當(dāng)前快報(bào):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(shí)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(xiàn)。

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

(資料圖片僅供參考)

圖1 森林生態(tài)系統(tǒng)

（圖片來源：veer圖庫）

不過，我們常常會(huì)忽略一個(gè)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(shí)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(dāng)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(jiǎn)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(jì)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(jī)碳量形成總初級(jí)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?jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity, NPP)，凈初級(jí)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(shí)等），可以直接測(cè)得。

其次，植物生長在土壤上，作為一個(gè)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(dāng)然，從更大的時(shí)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(jī)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(cè)定通常是將氣室罩在地表一定時(shí)間內(nèi)，通過測(cè)定二氧化碳濃度隨時(shí)間的變化來計(jì)算土壤碳排放速率，二氧化碳濃度的測(cè)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(cè)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(xiàng)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(duì)一塊塊樣地野外調(diào)查、測(cè)定得到。

這些數(shù)據(jù)可以有效服務(wù)于我國碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。例如結(jié)合森林分布面積計(jì)算我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量、排放量及碳匯大??；運(yùn)用主導(dǎo)氣候因子（如溫度、降水等）建立模型，預(yù)測(cè)未來氣候變化情景下我國森林碳收支的變化趨勢(shì)；從減排增匯角度出發(fā)，因地制宜，探索不同區(qū)域促進(jìn)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(píng)估和預(yù)測(cè)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(shí)間尺度森林土壤碳排放數(shù)據(jù)庫，包括從小時(shí)、月到年尺度土壤碳排放速率及觀測(cè)方法、地理位置、林分特征和氣候要素等詳細(xì)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(dòng)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(duì)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(píng)估的不確定性都具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，為實(shí)現(xiàn)我國“雙碳目標(biāo)”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(biāo)，科研在路上

“碳達(dá)峰碳中和”需要科技的支撐，我們提出雙碳的目標(biāo)，絕不是要降低大家的生活質(zhì)量，而是要為保護(hù)我們的共同家園、實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展作貢獻(xiàn)。這其中，科技創(chuàng)新就是同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和碳達(dá)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(dá)峰碳中和戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃”。現(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(fèi)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(yuǎn)，吾輩更需努力！

參考文獻(xiàn)：

[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）

標(biāo)簽： 森林生態(tài)系統(tǒng) 二氧化碳 土壤呼吸