碳循环研究的重要科学问题

碳循环研究的重要科学问题

全球和区域碳循环已成为全球变化研究和宏观生态学的中心内容之一。在碳环研究中，一个重要的科学问题是对区域或全球碳源、碳交换和变化的回应。由于它与《京畿道条约》签署的国际公约密切相关，因此它不仅是一个科学的建议，也是国际社会的中心。通俗地说,当生态系统固定的碳量大于排放的碳量,该系统就成为大气CO2的汇,简称碳汇(Carbonsink),反之,则为碳源(Carbonsource).西方主要发达国家对本国生态系统的碳汇进行了较为全面的估算.例如,Pacala等发现,在1980年代美国本土的陆地生态系统吸收了其工业CO2排放量的30%～50%.欧洲大陆吸收了其工业源CO2的7%～12%.相对于这些国家,中国仅对某些植被和土壤类型的区域碳汇进行了估算,而缺乏对整个生态系统的全面评估.例如,在植被方面,刘国华等,Fang等,Piao等评估了中国森林植被和中国草地的生物量碳汇.在土壤方面,Pan等分析了中国水稻土的碳汇和固碳潜力;黄耀和孙文娟分析了中国耕作土壤有机碳储量的变化.另外,Cao等利用生态过程模型估算了中国陆地生态系统的净生产力(NEP),尽管在区域尺度上NEP不等于碳汇,但常常作为碳汇大小的量度.本研究利用最新的资料和有关参数,参考国内外最新的研究结果,对1981～2000年间中国森林、灌丛、草地和农作物等4种主要植被类型的生物量碳汇进行较为详细的评估,并讨论整个生态系统(植被和土壤)的碳汇大小及其变化.1主要原则和方法1.1区域生物量碳库的估算目前国家或区域尺度森林生物量的推算大多使用森林资源清查资料.由该资料来推算森林生物量,首先要建立生物量与木材蓄积量之间的换算关系,即生物量换算因子(BiomassExpansionFactor,BEF).研究表明,BEF值随着林龄、立地、林分密度、林分状况不同而异,而林分蓄积量综合反映了这些因素的变化,因此,可以作为BEF的函数,以反映BEF的连续变化.基于这一思想,作者建立了“换算因子连续函数法”,即式中,a和b为常数.在(1)式中,当蓄积量很大时(成熟林),BEF趋向恒定值a;蓄积量很小时(幼龄林),BEF很大.这一简单的数学关系符合生物的相关生长(Allometry)理论,可以适合于几乎所有的森林类型,并且由该式可以非常简单地实现由样地调查向区域推算的尺度转换,从而为推算区域尺度的森林生物量提供了简捷的方法.在(2)和(3)式中,Y,A,x和BEF分别是全国的总生物量、总面积、全国平均蓄积量和所对应的换算因子;Ai,Vi,xi和BEFi分别是某一森林类型在第i省份的总面积、总蓄积量、平均蓄积量及所对应的换算因子.i,j和l分别为省区、地位级和龄级;Aijl,xijl和BEFijl分别为第i省区、第j地位级和第l龄级林分的面积、平均蓄积量和换算因子,m,n和k分别为省区、地位级和龄级的数量.其推导过程,详见方精云等.作者利用各地不同森林类型样地的材积和生物量实测资料,基于连续生物量换算因子法,建立了各类型森林的换算因子等参数(附表1).利用这些参数和1977～1981,1984～1988,1989～1993,1994～1998和1999～2003年等时期的森林资源清查资料,可以相当方便地计算1981～2000年间中国森林生物量碳库及其变化.需要说明的是,作者早期报道的中国森林碳库及其变化的结果是基于郁闭度为30%的森林标准估算的.但自1994年以后,中国在森林资源清查中,对森林的定义有所改变,即由郁闭度为30%改为20%.尽管这种改变对估算森林碳库带来很大困难,但便于与国际同类工作的比较,因为世界上多数国家采用20%,甚至10%的郁闭度作为森林标准由于森林标准的改变,森林的面积、单位面积的森林碳密度以及相伴随的森林碳汇都会发生较大的变化为了采用新的标准估算森林碳汇,需要得到不同时期郁闭度为20%时的森林面积和碳密度等参数,但早期的森林统计资料(1977～1981和1984～1988年)缺乏此类信息.分析同时具有两种森林标准的1993～1998年的统计数据发现,在各省区水平,两种森林标准的森林总面积之间和森林总碳库之间都具有极好的线性关系,即:面积之间的关系:总碳量之间的关系:TC0.2=1.122TC0.3+1.157(R2=0.995,n=30),(5)式中,AREA0.2和AREA0.3分别为郁闭度为20%和30%时某省区的森林面积(104ha);TC0.2和TC0.3分别为郁闭度为20%和30%时某省区的森林总碳量(TgC;1TgC=0.001PgC=1012gC).利用上式,我们获得了1977～1981和1984～1988两个时期郁闭度为20%时各省区的森林总面积和总碳量,并由此得到单位面积的碳密度(表1).1.2草坪(1)地上生物量的基础数据中国从1979年开始,分3个阶段实施了全国草地资源的统一调查,其中1981～1988年为草地资源的调查阶段,调查范围覆盖了全国2000多个县.本文地上生物量的基础数据主要来源于基于此次调查出版的《中国草地资源数据》.该数据记载了各省的每一草地类型平均单位面积产草量.利用该数据和方精云等提出的方法,计算获得了中国各省区各类型草地的地上生物量,并用0.45的转换系数将生物量转换成碳量.(2)地上生物量及其时空变化遥感数据(均一化植被指数,NDVI)为研究大尺度的植被动态及其空间分布提供了有效信息.它与植被生物量或生产力之间常呈良好的正相关关系,因此常作为其指标.本文通过建立NDVI和地上生物量之间的关系来计算中国草地地上生物量及其时空变化.所使用的NDVI来自GIMMS的1982～1999年8km分辨率,每15天的数据.该数据广泛应用于全球和中国植被生产力的研究.该数据的校正和处理,详见Piao等.为了建立NDVI与地上生物量的关系,我们先计算每一空间位置上各年的最大NDVI,记为NDVImax,然后计算得出1982～1999年间每一省份对应草地类型的平均NDVImax.最后建立以NDVImax为自变量、生物量密度为因变量的回归模型((6)式).利用该模型和1982～1999年间每年的NDVImax,分别计算了1982～1999年间中国草地地上生物量及其时空变化.详细的数据处理过程等,见Piao等.(3)地下和地上生物量的比值在草地生态系统中,地下生物量在全部生物量中占很大比重.在我们的估算中,利用地下和地上生物量的比值来估算地下和总生物量,并假定同一草地类型的该比值不变来估算期初和期末的地下生物量.中国17种主要草地类型的该比值见朴世龙等.1.3主要作物碳汇的时空分布中国是一个农业大国.农业植被在生态系统碳循环中起着十分重要的作用.估算作物生物量碳库及其变化的方法是利用作物产量的统计数据及各主要作物的相关参数来进行,即下式:其中,B为作物生物量,W为作物经济产量的含水率,P为作物经济产量,E是收获系数(harvestindex),即为经济产量与生物产量之比.附表2列出各主要作物的收获系数和经济产量的含水率.为了获得作物生物量碳库的空间分布及其变化,与推算草地生物量碳库的方法相似,我们利用各省区各作物的平均生物量密度与相对应的平均NDVI进行统计回归,获得如下回归方程:式中,Bm为生物量密度(t/km2或g/m2),NDVI为各像元的年均NDVI值.利用该方程以及农业统计数据和各年份的NDVI数据,就可以估算不同年份中国农业植被生物量碳密度的空间分布及其时间变化.本研究中,生物量与C量之间的转换因子为0.45.考虑到作物的收获期短,作物生物量作为碳汇的效果不明显,因此,常设定作物生物量的碳汇为零.本文也采用同样处理.1.4森林和草地的碳汇灌草丛是中国分布广泛的另一种植被类型,面积约为178×104km2,但其生产力和碳汇的研究十分稀少.我们试图用两种方法来计算.首先,通过建立跨植被类型的植被生产力(NPP)和碳汇之间的关系,来估算灌草丛的碳汇.研究表明不同类型的森林和草地的碳汇(y,MgC·ha-2·a-1)与其NPP(x,gC·ha-2·a-1)之间呈如下关系:式中,NPP是基于CASA模型计算得到的.不同类型森林和草地的碳汇数据来自Piao等和Fang等.(9)式表示碳汇随着NPP的增加逐渐增加;当NPP增加到某一值时,碳汇达到极大.这种变化过程可以从植物生理学上得到一些解释.如,热带雨林的NPP很大,但由于其呼吸分解迅速,净积累的干物质并不多,即碳汇量不大;干旱-半干旱区的草原其本身的NPP较低,积累的干物质也较低;而温带森林的碳汇量较大.第二种方法是利用“碳汇效率”来估算.我们把某一类型的植被每单位NPP所产生的碳汇量定义为该植被的碳汇效率(carbonsinkefficiency,CSE),记为一般来说,热带林的CSE较低,而温带林的CSE较高,因为热带林虽然NPP较大,但消耗和周转的光合产物也较快,所以净积累的干物质(碳汇量)较小,温带林则不然.例如,利用已经发表的NPP和碳汇数据计算可知,中国常绿阔叶林的CSE较小,为0.026;落叶阔叶林最大,为0.078.中国森林的面积加权平均CSE为0.057,草地的面积加权平均CSE为0.015.灌草丛植被可以看成是介于森林和草丛植被的中间类型,因为较为密集、高大的灌丛进一步生长可以形成森林(次生林),从而具有森林的性质;而草丛则具有草地的性质.所以,取森林和草地的平均CSE(0.036)作为中国灌草丛的CSE.这样,就可以由灌草丛的NPP和CSE值,求算其碳汇量.2主要结果与分析2.1森林碳库及其分配如前所述,作者曾对中国过去50年森林植被的碳库及其变化进行了研究,发现中国森林在最近的20年里是一个显著的碳汇.但这些分析是基于郁闭度为30%的森林标准进行的,并且使用的数据截至到1998年.本文报告郁闭度为20%、森林调查期限为1977～2003年间的重新估算结果.结果显示,中国森林碳库由1980年代初(1977～1981)的4.30PgC增加到21世纪初(1999～2003)的5.85PgC,年平均增加0.075PgC/a(表1).单位面积的森林碳密度也显著增加,由初期的36.9MgC/ha增加到研究期末的41.0MgC/ha.从表1还可以看出,不同时期的碳汇大小差异较大;前10年的平均碳汇为0.058PgC/a,后10年的均值为0.092PgC/a(表1).这表明,中国森林植被的碳汇功能在显著增加,尤其是最近一个调查期(1999～2003),碳汇达到0.17PgC/a.该值已超过美国森林植被的碳汇值(0.11～0.15PgC/a).中国森林碳汇显著增加主要是由于人工造林生长的结果.据估计,中国人工林对中国森林总碳汇的贡献率超过80%.2.2草地碳汇作用基于前述计算方法,获得了中国草地碳汇等参数(表2).过去的20年,中国草地的年平均碳汇为7TgC,约为森林植被的十分之一.因为草地面积约是森林面积的3倍,所以,中国草地单位面积的碳汇能力实际上仅相当于森林的1/30.尽管中国草地总体上起着碳汇的作用,但存在着巨大的空间异质性.内蒙古东部、大兴安岭东侧、天山、阿尔泰山、藏南等草地起着明显的碳汇作用,青藏高原的腹部则起着碳源的作用.2.3阅读速率增加在过去的20年里,中国农作物的生物量按每年0.0125～0.0143PgC的速率增加;1982～1999年间,生物量碳库增加0.19PgC.但如前所述,这些增加的生物量绝大部分在短期内经分解又释放到了大气中.因此,设定农作物生物量的碳汇为零.2.4总碳汇与总碳汇基于碳汇与NPP关系(式(9)),我们可以估算中国灌草丛的碳汇量.中国灌草丛的面积加权平均NPP为218.9gC/m2·a.那么,中国单位面积灌草丛的碳汇为0.134MgC/ha·a.按灌草丛的总面积为178×104km2计算,中国灌草丛的年碳汇量为23.9TgC/a.基于碳汇效率(CSE)得到的中国灌草丛单位面积的碳汇为0.079MgC/ha·a,总碳汇为13.9TgC/a.该值比基于碳汇-NPP关系计算的要小41.8%.如果把前一种方法估算的结果视为极大值,后一种方法得到的为极小值的话,中国灌草丛的总碳汇则在13.9与23.9TgC/a之间,其均值为18.9TgC/a.2.5土壤碳汇与中国森林碳汇的关系归纳上述各植被类型的估算结果,得到中国陆地植被生物量的总碳汇为96.1～106.1TgC/a(表3).那么,过去20年中国植被的总碳汇为1.92～2.12PgC.该值并不是整个生态系统的碳汇.生态系统的总碳汇应该包括植被和土壤两部分.因为中国土壤(尤其是自然土壤)碳汇的测定数据极少,目前很难对中国土壤的碳汇作出较为准确的评估.但鉴于其重要性,本文对其稍作讨论.由于数据积累极少,目前土壤的碳源和碳汇大小是最不确定的.Pacala等估算美国森林土壤的碳汇上限值与森林植被的碳汇值相当(土壤0.03～0.15PgC/avs.植被0.11～0.15PgC/a);农业土壤基本持平或是一个极弱的汇(0.0～0.04PgC/a);其他生态系统的土壤碳汇不明.总体来说,美国的土壤碳汇是植被碳汇的2/3左右.在欧洲,土壤碳汇约占生态系统总碳汇的30%.在中国,土壤固碳的研究奇缺,目前仅见于农业土壤的报道.例如,Pan等报道1990年代中国水稻土的碳汇为12TgC/a;俞海等认为在1980～1990年代的20年里,中国东部地区耕地土壤的有机碳量增加了10.4%.徐艳等对过去20年来中国潮土区与黑土区土壤有机质变化进行了对比分析,发现潮土区的土壤有机质呈增加趋势,而黑土区则呈降低趋势.实验研究表明,肥料的长期施用有利于中国耕作土壤的有机碳积累.Lal和潘根兴等认为中国耕作土壤具有很大的固碳潜力.最近,黄耀和孙文娟对近20年中国耕作土壤有机碳储量的变化作了详细分析,认为中国耕作土壤的平均碳汇为15～20TgC/a.该值相当于中国年作物总生物量碳库的2.8%～3.7%(利用(8)式计算得出1980～1990年代中国年平均生物量碳库为0.545PgC).由此看来他们的估计是可以接受的数值.总之,中国耕作土壤起着碳汇的作用,尽管李长生用模型模拟认为自1950年代以来中国耕作土壤的有机碳是丢失的.中国耕作土壤碳储量的增加是由于秸秆还田、浅耕和免耕的推广以及化肥的合理施用等因素导致的.对于其他植被类型的土壤,虽然我们没有见到碳汇的测定报道,但仍可以作出一些定性的分析.过去的20多年里,中国的森林面积和生物量都在显著增加,这意味着中国森林的土壤碳库也是在增加的,因为一般认为由非森林土壤转变成森林土壤,以及地上生物量的增加都会增加其土壤的有机碳.中国草地的生物量碳库在增加,可以推测其土壤的碳储量也应该在增加.另一个分布广泛的植被类型——灌草丛植被在过去的20多年里,得到较快的恢复,表明其土壤碳储量在增加.另外,尽管风蚀能造成土壤有机碳的流失和CO2的排放,但这种作用主要由风力搬运所导致,主要对产生地区(源)和接受地区(汇)的碳平衡产生影响.就国家尺度来说,这种影响应该很小,所以,本文不予考虑.也就是说,中国主要植被类型的土壤都发挥着碳汇的功能,但其数值有多大,除耕作土壤外,我们不得而知.因此,为参考起见,本文利用国外的结果进行估算.Pacala等估算美国的土壤碳汇是植被碳汇的2/3左右.欧洲土壤碳汇约占生态系统总碳汇的30%.作为保守的估计,我们采用欧洲(土壤碳汇约占总碳汇的30%)和北美的数值(植被碳汇的2/3)来概算中国土壤碳汇的可能范围.因为中国植被碳汇为96.1～106.1TgC/a(表1),那么,土壤碳汇的低值范围为41～64TgC/a,高值范围为46～71TgC/a,总范围为41～71TgC/a(表3).如果以黄耀和孙文娟的估计作为基数的话,该值是耕作土壤碳汇的3～4倍中国农作物的面积约占森林、草地、灌草丛等面积的1/7(表3).考虑到农作物的高生产力、秸秆还田、较为精细的生产技术等因素,可以认为中国土壤的总碳汇为41～71TgC/a是可以接受的估计值.那么,在1981～2000年间,中国陆地生态系统(植被+土壤)的总碳汇将达到2.7～3.5PgC.为了评估中国陆地生态系统的碳固定在抵消中国工业源释放CO2中的作用,我们根据中国化石燃料的使用量和化石燃料释放碳的计算方法,得到中国于1981～2000年间排放的工业CO2总量为13.2PgC.那么,在过去的20年里(1981～2000),中国陆地植被碳汇抵消了同期中国工业CO2排放量的14.6%～16.1%.该值大于欧洲的相对吸收量(1995年的值为7%～12%),而小于美国的值.在1980年代,美国陆地碳汇(不包括在木材和泥沙中的碳存积)为0.25～0.47PgC,相当于美国同期工业排放量的20%～40%.但如果考虑中国整个陆地生态系统,则中国的总碳汇相当于同期中国工业CO2排放量的20.8%～26.8%.该值显著大于欧洲的相对吸收量,略小于美国的值.考虑到中国森林面积的快速增加导致中国森林碳汇,尤其是人工林碳汇强劲增加的势头,中国陆地的碳汇能力完全可以与美国相当,甚至超过美国的水平.2.6中国碳汇估算的缺陷上文对中国主要植被类型和土壤的碳汇进行了估算,但其结果具有很大的不确定性.(1)森林:森林碳汇估算的主要误差源有森林清查时的误差、生物量测定误差以及利用BEF值估算区域碳库所带来的误差等.一般来说,清查时的误差较小,在中国应小于5%;生物量的野外测定可能带来一定的误差,但目前无法进行评估;利用BEF值估算省区生物量时可能产生较大误差,但全国的总误差小于3%.总的来说,不同来源的误差很复杂,难以给出准确的估计,但与研究的尺度有密切的关系.如在美国的一些州,森林蓄积量的误差仅为1%～2%,但到了县级水平,却增加了8倍以上.在中国,全国总蓄积量的估算误差小于3%.在本文的估算中,一个重要的缺陷是没有估算经济林、竹林、农田防护林以及四旁绿化树种等的碳库及其变化.在过去的几十年里,中国农田防护林以及四旁绿化造林呈增加趋势,因此,这部分的碳库应该是增加的.估算这部分的碳汇是今后的一个重要工作.(2)草地:草地碳汇估算值的主要误差来源有:草场资源清查、遥感数据和地下生物量的估算.草场清查的误差要求在10%以下.由遥感数据估算地上生物量(6)式的误差在全国水平为35.9%.由地上地下生物量比来估算地下生物量是草地碳汇估算的最大误差,但目前不能给出误差范围.(3)灌草丛:本文基于碳汇与NPP关系和基于碳汇效率(CSE)对中国灌草丛的碳汇进行了估算,得出的估算值差异较大,这反映了不同方法所带来的误差.中国几乎没有灌草丛碳汇的测定数据,因此无法检验本文的估算精度.美国灌草丛的碳汇为0.12～0.13PgC/a,占美国总碳汇量的约30%,而中国草灌丛的碳汇仅是美国的15%～16%.这说明本文所得出的估算值可能偏小.(4)农作物:本文假定中国农作物生物量的碳汇为零,因为它们中的绝大部分在较短的时间里分解释放到大气中.这种假定基本上是成立的.虽然农作物生物量的一部分以秸秆还田的形式进入土壤中,成为土壤有机碳的一部分,但它们已经计算在土壤碳汇中.(5)土壤:中国土壤(尤其是自然土壤)碳汇的测定数据极少,因此目前很难对其碳汇进行较为准确的评估,成为中国碳汇估算中最不确定的部分.这也是未来中国碳汇研究的重点.3价格补充3.1中国森林固碳能力将比近代我国低碳经济生产所输的森林见表2随着中国人工造林和天然林保护力度的加强,以及水土保持和土地有效管理等事业的推进,可以期待中国陆地生态系统的固碳潜力会得到进一步的增强.本文仅对中国森林未来的固碳潜力作一展望.如前所述,中国森林的固碳能力在过去20年里显著增加.有理由相信,在未来的几十年里,这种趋势仍会保持下去.具体表现在两方面:森林面积的增加和森林生长的加速.(1)森林面积的增加:中国现在的森林覆盖率为16.5%(郁闭度为20%的森林面积为142.8×106ha),平均碳密度为41MgC/ha.按照中国林业的中长期发展规划,到2030年,中国的森林覆盖率将达到24%以上.也就是说,在未来的20多年里,中国成林的总面积将增加到约210×106ha.假定森林植被的平均碳密度不变,中国森林(成林)植被的碳储量则由现在的5.85PgC,增加到8.61PgC,净增加2.76PgC.显然如果再考虑森林地表和土壤中的碳积累,这个数值将更大.(2)森林生长的加速:目前中国的森林多为生物量密度(或碳密度)较低的人工林和次生林.在华南、华中和华东等广大地区,森林的平均碳密度大多低于25MgC/ha,远低于全国平均水平的41MgC/ha和全球中高纬度地区43MgC/ha的平均值.据估算,解放初期,中国森林的平均碳密度约为50MgC/ha.那时的森林可以理解是以成熟林为主.从这种意义上讲,中国目前的森林离成熟状态还相差很远.如果这些人工林和次生林都恢复到成熟林的水平,那么,中国森林将吸收大量的CO2.据分析,中国目前平均碳密度低于50MgC/ha的面积占森林总面积的66%.如果用50MgC/ha作为中国成熟林的平均碳密度,那么,这些森林恢复到5