400萬中國植被圖，按照不同植被類型對土壤有機碳密度和儲量進行估算，結果表明100 cm厚度的森林土壤碳儲量為173.9億t。森林土壤碳庫是土壤有機碳庫的重要組成部分，森林土壤碳貯量約占世界陸地土壤總碳儲量的73%［14］，在全球碳循環中發揮著重要作用，森林土壤呼吸對全球碳素平衡和大氣CO2濃度變化具有重要影響。就森林生態系統而言，土壤碳庫所占比例最大，對于固碳減排具有巨大作用。然而中國森林土壤碳儲量數據較少，而對于大尺度上森林土壤碳匯的研究更是沒有，這與森林土壤固碳的重要地位不相對應。通常情況下，由非森林土壤轉變成森林土壤，或地上生物量的增加都會增加其土壤的碳含量［15］。近年來，我國的森林面積和生物量都在顯著增加，可以推測我國森林土壤碳庫也應該相應增加［9］。目前國內森林土壤研究中幾乎沒有地區尺度上的土壤碳匯監測和估算數據，因此森林土壤碳匯功能存在未知性。土壤碳匯數值究竟有多大，尚不確定，急需開展土壤碳匯監測研究，以探清森林土壤碳匯大小和土壤碳庫對氣候變化的貢獻。

劉世榮等［16］通過搜集近10年來不同研究森林碳儲量和碳密度數據資料，分析認為，不同氣候帶土壤碳儲量的空間變化規律為溫帶地區天然林和人工林相對高于熱帶、亞熱帶地區。森林土壤有機碳密度隨緯度升高［4］、海拔升高［13，17］和林齡增加［18］表現為增加的趨勢。植被和土壤地帶性分布的主要影響因素是熱量和水分。水熱結合導致氣候、植被、土壤等的地理分布規律為:沿緯度方向呈帶狀更替的緯度地帶性分布;從沿海向內陸方向呈帶狀規律更替的經度地帶性分布;隨海拔高度增加呈條狀更替的垂直地帶性分布。受此影響，中國森林植被可以劃分為:熱帶雨林季雨林、亞熱帶常綠闊葉林、溫帶落葉闊葉林、冷溫帶針闊葉混交林、寒溫帶針葉林和青藏高原高寒植被。地理環境和生物要素的地帶性分布導致了森林植被和土壤類型多樣性，不同區域土壤有機碳密度和固碳潛力差別較大，從而大大增加了碳儲量估算和碳匯監測難度。如前所述，對于森林土壤有機碳的估算，不同研究結果間差異較大，很大程度上受地理和氣候條件不同引起的土壤有機碳空間異質性分布和實測剖面數據過少影響。采集剖面數量不足導致所采樣本代表性差，樣品測定數據未能完全反映某一土壤類型真實情況。如在廣袤的青藏高原等地區由于條件限制，采樣數目相對偏少，因而增加了估算的誤差。因此，需要根據氣候帶分布情況，在不同植被類型和土壤類型上分別進行代表性樣地實地監測，加深對森林土壤碳循環的認識和土壤有機碳固存機制的研究，通過獲取基礎數據，為國家應對氣候變化服務。

4 碳匯監測意義及發展方向

4.1 碳匯監測意義

森林作為陸地生態系統的主體，是最主要的碳儲存庫，陸地初級生產力的最大貢獻者。森林植被、土壤及枯落物中儲存了大量的碳，林木產品中的碳也可保存一段時間后才釋放到空氣中，延緩了大氣二氧化碳濃度升高速率。通過植樹造林，增加森林面積，從而增加森林碳匯;通過森林撫育等管理措施提高森林質量，增加森林儲碳功能;通過森林保護，減少森林碳釋放;通過增加木產品使用壽命，延長有機碳到CO2的周轉速率。另一方面，森林火災、森林砍伐、毀林等自然和人為因素的影響，森林則由“碳匯”變為“碳源”?？傮w來看，我國近年來大力發展人工造林，森林碳儲量呈上升趨勢，森林表現為碳匯。因此，進行森林碳匯監測與碳匯量估算，探明我國森林碳儲量與碳匯率，對于我國對溫室氣體減排負責任的國際形象具有重要作用，并為氣候談判提供基礎數據。

森林的固碳釋氧功能是森林生態系統服務功能的一部分。固碳釋氧指森林生態系統通過森林植被、土壤、森林動物和微生物固定二氧化碳釋放氧氣的功能?！渡稚鷳B系統服務功能評估規范》［19］將固碳釋氧功能列入其中，監測林分凈生產力、單位面積林分土壤年固碳量，根據林分類型、齡級、林分面積和固碳制氧價格，估算森林固碳釋氧效益。

由森林生態系統植被碳庫和土壤碳庫研究現狀可以看出，當前的碳儲量估算都是在國家和地區尺度上，估算所需要的植被生物量模型也是建立在地區以上尺度上，現有模型估算誤差相對較大，且在估算某樣地或某林業工程碳儲量和碳匯變化時，存在模型的適用性問題。鑒于森林固碳對于應對氣候變化的重要性，及固碳釋氧功能作為森林生態服務功能重要的一部分，在估算區域森林碳庫、碳匯和評估林業工程成效時，碳匯監測的重要性和迫切性日益凸顯。

近年來，國家大力發展植樹造林和推進國土綠化建設工作，我國人工林面積持續保持世界首位［20］，其巨大的固碳能力和碳匯潛勢為國家固碳減排做出了巨大貢獻。一系列林業舉措如六大林業工程、生態公益林建設和森林撫育的實施，對森林資源的開發強度有所減緩，森林面積和資源量也在逐步增加?！度珖值乇Ｗo利用規劃綱要(2010—2020年)》、《全國造林綠化規劃綱要(2011—2020年)》及《林業發展“十二五”規劃》進一步落實了胡錦濤總書記在聯合國氣候變化峰會上提出的大力發展森林碳匯，力爭實現森林面積和蓄積“雙增”目標。隨著植被的恢復，森林覆蓋率的增加和經營水平的提高，我國森林生態系統將發揮更大的碳匯潛力，這對減緩大氣CO2濃度上升和全球氣候變化具有重要作用。相信隨著我國森林質量的提高，森林的碳匯功能將對社會經濟發展產生更大的推動作用。進一步建立、健全我國林業碳匯計量理論、方法與技術體系，研究森林碳庫、碳匯的時間、空間分布及碳庫變化的過程和驅動機制，獲得真實、準確、可靠的森林碳匯監測數據，對于了解森林資源情況，掌握森林碳匯功能第一手資料，為國家提供可靠、權威的碳匯計量與監測數據，評估和挖掘碳匯潛力，發展林業碳匯，發揮林業在應對氣候變化中的特殊地位和作用具有重要意義。

4.2 林業碳匯監測發展方向

1)就國家和區域尺度碳匯研究發展和生態安全評估而言，需結合森林資源清查和森林資源定點監測數據，估算區域尺度上碳儲量、地理分布、碳儲量變化率(碳匯);調查林產品生物量和碳儲量及林木資源去向。林產品的數量決定了產品的固碳量，資源利用情況影響了碳素在木質產品中的貯存和周轉時間，從而影響到某一時期內的固碳量。

2)就林業項目而言，監測土地利用、土地利用變化及森林(LULUCF)項目碳變化，包括林地轉化為其他用地和其他用地轉化為林地;監測減少毀林和森林退化排放(REDD)項目，包括避免合法的毀林(APD)項目、避免非法的前緣地帶毀林和退化(AUFDD)項目和避免非法的馬賽克(Mosaic)毀林和退化(AUMDD)項目;監測增加林業碳匯活動，包括造林再造林、森林撫育、森林經營和森林保護。

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［2］IPCC.2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories［M］.UK:Cambridge University Press，2006.

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An Overview on Monitoring of Forest Carbon Pool and Carbon Sink

LIU Jinshan，ZHANG Wanlin，YANG Chuanjin，YANG Fan

(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration，Changsha 410014，Hunan，China)

carbon pool;carbon sink;monitoring;forest;soil

編者按:為了配合國家林業局當前開展的全國林業碳匯監測工作，本刊編輯部邀請劉金山等為本刊開辦《森林碳匯監測講座》，全年四講，每期一講，供讀者參考。

S 718．55

C

1003—6075(2012)01—0061—05

2012—02—20

劉金山(1986—)，男，山東煙臺人，碩士，從事森林資源監測、林業碳匯計量監測等工作。

Abstyact:Climate change is a serious challenge to global future development.As the principal parts of the terrestrial ecosystems，forest plays an important role in slowing greenhouse gas emissions.In this paper，it introduced research background and status quo of forest carbon pool and carbon sink，and analyzed significance of carbon sink monitoring.For forest carbon sink monitoring，it is in urgent need to improve vegetation biomass models for certain geographic region and speed up the establishment of forest soil carbon stock and carbon sink monitoring systems.