森林生態(tài)系統(tǒng)碳估測方法及展望

袁鈺娜 姜學兵

摘要：森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，擁有陸地表面最大的碳庫，其消長變化對全球碳循環(huán)有著深遠影響。在當今溫室效應日益顯著，極端氣候出現(xiàn)日益頻繁的大背景下，精準估測森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、加強森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量監(jiān)測體系建設，對深入理解全球碳循環(huán)過程、預測全球氣候變化有著極其重要的意義。以加強森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能、實現(xiàn)“雙碳”目標為切入點，系統(tǒng)闡述了森林生態(tài)系統(tǒng)固碳功能實現(xiàn)機理，分析比較了當前森林碳估測的幾種主流方法，著重提出了構建中國森林碳儲量監(jiān)測體系的可行之策，以期為中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量監(jiān)測能力穩(wěn)定提升提供理論參考，為“雙碳”目標如期實現(xiàn)提供科學支撐。

關鍵詞：“雙碳”目標；森林生態(tài)系統(tǒng)；碳估測；監(jiān)測體系

中圖分類號：TV21文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）02-0090-07

Forest Ecosystem Carbon Measurement Methods and Future Directions

YUAN Yuna^1，2，JIANG Xuebing^1，2

（1.Monitoring Center Station of Soil and Water Conservation of Pearl River Basin，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China; 2.Pearl River Water Resources Research Institute，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China）

Abstract：The forest ecosystem is a crucial component of terrestrial ecosystems，possessing the largest carbon reservoir on the Earths surface.The fluctuations in its carbon stocks have a profound impact on the global carbon cycle.In the current context of a growing greenhouse effect and the rising occurrence of extreme climates，accurately estimating carbon stocks in the forest ecosystem and strengthening the construction monitoring system for its carbon stocks holds great significance for gaining an in-depth understanding of the global carbon cycle and predicting global climate change.Oriented toward strengthening the carbon sink function of forest ecosystems and achieving the dual carbon target， this paper systematically explained the mechanism of carbon sequestration in forest ecosystems.It analyzed and compared several mainstream methods of forest carbon estimation， proposing feasible strategies for building a forest carbon stock monitoring system in China.The aim is to provide a theoretical reference for the stable improvement of Chinas forest ecosystem carbon stock monitoring capacity and to provide scientific support for achieving the carbon peak and carbon neutrality in a timely manner.

Keywords：carbon peak and carbon neutrality;forest ecosystem;carbon estimation; monitoring system

為應對全球氣候變化影響，中國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”“到2030年，中國單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上”的目標承諾；2020年的中央經(jīng)濟工作會議將“做好碳達峰、碳中和工作”作為今后要抓好的重點任務；2021年頒布的《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中明確指出，森林在中國生態(tài)增匯體系中具有舉足輕重的作用。

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，擁有陸地表面最大的碳庫，其生物量約占陸地生物量的85%，其土壤碳儲量約占全球土壤碳儲量的40%，森林中的植被通過光合作用每年能從大氣中固定2.4 Pg C^［1］。提高國土綠化面積，特別是提升森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能，是踐行習近平生態(tài)文明思想，實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標最為經(jīng)濟有效的方式之一^［2］。

隨著世界各國對“碳”問題重視程度日益提高以及中國資源環(huán)境國情，準確估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，預測其時空變化規(guī)律，對于提升中國在國際氣候談判中的發(fā)言權和主導權，應對日益嚴峻的全球氣候變化問題有著深遠影響，同時，對于提升中國森林質量、落實生態(tài)文明理念、推動美麗中國建設有深刻意義。前人關于森林生態(tài)系統(tǒng)碳估測方法等相關研究已有較為完善和系統(tǒng)的歸納，但對于各類估測方法的適用性評價及特點分析方面還存在不足，對于森林生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測體系建設的研究總結也存在空白。

本文針對現(xiàn)有研究不足，系統(tǒng)闡述了森林生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的實現(xiàn)機理，回顧了樣地清查法、碳通量定位觀測法及基于遙感等新技術的模型模擬法的主要特點及存在問題，探討了森林生態(tài)系統(tǒng)碳估測方法的發(fā)展趨勢，并結合中國森林資源基本國情，提出了森林碳儲量監(jiān)測體系建設的可行之策，以期為中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量監(jiān)測能力穩(wěn)定提升提供理論參考，為“雙碳”目標如期實現(xiàn)提供科學支撐。

1 森林生態(tài)系統(tǒng)固碳功能

森林碳庫主要由土壤有機質、粗木質殘體、地上生物量、地下生物量及枯落物這五大部分組成^［3］。周玉榮等^［4］的研究表明，在中國森林生態(tài)系統(tǒng)中，地上植被碳庫約占森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的22%，土壤有機質碳庫約占總碳儲量的75%，其余部分共約占3%。土壤有機質碳庫和地上植被碳庫作為森林生態(tài)系統(tǒng)中2個最重要的碳庫，是森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算和動態(tài)監(jiān)測的主要對象。

森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡包括碳輸入和碳輸出2個過程。綠色植物通過光合作用將大氣中的CO₂轉變?yōu)橛袡C物儲存起來，又通過呼吸作用將有機物分解為CO₂和水，植物光合作用固定的碳扣除呼吸作用釋放的碳就得到了植物凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP），其代表了森林生態(tài)系統(tǒng)碳輸入能力。進入森林生態(tài)系統(tǒng)的碳會在層級之間不斷流動，流動過程中由于傳遞效率的影響，有一部分以CO₂的形式重新排放到大氣中，其他大部分會通過動物的采食及呼吸作用分解排放到大氣中，或是以動植物遺體、排泄物、枯落物等形式被微生物分解，森林土壤的呼吸作用也能將土壤有機碳分解為無機物，此外一些干擾因素如林火、病蟲害、毀林開荒等也會影響系統(tǒng)中的碳輸出速率^［5］（圖1）。

碳輸入速率和碳輸出速率的對比差值代表了森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力^［6］，可以用凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（Net Ecosystem Productivity，NEP）表示。森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力受到諸多因素制約，如森林的演替過程、光照、溫度、水分、CO₂含量及人為干擾等。Dixon等^［7］在總結大量文獻資料基礎上發(fā)現(xiàn)低緯度森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量碳密度大于高緯度森林，而土壤碳密度反之；森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量約是生物量碳儲量的2.2倍，甚至在一定條件下森林生態(tài)系統(tǒng)可能發(fā)生碳匯到碳源的轉變，例如森林火災、人為砍伐等。

2 森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估測方法

為動態(tài)掌握森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量消長情況，準確評估森林增匯效能，科學高效的森林碳計量方法體系必不可少^［8］。近年來，國內外學者提出了大量森林生態(tài)系統(tǒng)碳估測理論和方法，基本可劃分為三大類：一是基于樣地清查的森林植被碳和土壤碳估算方法^［9-10］；二是基于不同尺度森林生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡的碳通量定位觀測法^［11］；三是基于遙感等新技術的模型模擬方法^［12-13］。

2.1 樣地清查法

樣地清查法多用于推算區(qū)域和全球尺度森林碳儲量，是指通過在森林中設立典型樣地，利用收獲法來準確測定森林生態(tài)系統(tǒng)中的植被、枯落物或土壤等碳庫的碳儲量和碳通量，并可通過多年連續(xù)測定來獲知一定時期內森林碳儲量的變化情況^［14］。樣地清查法根據(jù)測定方式的不同又可以進一步分為平均生物量法、平均轉換因子法和轉換因子連續(xù)函數(shù)法^［15］。這3種方法具有相同的數(shù)學推理方法基礎，即都是在推算出生物量的基礎上再乘以一個換算系數(shù)求得碳儲量的方法，換算系數(shù)通常在0.44～0.55^［3］。

2.1.1 平均生物量法

森林生物量通常定義為單位時間或單位面積林地內積累的干物質總量，平均生物量法是基于野外調查的樣地平均生物量數(shù)據(jù)和調查森林的類型與面積，求得該片森林的生物總量，再乘以相應的換算系數(shù)，得到森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量結果^［16］。這種方法的主要優(yōu)點是過程清晰，可操作性強。劉領等^［17］利用1994—2013年4期河南省森林資源清查數(shù)據(jù)，運用平均生物量法，估算了1998—2013年河南省森林植被的碳儲量和碳密度變化。

2.1.2 平均轉換因子法

森林生態(tài)系統(tǒng)的總生物量和林分木材蓄積量的比值稱為生物量換算因子，根據(jù)樣地調查推算這片林分蓄積，再乘以平均轉換因子，就得到了該片森林的總生物量，最后再乘以一個轉換因子，就計算出了森林的碳儲量。這種方法大大節(jié)約了森林碳儲量監(jiān)測的成本，提高了效率，使利用森林資源清查數(shù)據(jù)得到森林碳儲量數(shù)據(jù)成為可能，但它的缺陷也顯而易見，森林平均轉換因子受到區(qū)域、林齡、林況、立地條件等影響顯著，使用一個固定的換算因子可能會使得預測結果不夠準確。孫玉軍等^［18］基于多期森林資源清查數(shù)據(jù)，利用平均轉換因子法對大興安嶺地區(qū)興安落葉松幼中齡林的碳儲量和碳密度進行估算，結果顯示5 a間所研究林分的碳儲量和碳密度均呈增加趨勢，但整體碳密度依然低于我國平均森林碳密度。

2.1.3 轉換因子連續(xù)函數(shù)法

轉換因子連續(xù)函數(shù)法是對平均轉換因子法的改良，它將不變的林分平均轉換因子用一個與齡級有關的可變的轉換因子代替，一定程度上彌補了固定林分平均轉換因子的缺陷^［19］。張春華等^［20］基于1973—2018年8次省森林清查數(shù)據(jù)以及實測數(shù)據(jù)改進的生物量蓄積量轉換參數(shù)，利用生物量轉換因子連續(xù)函數(shù)法研究黑龍江省近40 a來的森林碳儲量及其動態(tài)變化，結果顯示黑龍江省森林碳儲量呈現(xiàn)下降趨勢（1973—1976年1 159.35 Tg C；2009—2013年833.99 Tg C），且不同森林類型碳儲量存在較大差異。

2.2 基于微氣象學的碳通量觀測法

碳通量通常定義為單位時間內通過湍流運動作用向單位截面積輸送的CO₂量，直接測定林分中的氣體交換速率，可以得到森林各部分碳庫之間的流通量。這種方法適用于小尺度或植被均質的森林，對于大尺度或植被強異質性的森林使用較為困難。早期的基于微氣象學的碳通量觀測方法有空氣動力學法和熱平衡法，后期逐漸發(fā)展出渦度相關法。渦度相關法是世界上CO₂和水熱通量測定的標準方法，也是目前測定地-氣交換最好的方法之一，被廣泛運用于估算陸地生態(tài)系統(tǒng)的物質和能量交換^［21］。

渦度通量塔是渦度相關法具體實施所需的關鍵儀器設備，它由高靈敏度的三維超聲風速儀、紅外氣體分析儀及溫、濕度計等幾部分組成，在觀測時受到下墊面植被及周圍環(huán)境干擾小，能準確測定生態(tài)系統(tǒng)的CO₂通量，能實現(xiàn)對該區(qū)域碳通量的連續(xù)觀測，并且可以和其他通量站一起構成全球碳通量監(jiān)測網(wǎng)絡。牛亞毅等^［22］利用渦度相關法對科爾沁沙質草地生態(tài)系統(tǒng)進行了連續(xù)2 a的碳通量觀測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)測算出該地區(qū)生長季的碳通量平均值約為130 g/m²，非生長季碳釋放量約為220 g/m²，全年尺度上沙質草地生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳源。

2.3 基于遙感等新技術的模型模擬法

在大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的相關研究中，模型建立是一種必要手段。傳統(tǒng)的模型模擬法是通過數(shù)學模型估算森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和碳儲量，許多學者都在先前研究中提出過很多成功的模型，包括以Thornthwaite Memorial模型和MIAMI模型等為代表的經(jīng)驗模型，以CENTURY模型、BIOME-BGC模型和CASA模型等為代表的機制模型，以及以Holdridge生命地帶模型和Chikugo模型等為代表的半經(jīng)驗半機制模型^［23］。

近年來，隨著遙感及相關技術的不斷發(fā)展，為森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量測定提供了新的思路，基于遙感等新技術的模型模擬法也應運而生。衛(wèi)星遙感觀測具有穩(wěn)定、連續(xù)、大尺度觀測等優(yōu)點，能較好地反映大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分布及其與大氣進行CO₂交換的變化特征，提高森林生態(tài)系統(tǒng)CO₂源匯觀測的準確性^［24］。基于遙感手段獲取各類植被參數(shù)，結合地面調查數(shù)據(jù)，通過分析得到森林植被的時間序列和空間分布規(guī)律，在此基礎上進一步分析得到森林生態(tài)系統(tǒng)碳的時空分布及動態(tài)變化規(guī)律，從而實現(xiàn)大面積森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量估算。Asner G P等^［25］利用中分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)和機載激光雷達數(shù)據(jù)，實現(xiàn)亞馬遜地區(qū)森林碳儲量精準估測；Csillik O等^［26］基于Planet衛(wèi)星影像和機載激光雷達數(shù)據(jù)估算秘魯全國地上碳儲量為6.928 Pg C，并繪制出高分辨率的秘魯全國地上碳儲量和碳排放圖。

當前應用較為廣泛的森林碳儲量遙感估算模型主要可歸類為物理模型、過程模型和統(tǒng)計模型3類。常用的森林碳儲量物理估算模型主要包括幾何光學模型和輻射傳輸模型，其原理是基于遙感手段獲取信息，通過描述生物量與二向性反射之間的關系來反演估算森林碳儲量。孫鳳娟等^［27］基于四尺度幾何光學模型反演森林冠層面積和森林密度，從而估測內蒙古根河市的森林地上生物量，結果表明，該方法估算結果（RMSE=20.8 t/hm²，R²=0.45）明顯優(yōu)于基于差值植被指數(shù)法（RMSE=27.7 t/hm²，R²=0.09）和混合像元分解法（RMSE=27.6 t/hm²，R²=0.02）。過程模型是通過模擬不同時空尺度上植被生長過程中光合作用、呼吸作用以及養(yǎng)分循環(huán)等過程，估算植被凈初級生產(chǎn)力（NPP），結合時間序列得到森林碳儲量。Douglas A Shoemaker等^［28］通過耦合估算的葉面積指數(shù)和生長過程擬合模型，估測出佛羅里達州內9 779 hm²濕地松人工林年總碳儲量為33 920 t。統(tǒng)計模型是通過樣地調查獲取碳儲量實測數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)線型回歸方法或機器學習方法，建立遙感影像反射光譜、紋理特征、植被指數(shù)等參數(shù)與碳儲量之間的擬合關系，然后逐像元推算樣點外區(qū)域的森林碳儲量^［29］。例如，王建步等^［30］為掌握黃河口濕地植被地上部分碳儲量的空間分布情況，基于GF-1 WFV衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對黃河口濕地植被地上部分開展了遙感估算模型研究，研究結果表明基于NDVI建立的指數(shù)模型（RMSE=19.1 g/m²，R²=0.76）為單位面積碳儲量估測的最佳模型。

3 不足及展望

森林生態(tài)系統(tǒng)結構多樣，固碳功能實現(xiàn)機理復雜且影響因素眾多，現(xiàn)有的森林生態(tài)系統(tǒng)碳估測方法普遍存在精度低、不確定性高的問題（表1）。

作為中國綠色碳基金造林項目碳匯計量與監(jiān)測唯一采用的估算方法，樣地清查法在碳匯計量的可測定性、可核查性、透明性及成本有效性等方面的優(yōu)勢是突出的，但在森林灌木層、草本層及地下生物量等碳庫估算上還有待進一步改進。相關研究應著眼于建立更加完善的參數(shù)體系，綜合考慮森林碳匯的各類影響因素，進一步明確活立木生物量與森林總生物量的換算關系，以便得到更加精確的估算結果^［31］。

森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量及其控制機制方面研究近年來取得了顯著進展?；谖庀髮W原理的渦度相關法可以與樣地清查法相互補充，實現(xiàn)對監(jiān)測樣地的連續(xù)、長期觀測，形成一定區(qū)域內的森林碳匯計量監(jiān)測體系，但其在在降低成本，提高參數(shù)和數(shù)據(jù)有效性等方面仍有發(fā)展的空間。單個碳通量觀測站點的數(shù)據(jù)不能概括到同一生態(tài)區(qū)內其他相同林齡站點，難以解釋和預測立地改變對區(qū)域和全球碳收支的影響，為確保獲得準確的碳收支、對碳通量年際變化做出精準估算及合理預測，需要長期重復開展野外定位觀測，分析并理解氣候和生物物理因子對植物生理生態(tài)過程的影響。此外，利用多變量模型數(shù)據(jù)融合方法，長期監(jiān)測氣候、生態(tài)系統(tǒng)和碳通量間的反饋機制，可以幫助人們預測氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)碳收支的變化^［32］。

遙感建模手段在森林碳估測領域的運用，讓大尺度監(jiān)測森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程變?yōu)榭赡?。近年來，遙感及相關技術高速發(fā)展，使得影像的空間分辨率、光譜分辨率及時間分辨率不斷提高；高光譜、超光譜遙感技術的發(fā)展，使得遙感影像能夠反映出更加豐富細致的光譜信息；在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，使得可獲取的遙感數(shù)據(jù)資源和類型更加多樣。光學遙感影像能夠反映目標地物水平結構信息；激光雷達等主動遙感手段能夠使目標地物立體化成像，反映地物垂直結構信息；此外中國定期開展的國家森林資源清查、森林經(jīng)理調查以及林業(yè)專項調查，也為森林碳儲量遙感估測模型建立帶來了海量實測數(shù)據(jù)，如何使森林資源清查資料同多源遙感數(shù)據(jù)更好結合，建立森林碳儲量動態(tài)監(jiān)測模型是今后值得關注的問題。

4 對中國森林碳儲量監(jiān)測體系建設的建議

a）加大監(jiān)測設備系統(tǒng)研發(fā)力度，優(yōu)化森林碳匯估測方法手段。從微觀角度考慮，要加強相關監(jiān)測儀器及系統(tǒng)的開發(fā)和更新，在各種監(jiān)測方法具體實施過程中，可以逐步更新老舊設備，采用更精密先進的儀器設備，使得碳儲量估算的結果更加精確；從宏觀角度分析，衛(wèi)星遙感具有豐富的光譜信息和實時數(shù)據(jù)處理與傳輸能力，監(jiān)測方法從傳統(tǒng)樣地清查方法向衛(wèi)星遙感等高新技術方向轉變，可極大減少人工成本、提高工作效率，對人跡稀少、常規(guī)方法難以達到的調查地區(qū)更具優(yōu)勢。

b）構建森林碳匯連續(xù)監(jiān)測樣地系統(tǒng)，完善全國森林生態(tài)系統(tǒng)觀測網(wǎng)絡。同世界上多數(shù)國家一樣，中國以數(shù)理統(tǒng)計抽樣為基礎，以森林資源清查為主要手段對國家森林資源總量進行宏觀監(jiān)測。因此，國家森林資源清查統(tǒng)計數(shù)據(jù)每5 a產(chǎn)出一次，反映5 a來森林資源清查的累計性統(tǒng)計成果。森林資源碳庫計量以國家森林資源清查統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，與現(xiàn)行的森林資源清查體系一樣，也是每5 a產(chǎn)出一次累積性統(tǒng)計結果，這就導致數(shù)據(jù)采集時間存在不一致性，成果分析缺乏時效性和現(xiàn)實性，不能全面反映森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量狀況。此外，森林碳匯監(jiān)測由于其調查的內容和森林資源清查不盡相同，林下植被、地表凋落物、根系及土壤有機質等組分常常未納入森林資源清查內容，所以其數(shù)據(jù)對于用來估測森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量明顯是不妥的。因此，應該建立一套完備的森林碳匯連續(xù)監(jiān)測的樣地系統(tǒng)，對其進行年度甚至季度的連續(xù)監(jiān)測以了解中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的消長情況。

c）區(qū)分不同森林類型和樹種，建立全組分碳庫計量模型庫。中國幅員遼闊且氣候條件復雜多變，森林類型多樣、呈地帶性分布特征，不同林型優(yōu)勢植被、樹種組成差異顯著，因此區(qū)分不同森林類型和樹種，建立全組分碳庫計量模型對于全國碳計量統(tǒng)一標準的制定和碳儲量持續(xù)監(jiān)測有重要意義，建成后能極大優(yōu)化森林生態(tài)系統(tǒng)碳估算的效率，推動國家森林碳匯監(jiān)測體系發(fā)展。截至2021年，中國初步建成了全國森林碳匯計量監(jiān)測體系，完成了森林碳匯計量監(jiān)測基礎數(shù)據(jù)庫和參數(shù)模型庫建設，出臺了主要喬木樹種的立木生物量模型及碳計量參數(shù)，但有許多樹種相關研究還屬空白，而且尚未形成系統(tǒng)的針對不同森林類型的碳計量模型庫，更多成果還有待挖掘和完善。

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（責任編輯：高天揚）