朴世龙院士|中国陆地生态系统碳汇估算：方法、进展与展望-中国林产工业协会

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朴世龙院士|中国陆地生态系统碳汇估算：方法、进展与展望

媒体：农业遥感与作物模型作者：壹壹
专业号：林森 2022/3/28 7:52:25

摘要

中国在2020年9月联合国大会上宣布了实现2030的碳达峰，实现2060的碳中和。在这种背景下，中国陆地生态系统中的碳汇在减少人为碳排放方面的潜力已经引起了科学界、决策者和公众前所未有的关注。在这里，我们回顾了中国陆地生态系统碳汇的评估，重点介绍了陆地生态系统碳汇评估的原则、框架和方法，以及最近的进展,存在的问题,展望未来，我们确定了关键问题，以提高中国陆地生态系统碳汇的准确度和精确度，以服务于更现实的政策制定途径，以实现碳中和。

前言

过去几十年，由于陆地生态系统对大气二氧化碳（CO2）的净吸收，它有效地减缓了气候变暖（IPCC，2013）。根据全球碳项目，2010-2019年间，全球陆地生态系统吸收了31%的人为二氧化碳排放。尽管其规模巨大，但由于陆地生态系统的强烈异质性，陆地碳汇估算的不确定性仍然很大。因此，全球陆地碳汇的估算通常基于碳平衡方程的残差项：人类活动释放到大气中的CO2总量（即化石燃料燃烧和土地利用变化产生的CO2排放量）与大气CO2增量和海洋吸收CO2之和之间的差。这种对陆地碳汇的估算也被称为剩余陆地碳汇。这种间接估计有利于避免考虑陆地生态系统巨大多样性的困难。然而，由于残差项包含碳平衡方程中其他变量的所有误差，因此估计的不确定性比其他项大。此外，由于大气中二氧化碳的快速混合，这种方法仅适用于全球范围，因此区域土地碳平衡的估计对科学界来说是一个巨大的挑战。

北半球陆地碳汇的空间分布仍然不确定。不同的模型估算碳汇具有较大的差异。在中国，在科技部和国家自然科学基金的领导和支持下，中国科学家对中国土地碳预算进行了一系列重要的研究，其成果为实现碳中和政策的制定和中国参与全球气候治理提供了重要的科学支持。本文回顾了目前区域土地碳汇估算的方法，重点介绍了中国土地碳汇估算的进展和前景。除了这些成就之外，我们还回顾了中国陆地碳汇估算中相当不确定性的来源。我们探讨了不同方法的优缺点，阐明了中国陆地碳汇具有分歧的原因，为今后更准确地估算中国陆地碳汇提供方法学参考和研究思路。

估算区域陆地碳收支的方法

估算区域陆地生态系统碳收支的方法可分为两大类：“自下而上”和“自上而下”。“自下而上”方法是指将现场或网格的地面观测和模拟结果整合到区域估计中。常用的“自下而上”方法包括清单法、涡度协方差法和生态系统过程建模方法。“自上而下”方法主要指根据大气CO2浓度反演陆地生态系统碳汇，即大气反演。不同的估算方法具有不同的优势、劣势和不确定性来源。（具体请看原文）

1. 清单法

清单法基于不同时期生态系统碳储量（主要是植被和土壤）的比较，以估算陆地生态系统的碳收支。对于缺乏连续清查数据的生态系统类型，如灌木和草地，可以建立观测到的植被碳储量和遥感植被指数之间的经验关系，以估计植被碳储量的变化。

2. 涡度协方差法

涡流协方差直接测量陆地生态系统与其足迹区域内大气之间的净CO2交换。然后将这些测量值放大到区域生态系统净生产力（NEP）。涡流协方差法很少用于估算区域尺度上的碳汇规模，主要是因为缺乏对广泛的人类干扰和生态系统管理的考虑。它被更广泛地用于在生态系统尺度上理解碳循环对气候变化的响应。

3. 基于过程的模型

基于过程的生态系统模型通过模拟陆地生态系统碳循环的过程和机制，提供网格化碳通量估计。这些模型已成为许多全球和区域陆地生态系统碳汇评估的重要工具，包括全球碳项目。过程建模的主要优势在于，它可以定量划分不同驱动因素对陆地碳汇变化的贡献，并预测其未来变化。基于过程的模型在区域尺度上模拟碳汇的可靠性具有争议。

4.大气反演模型

大气反演基于大气传输模型和大气CO2摩尔分数测量，结合人为CO2排放清单，估算陆地碳汇。与“自下而上”的方法不同，大气反演具有近实时评估陆地碳汇及其在全球范围内对气候变化的响应的优势。

表1. 不同陆地生态系统碳汇估算方法的优缺点

中国陆地碳汇估算进展

1.中国陆地碳汇的规模

中国科学家在过去20年中采用了多种方法来估算中国的陆地碳汇，其结果如图1所示。这些研究表明，中国陆地生态系统是一个重要的碳汇，但不同方法的估算存在差异。如图1所示。

图1.采用不同方法估算的中国陆地生态系统碳汇规模。（a）中国陆地碳汇的规模。蓝色、绿色和红色（深红色和浅红色）条分别代表根据清单法、生态系统过程建模法和大气反演法估算的碳汇大小。蓝十字代表清单法中考虑内陆水中碳沉积后的估算值。浅红色条表示未校正横向通量和非CO2碳排放的大气反演估算值，而红色三角形表示校正横向通量和非CO2碳排放后的相应估算值。（b）中国土地碳汇在当代全球土地碳汇中所占的比例。橙色条代表根据涡度协方差数据估算的净生态系统生产力（NEP）的全球份额。（c）中国陆地碳汇在抵消当代化石燃料二氧化碳排放（EFO）方面所占的百分比。中国的EFO和全球净土地碳汇数据均来自《全球碳项目年度评估报告》。

2.中国陆地碳汇在全球陆地碳汇中的份额

根据我们对中国陆地碳汇估算的回顾，我们发现中国约占世界陆地面积的6.5%，贡献了全球陆地碳汇的10-31%，表明中国陆地生态系统在全球陆地碳汇中发挥了重要作用。与其他地区相比，中国陆地生态系统的总碳汇与欧洲相当，但低于美国。中国沙漠和裸地的比例比美国大得多。因此，中国的陆地碳汇强度约为美国的一半。同时，由于中国的人工林目前主要为中幼龄林，因此它们比老林具有更大的碳汇潜力。因此，与欧洲和美国相比，中国的森林生态系统在未来作为碳汇的潜力将更大，但其具体规模和分布需要在未来进一步研究。

3.中国的陆地碳汇部分抵消了其当代化石燃料二氧化碳排放

中国的陆地碳汇有效地抵消了中国化石燃料排放的一部分。然而，自20世纪80年代以来，中国的化石燃料总排放量平均每年增加15%，导致中国化石燃料排放被当代陆地碳汇抵消的比例持续下降。尽管植树造林和其他生态项目增强了土地碳汇，从而可以缓解该国的减排压力，但碳汇的增长率远低于化石燃料排放的增长率。因此，减排措施的综合应用是中国实现碳中和的必由之路。

展望

以“可测量、可报告、可验证”的方式实现碳汇核算，是我国减排和增汇政策制定的重要科学依据。对科学界来说，高效、有效地满足这些要求既是挑战也是机遇。由于估算区域碳预算的方法不同，中国土地碳汇核算仍存在很大的不确定性。由于不确定性的多重尺度和来源，不确定性评估是目前面临的重大挑战之一。由于这些方法的利弊互补，我们提出，为了更好地核算中国陆地生态系统的碳收支，需要一个综合的“地-空”碳核算系统（图2），利用“多种数据、过程、规模和方法”。为此，今后应加强以下方面的工作：

图2.中国陆地碳汇综合观测与评估系统示意图。陆地生态系统涡流通量塔（ChinaFlux）的位置用灰色三角形表示，大气CO2观测站用红点表示。该图通过利用“多种数据、过程、尺度和方法”，利用不同方法和观测平台的优势，通过多种方法（清查法、涡度协方差法、生态系统过程建模法和大气反演法）对中国陆地碳汇进行监测和评估，在“ground-air-space”碳核算系统的整合范围内。

1.填补观测空白，建立标准的国家观测系统

（1）需要加强对地下碳库，尤其是土壤碳库的观测。为了准确估计中国土壤碳储量及其变化，应定期进行标准化、全面的土壤清查。

（2）需要加强对湿地、沙漠和其他对气候变化敏感的生态系统的观测。沙漠生态系统中的稀疏观测是一个需要填补的关键空白。

（3）需要改进对生态系统人为干扰的观察。特别是森林采伐和植被恢复引起的碳横向迁移和有机碳变化的观测。

2.改进基于遥感的大气CO2观测和CO2示踪观测，建立中国陆地生态系统碳收支和化石燃料碳排放的协同反演系统

大气反演不仅是估算生态系统碳收支的重要手段，也是评价减排效果的关键。目前，中国陆地碳汇精确大气反演的瓶颈是缺乏长期大气CO2浓度观测数据，更不用说以高空间分辨率评估省级碳收支了。因此，扩大地面CO2观测网势在必行。为了科学高效地构建这样一个网络，有必要基于大气传输模型通过跟踪CO2来评估潜在地点的效率，并评估观测数据是否有效地降低了基于大气反演模型的区域碳预算估算的不确定性，从而构建具有成本效益的观测网络。同时，成熟的卫星遥感CO2柱浓度数据可以作为补充数据源，填补地面CO2观测的空白。然而，遥感CO2观测尚未在中国陆地碳汇反演估算中发挥作用。到目前为止，中国只有一颗指定用于温室气体柱浓度监测的科学观测卫星（TANSat），其他卫星（风云3D和高分5号）也很少能用于反演大气CO2柱浓度。因此，未来有必要发明新一代高时空分辨率的国内温室气体浓度卫星，建立高分辨率辐射传输模型和分子光谱数据库，以提高CO2柱浓度观测的准确性，有效提高中国陆地碳汇的转化能力。

另一方面，传统的大气反演仅针对陆地-大气净碳通量，对化石燃料排放缺乏相应的观测约束，其估算仅依赖于化石燃料排放清单。然而，目前在区域和城市范围内的化石燃料排放清单存在很大的不确定性，进一步导致生态系统碳汇反演估计不准确。最近的研究表明，通过结合对大气CO2（13C和14C）和羰基硫（COS）同位素组成的测量，可以有效区分化石燃料碳排放和生态系统碳收支。因此，需要建立大气CO2浓度、碳同位素和羰基硫协同观测网络、基于高分辨率遥感和陆基多物种观测的综合反演模型、陆地生态系统碳收支和化石燃料排放反演系统，实现区域和省级排放监测。

3. 建立人-自然耦合陆地生态系统碳循环过程模型，提高中国陆地碳汇稳定性预测

基于过程的生态系统碳循环模型是预测陆地碳汇未来变化的重要工具。在全球碳项目和IPCC对全球碳预算的评估中，有十几种不同的模型被广泛使用。然而，在全球陆地碳循环的前沿研究中，国内还没有一个拥有完全知识产权的碳循环模型。一个重要原因是我们起步较晚，研究基础相对薄弱。迫切需要加强生态系统碳循环模型的开发。发展具有中国特色的生态系统碳循环模型的一个潜在突破是将人类活动过程整合到模型中。经过30多年的发展，世界上的主流碳循环模型已经能够以相对成熟的方式模拟自然碳循环对气候变化的响应，但人类活动对生态系统的影响通常没有得到很好的描述。能够同时模拟这些过程的模型还未见报道。考虑到过去几十年中国陆地生态系统的碳固存在很大程度上是由于“退耕还林”等生态项目，开发人类-自然耦合生态系统碳循环模型以准确预测中国陆地生态系统的碳固存潜力至关重要。

陆地生态系统碳汇的稳定性相对较弱。例如，极端气候事件导致生态系统释放大量二氧化碳，这可能完全或部分抵消多年来区域范围内生态系统累积的净碳吸收。然而，目前的模型无法准确诊断生态系统碳汇对极端气候事件的响应，尤其是在极端气候事件下的脆弱性。估算生态系统碳汇的稳定性，尤其是在气候变化敏感地区、脆弱生态系统或碳汇热点地区（如青藏高原、黄土高原和中国西南喀斯特地区），对于准确预测中国陆地碳汇的变化和改善生态系统管理非常重要。这些也是当前模型开发中的主要弱点。因此，迫切需要在人-自然耦合生态系统过程模型中改善生态系统对极端气候事件和冻土冻融过程的响应，并为中国不同生态系统建立碳循环参数和数据库，以提高模拟精度。

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