科學(xué)家的寶藏“賬本”，幫森林記錄碳收支

作為固碳超人，森林生態(tài)系統(tǒng)其實也在排碳

談到森林，大家首先想到的是高大的樹木，枝繁葉茂，郁郁蔥蔥。作為陸地植物中的大家族，森林通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳、釋放氧氣，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的“固碳超人”、天然氧吧，為緩解由于二氧化碳等溫室氣體導(dǎo)致的氣候變暖做出了重要貢獻。

這一點也有證據(jù)支持。中國科學(xué)院開展的“應(yīng)對氣候變化的碳收支認證及相關(guān)問題”(以下簡稱“碳專項”) 之“生態(tài)系統(tǒng)固碳”項目研究表明，中國森林生態(tài)系統(tǒng)是固碳主體，貢獻了約80%的固碳量。

圖1 森林生態(tài)系統(tǒng)

（圖片來源：veer圖庫）

不過，我們常常會忽略一個問題，除了通過光合作用吸收二氧化碳從而固碳，森林生態(tài)系統(tǒng)其實也在通過呼吸作用釋放碳。

而所謂“碳收支”是由碳吸收減去碳排放得到的，當碳吸收大于碳排放才表現(xiàn)為碳匯，即通常我們所說的森林碳匯，而如果碳排放大于碳吸收則表現(xiàn)為碳源。

固碳沒那么簡單，來算一筆“收支賬”

想要獲得森林碳匯，碳的吸收就得大于碳的排放，我們現(xiàn)在就來看一看，怎么計算這筆“收支賬”。

森林碳匯是通過森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)各組分大小來衡量的。植物通過光合作用從大氣中吸收二氧化碳所固定的有機碳量形成總初級生產(chǎn)力 (Gross Primary Productivity, GPP)，要想算出森林碳匯的值，還需要減去碳排放的量。

首先，需要減去植物地上部分和地下根系呼吸消耗的部分，變?yōu)閮舫跫壣a(chǎn)力(Net Primary Productivity, NPP)，凈初級生產(chǎn)力具體表現(xiàn)為植物的地上地下生物量年增長量、凋落物量（如落葉、枝、花、果實等），可以直接測得。

其次，植物生長在土壤上，作為一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，還應(yīng)減去土壤微生物異養(yǎng)呼吸消耗量，最終才能得到凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net Ecosystem Productivity, NEP)，即森林碳匯。

當然，從更大的時空范圍考慮，還需要減去各類自然和人為干擾 (如火災(zāi)、病蟲害、砍伐) 等導(dǎo)致的非呼吸性碳釋放。

圖2 森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)示意圖

（圖片來源：作者自制）

森林碳排放中，土壤產(chǎn)生并向大氣釋放二氧化碳的過程常被稱作土壤呼吸(即土壤碳排放)，主要包括微生物分解有機質(zhì)的異養(yǎng)呼吸和根系的自養(yǎng)呼吸過程。

土壤碳排放的測定通常是將氣室罩在地表一定時間內(nèi)，通過測定二氧化碳濃度隨時間的變化來計算土壤碳排放速率，二氧化碳濃度的測定目前常采用紅外氣體分析法或氣相色譜法。土壤呼吸作為地下“黑箱”，目前仍存在很大不確定性。

這筆賬很復(fù)雜，要想算清楚，就需要科學(xué)家們來幫忙了。

圖3 土壤呼吸測定氣室

（圖片來源：作者拍攝）

森林生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫——碳收支的寶藏“賬本”

我國在森林生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量研究工作。

通過系統(tǒng)性地梳理總結(jié)前人研究成果，目前已構(gòu)建了中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)各組分的數(shù)據(jù)庫，如生物量數(shù)據(jù)庫 (Luo等, 2014)、凋落物數(shù)據(jù)庫 (Jia 等, 2016)、土壤碳排放數(shù)據(jù)庫 (Sun 等, 2022)，以及森林資源清查資料、碳專項調(diào)查資料等，從碳吸收到碳排放在全國尺度積累了大量珍貴數(shù)據(jù)，是幾代科學(xué)工作者不懈努力對一塊塊樣地野外調(diào)查、測定得到。

這些數(shù)據(jù)可以有效服務(wù)于我國碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標。例如結(jié)合森林分布面積計算我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量、排放量及碳匯大??；運用主導(dǎo)氣候因子（如溫度、降水等）建立模型，預(yù)測未來氣候變化情景下我國森林碳收支的變化趨勢；從減排增匯角度出發(fā)，因地制宜，探索不同區(qū)域促進森林碳固定的管理措施（如造林樹種的選擇、固碳量最大生長階段的確定、適宜的密度等），最終為精確評估和預(yù)測森林碳匯以及制定適宜的森林管理措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)支撐。

最近，中科院植物研究所構(gòu)建了不同時間尺度森林土壤碳排放數(shù)據(jù)庫，包括從小時、月到年尺度土壤碳排放速率及觀測方法、地理位置、林分特征和氣候要素等詳細信息，總樣本量11297條。

研究表明，我國森林土壤碳年排放量變動于260–2058 g C m^(-2) yr^(-1), 平均852 g C m^(-2) yr^(-1)。通常在相同的氣候帶內(nèi)，常綠林碳排放量大于落葉林，闊葉林大于針葉林。

值得注意的是，竹林在以往大尺度森林碳排放研究中常被忽略，卻表現(xiàn)出最大碳排放速率，平均1134 g C m^(-2) yr^(-1)。

該數(shù)據(jù)庫的建立，對于研究我國乃至全球森林碳循環(huán)和減少大尺度碳收支評估的不確定性都具有重要的理論和現(xiàn)實意義，為實現(xiàn)我國“雙碳目標”服務(wù)。

圖4 中國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳排放量在不同氣候帶的比較

EBF: 常綠闊葉林，DBF: 落葉闊葉林，ENF: 常綠針葉林，DNF: 落葉針葉林，MF: 針闊混交林，BB: 竹林。

（a）寒溫帶、（b）溫帶、（c）亞熱帶、（d）熱帶。

（圖片來源：作者自制）

向著雙碳的目標，科研在路上

“碳達峰碳中和”需要科技的支撐，我們提出雙碳的目標，絕不是要降低大家的生活質(zhì)量，而是要為保護我們的共同家園、實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展作貢獻。這其中，科技創(chuàng)新就是同時實現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展和碳達峰碳中和的關(guān)鍵。

2022年3月，中科院也正式公布了“中國科學(xué)院科技支撐碳達峰碳中和戰(zhàn)略行動計劃”?，F(xiàn)在，不僅僅是固碳領(lǐng)域的科學(xué)家，發(fā)電端和能源消費端都在發(fā)力，還有一系列基礎(chǔ)性的科學(xué)問題需要深入研究，科技支撐雙碳，任重而道遠，吾輩更需努力！

參考文獻：

[1]Fang JY, Yu GR, Liu LL, Hu SJ, Chapin FS. 2018. Climate change, human impacts, and carbon sequestration in China. PNAS, 115, 4015-4020.

[2]Jia BR, Zhou GS, Xu Z.Z. 2016. Forest litterfall and its composition: a new data set of observational data from China. Ecology, 97(5): 1365.

[3]Luo Y, Zhang X, Wang X, Lu F. 2014. Biomass and its allocation of Chinese forest ecosystems. Ecology, 95(7): 2026.

[4]Sun HR, Xu ZZ, Jia BR. 2022. A compiled soil respiration dataset at different time scales for forest ecosystems across China from 2000 to 2018. Earth System Science Data, 14(7): 2951–2961.

出品：科普中國

作者：賈丙瑞（中國科學(xué)院植物研究所）

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