森林碳库及碳汇监测概述

刘金山，张万林，杨传金，杨 帆

(国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙410014)

森林碳库及碳汇监测概述

刘金山，张万林，杨传金，杨 帆

(国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙410014)

气候变化是全球未来发展所面临的巨大挑战，森林作为陆地生态系统的重要组成部分，在减缓温室气体排放方面发挥着重要的作用。介绍了森林碳库和碳汇的研究背景、研究现状，分析了碳汇监测的重要意义;林业碳汇监测急需完善针对区域的植被生物量模型，建立森林土壤碳储量和碳汇监测体系。

碳库;碳汇;监测;森林;土壤

1 森林碳库、碳汇研究背景

气候变化是当前国际社会普遍关注的重大环境问题之一。工业化的发展、化石能源的大量使用，向大气中排放了大量温室气体，加之部分地区土地利用方式的改变，使土壤和植被的固碳量下降，碳汇与碳源平衡关系受到破坏，大气CO2浓度增加，影响了全球碳循环和全球气候变化。随着全球变暖问题受到日益关注，对减缓由于人类活动(如大量使用化石燃料、毁林开荒等)引起的温室气体排放已达成共识。减少温室气体排放有两种途径:一是直接减排，又称工业减排;二是间接减排，又称生物减排，即固碳增汇。在工业化进程加快的全球大背景下，通过植物光合作用固碳具有更重要的意义。森林作为陆地生态系统的重要组成部分，具有巨大的生物量和碳储量，是地球碳循环重要的库和汇，其与气候变化有着直接的联系。国际社会对森林碳储量变化和森林碳汇越来越予以关注，实施造林和再造林，增加森林碳库，是经济有效地缓解CO2浓度升高的办法。森林生态系统的固碳措施，包括造林、再造林活动和森林经营管理，已经被纳入到旨在减少全球大气CO2排放的《京都议定书》中，以鼓励各国通过造林绿化来抵消部分工业CO2排放量。《京都议定书》规定，自1990年以来，直接由人为活动引起的土地利用变化和林业活动——造林、再造林和砍伐森林所产生的温室气体源的排放和碳吸收方面的净变化需进行衡量。2007年政府间气候变化专门委员会(IPCC)第三工作组发布了第四次评估报告［1］，分析了近期和中期林业可提供的减缓温室气体排放主要技术和方法。其中:近期措施包括造林、再造林、林区管理、减少砍伐林木、林产品管理、利用林产品制造生物能源以代替化石燃料;中期技术包括改良树木品种以增加所产生的生物质和碳汇量;发展用于分析和评估植被和土壤固碳速率、潜力及土地利用变化制图的遥感技术。

鉴于森林碳库的重要作用，在各类涉及减缓气候变化的国际谈判和IPCC评估报告中，森林碳汇量作为一项重要内容，是气候公约谈判的必谈议题和实现温室气体减排的重要途径。我国政府也在《中国应对气候变化国家方案》和《中国应对气候变化的政策与行动》两个政策文件中，将林业纳入减缓与适应气候变化的重点领域，强调植树造林、保护森林、最大限度地发挥森林的碳汇功能是应对气候变化的重要措施。2009年，国家主席胡锦涛在联合国气候变化峰会上庄严承诺，中国将大力增加森林碳汇，争取到2020年森林面积比2005年增加4 000万hm2，森林蓄积量比2005年增加13亿m3。同年国家林业局发布了《应对气候变化林业行动计划》。可以预期，随着国家一系列政策和措施的出台，我国人工营造林投入力度将继续加大，森林资源保护会进一步加强，森林固碳增汇功能必然发挥更大的作用，林业在应对气候变化领域的地位将更为突出。

2 森林碳库及碳汇相关概念

森林生态系统碳库(碳储量)包括森林植被(乔木林、红树林、竹林、灌木林、疏林、散生木、四旁树)碳储量、林下土壤碳储量和枯枝落叶层碳储量。森林生态系统碳库各部分及其定义见表1。

表1 森林生态系统碳库各部分及其定义［2］

碳汇，指从大气中清除二氧化碳的过程、活动或机制。

森林碳源，当森林生态系统向大气排放的碳量大于吸收大气CO2所固定的碳量时，该森林系统就成为大气CO2的源，即森林碳源。

森林碳汇，当森林生态系统吸收大气CO2所固定的碳量大于向大气排放的碳量时，该森林系统就成为大气CO2的汇，即森林碳汇。

森林碳汇量的监测和估算途径，最常用的方法是碳储量变化方法，即通过某一时期内碳储量差值除以间隔时间计算，该方法适用于估算碳减缓、土地利用变化、土地保护和开发等项目。另一种方法是碳通量方法，即通过某一时期内植物净初级生产力增加的碳库减去微生物呼吸所消耗的碳库。总的来说，计量监测碳汇的关键是科学的估算碳库大小。

3 森林碳库研究现状

3.1 森林植被和土壤碳库估算方法

对于区域森林植被碳库进行估算的方法，是以国家森林资源连续清查成果为基础数据，通过建立不同树种(组)样地蓄积量—生物量模型或样木单株胸径、树高—生物量模型，再根据林木含碳率，估算区域森林植被碳储量。对区域森林土壤碳库估算而言，土壤有机碳含量直接影响了土壤碳循环和土壤的固碳能力，其值大小取决于地上枯落物、地下死亡根系的输入和微生物呼吸作用引起的有机质分解输出。死亡生物质的加入引起的碳输入、有机质分解引起的碳输出都与当地的气候条件尤其是水热条件紧密相关。因此在估算区域尺度上的森林土壤碳储量时，根据研究区域的气候条件和地理条件差异，确定不同土壤类型和不同植被类型分布，利用第二次全国土壤普查成果中对应类型的土壤剖面有机碳含量数据，计算区域森林土壤碳储量。

3.2 我国森林植被碳库估算

国内已有多位研究学者利用全国森林资源清查数据，使用换算因子连续函数法等方法建立的生物量模型，实现了蓄积量—生物量—碳储量的转换，进而估算出我国森林植被碳储量和碳密度，结果见表2、表3。

表2 不同研究者［3－11］估算的我国森林植被碳储量 亿t

表 3 不同研究者［3－7，9－10］估算的我国森林植被碳密度 t/hm2

由表2、表3可以看出，总体来说，森林植被碳储量呈增加趋势，即森林表现为“碳汇”，这与近年来国家大力发展人工造林、森林资源的保护及森林的自然生长密不可分。但是就同一个时期而言，不同研究者估算数据差别较大，甚至掩盖了森林碳储量年际变化。这为准确评估森林资源增长带来的碳储量增加对于温室气体减排的贡献率带来了不便。为客观评价森林生物量和生产力，监测森林碳储量和碳汇，为国家应对全球气候变化服务，国家林业局在第八次森林资源清查中组织开展了森林生物量调查建模工作。根据我国自然气候条件和地理条件差异，为了满足全国森林生物量监测的需要，需要逐步建立主要乔木树种组、竹林树种组、灌木类和草本类的生物量模型。国家林业局制定并正在实施分树种(组)建模方案，对56个乔木树种(组)、6个竹种(类)、30个灌木树种(组)以及10个草本(组)，建立生物量单木模型，同时测定相应的含碳率。该数据库的建立，将有效地解决现有模型样本量不足的问题，同时考虑乔木径阶组分布、同一径阶组树高级分布及灌木、草本盖度、高度等因子等级均匀分布的原则，兼顾地域分布(行政区域、中心区和边缘区)、林分起源、立地条件、龄组、密度等因素，所获得的结果具有代表性，可全面而有效地评估整个森林系统乔、灌、草植被的碳储量。

3.3我国森林土壤碳库估算

已有文献中对森林土壤碳库大小报道并不多见。李克让等［12］按面积加权法估算中国森林土壤平均有机碳密度为81.39 t/hm2，森林土壤总碳贮量约为105亿t。周玉荣等［4］采用全国第四次森林资源清查资料，估算我国主要森林生态系统碳贮量为281亿t，其中土壤碳库为210亿 t，占总量的74.6%。解宪丽等［13］基于第二次土壤普查典型土壤剖面数据和1∶400万中国植被图，按照不同植被类型对土壤有机碳密度和储量进行估算，结果表明100 cm厚度的森林土壤碳储量为173.9亿t。森林土壤碳库是土壤有机碳库的重要组成部分，森林土壤碳贮量约占世界陆地土壤总碳储量的73%［14］，在全球碳循环中发挥着重要作用，森林土壤呼吸对全球碳素平衡和大气CO2浓度变化具有重要影响。就森林生态系统而言，土壤碳库所占比例最大，对于固碳减排具有巨大作用。然而中国森林土壤碳储量数据较少，而对于大尺度上森林土壤碳汇的研究更是没有，这与森林土壤固碳的重要地位不相对应。通常情况下，由非森林土壤转变成森林土壤，或地上生物量的增加都会增加其土壤的碳含量［15］。近年来，我国的森林面积和生物量都在显著增加，可以推测我国森林土壤碳库也应该相应增加［9］。目前国内森林土壤研究中几乎没有地区尺度上的土壤碳汇监测和估算数据，因此森林土壤碳汇功能存在未知性。土壤碳汇数值究竟有多大，尚不确定，急需开展土壤碳汇监测研究，以探清森林土壤碳汇大小和土壤碳库对气候变化的贡献。

刘世荣等［16］通过搜集近10年来不同研究森林碳储量和碳密度数据资料，分析认为，不同气候带土壤碳储量的空间变化规律为温带地区天然林和人工林相对高于热带、亚热带地区。森林土壤有机碳密度随纬度升高［4］、海拔升高［13，17］和林龄增加［18］表现为增加的趋势。植被和土壤地带性分布的主要影响因素是热量和水分。水热结合导致气候、植被、土壤等的地理分布规律为:沿纬度方向呈带状更替的纬度地带性分布;从沿海向内陆方向呈带状规律更替的经度地带性分布;随海拔高度增加呈条状更替的垂直地带性分布。受此影响，中国森林植被可以划分为:热带雨林季雨林、亚热带常绿阔叶林、温带落叶阔叶林、冷温带针阔叶混交林、寒温带针叶林和青藏高原高寒植被。地理环境和生物要素的地带性分布导致了森林植被和土壤类型多样性，不同区域土壤有机碳密度和固碳潜力差别较大，从而大大增加了碳储量估算和碳汇监测难度。如前所述，对于森林土壤有机碳的估算，不同研究结果间差异较大，很大程度上受地理和气候条件不同引起的土壤有机碳空间异质性分布和实测剖面数据过少影响。采集剖面数量不足导致所采样本代表性差，样品测定数据未能完全反映某一土壤类型真实情况。如在广袤的青藏高原等地区由于条件限制，采样数目相对偏少，因而增加了估算的误差。因此，需要根据气候带分布情况，在不同植被类型和土壤类型上分别进行代表性样地实地监测，加深对森林土壤碳循环的认识和土壤有机碳固存机制的研究，通过获取基础数据，为国家应对气候变化服务。

4 碳汇监测意义及发展方向

4.1 碳汇监测意义

森林作为陆地生态系统的主体，是最主要的碳储存库，陆地初级生产力的最大贡献者。森林植被、土壤及枯落物中储存了大量的碳，林木产品中的碳也可保存一段时间后才释放到空气中，延缓了大气二氧化碳浓度升高速率。通过植树造林，增加森林面积，从而增加森林碳汇;通过森林抚育等管理措施提高森林质量，增加森林储碳功能;通过森林保护，减少森林碳释放;通过增加木产品使用寿命，延长有机碳到CO2的周转速率。另一方面，森林火灾、森林砍伐、毁林等自然和人为因素的影响，森林则由“碳汇”变为“碳源”。总体来看，我国近年来大力发展人工造林，森林碳储量呈上升趋势，森林表现为碳汇。因此，进行森林碳汇监测与碳汇量估算，探明我国森林碳储量与碳汇率，对于我国对温室气体减排负责任的国际形象具有重要作用，并为气候谈判提供基础数据。

森林的固碳释氧功能是森林生态系统服务功能的一部分。固碳释氧指森林生态系统通过森林植被、土壤、森林动物和微生物固定二氧化碳释放氧气的功能。《森林生态系统服务功能评估规范》［19］将固碳释氧功能列入其中，监测林分净生产力、单位面积林分土壤年固碳量，根据林分类型、龄级、林分面积和固碳制氧价格，估算森林固碳释氧效益。

由森林生态系统植被碳库和土壤碳库研究现状可以看出，当前的碳储量估算都是在国家和地区尺度上，估算所需要的植被生物量模型也是建立在地区以上尺度上，现有模型估算误差相对较大，且在估算某样地或某林业工程碳储量和碳汇变化时，存在模型的适用性问题。鉴于森林固碳对于应对气候变化的重要性，及固碳释氧功能作为森林生态服务功能重要的一部分，在估算区域森林碳库、碳汇和评估林业工程成效时，碳汇监测的重要性和迫切性日益凸显。

近年来，国家大力发展植树造林和推进国土绿化建设工作，我国人工林面积持续保持世界首位［20］，其巨大的固碳能力和碳汇潜势为国家固碳减排做出了巨大贡献。一系列林业举措如六大林业工程、生态公益林建设和森林抚育的实施，对森林资源的开发强度有所减缓，森林面积和资源量也在逐步增加。《全国林地保护利用规划纲要(2010—2020年)》、《全国造林绿化规划纲要(2011—2020年)》及《林业发展“十二五”规划》进一步落实了胡锦涛总书记在联合国气候变化峰会上提出的大力发展森林碳汇，力争实现森林面积和蓄积“双增”目标。随着植被的恢复，森林覆盖率的增加和经营水平的提高，我国森林生态系统将发挥更大的碳汇潜力，这对减缓大气CO2浓度上升和全球气候变化具有重要作用。相信随着我国森林质量的提高，森林的碳汇功能将对社会经济发展产生更大的推动作用。进一步建立、健全我国林业碳汇计量理论、方法与技术体系，研究森林碳库、碳汇的时间、空间分布及碳库变化的过程和驱动机制，获得真实、准确、可靠的森林碳汇监测数据，对于了解森林资源情况，掌握森林碳汇功能第一手资料，为国家提供可靠、权威的碳汇计量与监测数据，评估和挖掘碳汇潜力，发展林业碳汇，发挥林业在应对气候变化中的特殊地位和作用具有重要意义。

4.2 林业碳汇监测发展方向

1)就国家和区域尺度碳汇研究发展和生态安全评估而言，需结合森林资源清查和森林资源定点监测数据，估算区域尺度上碳储量、地理分布、碳储量变化率(碳汇);调查林产品生物量和碳储量及林木资源去向。林产品的数量决定了产品的固碳量，资源利用情况影响了碳素在木质产品中的贮存和周转时间，从而影响到某一时期内的固碳量。

2)就林业项目而言，监测土地利用、土地利用变化及森林(LULUCF)项目碳变化，包括林地转化为其他用地和其他用地转化为林地;监测减少毁林和森林退化排放(REDD)项目，包括避免合法的毁林(APD)项目、避免非法的前缘地带毁林和退化(AUFDD)项目和避免非法的马赛克(Mosaic)毁林和退化(AUMDD)项目;监测增加林业碳汇活动，包括造林再造林、森林抚育、森林经营和森林保护。

［1］IPCC．Climate Change 2007:Mitigation of Climate Change.Working Group III Contribution to the Fourth Assessment Report of the IPCC［M］.Cambridge，UK:Cambridge University Press，2007.

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

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［5］王效科，冯宗炜，欧阳志云.中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究［J］．应用生态学报，2001，12(1):13 －16.

［6］方精云，陈安平．中国森林植被碳库的动态变化及其意义［J］．植物学报，2001，43(9):967 －973.

［7］赵敏，周广胜．中国森林生态系统的植物碳贮量及其影响因子分析［J］．地理科学，2004，24(1):50 －54.

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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

编者按:为了配合国家林业局当前开展的全国林业碳汇监测工作，本刊编辑部邀请刘金山等为本刊开办《森林碳汇监测讲座》，全年四讲，每期一讲，供读者参考。

S 718．55

C

1003—6075(2012)01—0061—05

2012—02—20

刘金山(1986—)，男，山东烟台人，硕士，从事森林资源监测、林业碳汇计量监测等工作。

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.