森林植被碳儲量研究綜述與展望

胡忠宇 蘇建蘭

(西南林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，云南 昆明 650224)

森林植被有較強(qiáng)的儲碳能力，森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)全球碳平衡和減緩氣候變化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]，良好的森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境是實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，同時森林生態(tài)系統(tǒng)是中國陸地生態(tài)系統(tǒng)庫的主體，發(fā)揮著明顯的碳匯功能。2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，指出中國將采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提出后，國內(nèi)外學(xué)者圍繞優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)路徑開展了諸多研究，指出碳減排和增匯是關(guān)鍵途徑，利用自然之力解決氣候變化問題成為相關(guān)領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力研究相繼成為學(xué)界重點(diǎn)議題，碳儲量的計量和應(yīng)用更是開展氣候治理、“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)的重要一環(huán)。

森林碳儲量是指森林植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中，從而減少該氣體在大氣中的濃度，森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，有研究數(shù)據(jù)表明，作為固碳主體的森林生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)了約80%的固碳量，抵消了同期中國化石燃料碳排放量的14.1%[2]，此外，森林碳儲量還是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和森林質(zhì)量評價的重要指標(biāo)之一，是聯(lián)合國氣候變化框架協(xié)議和千年發(fā)展目標(biāo)的重大課題內(nèi)容[3]。因此，科學(xué)合理估算植被碳儲量，探析森林碳儲量發(fā)展沿革，了解國內(nèi)外有關(guān)森林碳儲量研究的差異，并據(jù)此提出行業(yè)發(fā)展趨勢和研究側(cè)重點(diǎn)，在豐富理論研究的同時可促進(jìn)區(qū)域森林植被碳儲量計量方法的完善，全口徑估算區(qū)域乃至全國森林碳匯量，挖掘森林碳匯潛力，助力森林碳匯發(fā)展的同時推動“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)。

1 國內(nèi)森林植被碳儲量研究

有關(guān)森林植被碳儲量開展的時間整體來說國內(nèi)滯后于國外，但國內(nèi)外研究方向基本趨同，即國內(nèi)學(xué)者首先借助科學(xué)手段測算不同樹種不同部位的生物量，后逐步推算出森林生物量、碳儲量計量公式。在碳儲量計算方法發(fā)展的同時，另有學(xué)者基于樣本數(shù)據(jù)開展研究不同優(yōu)勢樹種的含碳率(CF)，最終利用生物量和含碳率2個關(guān)鍵指標(biāo)估算出森林植被的碳儲量，隨著研究的不斷深入，森林植被碳儲量估算方法已逐漸延伸，涉及以生物量和含碳率2個指標(biāo)為基礎(chǔ)估算的生物量法、以森林面積和森林蓄積估算的森林蓄積量擴(kuò)展法、基于技術(shù)手段估算的模型模擬法和遙感估算法，利用不同方法測算區(qū)域森林碳儲量、不同林分結(jié)構(gòu)的森林植被碳儲量、森林碳匯潛力成為學(xué)界熱點(diǎn)話題?；诖?，筆者從森林植被生物量、碳儲量估算方法、不同樹種含碳率研究、森林碳儲量應(yīng)用開展幾個方面展開研究梳理和分析。

1.1 國內(nèi)森林植被生物量研究綜述

國內(nèi)關(guān)于森林植被生物量的測算起始于20世紀(jì)80年代初，鄧士堅[4]、杜曉軍[5]率先通過樣本收獲法、營養(yǎng)元素含量測定和剖面法測量出杉木人工林生物量和長白山森林生態(tài)系統(tǒng)3種森林類型根系的生物量，此舉揭開了國內(nèi)基于技術(shù)手段測算植被生物量的序幕；此后，方精云[6]、劉國華[7]通過構(gòu)建森林植被不同組成部分的生長經(jīng)驗(yàn)方程、不同森林類型生物量和蓄積量之間的回歸方程于大區(qū)域尺度推算出全國不同類型優(yōu)勢樹種的生物量；如今，有關(guān)森林植被生物量的研究已由喬木林不同器官測量逐漸延伸開來，涉及到竹林、整株樹木、全國森林生態(tài)系統(tǒng)。蔡越[8]、鄭陽龍[9]基于地面LiDAR構(gòu)建回歸模型，研究單株竹子和生物量之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了生物量估算的準(zhǔn)確高效；王嫄[10]采用三維激光掃描儀測算整株樹木不同部分的密度，進(jìn)而測算得到立木的生物量；張煜星[11]更是根據(jù)氣候差異和樣本量將全國分成7個區(qū)域，同時按區(qū)域構(gòu)建起25個樹種樣本，進(jìn)而構(gòu)建起不同區(qū)域的林分生物量模型，這對區(qū)域乃至全國森林植被生物量的研究意義重大。

可見，國內(nèi)有關(guān)生物量的研究由局部逐漸延伸到整體，從初略估算不斷發(fā)展到精確核算。森林植被碳儲量的研究本身就要以森林生物量為基礎(chǔ)[12]，不同學(xué)者先依據(jù)小樣本數(shù)據(jù)桉樹種測定生物量，再發(fā)展到分區(qū)域構(gòu)建生物量估算模型，或采用先進(jìn)技術(shù)估算植被碳密度進(jìn)而提出生物量回歸模型方程。提高了生物量的測量；使得植被碳儲量的估算精度得以提高。因此，森林植被生物量的發(fā)展進(jìn)程是森林碳儲量、森林碳匯研究過程中必須要關(guān)注的重要環(huán)節(jié)。

1.2 國內(nèi)森林植被碳儲量估算方法與植被含碳率研究

森林植被碳儲量計量的準(zhǔn)確與否和估算方法的選擇至關(guān)重要，此外，不同優(yōu)勢樹種含碳率的確定也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國內(nèi)學(xué)者在推進(jìn)森林植被碳儲量方法開展的同時也對植被含碳率的確定做了詳細(xì)深入研究。學(xué)者周國模[16]、田大倫[17]率先對浙江臨安的毛竹和湖南會同的杉木按照不同器官測定其含碳率，二者在研究結(jié)論中都指出不同優(yōu)勢樹種不同林齡的含碳率差距較大；“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提出后，學(xué)界對森林碳儲量的研究掀起新的熱潮，基于森林碳匯視角下含碳率的研究也進(jìn)一步深入，徐期瑚[18]、張悅[19]基于樣地數(shù)據(jù)構(gòu)建起模擬模型，深入分析了含碳率對于碳儲量計量科學(xué)性和準(zhǔn)確性的重大影響，并指出含碳率的研究在森林經(jīng)營管理和規(guī)劃方案落實(shí)方面也有指導(dǎo)作用。

國內(nèi)有關(guān)森林碳儲量估算方法和含碳率的研究已逐漸系統(tǒng)化，諸多學(xué)者的研究內(nèi)容與研究方向?qū)τ谔紖R潛力探析、生態(tài)文明建設(shè)有指導(dǎo)意義。然而，森林碳儲量估算方法和優(yōu)勢樹種含碳率測量的誤差也是不可忽視的問題，構(gòu)建起詳實(shí)科學(xué)的指標(biāo)系統(tǒng)、不斷完善碳儲量估算方法是目前碳儲量推進(jìn)過程中亟需解決的問題。

1.3 國內(nèi)森林植被碳儲量的應(yīng)用研究

在植被碳儲量測算方法和含碳率研究逐漸發(fā)展成熟、相關(guān)參數(shù)不斷趨向標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者有關(guān)森林植被碳儲量的研究開始趨于多元化。有學(xué)者以區(qū)域尺度為研究對象，對不同省域、全國森林碳儲量現(xiàn)狀和動態(tài)變化情況展開定性和定量研究，孫輝祥[20]基于國家森林資源清查數(shù)據(jù)，采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估算出黑龍江省碳儲量為661.78Tg，碳密度33.94Mg·hm-2；張穎[21]以森林蓄積量擴(kuò)展法測算得到北京森林碳儲量1157.75萬t，并據(jù)此提出區(qū)域穩(wěn)碳增匯的路徑選擇；李?？黐22]、張煜星[23]采取歷次森林資源清查數(shù)據(jù)核算全國森林碳儲量現(xiàn)狀與動態(tài)變化情況，指出我國森林碳匯潛力巨大；學(xué)者基于不同樹種特性，于微觀層面對不同優(yōu)勢樹種、不同起源樹種碳儲量和碳密度進(jìn)行核算。學(xué)者曾偉生[24]、程小云[25]分別以東北三省落葉松天然林和人工林、甘肅省天然林為研究對象，深入探析其固碳能力，結(jié)果顯示東北落葉松人工林固碳能力顯著高于天然林、甘肅省天然林碳儲量實(shí)現(xiàn)74.57TgC。

國內(nèi)學(xué)者對區(qū)域或全國森林碳儲量的深入研究不僅探析清楚我國森林碳儲量“家底”，還在碳儲量計量過程中完善了方法學(xué)，區(qū)域或全國碳儲量的估算結(jié)果對于森林經(jīng)營方案的制定和穩(wěn)碳增匯路徑選擇提供重要的數(shù)據(jù)參考；此外，在“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略背景之下，準(zhǔn)確計量森林碳儲量，清晰我國森林資源固碳能力，此舉增加了我國在國際上的氣候談判主動權(quán)，在碳減排治理和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)推進(jìn)中有重要意義和價值。

2 國外森林植被碳儲量研究進(jìn)展與現(xiàn)狀

2.1 國外森林植被生物量研究綜述

國外森林植被生物量研究早于國內(nèi)，早在1876年，德國生物學(xué)家Ebermeyr[26]率先以科學(xué)手段測量了不同樹種各器官和枯落枝葉的生物量，并對外公布德國幾類主要樹種的干重數(shù)據(jù)；到20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)、日本等國家基于研究數(shù)據(jù)指出生物量與森林蓄積、林分結(jié)構(gòu)等指標(biāo)密切相關(guān)[27]；隨著生物量研究的不斷深入，20世紀(jì)80年代，國際科教理事會提出國際地圈和生物圈計劃(IG-BP)，該計劃通過研究地球上主要森林植被類型的生物量及其區(qū)域地理分布狀態(tài)、植被生產(chǎn)力和植物群落分布的關(guān)系，進(jìn)而估算地球生物圈的生物總量，這推動了陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量測算的進(jìn)一步發(fā)展。如今，國外生物量研究主要以遙感技術(shù)為主，該方法在應(yīng)用上科學(xué)準(zhǔn)確，但是操作具有一定的復(fù)雜性，Castro-Magnani[28]、Ghosal[29]分別采用Terra-MODIS遙感衛(wèi)星與IRS P6 LISS-IV數(shù)據(jù)測定美洲和印度西孟加拉喜馬拉雅地區(qū)地上植被生物量，遙感技術(shù)的運(yùn)用相當(dāng)程度提高了生物量測算的精度，為區(qū)域碳儲量研究提供了更加詳實(shí)可靠的來源信息。

2.2 國外森林植被碳儲量估算方法與植被含碳率研究

在碳儲量估算方法方面，國外學(xué)者最初在計量方法確認(rèn)上與國內(nèi)一致，即采用生物量法、生物量清單法、蓄積量擴(kuò)展法，Brown[30]、Schroeder[31]率先構(gòu)建起冪指函數(shù)分析木材蓄積(V)和轉(zhuǎn)換因子(BEF)的內(nèi)在關(guān)系，并提出木材蓄積(V)和轉(zhuǎn)換因子(BEF)之間的函數(shù)表達(dá)式(BEF=aV-b，其中a、b都是大于0的常數(shù))；隨后，Lehtonen[32]充分考量林齡、立地條件、林分狀況等因素后指出優(yōu)勢樹種不同，生物量轉(zhuǎn)換因子(BEF)也就不同。國外森林碳儲量核算的伊始與國內(nèi)采用的估算方法具有一致性，這些方法經(jīng)過了反復(fù)論證，已具有較好的精準(zhǔn)性和科學(xué)性，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和對估算精度的進(jìn)一步要求，國外在植被碳儲量估算上開始引入跨學(xué)科的研究成果，即采用氣象學(xué)或理學(xué)領(lǐng)域的弛豫渦旋積累法、渦旋相關(guān)法和渦度協(xié)方差法對植被固碳情況加以核算。Soloway[33]運(yùn)用渦度協(xié)方差法在長周期數(shù)據(jù)收集后，測算出加拿大Manitoba云杉CO2的交換情況，并據(jù)此推算出該區(qū)域森林植被的碳儲量；Pappas[34]、Rodda[35]皆運(yùn)用微氣象學(xué)法中的渦旋相關(guān)法分別測量加拿大Saskatchewan云杉成熟林碳儲增量與印度中部一個區(qū)間熱帶落葉林的森林碳匯量。可見，目前國外在森林碳儲量方法運(yùn)用上已經(jīng)區(qū)別于國內(nèi)，更多的采用自然科學(xué)領(lǐng)域的研究方法，這些方法的運(yùn)用進(jìn)一步提高了區(qū)域森林碳儲量的計量精度，在開展森林碳匯增量和存量核算時更具科學(xué)性。

國外森林碳儲量估算方法取得較大進(jìn)展的同時，含碳率方面的研究也獲得了進(jìn)一步推進(jìn)。美國學(xué)者Birdsey[36]率先定量估算了當(dāng)?shù)蒯樔~林(Coniferous)的含碳率達(dá)52.1%，闊葉林(Broad-leaved)含碳率為49.1%，值得一提的是，該指標(biāo)一直沿用至今；在森林植被碳儲量估算精度要求愈來愈高的背景下，國外學(xué)者針對植被含碳率也展開了深入探討，將樹種范圍逐漸拓展開來，Ordóez[37]、Aguirre[38]基于區(qū)域和全球森林資源清查數(shù)據(jù)，分別估算墨西哥松林、橡樹林、冷杉和全球5種松木的含碳率，并據(jù)此推算出相關(guān)類型樹種的碳儲量。含碳率的拓展性研究為各優(yōu)勢樹種碳儲量的核算提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使得碳儲量的估算更加科學(xué)與系統(tǒng)。

綜上，國外有關(guān)森林植被碳儲量的研究與國內(nèi)方向進(jìn)程基本趨同，不同的是國外在植被生物量研究和碳儲量方法計量上引入了諸多自然科學(xué)領(lǐng)域的研究成果，實(shí)現(xiàn)了方法的綜合性與創(chuàng)新性，最終估算結(jié)果也更加精確，這對于國內(nèi)森林碳儲量的估算和推進(jìn)具有相當(dāng)程度的借鑒作用。

2.3 國外森林植被碳儲量研究現(xiàn)狀

國外針對森林植被碳儲量的研究開展較早的國家有美國、加拿大、俄羅斯、德國等，這些國家對本國區(qū)域內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量現(xiàn)狀和碳循環(huán)情況開展了深入研究，估算出本國森林碳庫數(shù)量和碳密度值，這與國內(nèi)的研究方向和研究內(nèi)容基本相同。然而，國外在碳儲量測算中更加注重影響因素的探討，從齡組、樹種的差異影響到立地類型、氣候帶對森林碳儲量的影響，深入細(xì)致地探析植被特性和地理因素在森林固碳過程的正面或負(fù)面效應(yīng)，并有針對性地提出森林經(jīng)營管理方案。Pregitzer[39]通過研究不同齡組碳儲量的差異，結(jié)論指出森林碳儲量和齡組呈正相關(guān)，認(rèn)為合理科學(xué)管護(hù)樹木是挖掘碳匯潛力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；Fitts[40]、Crockett[41]分別對美國和加拿大不同氣候帶森林碳儲量做定量研究，在對比其他氣候帶森林固碳數(shù)量后指出森林生長或森林固碳與氣候帶密切相關(guān)，溫帶地區(qū)碳儲量最高，在氣候減緩進(jìn)程中發(fā)揮的作用最大；Shupe[42]更是以Middle Elbe為研究對象，深入分析林齡、樹種結(jié)構(gòu)、物種、水文條件對區(qū)域碳儲量的影響，據(jù)此提出穩(wěn)碳增匯的路徑選擇。

國外有關(guān)森林碳儲量的研究已逐漸深入微觀，由傳統(tǒng)的區(qū)域碳儲量數(shù)量測算轉(zhuǎn)向影響因素探討，在清晰區(qū)域或全國森林固碳影響因素后提出生態(tài)修復(fù)、森林保護(hù)措施，此舉可較好地揭示區(qū)域森林碳匯的制約條件，進(jìn)而基于樹種特性、地理環(huán)境因素提出更加落地的增匯方案，國內(nèi)研究也應(yīng)沿著該方向深入推進(jìn)。

3 研究評述與展望

基于上述文獻(xiàn)梳理和分析可知，在不借助科學(xué)儀器的基礎(chǔ)上核算森林植被碳儲量時，一般采用生物量和含碳率乘積推算碳儲量，故縱觀國內(nèi)外森林植被碳儲量的研究進(jìn)程，總體研究方向和研究內(nèi)容趨同，即最初集中于森林植被生物量研究，而后推進(jìn)到森林碳儲量估算方法和含碳率層面，在估算方法和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展成熟的基礎(chǔ)上開始應(yīng)用到不同范圍、不同優(yōu)勢樹種、不同起源樹種的碳儲量測算。從研究廣度來看，國內(nèi)外學(xué)者針對森林碳儲量的研究已由單一樹種逐漸拓展到區(qū)域森林固碳能力或森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲的研究上，從最初單一生物量測量逐漸延展深入到森林碳儲量估算方法、含碳率研究層面；從研究深度看，國內(nèi)有關(guān)森林碳儲量的研究由局部深入到整體，后又局部整體相結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)宏微觀多層次的探析?？梢妵鴥?nèi)外在森林碳儲量的研究上成果頗豐，在應(yīng)對氣候變化問題方面具有重要意義。

隨著精確要求的逐漸提升，國外森林碳儲量的研究開始引入精密儀器，在提高森林碳儲量估算精度的同時卻增加了研究成本，并且對人員和方法要求較高，在植被碳儲量計量的全面性和高效性方面有制約效應(yīng)；而國內(nèi)基于樣地清查數(shù)據(jù)采用的估算方法和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在一定誤差，最終導(dǎo)致估算結(jié)果的不確定性。針對如何減少研究誤差的技術(shù)問題，進(jìn)行誤差分析，開展森林生物量、碳儲量估算多途徑交叉驗(yàn)證，提高估算精度，基于地區(qū)差異制定完善的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、樣地清查法和微氣象學(xué)法相互結(jié)合是后期森林碳儲量研究過程中亟需解決的問題。具體來說，基于地區(qū)差異構(gòu)建起完善的參數(shù)系統(tǒng)，在考慮樹種特性的前提下科學(xué)合理測量區(qū)域優(yōu)勢樹種的含碳率，劃定樣地采用微氣象學(xué)法、遙感技術(shù)實(shí)地測量森林碳儲量并與樣地清查數(shù)據(jù)推算的碳儲量對比，找尋誤差源頭，在考慮經(jīng)濟(jì)效益的前提下從根本上提高森林碳儲量核算的精度；此外，國內(nèi)研究進(jìn)展與現(xiàn)狀中，以氣候帶、經(jīng)緯度為劃定依據(jù)測量森林碳儲量的研究少之又少，后期可結(jié)合氣候帶、地理因素差異等深入探析區(qū)域植被碳儲量，以期為森林經(jīng)營管理對策提供更加詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。