碳汇研究综述

李姝 喻阳华 袁志敏 余娜

摘要森林、土壤和湿地等所具有的碳汇功能决定了它们在生态保护和生态建设工作中具有特殊重要的地位。该研究主要介绍了碳汇的途径、碳汇估算方法、影响碳汇潜力的因素和基于碳汇交易的森林生态效益补偿模式，最后从发展碳汇农业、固碳潜力及速率研究、多学科多技术相结合研究碳汇、研究减少碳排放的措施、林业应对全球气候变化的措施研究和碳汇贸易市场的建立6个方面对碳汇研究进行展望。

关键词碳汇；研究；综述

中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2015）34-136-04

全球气候正在逐渐变暖是公认的科学事实，“化石燃料的燃烧”和“毁林活动”是造成这种现象的主要原因，是主要的碳源。碳汇一般是指从空气中清除二氧化碳的过程、活动和机制，它主要是指载体（森林、土壤、岩石、湿地等）吸收并储存二氧化碳的多少，或者说是载体吸收并储存二氧化碳的能力。在林业中主要是指植物吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被或森林土壤中，从而减少该气体在大气中的浓度。通俗地说，当生态系统固定的碳量大于排放的碳量，该系统则称为大气中二氧化碳的汇，简称碳汇，反之，则为碳源[1]。碳汇其中一条重要的途径是通过生物碳的产生和传递过程而实现，称为生物碳汇。广义的说来，生物有机碳形成就是生物碳汇。浮游植物在碳汇中起到至关重要的作用[2]。碳汇已经引起了越来越多专家、学者和公众的关注，它已成为全球气候变化会议的主题和目标[3]。我国国务院总理温家宝在2009年召开的哥本哈根气候大会上做出我国政府将实现二氧化碳减排、增加森林碳汇的郑重承诺。

1主要碳匯途径

1.1森林森林生物量巨大，在全球碳循环中承担着重要的调节温室气体和大气污染的作用[4]，是陆地生态系统中最大的碳汇，在减缓气候变化中发挥着巨大作用[5]。研究结果表明，林木生长每产生169 g干物质需吸收（固定）264 g 二氧化碳，释放192 g氧气[6]。森林碳汇作用主要体现在森林生物固碳、林地固碳和林下植物固碳3种形式。林地固碳和林下植物固碳作用明显，但在森林轮伐过程中它们基本保持一个定量。森林在一个轮伐期结束时，森林固碳形式变成了木材或相关木材衍生产品的固碳形式。当然在森林采伐和加工过程中，原来森林固碳量有所损失，部分碳储存以各种形式又回归大气，但是绝大部分森林固碳量仍然保存下来。这种转变恰恰是森林可再生性的体现、是森林固碳的延伸、是森林土地高效合理利用的最佳经营方式。所以人类对森林的积极培育、合理管护、正确采伐、永续利用才是发挥森林碳汇作用最大化的必经之路[7]。森林生态系统是地球陆地生物圈的主体，也是陆地表面最大的碳库，在吸收、固定二氧化碳和全球碳循环研究中扮演着极其重要的角色，它通过同化作用吸收固定大气中的二氧化碳，抑制其浓度上升的功能对于应对气候变化问题具有积极意义和重要作用。

在森林生态系统中，热带森林在固碳中发挥着重要作用。它占地球表面的7%，但它拥有全球50%的物种和70%～80%的树种[8]，储存有全球生物量碳的40%左右，每年通过光合作用吸收的碳相当人类通过化石燃料燃烧释放到空气中碳的6倍[9]，它的存在和消长对于维护全球碳平衡和减缓温室气体增温具有重大意义。

1.2土壤土壤主要包括农用地（或广义的土地）和森林土壤，森林土壤是一种特殊的碳汇类型[10]。土壤碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分，其容量是植被与大气碳库的3～4倍[11]，是仅次于海洋和地质库的碳储库。全球土壤有机碳库约1 500 pg（1 pg=1015 g），分别是大气（750 pg）和陆地生物（550～570 pg）碳库的2～3倍[12]。

1.3湿地湿地生态系统碳平衡对气候变化极为敏感，是陆地生态系统碳循环响应全球变化的重要环节[13]。湿地吸碳能力是其他生态系统的10倍，能减缓和遏制全球气候变暖的进程[14]。而随着全球气候变暖及人口急剧增加，湿地面积却不断减小[15-16]，湿地的固碳功能受到进一步减弱。此外，泥炭生态系统贮存了500～600 pg的有机碳，自从冰河时期便开始大规模积累[17]。

1.4水体全球碳循环是碳元素在地球各个碳库之间不断交换、循环周转的过程，它是地球化学循环中极为重要的组成部分，包括地壳层、海洋和陆地全球三大碳库。其中，内陆水体生态系统（河流、湖泊、水库等）是陆地生态系统的重要类型[18]，在全球碳循环和碳固定方面发挥着非常关键的功能。

1.5其他陆地生态系统因碳植被丰富多样性、土壤固碳能力强而呈现出巨大的碳汇量。此外，大气、海洋生态系统是人工源二氧化碳2个可能的容纳汇，其中，碳失汇的主要原因与海洋对碳的吸收、岩石圈中岩溶动力系统对碳的吸收，以及陆地上碳库的转移有关。

2碳汇估算

2.1森林碳汇估算目前，常见的碳汇价值确定方法主要有人工固定二氧化碳成本法、造林成本法（它是根据所造林分吸收大气中的二氧化碳与造林费用之间的关系来推算森林固定二氧化碳的价值）、碳税率法（环境经济学家们通常使用瑞典的碳税率）、变化的碳税法、损失估算法以及意愿支付法[19]；还有一种是依据京都协议书的清洁发展机制（CDM），是发达国家缔约方为实现部分温室气体减排义务，与发展中国家缔约方进行项目合作的机制，CDM 是一种最省钱的获取排放权的途径[20]。王冬至等学者利用林分生物量，通过化学反应机理来计算林分碳汇量[21]；郗婷婷等采用森林蓄积量扩展法计算碳汇量，它以森林蓄积（树干材积）为计算基础，通过蓄积扩大系数计算树木（包括枝木、树根）生物量，然后通过容积密度（干重系数）计算生物量干重，再通过含碳率计算其固碳量，这种方法计算出来的是以立木为主体的森林生物量碳汇量[22]。

国内外应用最广泛的森林碳汇估算方法还有样地清查法、涡度相关法和应用遥感技术的模型模拟法[23]。样地清查法是指通过设立典型样地，准确测定森林生态系统中的植被、枯落物或土壤等碳库的碳储量，并可通过连续观测来获知一定时期内碳量变化情况的推算方法[24]。党晓宏等采用碳汇计量方法，具体操作为：选择设置标准样地，对每个样地内所有活立木的直径、树高、树冠进行详细调查，然后选择5、10、15和20年这4个年龄阶段的标准木各3株并伐倒。分别对枝条、根系、叶子等器官采用烘干称量法测定其生物量，计算各器官生物量的同时，测定各器官的含碳率，最后估算其固碳量。最后根据固碳量、造林面积及林分密度，推算各造林区相同年龄时固定的碳储量[25]。

2.2土壤碳汇计算森林土壤碳贮量主要是某类森林植被覆盖下，贮存在一定土壤深度内的土壤有机碳的总和。肖英等学者研究了杉木、马尾松、樟树、枫香4种森林类型土壤有机碳贮量，其从大到小排序为杉木、马尾松、樟树、枫香[26]；土壤碳汇与碳密度、数量等有关。

2.3岩石-流域碳汇估算以流域为单位的岩石化学风化固碳量的估算方法已经取得一定进展，其估算方法大致可以分为动力学方法、溶蚀测量法和水化学方法3类。其中，动力学方法主要从反应物或产物的浓度与时间关系出发，获得反应动力学参数；溶蚀测量法通过直接测定溶蚀量，建立溶蚀速率模型，为不同环境、地质、生态、气候等自然条件下的溶蚀速率预测提供理论依据，进而估算岩溶作用过程中消耗的大气二氧化碳；水化学方法是直接计算一氧化碳的吸收量和碳汇率。各种计算碳汇率的方法和侧重点各有不同，有可能因风化作用、生物呼吸作用等因素而难以准确估算。

为揭开碳失汇黑箱之谜，找寻及估算北半球隐存的巨大碳汇及其通量，国内外学者针对碳汇及其估算方法作了大量科学研究。然而，由于碳汇估算方法不确定、量化指标不统一、计算模型过于理论化、实测数据可信度差及误差大等因素，导致各圈层碳汇估算结果存在较大差异。

3影响碳汇潜力的因素

随着国内外学者对地球各圈层碳汇研究的不断深入，碳失汇问题的提出，使全球各大碳源汇所在地及其通量的研究成为当前研究的热点和难点。

3.1影响森林碳汇潜力的因素森林資源利用和碳储存之间的关系并不协调[27]，影响幼林生态系统碳汇能力的因素较多，王蕾等认为黄土高原荒地造林的造林密度、保存率和是否禁牧是其主要因素[28]；植被固定二氧化碳总量随降水量的显著变化而出现明显的差异变化，但大体呈逐渐增加趋势；林地和园地在二氧化碳固定过程中占据优势，是农用地植被固定二氧化碳最重要的贡献者。年平均降水量对园地和林地固定二氧化碳的物质量影响程度要远大于其面积变化的影响。同时国家和区域的经济政策及调整对植被固定二氧化碳物质量有显著影响并存在空间差异；一个地区农用地在土地利用结构中所占比例越大，则植被固定二氧化碳量越高[29]；随着二氧化碳浓度升高，高温和干旱对热带森林将产生一系列更严重的负面影响，如森林生长量下降、死亡率以及森林火险增加[30]，将对森林固碳产生直接影响；采用动态的生命周期评价方法可评价土地利用、土地利用变化和林业的时间序列对固碳与气候变化的影响[31]。从以上研究可知，影响森林碳汇的因素较多，且缺乏统一的标准和认识。

3.2影响湿地碳汇潜力的因素湿地是陆地生态系统中重要的二氧化碳碳汇，影响湿地生态系统碳汇与碳源过程的控制因子有水分、植物类型、土壤厚度、微生物（底物、pH、温度、氧化还原条件）等[32]，环境条件差异、气候变化等也将对固碳能力产生影响。

3.3影响土壤碳汇潜力的因素不同生境中碳汇速率变化较大，潜在土壤有机碳汇能力差异也较大[33]；土壤贮存二氧化碳的能力与母岩类型、演替进程和利用方式有关[34]；时间也影响土壤碳汇过程，温暖、潮湿的农业弃耕地环境次生演替过程中，从碳源到碳汇的转折点大约需要5～19年[35]；为了提高单位面积碳汇，有效提高碳和氮的利用效率也是一个行之有效的途径[36]；土壤作为全球最大的有机碳储存库，在全球碳循环中扮演着越来越重要的角色。为了预测全球气候变化和采取更多统一的方法来减少温室气体排放、遏制全球变暖，土壤碳捕获能力在全球气候变化中扮演源还是汇的角色引起了越来越多的关注；营养元素的施用方法对土壤碳汇能力影响极大，研究表明，慢性施氮使大草原土壤碳汇能力增加，快速提供有效氮不仅会使生物多样性减少，还影响碳的生物地球化学耦合[38]。

不仅非生命因素影响土壤碳汇潜力，微生物群落的营养状态对土壤中二氧化碳损失的影响可能要高于土壤基质的生物可利用性，特别是关于氮肥的添加，即作物产量会随着土壤中二氧化碳排放量的增加而增加。为了全面评估棕榈种植园土壤碳储存的影响因素，土地流转后初始土壤中的碳损失（如从原生森林或其他之前的种植园）必须考虑在内。数据显示，如果初始土壤碳损失很大，就是等到棕榈成熟，种植园土壤总也没有积累稳定的碳源，因此土壤中碳的含量会存在净亏损[39]。

在降雨量大的地区，高等植物篱和草地过滤带是重要的促进和维持坡耕地生产率的措施，然而对侵蚀控制措施影响下的土壤固碳能力和农艺生产力未能得到广泛评估。通过对印度东北部采取侵蚀控制措施下的坡耕地碳汇潜力进行评估表明，碳汇能力得到提高[40]，表明采取有效措施防止土壤流失也能够提高土壤碳汇能力。

减少温室气体排放的途径之一就是激励林业和农地管理者采取措施，将更多的碳贮存在树木和土壤中。在生物碳估价环节，要有足够的碳资金、清晰的机构组织、更多公众和私营部门参与者[41]，才能实现碳汇效益最大化。

4基于区域碳汇交易的森林生态效益补偿方式

4.1政府补偿政府补偿是以国家或上级政府为主体，以财政转移支付、差异性的区域补偿政策、生态环境税费制度、生态补偿基金为手段的生态补偿方式[42]，体现政府的“强干预”作用，更多依赖行政手段，具有强制性。

4.2市场补偿市场补偿是指在政府的“弱干预”（“弱干预”与政府的“强干预”补偿相对而言，后者是指通过政府的转移支付实施生态保护补偿机制）下，以市场交易主体在各类生态环境标准、法律法规、政策规范的调控范围内，利用经济手段参与环境市场产权交易，从而自发参与生态环境改善活动的总称[43]。

5碳汇研究展望

5.1发展碳汇农业的路径大力发展资源节约型、环境友好型循环农业，减少对高碳型生产资料的依赖；积极推广有机农业，增强农业碳汇功能；发展休闲观光农业，减少农作物的碳排放量；改变传统的耕作方法，提高土壤的固碳水平[44]；合理利用农业废弃物，如秸秆、畜禽粪便、沼液、沼渣等，实现废物资源化、无害化；创新整地方式，减少碳流失。

5.2固碳潜力及速率研究在碳汇潜力估算和速率计算方面，我国至今还没有公认的、科学的准确数据及计量方法，应多加强这方面的研究，阐明各碳库演变及其影响因素的区域特征，建立固碳潜力与速率计量理论与方法，提出固碳潜力与速率更准确、更科学的数据，这对于我国固碳战略的制定、固碳措施的实施以及提高我国总体固碳潜力、应对全球气候变化及外交谈判等均具有重要的理论和现实意义。

5.3多学科多技术相结合研究碳汇有关碳汇问题的研究，应综合运用多学科相关知识，如微气象学、数学、化学等，采用先进的地理信息系统（GIS）和遥感（RS）图像数据处理等技术，建立完整的生态系统碳循环各环节数据库，进行各种环境条件下的情景模拟，实现在时间和空间尺度上对碳储量及其价值的准确评估和计算。

5.4研究减少碳排放的措施靠自然过程捕获和汇集二氧化碳的速率太慢[45]，因此要采取一切措施从源头上减少二氧化碳气体排放，同时保护好森林、土壤、水体和湿地等自然生态系统，保持较高效率的碳吸收能力。

5.5林业应对全球气候变化的措施研究利用森林资源清查系统，开展林业气候影响综合监测，为制定林业适应气候变化相关政策提供基础信息。增加林业基础设施投资和投入，增强森林抵御自然和人为灾害的能力。加强林业科学研究， 更好地为决策服务。只有人工林满足了人们日常生活的需要，才能更好地保护天然林，提高森林在应对全球气候变化中的作用。

安徽农业科学2015年

5.6碳汇贸易市场的建立目前，全球碳汇基金会比较多，但国内只有“中国绿色碳基金”这一支，原因是国内没有真正意义上的碳汇交易市场。在国际市场上，二氧化碳完全可以作为一种商品进行交易。从2004到2014年，全球碳汇市场的交易额呈增长趋势，我国是最大的碳汇卖方。国内现有的CDM林业碳汇项目包括“中国广西珠江流域治理再造林项目”、“广西二期项目”和“中国四川西北部退化土地的造林再造林项目”等。其中，“中国广西珠江流域治理再造林项目”是全球第一个CDM碳汇项目，碳汇成交价为4.35美元/t，项目首次成功解决了CDM 再造林项目基线、额外性、非持久性、碳泄漏等问题，但我国在这方面的发展和研究显得后劲不足。因此，建立国内碳汇贸易和交易市场迫在眉睫。

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