碳匯研究綜述

李姝 喻陽(yáng)華 袁志敏 余娜

摘要森林、土壤和濕地等所具有的碳匯功能決定了它們?cè)谏鷳B(tài)保護(hù)和生態(tài)建設(shè)工作中具有特殊重要的地位。該研究主要介紹了碳匯的途徑、碳匯估算方法、影響碳匯潛力的因素和基于碳匯交易的森林生態(tài)效益補(bǔ)償模式，最后從發(fā)展碳匯農(nóng)業(yè)、固碳潛力及速率研究、多學(xué)科多技術(shù)相結(jié)合研究碳匯、研究減少碳排放的措施、林業(yè)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的措施研究和碳匯貿(mào)易市場(chǎng)的建立6個(gè)方面對(duì)碳匯研究進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞碳匯；研究；綜述

中圖分類號(hào)S181文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）34-136-04

全球氣候正在逐漸變暖是公認(rèn)的科學(xué)事實(shí)，“化石燃料的燃燒”和“毀林活動(dòng)”是造成這種現(xiàn)象的主要原因，是主要的碳源。碳匯一般是指從空氣中清除二氧化碳的過(guò)程、活動(dòng)和機(jī)制，它主要是指載體（森林、土壤、巖石、濕地等）吸收并儲(chǔ)存二氧化碳的多少，或者說(shuō)是載體吸收并儲(chǔ)存二氧化碳的能力。在林業(yè)中主要是指植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或森林土壤中，從而減少該氣體在大氣中的濃度。通俗地說(shuō)，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)固定的碳量大于排放的碳量，該系統(tǒng)則稱為大氣中二氧化碳的匯，簡(jiǎn)稱碳匯，反之，則為碳源[1]。碳匯其中一條重要的途徑是通過(guò)生物碳的產(chǎn)生和傳遞過(guò)程而實(shí)現(xiàn)，稱為生物碳匯。廣義的說(shuō)來(lái)，生物有機(jī)碳形成就是生物碳匯。浮游植物在碳匯中起到至關(guān)重要的作用[2]。碳匯已經(jīng)引起了越來(lái)越多專家、學(xué)者和公眾的關(guān)注，它已成為全球氣候變化會(huì)議的主題和目標(biāo)[3]。我國(guó)國(guó)務(wù)院總理溫家寶在2009年召開(kāi)的哥本哈根氣候大會(huì)上做出我國(guó)政府將實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排、增加森林碳匯的鄭重承諾。

1主要碳匯途徑

1.1森林森林生物量巨大，在全球碳循環(huán)中承擔(dān)著重要的調(diào)節(jié)溫室氣體和大氣污染的作用[4]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳匯，在減緩氣候變化中發(fā)揮著巨大作用[5]。研究結(jié)果表明，林木生長(zhǎng)每產(chǎn)生169 g干物質(zhì)需吸收（固定）264 g 二氧化碳，釋放192 g氧氣[6]。森林碳匯作用主要體現(xiàn)在森林生物固碳、林地固碳和林下植物固碳3種形式。林地固碳和林下植物固碳作用明顯，但在森林輪伐過(guò)程中它們基本保持一個(gè)定量。森林在一個(gè)輪伐期結(jié)束時(shí)，森林固碳形式變成了木材或相關(guān)木材衍生產(chǎn)品的固碳形式。當(dāng)然在森林采伐和加工過(guò)程中，原來(lái)森林固碳量有所損失，部分碳儲(chǔ)存以各種形式又回歸大氣，但是絕大部分森林固碳量仍然保存下來(lái)。這種轉(zhuǎn)變恰恰是森林可再生性的體現(xiàn)、是森林固碳的延伸、是森林土地高效合理利用的最佳經(jīng)營(yíng)方式。所以人類對(duì)森林的積極培育、合理管護(hù)、正確采伐、永續(xù)利用才是發(fā)揮森林碳匯作用最大化的必經(jīng)之路[7]。森林生態(tài)系統(tǒng)是地球陸地生物圈的主體，也是陸地表面最大的碳庫(kù)，在吸收、固定二氧化碳和全球碳循環(huán)研究中扮演著極其重要的角色，它通過(guò)同化作用吸收固定大氣中的二氧化碳，抑制其濃度上升的功能對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題具有積極意義和重要作用。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，熱帶森林在固碳中發(fā)揮著重要作用。它占地球表面的7%，但它擁有全球50%的物種和70%～80%的樹(shù)種[8]，儲(chǔ)存有全球生物量碳的40%左右，每年通過(guò)光合作用吸收的碳相當(dāng)人類通過(guò)化石燃料燃燒釋放到空氣中碳的6倍[9]，它的存在和消長(zhǎng)對(duì)于維護(hù)全球碳平衡和減緩溫室氣體增溫具有重大意義。

1.2土壤土壤主要包括農(nóng)用地（或廣義的土地）和森林土壤，森林土壤是一種特殊的碳匯類型[10]。土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的重要組成部分，其容量是植被與大氣碳庫(kù)的3～4倍[11]，是僅次于海洋和地質(zhì)庫(kù)的碳儲(chǔ)庫(kù)。全球土壤有機(jī)碳庫(kù)約1 500 pg（1 pg=1015 g），分別是大氣（750 pg）和陸地生物（550～570 pg）碳庫(kù)的2～3倍[12]。

1.3濕地濕地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡對(duì)氣候變化極為敏感，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)響應(yīng)全球變化的重要環(huán)節(jié)[13]。濕地吸碳能力是其他生態(tài)系統(tǒng)的10倍，能減緩和遏制全球氣候變暖的進(jìn)程[14]。而隨著全球氣候變暖及人口急劇增加，濕地面積卻不斷減小[15-16]，濕地的固碳功能受到進(jìn)一步減弱。此外，泥炭生態(tài)系統(tǒng)貯存了500～600 pg的有機(jī)碳，自從冰河時(shí)期便開(kāi)始大規(guī)模積累[17]。

1.4水體全球碳循環(huán)是碳元素在地球各個(gè)碳庫(kù)之間不斷交換、循環(huán)周轉(zhuǎn)的過(guò)程，它是地球化學(xué)循環(huán)中極為重要的組成部分，包括地殼層、海洋和陸地全球三大碳庫(kù)。其中，內(nèi)陸水體生態(tài)系統(tǒng)（河流、湖泊、水庫(kù)等）是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要類型[18]，在全球碳循環(huán)和碳固定方面發(fā)揮著非常關(guān)鍵的功能。

1.5其他陸地生態(tài)系統(tǒng)因碳植被豐富多樣性、土壤固碳能力強(qiáng)而呈現(xiàn)出巨大的碳匯量。此外，大氣、海洋生態(tài)系統(tǒng)是人工源二氧化碳2個(gè)可能的容納匯，其中，碳失匯的主要原因與海洋對(duì)碳的吸收、巖石圈中巖溶動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)碳的吸收，以及陸地上碳庫(kù)的轉(zhuǎn)移有關(guān)。

2碳匯估算

2.1森林碳匯估算目前，常見(jiàn)的碳匯價(jià)值確定方法主要有人工固定二氧化碳成本法、造林成本法（它是根據(jù)所造林分吸收大氣中的二氧化碳與造林費(fèi)用之間的關(guān)系來(lái)推算森林固定二氧化碳的價(jià)值）、碳稅率法（環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)家們通常使用瑞典的碳稅率）、變化的碳稅法、損失估算法以及意愿支付法[19]；還有一種是依據(jù)京都協(xié)議書(shū)的清潔發(fā)展機(jī)制（CDM），是發(fā)達(dá)國(guó)家締約方為實(shí)現(xiàn)部分溫室氣體減排義務(wù)，與發(fā)展中國(guó)家締約方進(jìn)行項(xiàng)目合作的機(jī)制，CDM 是一種最省錢(qián)的獲取排放權(quán)的途徑[20]。王冬至等學(xué)者利用林分生物量，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來(lái)計(jì)算林分碳匯量[21]；郗婷婷等采用森林蓄積量擴(kuò)展法計(jì)算碳匯量，它以森林蓄積（樹(shù)干材積）為計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)蓄積擴(kuò)大系數(shù)計(jì)算樹(shù)木（包括枝木、樹(shù)根）生物量，然后通過(guò)容積密度（干重系數(shù)）計(jì)算生物量干重，再通過(guò)含碳率計(jì)算其固碳量，這種方法計(jì)算出來(lái)的是以立木為主體的森林生物量碳匯量[22]。

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的森林碳匯估算方法還有樣地清查法、渦度相關(guān)法和應(yīng)用遙感技術(shù)的模型模擬法[23]。樣地清查法是指通過(guò)設(shè)立典型樣地，準(zhǔn)確測(cè)定森林生態(tài)系統(tǒng)中的植被、枯落物或土壤等碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量，并可通過(guò)連續(xù)觀測(cè)來(lái)獲知一定時(shí)期內(nèi)碳量變化情況的推算方法[24]。黨曉宏等采用碳匯計(jì)量方法，具體操作為：選擇設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，對(duì)每個(gè)樣地內(nèi)所有活立木的直徑、樹(shù)高、樹(shù)冠進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，然后選擇5、10、15和20年這4個(gè)年齡階段的標(biāo)準(zhǔn)木各3株并伐倒。分別對(duì)枝條、根系、葉子等器官采用烘干稱量法測(cè)定其生物量，計(jì)算各器官生物量的同時(shí)，測(cè)定各器官的含碳率，最后估算其固碳量。最后根據(jù)固碳量、造林面積及林分密度，推算各造林區(qū)相同年齡時(shí)固定的碳儲(chǔ)量[25]。

2.2土壤碳匯計(jì)算森林土壤碳貯量主要是某類森林植被覆蓋下，貯存在一定土壤深度內(nèi)的土壤有機(jī)碳的總和。肖英等學(xué)者研究了杉木、馬尾松、樟樹(shù)、楓香4種森林類型土壤有機(jī)碳貯量，其從大到小排序?yàn)樯寄?、馬尾松、樟樹(shù)、楓香[26]；土壤碳匯與碳密度、數(shù)量等有關(guān)。

2.3巖石-流域碳匯估算以流域?yàn)閱挝坏膸r石化學(xué)風(fēng)化固碳量的估算方法已經(jīng)取得一定進(jìn)展，其估算方法大致可以分為動(dòng)力學(xué)方法、溶蝕測(cè)量法和水化學(xué)方法3類。其中，動(dòng)力學(xué)方法主要從反應(yīng)物或產(chǎn)物的濃度與時(shí)間關(guān)系出發(fā)，獲得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)；溶蝕測(cè)量法通過(guò)直接測(cè)定溶蝕量，建立溶蝕速率模型，為不同環(huán)境、地質(zhì)、生態(tài)、氣候等自然條件下的溶蝕速率預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)，進(jìn)而估算巖溶作用過(guò)程中消耗的大氣二氧化碳；水化學(xué)方法是直接計(jì)算一氧化碳的吸收量和碳匯率。各種計(jì)算碳匯率的方法和側(cè)重點(diǎn)各有不同，有可能因風(fēng)化作用、生物呼吸作用等因素而難以準(zhǔn)確估算。

為揭開(kāi)碳失匯黑箱之謎，找尋及估算北半球隱存的巨大碳匯及其通量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)碳匯及其估算方法作了大量科學(xué)研究。然而，由于碳匯估算方法不確定、量化指標(biāo)不統(tǒng)一、計(jì)算模型過(guò)于理論化、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可信度差及誤差大等因素，導(dǎo)致各圈層碳匯估算結(jié)果存在較大差異。

3影響碳匯潛力的因素

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地球各圈層碳匯研究的不斷深入，碳失匯問(wèn)題的提出，使全球各大碳源匯所在地及其通量的研究成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.1影響森林碳匯潛力的因素森林資源利用和碳儲(chǔ)存之間的關(guān)系并不協(xié)調(diào)[27]，影響幼林生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的因素較多，王蕾等認(rèn)為黃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]；植被固定二氧化碳總量隨降水量的顯著變化而出現(xiàn)明顯的差異變化，但大體呈逐漸增加趨勢(shì)；林地和園地在二氧化碳固定過(guò)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，是農(nóng)用地植被固定二氧化碳最重要的貢獻(xiàn)者。年平均降水量對(duì)園地和林地固定二氧化碳的物質(zhì)量影響程度要遠(yuǎn)大于其面積變化的影響。同時(shí)國(guó)家和區(qū)域的經(jīng)濟(jì)政策及調(diào)整對(duì)植被固定二氧化碳物質(zhì)量有顯著影響并存在空間差異；一個(gè)地區(qū)農(nóng)用地在土地利用結(jié)構(gòu)中所占比例越大，則植被固定二氧化碳量越高[29]；隨著二氧化碳濃度升高，高溫和干旱對(duì)熱帶森林將產(chǎn)生一系列更嚴(yán)重的負(fù)面影響，如森林生長(zhǎng)量下降、死亡率以及森林火險(xiǎn)增加[30]，將對(duì)森林固碳產(chǎn)生直接影響；采用動(dòng)態(tài)的生命周期評(píng)價(jià)方法可評(píng)價(jià)土地利用、土地利用變化和林業(yè)的時(shí)間序列對(duì)固碳與氣候變化的影響[31]。從以上研究可知，影響森林碳匯的因素較多，且缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)識(shí)。

3.2影響濕地碳匯潛力的因素濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的二氧化碳碳匯，影響濕地生態(tài)系統(tǒng)碳匯與碳源過(guò)程的控制因子有水分、植物類型、土壤厚度、微生物（底物、pH、溫度、氧化還原條件）等[32]，環(huán)境條件差異、氣候變化等也將對(duì)固碳能力產(chǎn)生影響。

3.3影響土壤碳匯潛力的因素不同生境中碳匯速率變化較大，潛在土壤有機(jī)碳匯能力差異也較大[33]；土壤貯存二氧化碳的能力與母巖類型、演替進(jìn)程和利用方式有關(guān)[34]；時(shí)間也影響土壤碳匯過(guò)程，溫暖、潮濕的農(nóng)業(yè)棄耕地環(huán)境次生演替過(guò)程中，從碳源到碳匯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約需要5～19年[35]；為了提高單位面積碳匯，有效提高碳和氮的利用效率也是一個(gè)行之有效的途徑[36]；土壤作為全球最大的有機(jī)碳儲(chǔ)存庫(kù)，在全球碳循環(huán)中扮演著越來(lái)越重要的角色。為了預(yù)測(cè)全球氣候變化和采取更多統(tǒng)一的方法來(lái)減少溫室氣體排放、遏制全球變暖，土壤碳捕獲能力在全球氣候變化中扮演源還是匯的角色引起了越來(lái)越多的關(guān)注；營(yíng)養(yǎng)元素的施用方法對(duì)土壤碳匯能力影響極大，研究表明，慢性施氮使大草原土壤碳匯能力增加，快速提供有效氮不僅會(huì)使生物多樣性減少，還影響碳的生物地球化學(xué)耦合[38]。

不僅非生命因素影響土壤碳匯潛力，微生物群落的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)對(duì)土壤中二氧化碳損失的影響可能要高于土壤基質(zhì)的生物可利用性，特別是關(guān)于氮肥的添加，即作物產(chǎn)量會(huì)隨著土壤中二氧化碳排放量的增加而增加。為了全面評(píng)估棕櫚種植園土壤碳儲(chǔ)存的影響因素，土地流轉(zhuǎn)后初始土壤中的碳損失（如從原生森林或其他之前的種植園）必須考慮在內(nèi)。數(shù)據(jù)顯示，如果初始土壤碳損失很大，就是等到棕櫚成熟，種植園土壤總也沒(méi)有積累穩(wěn)定的碳源，因此土壤中碳的含量會(huì)存在凈虧損[39]。

在降雨量大的地區(qū)，高等植物籬和草地過(guò)濾帶是重要的促進(jìn)和維持坡耕地生產(chǎn)率的措施，然而對(duì)侵蝕控制措施影響下的土壤固碳能力和農(nóng)藝生產(chǎn)力未能得到廣泛評(píng)估。通過(guò)對(duì)印度東北部采取侵蝕控制措施下的坡耕地碳匯潛力進(jìn)行評(píng)估表明，碳匯能力得到提高[40]，表明采取有效措施防止土壤流失也能夠提高土壤碳匯能力。

減少溫室氣體排放的途徑之一就是激勵(lì)林業(yè)和農(nóng)地管理者采取措施，將更多的碳貯存在樹(shù)木和土壤中。在生物碳估價(jià)環(huán)節(jié)，要有足夠的碳資金、清晰的機(jī)構(gòu)組織、更多公眾和私營(yíng)部門(mén)參與者[41]，才能實(shí)現(xiàn)碳匯效益最大化。

4基于區(qū)域碳匯交易的森林生態(tài)效益補(bǔ)償方式

4.1政府補(bǔ)償政府補(bǔ)償是以國(guó)家或上級(jí)政府為主體，以財(cái)政轉(zhuǎn)移支付、差異性的區(qū)域補(bǔ)償政策、生態(tài)環(huán)境稅費(fèi)制度、生態(tài)補(bǔ)償基金為手段的生態(tài)補(bǔ)償方式[42]，體現(xiàn)政府的“強(qiáng)干預(yù)”作用，更多依賴行政手段，具有強(qiáng)制性。

4.2市場(chǎng)補(bǔ)償市場(chǎng)補(bǔ)償是指在政府的“弱干預(yù)”（“弱干預(yù)”與政府的“強(qiáng)干預(yù)”補(bǔ)償相對(duì)而言，后者是指通過(guò)政府的轉(zhuǎn)移支付實(shí)施生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制）下，以市場(chǎng)交易主體在各類生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)、政策規(guī)范的調(diào)控范圍內(nèi)，利用經(jīng)濟(jì)手段參與環(huán)境市場(chǎng)產(chǎn)權(quán)交易，從而自發(fā)參與生態(tài)環(huán)境改善活動(dòng)的總稱[43]。

5碳匯研究展望

5.1發(fā)展碳匯農(nóng)業(yè)的路徑大力發(fā)展資源節(jié)約型、環(huán)境友好型循環(huán)農(nóng)業(yè)，減少對(duì)高碳型生產(chǎn)資料的依賴；積極推廣有機(jī)農(nóng)業(yè)，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)碳匯功能；發(fā)展休閑觀光農(nóng)業(yè)，減少農(nóng)作物的碳排放量；改變傳統(tǒng)的耕作方法，提高土壤的固碳水平[44]；合理利用農(nóng)業(yè)廢棄物，如秸稈、畜禽糞便、沼液、沼渣等，實(shí)現(xiàn)廢物資源化、無(wú)害化；創(chuàng)新整地方式，減少碳流失。

5.2固碳潛力及速率研究在碳匯潛力估算和速率計(jì)算方面，我國(guó)至今還沒(méi)有公認(rèn)的、科學(xué)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)及計(jì)量方法，應(yīng)多加強(qiáng)這方面的研究，闡明各碳庫(kù)演變及其影響因素的區(qū)域特征，建立固碳潛力與速率計(jì)量理論與方法，提出固碳潛力與速率更準(zhǔn)確、更科學(xué)的數(shù)據(jù)，這對(duì)于我國(guó)固碳戰(zhàn)略的制定、固碳措施的實(shí)施以及提高我國(guó)總體固碳潛力、應(yīng)對(duì)全球氣候變化及外交談判等均具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

5.3多學(xué)科多技術(shù)相結(jié)合研究碳匯有關(guān)碳匯問(wèn)題的研究，應(yīng)綜合運(yùn)用多學(xué)科相關(guān)知識(shí)，如微氣象學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等，采用先進(jìn)的地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）圖像數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，建立完整的生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行各種環(huán)境條件下的情景模擬，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間和空間尺度上對(duì)碳儲(chǔ)量及其價(jià)值的準(zhǔn)確評(píng)估和計(jì)算。

5.4研究減少碳排放的措施靠自然過(guò)程捕獲和匯集二氧化碳的速率太慢[45]，因此要采取一切措施從源頭上減少二氧化碳?xì)怏w排放，同時(shí)保護(hù)好森林、土壤、水體和濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)，保持較高效率的碳吸收能力。

5.5林業(yè)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的措施研究利用森林資源清查系統(tǒng)，開(kāi)展林業(yè)氣候影響綜合監(jiān)測(cè)，為制定林業(yè)適應(yīng)氣候變化相關(guān)政策提供基礎(chǔ)信息。增加林業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施投資和投入，增強(qiáng)森林抵御自然和人為災(zāi)害的能力。加強(qiáng)林業(yè)科學(xué)研究， 更好地為決策服務(wù)。只有人工林滿足了人們?nèi)粘Ｉ畹男枰拍芨玫乇Ｗo(hù)天然林，提高森林在應(yīng)對(duì)全球氣候變化中的作用。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

5.6碳匯貿(mào)易市場(chǎng)的建立目前，全球碳匯基金會(huì)比較多，但國(guó)內(nèi)只有“中國(guó)綠色碳基金”這一支，原因是國(guó)內(nèi)沒(méi)有真正意義上的碳匯交易市場(chǎng)。在國(guó)際市場(chǎng)上，二氧化碳完全可以作為一種商品進(jìn)行交易。從2004到2014年，全球碳匯市場(chǎng)的交易額呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，我國(guó)是最大的碳匯賣方。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的CDM林業(yè)碳匯項(xiàng)目包括“中國(guó)廣西珠江流域治理再造林項(xiàng)目”、“廣西二期項(xiàng)目”和“中國(guó)四川西北部退化土地的造林再造林項(xiàng)目”等。其中，“中國(guó)廣西珠江流域治理再造林項(xiàng)目”是全球第一個(gè)CDM碳匯項(xiàng)目，碳匯成交價(jià)為4.35美元/t，項(xiàng)目首次成功解決了CDM 再造林項(xiàng)目基線、額外性、非持久性、碳泄漏等問(wèn)題，但我國(guó)在這方面的發(fā)展和研究顯得后勁不足。因此，建立國(guó)內(nèi)碳匯貿(mào)易和交易市場(chǎng)迫在眉睫。

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