科学家的宝藏“账本”，帮森林记录碳收支
2022/10/13 17:00:00 中国科普博览

    

     Part.1

     作为固碳超人，森林生态系统其实也在排碳谈到森林，大家首先想到的是高大的树木，枝繁叶茂，郁郁葱葱。作为陆地植物中的大家族，森林通过光合作用吸收大气中的二氧化碳、释放氧气，是陆地生态系统中的“固碳超人”、天然氧吧，为缓解由于二氧化碳等温室气体导致的气候变暖做出了重要贡献。这一点也有证据支持。中国科学院开展的“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”(以下简称“碳专项”) 之“生态系统固碳”项目研究表明，中国森林生态系统是固碳主体，贡献了约80%的固碳量。

    

    图1 森林生态系统(图片来源：veer图库)不过，我们常常会忽略一个问题，除了通过光合作用吸收二氧化碳从而固碳，森林生态系统其实也在通过呼吸作用释放碳。而所谓“碳收支”是由碳吸收减去碳排放得到的，当碳吸收大于碳排放才表现为碳汇，即通常我们所说的森林碳汇，而如果碳排放大于碳吸收则表现为碳源。

     Part.2

     固碳没那么简单，来算一笔“收支账”想要获得森林碳汇，碳的吸收就得大于碳的排放，我们现在就来看一看，怎么计算这笔“收支账”。森林碳汇是通过森林生态系统碳循环各组分大小来衡量的。植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳所固定的有机碳量形成总初级生产力 (Gross Primary Productivity, GPP)，要想算出森林碳汇的值，还需要减去碳排放的量。首先，需要减去植物地上部分和地下根系呼吸消耗的部分，变为净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)，净初级生产力具体表现为植物的地上地下生物量年增长量、凋落物量(如落叶、枝、花、果实等)，可以直接测得。其次，植物生长在土壤上，作为一个完整的生态系统，还应减去土壤微生物异养呼吸消耗量，最终才能得到净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity, NEP)，即森林碳汇。当然，从更大的时空范围考虑，还需要减去各类自然和人为干扰 (如火灾、病虫害、砍伐) 等导致的非呼吸性碳释放。

    

    图2 森林生态系统碳循环示意图(图片来源：作者自制)森林碳排放中，土壤产生并向大气释放二氧化碳的过程常被称作土壤呼吸(即土壤碳排放)，主要包括微生物分解有机质的异养呼吸和根系的自养呼吸过程。土壤碳排放的测定通常是将气室罩在地表一定时间内，通过测定二氧化碳浓度随时间的变化来计算土壤碳排放速率，二氧化碳浓度的测定目前常采用红外气体分析法或气相色谱法。土壤呼吸作为地下“黑箱”，目前仍存在很大不确定性。这笔账很复杂，要想算清楚，就需要科学家们来帮忙了。

    图3 土壤呼吸测定气室(图片来源：作者拍摄)

     Part.3

     森林生态系统数据库——碳收支的宝藏“账本”我国在森林生态学研究领域已经开展了大量研究工作。通过系统性地梳理总结前人研究成果，目前已构建了中国森林生态系统碳循环各组分的数据库，如生物量数据库 (Luo等, 2014)、凋落物数据库 (Jia 等, 2016)、土壤碳排放数据库 (Sun 等, 2022)，以及森林资源清查资料、碳专项调查资料等，从碳吸收到碳排放在全国尺度积累了大量珍贵数据，是几代科学工作者不懈努力对一块块样地野外调查、测定得到。这些数据可以有效服务于我国碳达峰、碳中和战略目标。例如结合森林分布面积计算我国森林生态系统碳吸收量、排放量及碳汇大小；运用主导气候因子(如温度、降水等)建立模型，预测未来气候变化情景下我国森林碳收支的变化趋势；从减排增汇角度出发，因地制宜，探索不同区域促进森林碳固定的管理措施(如造林树种的选择、固碳量最大生长阶段的确定、适宜的密度等)，最终为精确评估和预测森林碳汇以及制定适宜的森林管理措施提供基础数据和科学支撑。最近，中科院植物研究所构建了我国不同时间尺度森林土壤碳排放数据库，包括从小时、月到年尺度土壤碳排放速率及观测方法、地理位置、林分特征和气候要素等详细信息，总样本量11297条。研究表明，我国森林土壤碳年排放量变动于260–2058 g C m^(-2) yr^(-1), 平均852 g C m^(-2) yr^(-1)。通常在相同的气候带内，常绿林碳排放量大于落叶林，阔叶林大于针叶林。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，却表现出最大碳排放速率，平均1134 g C m^(-2) yr^(-1)。该数据库的建立，对于研究我国乃至全球森林碳循环和减少大尺度碳收支评估的不确定性都具有重要的理论和现实意义，为实现我国“双碳目标”服务。

    图4 中国森林生态系统土壤碳排放量在不同气候带的比较EBF: 常绿阔叶林，DBF: 落叶阔叶林，ENF: 常绿针叶林，DNF: 落叶针叶林，MF: 针阔混交林，BB: 竹林。(a)寒温带、(b)温带、(c)亚热带、(d)热带。(图片来源：作者自制)

     Part.4

     向着双碳的目标，科研在路上“碳达峰碳中和”需要科技的支撑，我们提出双碳的目标，绝不是要降低大家的生活质量，而是要为保护我们的共同家园、实现人类可持续发展作贡献。这其中，科技创新就是同时实现经济社会发展和碳达峰碳中和的关键。2022年3月，中科院也正式公布了“中国科学院科技支撑碳达峰碳中和战略行动计划”。现在，不仅仅是固碳领域的科学家，发电端和能源消费端都在发力，还有一系列基础性的科学问题需要深入研究，科技支撑双碳，任重而道远，吾辈更需努力!

     参考文献:

     [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：科普中国

     作者：贾丙瑞(中国科学院植物研究所)

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