森林生态系统碳估测方法及展望

袁钰娜 姜学兵

摘要：森林生态系统是陆地生态系统重要组成部分，拥有陆地表面最大的碳库，其消长变化对全球碳循环有着深远影响。在当今温室效应日益显著，极端气候出现日益频繁的大背景下，精准估测森林生态系统碳储量、加强森林生态系统碳储量监测体系建设，对深入理解全球碳循环过程、预测全球气候变化有着极其重要的意义。以加强森林生态系统碳汇功能、实现“双碳”目标为切入点，系统阐述了森林生态系统固碳功能实现机理，分析比较了当前森林碳估测的几种主流方法，着重提出了构建中国森林碳储量监测体系的可行之策，以期为中国森林生态系统碳储量监测能力稳定提升提供理论参考，为“双碳”目标如期实现提供科学支撑。

关键词：“双碳”目标；森林生态系统；碳估测；监测体系

中图分类号：TV21文献标识码：A文章编号：1001-9235（2024）02-0090-07

Forest Ecosystem Carbon Measurement Methods and Future Directions

YUAN Yuna^1，2，JIANG Xuebing^1，2

（1.Monitoring Center Station of Soil and Water Conservation of Pearl River Basin，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China; 2.Pearl River Water Resources Research Institute，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China）

Abstract：The forest ecosystem is a crucial component of terrestrial ecosystems，possessing the largest carbon reservoir on the Earths surface.The fluctuations in its carbon stocks have a profound impact on the global carbon cycle.In the current context of a growing greenhouse effect and the rising occurrence of extreme climates，accurately estimating carbon stocks in the forest ecosystem and strengthening the construction monitoring system for its carbon stocks holds great significance for gaining an in-depth understanding of the global carbon cycle and predicting global climate change.Oriented toward strengthening the carbon sink function of forest ecosystems and achieving the dual carbon target， this paper systematically explained the mechanism of carbon sequestration in forest ecosystems.It analyzed and compared several mainstream methods of forest carbon estimation， proposing feasible strategies for building a forest carbon stock monitoring system in China.The aim is to provide a theoretical reference for the stable improvement of Chinas forest ecosystem carbon stock monitoring capacity and to provide scientific support for achieving the carbon peak and carbon neutrality in a timely manner.

Keywords：carbon peak and carbon neutrality;forest ecosystem;carbon estimation; monitoring system

為应对全球气候变化影响，中国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”“到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上”的目标承诺；2020年的中央经济工作会议将“做好碳达峰、碳中和工作”作为今后要抓好的重点任务；2021年颁布的《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中明确指出，森林在中国生态增汇体系中具有举足轻重的作用。

森林生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，拥有陆地表面最大的碳库，其生物量约占陆地生物量的85%，其土壤碳储量约占全球土壤碳储量的40%，森林中的植被通过光合作用每年能从大气中固定2.4 Pg C^［1］。提高国土绿化面积，特别是提升森林生态系统碳汇功能，是践行习近平生态文明思想，实现“碳达峰”“碳中和”目标最为经济有效的方式之一^［2］。

随着世界各国对“碳”问题重视程度日益提高以及中国资源环境国情，准确估算森林生态系统碳储量，预测其时空变化规律，对于提升中国在国际气候谈判中的发言权和主导权，应对日益严峻的全球气候变化问题有着深远影响，同时，对于提升中国森林质量、落实生态文明理念、推动美丽中国建设有深刻意义。前人关于森林生态系统碳估测方法等相关研究已有较为完善和系统的归纳，但对于各类估测方法的适用性评价及特点分析方面还存在不足，对于森林生态系统碳监测体系建设的研究总结也存在空白。

本文针对现有研究不足，系统阐述了森林生态系统固碳功能的实现机理，回顾了样地清查法、碳通量定位观测法及基于遥感等新技术的模型模拟法的主要特点及存在问题，探讨了森林生态系统碳估测方法的发展趋势，并结合中国森林资源基本国情，提出了森林碳储量监测体系建设的可行之策，以期为中国森林生态系统碳储量监测能力稳定提升提供理论参考，为“双碳”目标如期实现提供科学支撑。

1 森林生态系统固碳功能

森林碳库主要由土壤有机质、粗木质残体、地上生物量、地下生物量及枯落物这五大部分组成^［3］。周玉荣等^［4］的研究表明，在中国森林生态系统中，地上植被碳库约占森林生态系统总碳储量的22%，土壤有机质碳库约占总碳储量的75%，其余部分共约占3%。土壤有机质碳库和地上植被碳库作为森林生态系统中2个最重要的碳库，是森林生态系统碳储量估算和动态监测的主要对象。

森林生态系统碳平衡包括碳输入和碳输出2个过程。绿色植物通过光合作用将大气中的CO₂转变为有机物储存起来，又通过呼吸作用将有机物分解为CO₂和水，植物光合作用固定的碳扣除呼吸作用释放的碳就得到了植物净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP），其代表了森林生态系统碳输入能力。进入森林生态系统的碳会在层级之间不断流动，流动过程中由于传递效率的影响，有一部分以CO₂的形式重新排放到大气中，其他大部分会通过动物的采食及呼吸作用分解排放到大气中，或是以动植物遗体、排泄物、枯落物等形式被微生物分解，森林土壤的呼吸作用也能将土壤有机碳分解为无机物，此外一些干扰因素如林火、病虫害、毁林开荒等也会影响系統中的碳输出速率^［5］（图1）。

碳输入速率和碳输出速率的对比差值代表了森林生态系统固碳能力^［6］，可以用净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity，NEP）表示。森林生态系统固碳能力受到诸多因素制约，如森林的演替过程、光照、温度、水分、CO₂含量及人为干扰等。Dixon等^［7］在总结大量文献资料基础上发现低纬度森林生态系统的生物量碳密度大于高纬度森林，而土壤碳密度反之；森林生态系统土壤碳储量约是生物量碳储量的2.2倍，甚至在一定条件下森林生态系统可能发生碳汇到碳源的转变，例如森林火灾、人为砍伐等。

2 森林生态系统碳储量估测方法

为动态掌握森林生态系统碳储量消长情况，准确评估森林增汇效能，科学高效的森林碳计量方法体系必不可少^［8］。近年来，国内外学者提出了大量森林生态系统碳估测理论和方法，基本可划分为三大类：一是基于样地清查的森林植被碳和土壤碳估算方法^［9-10］；二是基于不同尺度森林生态系统网络的碳通量定位观测法^［11］；三是基于遥感等新技术的模型模拟方法^［12-13］。

2.1 样地清查法

样地清查法多用于推算区域和全球尺度森林碳储量，是指通过在森林中设立典型样地，利用收获法来准确测定森林生态系统中的植被、枯落物或土壤等碳库的碳储量和碳通量，并可通过多年连续测定来获知一定时期内森林碳储量的变化情况^［14］。样地清查法根据测定方式的不同又可以进一步分为平均生物量法、平均转换因子法和转换因子连续函数法^［15］。这3种方法具有相同的数学推理方法基础，即都是在推算出生物量的基础上再乘以一个换算系数求得碳储量的方法，换算系数通常在0.44～0.55^［3］。

2.1.1 平均生物量法

森林生物量通常定义为单位时间或单位面积林地内积累的干物质总量，平均生物量法是基于野外调查的样地平均生物量数据和调查森林的类型与面积，求得该片森林的生物总量，再乘以相应的换算系数，得到森林生态系统碳储量结果^［16］。这种方法的主要优点是过程清晰，可操作性强。刘领等^［17］利用1994—2013年4期河南省森林资源清查数据，运用平均生物量法，估算了1998—2013年河南省森林植被的碳储量和碳密度变化。

2.1.2 平均转换因子法

森林生态系统的总生物量和林分木材蓄积量的比值称为生物量换算因子，根据样地调查推算这片林分蓄积，再乘以平均转换因子，就得到了该片森林的总生物量，最后再乘以一个转换因子，就计算出了森林的碳储量。这种方法大大节约了森林碳储量监测的成本，提高了效率，使利用森林资源清查数据得到森林碳储量数据成为可能，但它的缺陷也显而易见，森林平均转换因子受到区域、林龄、林况、立地条件等影响显著，使用一个固定的换算因子可能会使得预测结果不够准确。孙玉军等^［18］基于多期森林资源清查数据，利用平均转换因子法对大兴安岭地区兴安落叶松幼中龄林的碳储量和碳密度进行估算，结果显示5 a间所研究林分的碳储量和碳密度均呈增加趋势，但整体碳密度依然低于我国平均森林碳密度。

2.1.3 转换因子连续函数法

转换因子连续函数法是对平均转换因子法的改良，它将不变的林分平均转换因子用一个与龄级有关的可变的转换因子代替，一定程度上弥补了固定林分平均转换因子的缺陷^［19］。张春华等^［20］基于1973—2018年8次省森林清查数据以及实测数据改进的生物量蓄积量转换参数，利用生物量转换因子连续函数法研究黑龙江省近40 a来的森林碳储量及其动态变化，结果显示黑龙江省森林碳储量呈现下降趋势（1973—1976年1 159.35 Tg C；2009—2013年833.99 Tg C），且不同森林类型碳储量存在较大差异。

2.2 基于微气象学的碳通量观测法

碳通量通常定义为单位时间内通过湍流运动作用向单位截面积输送的CO₂量，直接测定林分中的气体交换速率，可以得到森林各部分碳库之间的流通量。这种方法适用于小尺度或植被均质的森林，对于大尺度或植被强异质性的森林使用较为困难。早期的基于微气象学的碳通量观测方法有空气动力学法和热平衡法，后期逐渐发展出涡度相关法。涡度相关法是世界上CO₂和水热通量测定的标准方法，也是目前测定地-气交换最好的方法之一，被广泛运用于估算陆地生态系统的物质和能量交换^［21］。

涡度通量塔是涡度相关法具体实施所需的关键仪器设备，它由高灵敏度的三维超声风速仪、红外气体分析仪及温、湿度计等几部分组成，在观测时受到下垫面植被及周围环境干扰小，能准确测定生态系统的CO₂通量，能实现对该区域碳通量的连续观测，并且可以和其他通量站一起构成全球碳通量监测网络。牛亚毅等^［22］利用涡度相关法对科尔沁沙质草地生态系统进行了连续2 a的碳通量观测，根据观测数据测算出该地区生长季的碳通量平均值约为130 g/m²，非生长季碳释放量约为220 g/m²，全年尺度上沙质草地生态系统表现为碳源。

2.3 基于遥感等新技术的模型模拟法

在大尺度森林生态系统碳循环的相关研究中，模型建立是一种必要手段。传统的模型模拟法是通过数学模型估算森林生态系统的生产力和碳储量，许多学者都在先前研究中提出过很多成功的模型，包括以Thornthwaite Memorial模型和MIAMI模型等为代表的经验模型，以CENTURY模型、BIOME-BGC模型和CASA模型等为代表的机制模型，以及以Holdridge生命地带模型和Chikugo模型等为代表的半经验半机制模型^［23］。

近年来，随着遥感及相关技术的不断发展，为森林生态系统碳储量测定提供了新的思路，基于遥感等新技术的模型模拟法也应运而生。卫星遥感观测具有稳定、连续、大尺度观测等优点，能较好地反映大尺度森林生态系统碳储量分布及其与大气进行CO₂交换的变化特征，提高森林生态系统CO₂源汇观测的准确性^［24］。基于遥感手段获取各类植被参数，结合地面调查数据，通过分析得到森林植被的时间序列和空间分布规律，在此基础上进一步分析得到森林生态系统碳的时空分布及动态变化规律，从而实现大面积森林生态系统的碳储量估算。Asner G P等^［25］利用中分辨率卫星数据和机载激光雷达数据，实现亚马逊地区森林碳储量精准估测；Csillik O等^［26］基于Planet卫星影像和机载激光雷达数据估算秘鲁全国地上碳储量为6.928 Pg C，并绘制出高分辨率的秘鲁全国地上碳储量和碳排放图。

当前应用较为广泛的森林碳储量遥感估算模型主要可归类为物理模型、过程模型和统计模型3类。常用的森林碳储量物理估算模型主要包括几何光学模型和辐射传输模型，其原理是基于遥感手段获取信息，通过描述生物量与二向性反射之间的关系来反演估算森林碳储量。孙凤娟等^［27］基于四尺度几何光学模型反演森林冠层面积和森林密度，从而估测内蒙古根河市的森林地上生物量，结果表明，该方法估算结果（RMSE=20.8 t/hm²，R²=0.45）明顯优于基于差值植被指数法（RMSE=27.7 t/hm²，R²=0.09）和混合像元分解法（RMSE=27.6 t/hm²，R²=0.02）。过程模型是通过模拟不同时空尺度上植被生长过程中光合作用、呼吸作用以及养分循环等过程，估算植被净初级生产力（NPP），结合时间序列得到森林碳储量。Douglas A Shoemaker等^［28］通过耦合估算的叶面积指数和生长过程拟合模型，估测出佛罗里达州内9 779 hm²湿地松人工林年总碳储量为33 920 t。统计模型是通过样地调查获取碳储量实测数据，利用传统线型回归方法或机器学习方法，建立遥感影像反射光谱、纹理特征、植被指数等参数与碳储量之间的拟合关系，然后逐像元推算样点外区域的森林碳储量^［29］。例如，王建步等^［30］为掌握黄河口湿地植被地上部分碳储量的空间分布情况，基于GF-1 WFV卫星数据，对黄河口湿地植被地上部分开展了遥感估算模型研究，研究结果表明基于NDVI建立的指数模型（RMSE=19.1 g/m²，R²=0.76）为单位面积碳储量估测的最佳模型。

3 不足及展望

森林生态系统结构多样，固碳功能实现机理复杂且影响因素众多，现有的森林生态系统碳估测方法普遍存在精度低、不确定性高的问题（表1）。

作为中国绿色碳基金造林项目碳汇计量与监测唯一采用的估算方法，样地清查法在碳汇计量的可测定性、可核查性、透明性及成本有效性等方面的优势是突出的，但在森林灌木层、草本层及地下生物量等碳库估算上还有待进一步改进。相关研究应着眼于建立更加完善的参数体系，综合考虑森林碳汇的各类影响因素，进一步明确活立木生物量与森林总生物量的换算关系，以便得到更加精确的估算结果^［31］。

森林生态系统碳通量及其控制机制方面研究近年来取得了显著进展。基于微气象学原理的涡度相关法可以与样地清查法相互补充，实现对监测样地的连续、长期观测，形成一定区域内的森林碳汇计量监测体系，但其在在降低成本，提高参数和数据有效性等方面仍有发展的空间。单个碳通量观测站点的数据不能概括到同一生态区内其他相同林龄站点，难以解释和预测立地改变对区域和全球碳收支的影响，为确保获得准确的碳收支、对碳通量年际变化做出精准估算及合理预测，需要长期重复开展野外定位观测，分析并理解气候和生物物理因子对植物生理生态过程的影响。此外，利用多变量模型数据融合方法，长期监测气候、生态系统和碳通量间的反馈机制，可以帮助人们预测气候变化背景下生态系统碳收支的变化^［32］。

遥感建模手段在森林碳估测领域的运用，让大尺度监测森林生态系统碳循环过程变为可能。近年来，遥感及相关技术高速发展，使得影像的空间分辨率、光谱分辨率及时间分辨率不断提高；高光谱、超光谱遥感技术的发展，使得遥感影像能够反映出更加丰富细致的光谱信息；在轨卫星数量的不断增加，使得可获取的遥感数据资源和类型更加多样。光学遥感影像能够反映目标地物水平结构信息；激光雷达等主动遥感手段能够使目标地物立体化成像，反映地物垂直结构信息；此外中国定期开展的国家森林资源清查、森林经理调查以及林业专项调查，也为森林碳储量遥感估测模型建立带来了海量实测数据，如何使森林资源清查资料同多源遥感数据更好结合，建立森林碳储量动态监测模型是今后值得关注的问题。

4 对中国森林碳储量监测体系建设的建议

a）加大监测设备系统研发力度，优化森林碳汇估测方法手段。从微观角度考虑，要加强相关监测仪器及系统的开发和更新，在各种监测方法具体实施过程中，可以逐步更新老旧设备，采用更精密先进的仪器设备，使得碳储量估算的结果更加精确；从宏观角度分析，卫星遥感具有丰富的光谱信息和实时数据处理与传输能力，监测方法从传统样地清查方法向卫星遥感等高新技术方向转变，可极大减少人工成本、提高工作效率，对人迹稀少、常规方法难以达到的调查地区更具优势。

b）构建森林碳汇连续监测样地系统，完善全国森林生态系统观测网络。同世界上多数国家一样，中国以数理统计抽样为基础，以森林资源清查为主要手段对国家森林资源总量进行宏观监测。因此，国家森林资源清查统计数据每5 a产出一次，反映5 a来森林资源清查的累计性统计成果。森林资源碳库计量以国家森林资源清查统计数据为基础，与现行的森林资源清查体系一样，也是每5 a产出一次累积性统计结果，这就导致数据采集时间存在不一致性，成果分析缺乏时效性和现实性，不能全面反映森林生态系统的碳储量状况。此外，森林碳汇监测由于其调查的内容和森林资源清查不尽相同，林下植被、地表凋落物、根系及土壤有机质等组分常常未纳入森林资源清查内容，所以其数据对于用来估测森林生态系统碳储量明显是不妥的。因此，应该建立一套完备的森林碳汇连续监测的样地系统，对其进行年度甚至季度的连续监测以了解中国森林生态系统碳储量的消长情况。

c）区分不同森林类型和树种，建立全组分碳库计量模型库。中国幅员辽阔且气候条件复杂多变，森林类型多样、呈地带性分布特征，不同林型优势植被、树种组成差异显著，因此区分不同森林类型和树种，建立全组分碳库计量模型对于全国碳计量统一标准的制定和碳储量持续监测有重要意义，建成后能极大优化森林生态系统碳估算的效率，推动国家森林碳汇监测体系发展。截至2021年，中国初步建成了全国森林碳汇计量监测体系，完成了森林碳汇计量监测基础数据库和参数模型库建设，出台了主要乔木树种的立木生物量模型及碳计量参数，但有许多树种相关研究还属空白，而且尚未形成系统的针对不同森林类型的碳計量模型库，更多成果还有待挖掘和完善。

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（责任编辑：高天扬）