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朴世龙院士：试论陆地生态系统碳汇在“碳中和”目标中的作用

花匠小妙招
2024-10-08 03:48

为应对气候变化和实现可持续发展，中国政府提出力争在2060年前实现“碳中和”的目标。“碳中和”目标的实现需要统筹减排和增汇两个方面。从增汇的角度考虑，过去几十年中国陆地生态系统碳汇(0.17~0.35PgC a−1)显著抵消了部分同期化石燃料燃烧和工业活动导致的碳排放(抵消比例从20世纪80~90年代的~30%降至2010年以来的7%~15%，主要是由于碳排放增长速率大于碳汇增加速率所致)，因此成为“碳中和”目标中各界共同关注的焦点。

2060年不是“碳中和”目标的终点，而是起点，2060年之后依然需要维持“碳中和”状态，这需要理解陆地生态系统碳汇的长期变化趋势。朴世龙院士等从陆地生态系统碳汇产生的科学机制出发，探讨了生态系统碳汇的长期演变规律及其在“碳中和”目标中的作用。该成果发表在《中国科学：地球科学》2022年第7期。

陆地碳汇功能是生态系统碳收支响应环境变化的动态结果(而非固有属性)

什么是陆地生态系统碳汇？通俗地讲，当陆地生态系统的碳吸收量大于排放量时，该系统就成为大气CO2的汇；反之则为碳源。不考虑生态系统干扰时，陆地生态系统碳汇等于净生态系统生产力(NEP)，即植物光合作用固定的总碳量(总初级生产力，GPP)减去生态系统呼吸(ER)消耗之后的剩余部分：NEP=GPP−ER。从NEP的计算公式，碳汇大小是植被光合作用的碳吸收过程和生态系统呼吸的碳排放过程共同作用的结果。因此，不同于光合作用，碳汇功能并不是陆地生态系统的固有属性。

在气候条件和大气组分相对稳定的环境下，理论上生态系统碳收支会随系统演替而逐步趋于平衡状态，即总初级生产力与生态系统呼吸持平，此时生态系统碳储量处于饱和状态，碳汇为零。成熟生态系统这种“零碳汇”的平衡状态不仅存在于全球尺度上，也会在热带、温带、寒带等区域尺度甚至更小的生态系统尺度上发生，尽管这些不同地带的植被生产力有着显著差异，这就是著名生态学家E. P. Odum提出的生态系统演替假说。这也是为什么在利用碳循环模型对生态系统碳收支进行核算时，通常假定工业革命以前生态系统碳收支达到平衡的原因。注意成熟生态系统“零碳汇”的平衡态是指一定时期的平均状态；在年际尺度上，碳汇大小并不绝对为零，而是围绕平衡态上下波动。这种波动和气候等环境条件的变化密切相关，也是造成大气CO2浓度逐年波动的主要原因。

为什么目前全球陆地生态系统起着碳汇的作用? 这与E. P. Odum提出的成熟生态系统净碳通量为零的假说是否矛盾？事实上并不矛盾。成熟生态系统“零碳汇”的平衡状态是在稳定的自然环境条件下发生的，即不存在系统外的干扰使得大气CO2浓度、气候、生态系统养分状况等偏离其稳定状态(图1a)。然而，工业革命以来的化石燃料燃烧、毁林造田、森林砍伐等人类活动导致CO2排放持续增加，大气CO2浓度升高，全球平均气温上升，水循环加强。同时，伴随着化石燃料的使用，人类向大气中排放的含有氮、磷等营养元素的污染物也随之增加，并最终沉降进入陆地生态系统，客观上缓解了生态系统的养分限制。这些剧烈的环境变化驱使陆地生态系统碳输入量和输出量的相对大小发生改变，打破了原本处于平衡状态的全球CO2收支：就全球尺度而言，环境变化对生态系统碳输入过程的促进作用大于对碳输出过程的作用，使得目前全球陆地生态系统扮演着大气CO2“汇”的角色。需要指出的是，尽管在部分区域(欧洲、北美、中国)，农田弃耕、植树造林等土地利用活动在一定程度上使得次生生态系统呈现出演替早期阶段所具有的碳汇特征，但是就全球尺度而言，土地利用变化总体呈碳源效应。

图1 成熟生态系统平衡态由于CO2浓度增加被打破，从而进入非平衡态，并在CO2浓度稳定后再次达到平衡态的过程

对于中国而言，陆地生态系统碳汇的驱动因素主要有两方面：一是与全球陆地生态系统碳汇机制类似，主要受益于大气CO2浓度升高，成熟生态系统进入非平衡态；二是过去几十年以来广泛实施的国土绿化、植树造林和天然林保护等生态工程，使得森林生态系统进入NEP较大的早期演替阶段，从而形成显著的碳汇。

大气CO2对全球陆地碳汇增加的驱动作用随其浓度增加而逐渐减弱

全球大气CO2浓度升高是当前陆地生态系统碳汇增加的主导因素之一。工业革命以来，大气CO2浓度从278ppm上升到415ppm。CO2浓度增加为植物提供了更多的光合底物，提高了陆地植被的光合效率(即CO2施肥效应)，驱动自然生态系统由原有的“零碳汇”平衡态向新的平衡态迁移；在迁移过程中生态系统处于非平衡态，从而形成生态系统碳汇(图1b)。研究表明，1959~2010年间，大气CO2浓度每升高100ppm，全球陆地生态系统碳汇每年增加3.5PgC。由于CO2施肥效应，未来高CO2排放情景下(如SSP5-8.5)陆地碳汇将大于低CO2排放情景(如SSP1-2.6)。

在“碳中和”目标实现后，大气CO2浓度将停止上升，陆地生态系统碳吸收量渐趋饱和，而生态系统呼吸仍会随碳储量的增加而增加，直至碳排放与碳吸收相平衡(图1c)。在此过程中，碳汇将逐渐减弱直至归零，此时与工业革命前类似，陆地生态系统在新的稳定环境条件下再次进入平衡态。以中国陆地生态系统为例，CMIP6和ORCHIDEE-MICT模型模拟结果显示，不考虑其他生态系统管理措施，当大气CO2浓度在2060年左右达到峰值并保持不变的条件下(“碳中和”情景)，中国陆地生态系统碳汇将从2060年左右开始逐步下降，预计到2100年碳汇降幅将达50% (图2)。在负排放(SSP1-2.6)情景下，全球大气CO2浓度在2060年左右达到峰值，随后因人为碳移除(即负排放)等技术手段的应用而降低(图2)。对应这一情景，中国陆地碳汇的下降速率更快，预计到2100年将接近零(图2)。陆地碳汇的下降意味着为了维持“碳中和”状态，届时仍然保留的化石能源使用和工业源碳排放需进行等量削减。这再次表明陆地碳汇并非永久性封存的碳库，而是高度依赖于外部环境条件的变化。

总之，大气CO2浓度上升是过去几十年来全球陆地生态系统碳汇增加的主要驱动力。随着各国“碳中和”战略的陆续实施，全球大气CO2浓度上升趋势可望逐步减缓直到停止，陆地生态系统的碳汇功能将随之由持续上升转为持续下降并最终趋于零。因此，未来“碳中和”背景下中国陆地碳汇潜力估算必须考虑由“碳中和”本身导致的低CO2浓度情景。

图2未来不同大气CO2浓度变化情景下中国陆地生态系统碳汇的发展趋势

植树造林的增汇效应随着林龄增加而规律性降低

除CO2施肥效应外，植树造林、退耕还林、天然林保护等生态工程也对当前中国陆地生态系统碳汇增加起了很大作用。得益于植树造林，中国森林覆盖率由20世纪70年代的不足13%增至现阶段的23%。目前，中国人工林面积约8000万公顷，居于全球首位。中国人工林当前以幼龄林和中龄林为主，整体林龄较低，处于森林演替的早期阶段，生态系统碳汇潜力较大。有研究表明，2000~2040年间，林龄增加将导致中国森林植被碳储量增加6.69PgC。

然而，随着整体林龄的增加，成熟林和老龄林比例上升，森林生态系统趋于平衡，碳汇能力也将逐步降低。这意味着森林碳汇强度存在林龄阈值。要想长期维持人工林较高的碳汇能力，需要通过科学的森林经营管理措施，适当更新年龄结构，优化林龄时空布局，延长森林碳汇服务时间。

陆地生态系统碳汇演变规律对中国“碳中和”战略实施的几点启示

（1）陆地生态系统碳汇在“碳中和”战略目标中的重要作用在于为工业减排赢得关键时间窗口

对特定生态系统而言，其固碳潜力更像是一个有着固定体积的容器，当生态系统趋于成熟和稳定，生态系统总初级生产力趋于饱和，这个固碳“容器”迟早会被装满。即使环境条件变化如CO2施肥效应能够在一定程度上通过增加GPP进而增加生态系统固碳，其效应也会逐渐减弱。换言之，无论现阶段全球和中国陆地生态系统碳汇大小如何，从长远来看，陆地生态系统固碳潜力是有限的，增汇空间也是有限的。因此，陆地生态系统在“碳中和”战略目标中的作用是部分抵消人为活动碳排放，延缓气候变暖；在短期内提供低成本碳吸收途径，缓解减排压力，为工业减排赢得关键时间窗口。而依靠技术进步推进工业减排和经济深度脱碳、最终实现并长期保持人为净零碳排放才是实现“碳中和”进而达到《巴黎协定》温控目标的根本有效途径。同时应注意，如果采取科学的生态工程和管理措施，可以缓解长期时间内陆地碳汇将逐渐下降的不利影响，能够将生态系统碳汇能力维持在一定水平、延长碳汇服务时间，以充分发挥碳汇的时间窗口作用。

（2）什么时候植树造林，需要基于森林演替规律进行科学规划

什么时候造林、如何维持一个合理的森林年龄结构，需要基于森林生态学理论和森林碳汇管理系统来科学决策。根据碳汇随林龄的变化规律，可以预见未来随着中国成熟林和老龄林比例上升，森林碳汇效应会逐步减弱，同时老龄林对自然灾害的抵御能力也会大幅降低。如果选择当前阶段进行大面积植树造林增汇，一方面其现实可行性需要科学评估；另一方面，新造森林的碳汇能力达到峰值后会下降。随着林龄结构持续老化，2060年以后中国森林碳汇能力可能大幅下降，届时将带来额外的减排压力。因此，植树造林的实施不仅要着眼于如何实现2060年“碳中和”，还需要对2060年之后可能面对的问题作出科学预判。

针对造林碳汇效应随森林老化而减弱的问题，如果能够采取合适的森林管理措施，适当更新森林年龄结构，将可能在较长时间内维持较高水平的碳汇能力。当然，针对特定区域和林种的具体措施还需要进行科学论证，对管理对象、管理方法及其可能导致的碳汇效应进行审慎的评估。

理论上，现阶段的生态系统碳汇不一定是越大越好，需要对新增造林和现有森林未来碳汇的时间路径进行科学规划，使生态系统碳汇变化的时间路径与能源和工业碳排放的减排路径相适应，利用生态系统碳汇为工业减排提供最大程度的成本优化空间。因此，应基于现代森林生态学和森林管理科学理论，开发适用于中国森林生态系统的碳汇管理决策系统，在科学评估基础上，分阶段、分批次开展人工林种植，优化森林年龄结构，从而达到延长人工林碳汇服务时间的目的。

（3）在哪里植树造林、选择什么树种，需要结合生态系统本底以及气候变化情景进行综合区划

植树造林是一项综合生态工程。由于森林对气候系统和水循环系统影响复杂，评估和选择宜林区时，要充分考虑当地气候条件、土壤水分和养分状况等，兼顾植树造林对区域水循环、能量平衡和气候的影响，并考虑未来气候变化情景，在此基础上作出综合区划。

首先，宜林区评估要考虑土壤本底养分状况；其次，要考虑水分供应能力。此外，植树造林会降低地表反照率，在部分地区其导致的地表升温可能抵消植树造林增汇对气候变暖的缓解效应，尤其是在干旱区和寒冷地区，植树造林通过生物地球物理过程导致的增温效应甚至大于其碳汇降温效应。

除了考虑现阶段生态系统本底状况外，未来气候变化情景下的碳汇稳定性也需要提前预判。考虑到森林碳汇周期之长，时间跨度之大(百年尺度)，应该在现阶段造林时就尽可能充分地考虑到未来的气候条件和可能的灾害风险，从树种选择、树种匹配(纯林vs.混交林)和林分结构设计上增加森林对未来极端气候事件的抵抗力和恢复力。总之，在哪里植树造林需要结合生态系统本底状况以及未来气候变化情景进行综合区划，才能不违背植树造林增汇和减缓气候变暖的初衷。

结论

在简述陆地生态系统碳汇形成机制和变化规律的基础上，文章重点探讨了大气CO2浓度变化和植树造林对中国陆地碳汇长期演变的影响，指出陆地生态系统碳汇效应在长时间尺度上将逐渐减弱，因而从长远来看，其固碳潜力和增汇空间是有限的；但陆地碳汇在中国“双碳”政策中仍然具有举足轻重的作用，有望为“碳中和”战略目标中的工业减排赢得时间窗口。植树造林、天然林保护、森林管理等生态工程措施有助于实现增汇并延长陆地碳汇服务的窗口期，但造林的时机和宜林区选择要基于科学认知和预估进行优化布局。未来研究应加强陆地生态系统碳汇监测体系和核算体系建设，有效提升模型对碳源汇动态的模拟和预测能力，发展规划陆地碳汇管理决策系统，为制定行之有效的增汇减排政策提供科技支撑。