箩筐分享中国陆地生态系统碳汇估算方法研究进展与展望

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　　近几十年来，陆地生态系统成为大气二氧化碳(CO2)一个重要的汇，有效缓解了气候变暖。自20世纪90年代以来，各国科学家为估算区域尺度陆地碳汇开展了大量工作，并取得共识性结论：北半球陆地生态系统是一个重要碳汇，其大小基本能够抵消全球碳收支的不平衡，表明上世纪末所提出的＂失踪的碳汇＂问题已基本得到解决。然而，学术界对于北半球陆地碳汇的空间分布的认识仍存在较大不确定性。
　　北京大学朴世龙院士等在总结区域陆地生态系统碳汇估算方法体系的基础上，重点评述了中国陆地碳汇估算前沿进展；通过系统阐释不同碳汇估算方法的优缺点，厘清了不同研究结果分歧背后的原因 。近期，该项成果以＂中国陆地生态系统碳汇估算：方法、进展、展望＂为题，发表在《中国科学：地球科学》上。
　　区域陆地生态系统碳收支估算方法
　　区域陆地生态系统碳收支估算方法大体可分为＂自下而上(Bottom-up)＂和＂自上而下(Top-down)＂两种类型。 ＂自下而上＂的估算方法是指将样点或网格尺度的地面观测、模拟结果推广至区域尺度；常用的＂自下而上＂方法包括清查法、涡度相关法和生态系统过程模型模拟法等。＂自上而下＂的估算方法主要指基于大气CO2浓度反演陆地生态系统碳汇，即大气反演法。不同估算方法的优缺点和不确定性来源均不尽相同。
　　（i）清查法。 基于不同时期资源清查资料的比较来估算陆地生态系统(主要是植被和土壤)碳储量变化，即陆地生态系统碳汇强度。优点是能够直接测算样点尺度植被和土壤的碳储量。局限性主要包括: (1) 清查周期长；(2) 清查数据侧重森林和草地等分布广泛的生态系统，而在湿地等面积占比低的生态系统，长期观测的清查数据稀缺，导致区域尺度汇总结果存在一定的偏差；(3) 鉴于陆地生态系统空间异质性强，在从样点到区域尺度碳储量的转换过程也存在较大不确定性；(4) 清查数据不包含生态系统碳横向转移。一般而言，资源清查数据的样点覆盖密度是制约基于清查法的碳汇估算准确度的核心因素。
　　（ii）涡度相关法。 涡度相关法根据微气象学原理，直接测定固定覆盖范围(footprint，通常数平方米到数平方千米)内陆地生态系统与大气间的净CO2交换量，据此通过尺度上演估算区域尺度净生态系统生产力(NEP)。涡度相关法主要优点在于可实现精细时间尺度(例如每半小时)上碳通量的长期连续定位观测，从而能反映气候波动对NEP的影响。局限性主要包括：(1) 涡度相关法主要基于微气象学原理，不可避免的会受到观测缺失，下垫面和气象条件复杂、能量收支闭合度、观测仪器系统误差等因素影响，从而给碳通量估算带来一定的观测误差和代表性误差；(2) 森林生态系统通量观测站点常设置在人为影响较小的区域，难以兼顾林龄差异和生态系统异质性，导致区域尺度碳汇推演结果存在偏差；(3) 农田生态系统涡度相关通量观测无法区分土壤碳收支部分与作物收获和秸秆，因而难以准确估算农业生态系统碳收支；(4) 涡度观测法测定的碳通量通常不包含采伐、火灾等干扰因素的影响，因此可能高估了区域尺度上生态系统碳汇。总之，由于区域尺度上人为影响普遍存在且对碳汇有明显影响，涡度相关法通常很少用于直接估算区域尺度上碳汇大小，更多用于理解生态系统尺度上碳循环对气候变化的响应过程。
　　（iii）生态系统过程模型模拟法。 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机制，对网格化的区域和全球陆地碳源汇进行估算，它是包括全球碳计划在内的众多全球和区域陆地生态系统碳汇评估的重要工具。优势在于可定量区分不同因子对陆地碳汇变化的贡献，并可预测陆地碳汇的未来变化。局限性主要包括：(1) 模型结构、参数以及驱动因子(如气候、土地利用变化数据等)仍存在较大不确定性；(2) 目前的生态系统过程模型普遍未考虑或简化考虑生态系统管理(如森林管理、农业灌溉等)对碳循环的影响；(3) 多数模型未包括非CO2形式的碳排放(如生物源挥发性有机物)与河流输送等横向碳传输过程。由于不同模型在结构、参数和驱动因子等方面的显著差异，TRENDY、MsTMIP、ISIMIP等多模型比较计划研究均表明，生态系统过程模型模拟结果仍存在很大的不确定性，给区域陆地生态系统碳汇模拟的可靠性带来较大争议。
　　（iv）大气反演法。 大气反演法是基于大气传输模型和大气CO2浓度观测数据，并结合人为源CO2排放清单，估算陆地碳汇。不同于＂自下而上＂的方法，大气反演法的优点在于其可实时评估全球尺度的陆地碳汇功能及其对气候变化的响应。局限性主要包括：(1) 目前，基于大气反演法的净碳通量数据空间分辨率较低，无法准确区分不同生态系统类型碳通量；(2) 大气反演法结果的精度受限于大气CO2观测站点的数量与分布格局(目前CO2浓度观测站主要分布在北美和欧洲，发展中国家地区观测站分布非常有限)、大气传输模型的不确定性、CO2排放清单(如化石燃料燃烧碳排放)的不确定性等；(3)大气反演法普遍未考虑非CO2形式的陆地与大气之间的碳交换，以及国际贸易导致的碳排放转移。总的来说，随着目标区域变小，大气反演结果的不确定性逐渐增大；就国家尺度而言，即使是具有较多的大气CO2观测站点的欧美国家，大气反演结果的不确定性也不可忽视。
　　中国陆地生态系统碳汇估算进展
　　（1） 中国陆地生态系统碳汇大小
　　过去20年来，中国科学家利用多种不同方法对中国陆地碳汇进行了估算，其结果汇总如图1所示。
　　图1 基于不同方法估算的中国陆地生态系统碳汇大小
　　通过对比基于不同方法估算的中国陆地生态系统碳汇大小，作者指出，清查法估算中国陆地碳汇为0.21~0.33Pg C a 1，与生态系统过程模型估算结果(0.12~0.26PgC a 1)相当; 但大气反演法估算结果间(0.17~1.11Pg C a 1)存在较其他方法大得多的不确定性(图1a)。因此，有必要谨慎对待单一大气反演模型的估算结果，并用基于地面观测的估算结果进一步核对。作者也注意到，大气反演法高估区域碳汇大小在北美和欧洲碳汇研究中同样发生过，进一步说明对大气反演模型结果进行地面校正的必要性。此外，合理选择和布置大气CO2观测站位也是利用大气反演法准确估算区域陆地碳汇的关键。 （2） 中国陆地生态系统碳汇占全球陆地碳汇的比例基于以上汇总的中国陆地碳汇研究结果，发现中国以其约占全球6.5%的陆地面积，贡献了相当于全球陆地生态系统净CO2吸收量的10~31%(图1b)，表明中国陆地生态系统在全球生态系统碳汇中具有重要作用。较之于全球其他区域，中国陆地生态系统碳汇总量与欧洲相当，但小于美国；就单位面积而言，中国陆地生态系统碳汇也与欧洲相当。需要指出的是，尽管中美两国森林生态系统单位面积碳汇大小相近，但由于中国荒漠与裸地面积占比远大于美国，导致国家尺度上，中国陆地生态系统单位面积碳汇仅为美国的一半左右。
　　不同于清查法、生态系统过程模拟和大气反演法，涡度相关法估算中国陆地净生态系统生产力(NEP)的全球占比仅为5~8%，远低于图1b所汇总的中国陆地生态系统碳汇全球占比。需要注意的是，区域尺度上NEP不等于碳汇，因前者不涵盖生态系统干扰和生态系统管理等带来的碳源汇变化。因此，对比中国陆地生态系统NEP和碳汇的全球占比之间的显著差异，进一步说明植树造林等生态系统工程以及生态系统管理对中国生态系统碳汇的贡献大于全球平均水平。同时，由于中国人工林当前以幼龄林和中龄林为主，比老龄林具有更大碳汇潜力。因此，相比于欧洲和美国，中国森林生态系统未来固碳潜力可能更大，其具体大小和分布需要进一步研究。 （3）中国陆地生态系统碳汇抵消工业排放比例
　　中国陆地生态系统显著的碳汇功能有效抵消了中国部分工业碳排放(图1c)。然而值得注意的是，20世纪80年代以来，中国化石燃料燃烧碳排放总量平均每年增长15%，导致中国陆地碳汇抵消同期化石燃料燃烧碳排放的比例不断下降(图1c)，从20世纪80~90年代的约30%，降至2010年以来的7~15%。这意味着，尽管植树造林等生态工程增汇可缓解中国减排压力，但碳汇增速(图1a)远小于同期化石燃料燃烧造成的碳排放增速。另外，在森林生长中后期，生态系统碳汇强度可随林龄增加而下降。因此，可以预料，未来随着中国成熟林和老龄林比例不断上升，陆地碳汇作为抵消工业碳排放的工具之一其效应会进一步减弱。多种减排手段综合应用是中国达成碳中和目标的必由之路。
　　展望
　　陆地生态系统碳汇＂可测量、可报告、可核查＂是制定中国减排增汇政策的重要科学基础。如何及时、有效地满足这一决策需求对科学界既是一个挑战，更是一个机遇。由于区域尺度陆地碳汇估算方法不一，给碳汇估算结果带来了很大的不确定性，这在该文对中国陆地生态系统碳汇估算结果的汇总和评述中也得到了充分的体现。目前，文章所述的四类区域碳汇估算方法仍然是定量研究中国陆地生态系统碳汇及其时空变化的重要手段，且在进一步完善中；基于这四类不同方法的新的观测、计算和模拟结果正在不断涌现。同时，由于不同方法涉及多个时空尺度，且其不确定性来源存在差异，因此对其不确定性进行定量评估也是当前研究的一大难题。鉴于不同方法利弊兼具，且优势互补，作者建议，在进一步完善各估算手段的基础上，亟需通过＂多数据、多过程、多尺度、多方法＂相融合，构建＂天-空-地＂一体化的中国陆地生态系统碳收支计量体系(图2)。
　　图2 中国陆地生态系统碳汇综合观测和评估方法体系示例  展望未来，须加强如下几个方面的工作：（1）补齐中国陆地碳汇关键区观测短板，构建统一标准的国家尺度陆地碳汇观测体系；（2）加强遥感CO2观测及大气CO2示踪物观测，建立中国陆地生态系统碳收支和化石燃料碳排放协同反演体系；（3）研发自然-人文耦合的陆地生态系统碳循环过程模型，着力提升中国陆地碳汇稳定性预测能力。
　　未来研究应通过＂多数据、多过程、多尺度、多方法＂相融合，构建＂天-空-地＂一体化的中国陆地生态系统碳收支计量体系，构建中国陆地碳汇管理决策支持系统，为2060年碳中和目标实现提供科学依据。
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