中国陆地生态系统碳汇效应评估与管理措施定性评价

中国陆地生态系统碳汇效应评估与管理措施定性评价

1水陆生态系统碳汇工业和信息化以来，温室气体（co、p2o、ch4）的释放迅速增加，导致了目前的全球气候变化。其中，气候变化是最明显的特征之一。为了应对日益加剧的全球变化,国际社会相继签署了《联合国气候变化框架公约》(1992)和《京都议定书》(1997),并由政府间气候变化专门委员会(IPCC)先后发布了四次评估报告(1990,1995,2001和2007年)。如何减少人类活动所引起的温室气体排放、如何增加陆地和海洋生态系统碳汇(carbonsequestration),是当前国际社会减缓和适应气候变化的核心思路。区域陆地生态系统碳汇是指对特定区域内的森林、草地、农田和湿地生态系统碳收支综合评估后所获得的碳(贮量)增量。对中国各类陆地生态系统而言,什么途径或什么人为管理措施具有最佳的碳汇效应、如何科学地评估和认证其碳汇效应,我科学家在不同类型生态系统中均开展了较深入的工作,但对区域尺度陆地生态系统碳增汇的研究还非常少,亟待加强。目前,国际社会普遍采用IPCC碳汇认证体系和方法,该体系主要强调不同土地类型间转化所造成的碳源/碳汇大小,对自然生态过程和许多人为管理措施的碳汇效应并未加以认证(或未提供计算方法),从而增加了IPCC认证结果的不确定性。近年来,中国许多传统的或已经大面积实施的人为管理措施(如天然林保护、草地封育和湿地保护等),虽然已被证实具有明显的碳汇效应,但仍未被IPCC碳汇认证体系所采纳。因此,亟需选择一些具有较高碳汇效应(已大规范推广)的人为管理措施,深入研究其碳收支过程与机理,为其碳汇认证提供理论基础和方法体系。近年来,区域陆地生态系统碳汇措施正在逐渐增多[11,12,13,14,15,16],系统地对各种人为管理措施的碳汇效应及其可行性进行定性评价,不仅可归纳出未来一段时间内需要重点研究的碳增汇的理论,还将为区域陆地生态系统碳增汇的理论研究提供导向性建议。2该区域内的陆地生态系统碳交换方法2.1在自然过程中，陆地生态系统的碳交换轨迹2.1.1生态系统碳支出系统碳收率调控的着力点上述4个过程共同决定了区域陆地生态系统碳循环的时空格局、碳收支状况及其碳源/碳汇转化关系,同时也是人为活动调控生态系统碳收支的着力点和关键点。2.1.2生物过程碳泄漏区域陆地生态系统固碳能力可分别用植被总固碳量(NBPregion)和区域总固碳量(NRPregion)来表示;其中,植被总固碳量计算公式如下:式中:GPP为总初级生产力(grossprimaryproductivity);Ra为生态系统植物自养呼吸(autotrophicrespiration);Rh为生态系统微生物异养呼吸(heterotrophicrespiration);Rb为生物群系呼吸(动物和昆虫等)(biomerespiration);t为有效时间;a为有效面积。因此,根据NBPregion计算公式,能调控上述各个主要因子的人为管理措施,均能提高区域陆地生态系统的植被固碳量。区域总固碳量(NRPregion)计算公式如式(2):式中:Ep为焚烧或火灾等引起的物理过程碳排放(physicalcarbonemission);Lg为水蚀、风蚀和渗漏等引起的地质过程碳泄漏(geologicalcarbonleakage);La为食物采集、采伐和放牧等人为活动所引起的碳泄漏(anthropogeniccarbonleakage);Ep、Lg和La之和为生态系统总碳泄漏(grossecosystemcarbonleakage,ECLG)。因此,任何能减少生态系统碳泄漏的途径均能增加区域陆地生态系统固碳量。2.1.3碳汇型增汇途径研究根据计算公式(1)和(2),基于自然生态过程的碳增汇途径可分为4类(图1):(1)增强碳汇强度型增汇途径该途径一方面通过改良物种、控制植物群落的物种组成和结构、改善植物生长环境,提高植物群落光合能力,增加碳输入,也可简称为“开源途径”。另一方面,该途径还能同时调控植物自养呼吸、动物和微生物异养呼吸,调控凋落物分解与腐殖质化过程,达到减少碳释放的目的,也可简称为“节流途径”。在实践过程中,开源与节流途径并举,将实现生态系统碳汇的最大化。(2)保护碳汇型增汇途径合理地保护自然生态系统或辅以人为措施的生态系统恢复,不仅可提高生态系统生产力;更为重要的是它通过改良微生境,降低原有土壤有机质分解和流失速度,实现保护碳汇型的增汇目的。具体措施包括:天然林保护、湿地保护、退化森林、退化草地和退化湿地的生态恢复。(3)结构调整型增汇途径通过对现有生态系统或土地利用格局进行结构性调整,优化各类生态系统或土地利用类型的空间布局,实现区域生态系统碳增汇目的。主要途径包括:(1)采用具有更高生产力或更高碳汇能力的土地利用类型替代其他土地利用类型;(2)发展生态保护功能更强的土地利用方式或植被类型;(3)优化农业结构/农业垦作制度;(4)优化各类土地利用类型的空间配置,实现区域尺度综合管理模式下碳汇效应的最大化和持久化。(4)减少碳泄漏型增汇途径通过合理的管理措施减少碳泄漏,维持高水平的生态系统碳贮量,也是提高生态系统碳汇功能的重要途径之一。主要措施包括:防止森林和草地火灾的发生、降低水蚀和风蚀、防治病虫害、减少作物秸秆燃烧、合理有序采伐森林等。目前,中国科学家对前两种增汇途径的研究较多,而对后两种途径的研究非常缺乏。事实上,在区域尺度,结构调整型和减少泄露型增汇途径具有巨大的潜力,也是未来研究的重点之一。2.2在人类活动的区域内，陆地生态系统的碳交换方式2.2.1区域增汇/减排社会资本投入统计方法除自然过程外,目前国内外科学家更关注人为活动的区域陆地生态系统碳汇效应。在实际操作过程中,区域尺度陆地生态系统碳增汇效应更多采用经济学的统计方法,即采用区域内的增汇/减排措施、平均增汇/减排效应和活动水平相结合的统计方法,如公式(3)和公式(4)。或者式中:增汇/减排因子是指在标准单位活动水平下人为活动的增汇强度;增汇活动水平是指增汇/减排项目或人为管理活动的规模。公式(3)和(4)是基于人为活动效应、活动规模的的域陆地生态系统碳增汇计量方程,与IPCC碳计量框架基本吻合。2.2.2提高增汇/减排措施的选根据人为活动的陆地生态系统碳增汇效应的估算公式(3)和(4),其增汇途径主要包括:(1)提高增汇因子的强度,提高增汇措施的技术效果;(2)依据特定区域的自然和经济优势,优化布局各种增汇/减排措施,寻求多种措施的组合增汇或减排目的;(3)更合理地设定各种增汇/减排措施的活动水平,既保证其技术/经济可行性,又使其增汇/减排效应不因规模扩大而降低;(4)降低增汇/减排措施实施过程中所引起碳泄漏,提高生态系统净增汇效应。3区域碳交换措施和评价3.1碳增汇其他社会管理措施针对不同类型的生态系统,人们已经提出多种行之有效的人为管理措施,用以提高区域尺度陆地生态系统的碳贮量。表1概括了当前中国森林、草地、农田和湿地生态系统碳增汇的各种主要人为管理措施;并从碳增汇效应、技术成熟度、环境适应性、社会适应性、增汇效应评估难度和碳汇效应综合评估等指标,对各项人为管理措施的碳汇效应进行了定性评价。从碳增汇效应的角度,应重点关注以下人为管理措施(表1):(1)森林生态系统的造林再造林、退耕还林、天然林保护和森林抚育;(2)草地生态系统的天然草地封育、退耕还草和天然草地刈割;(3)农田生态系统的少耕、免耕、秸秆还田和施用有机肥;(4)湿地生态系统的湿地保育和退田还湖。3.2人为管理措施考虑到评估难度和可验证性的要求,IPCC碳汇认证体系主要强调不同土地类型间转变所造成的碳源/碳汇大小,并未考虑自然过程和许多人为管理措施的碳增汇效应。从表1可以看出:许多人为管理措施虽然已经被证明在特定区域的陆地生态系统中具有明显或可验证的碳汇效应,但仍未被IPCC碳汇认证体系所采纳。因此,对中国相关领域科学家而言,当务之急是针对表1中具有较高碳增汇效应的人为管理措施,开展深入的碳收支过程及其机理的研究,并有针对性地提出科学的、可验证的碳汇评估方法,争取早日将这些已在中国大面积推广的管理措施纳入到IPCC碳汇认证体系中,为中国碳汇评估及其相关的外交谈判做出更大的贡献。4通过区域碳交换技术和方法分析，提出了区域碳交换措施4.1不同碳增汇措施的适应性增汇措施的技术可行性是实施碳增汇计划的基础,主要受3个因素的制约:(1)增汇措施的科技水平和技术成熟度,即研制该增汇措施的科技条件、技术路径、技术规范性和可操作性;(2)增汇措施的环境适应性,即在增汇措施大规模推广过程中,区域内自然环境或生产条件的制约程度;(3)增汇措施的社会适应性,即技术成熟的管理措施在大规模推广时,是否受传统行为、社会机制或现行法规的制约。从表1可以看出,目前大多数据碳增汇措施均具有一定的技术可行性;然而,受一个或多个因素的制约,大多数管理措施仅在特定区域具有较好的增汇效应。因此,在选择何种管理措施或组合时,应因地制宜,根据各地区生态环境和社会经济状况,制定适宜的管理措施(组合),实现区域尺度陆地生态系统碳增汇最大化。4.2按国家政策分类目前,国内外碳贸易市场仍未充分培育,碳增汇措施还难以纳入市场经济的调控范畴。因此,在选择具体增汇措施时,如不考虑增汇措施的成本、附加经济利益以及地方(或中央)政府的财政支撑能力,再好的技术措施在推广时也必将面临极大困难。从经济可行性角度,现有的碳增汇途径可大致分为4类:(1)依赖于国家行为或国家财政投入的增汇措施。这类措施主要属于资源和环境保护型的增汇措施,在改善区域生态环境的同时实现碳增汇;如退耕还林、退耕还草、森林、草地和湿地自然恢复。(2)需要高投入的碳增汇措施。这类措施以碳增汇为主要目标,通过高投入(或牺牲当前利益)来换取碳汇,以应对未来的碳贸易和各国减排需求,如单纯的速生林建设、采用清洁能源和施用抑制剂减少温室气体释放等。(3)低成本碳增汇+环保兼容型措施。在农林业经营过程中,在国家财政补贴下,采用具有生态保护性的技术措施,在确保经济利益前提下实现碳增汇。如森林和草地防火、山地水土保持、人工林轮伐、草地轮牧、保护性耕作、有机肥施用和秸秆还田等。(4)增产与碳增汇兼容的管理措施。在农林业生产经营过程中,通过选育优质种子资源、肥力投入、合理的灌溉排水、森林经营管理和草地经营管理等,在实现增产/增收的前提下实现碳增汇。4.3制定区域陆上生态系统碳增汇策略在增加技术和经济投入时,陆地生态系统大多表现为明显的碳增汇效应;通常,逻辑斯缔方程(logisticequation)可较好地模拟陆地生态系统碳贮量随着技术或经济投入强度的变化趋势(图2a)。因此,制定区域陆地生态系统碳增汇策略时,应首先弄清不同技术/经济投入强度下特定生态系统碳增汇效应的特征曲线(图2b),再结合不同区域的生态-经济-社会现况,因地制宜地制定碳增汇目标和技术途径,实现区域陆地生态系统碳增汇最优化并保证其具有可持续性。从经济学角度考虑(图2b),低投入或少投入即可获得较高的碳增汇效应,这类措施应优选选用,并鼓励大面积推广;当然,在合理的技术和经费投入状况下,能实现更高的生态系统碳贮量和增汇效应,这类措施是未来的最佳选择;高经济投入或高技术投入,虽然可换取更高的生态系统碳贮量,但随着投入强度的增加,其单位投入的碳汇效应(回报值)明显下降,这类措施目前应不提倡甚至加以限制。5对中国区域生物碳汇效应的评估中国现有大多数碳增汇措施在理论上和技术上都是可行的。但在实际操作过程中,在选择技术或经济投入规模时,应充分考虑陆地生态系统在特定管理措施下碳增汇效应的特征曲线,通过合理的技术或经济投入,实现高增汇效应和高产出/投入比的双重目的,使人为管理的碳增汇效应达到最优化。此外,大多数人为管理措施,虽然已在不同区域陆地生态系统被证明具有明显且可验证的碳汇效应,但仍未被IPCC碳汇认证体系所采纳。在未来一段时间内