碳匯研究綜述

李姝 喻陽華 袁志敏 余娜

摘要森林、土壤和濕地等所具有的碳匯功能決定了它們在生態保護和生態建設工作中具有特殊重要的地位。該研究主要介紹了碳匯的途徑、碳匯估算方法、影響碳匯潛力的因素和基于碳匯交易的森林生態效益補償模式，最后從發展碳匯農業、固碳潛力及速率研究、多學科多技術相結合研究碳匯、研究減少碳排放的措施、林業應對全球氣候變化的措施研究和碳匯貿易市場的建立6個方面對碳匯研究進行展望。

關鍵詞碳匯；研究；綜述

中圖分類號S181文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）34-136-04

全球氣候正在逐漸變暖是公認的科學事實，“化石燃料的燃燒”和“毀林活動”是造成這種現象的主要原因，是主要的碳源。碳匯一般是指從空氣中清除二氧化碳的過程、活動和機制，它主要是指載體（森林、土壤、巖石、濕地等）吸收并儲存二氧化碳的多少，或者說是載體吸收并儲存二氧化碳的能力。在林業中主要是指植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或森林土壤中，從而減少該氣體在大氣中的濃度。通俗地說，當生態系統固定的碳量大于排放的碳量，該系統則稱為大氣中二氧化碳的匯，簡稱碳匯，反之，則為碳源[1]。碳匯其中一條重要的途徑是通過生物碳的產生和傳遞過程而實現，稱為生物碳匯。廣義的說來，生物有機碳形成就是生物碳匯。浮游植物在碳匯中起到至關重要的作用[2]。碳匯已經引起了越來越多專家、學者和公眾的關注，它已成為全球氣候變化會議的主題和目標[3]。我國國務院總理溫家寶在2009年召開的哥本哈根氣候大會上做出我國政府將實現二氧化碳減排、增加森林碳匯的鄭重承諾。

1主要碳匯途徑

1.1森林森林生物量巨大，在全球碳循環中承擔著重要的調節溫室氣體和大氣污染的作用[4]，是陸地生態系統中最大的碳匯，在減緩氣候變化中發揮著巨大作用[5]。研究結果表明，林木生長每產生169 g干物質需吸收（固定）264 g 二氧化碳，釋放192 g氧氣[6]。森林碳匯作用主要體現在森林生物固碳、林地固碳和林下植物固碳3種形式。林地固碳和林下植物固碳作用明顯，但在森林輪伐過程中它們基本保持一個定量。森林在一個輪伐期結束時，森林固碳形式變成了木材或相關木材衍生產品的固碳形式。當然在森林采伐和加工過程中，原來森林固碳量有所損失，部分碳儲存以各種形式又回歸大氣，但是絕大部分森林固碳量仍然保存下來。這種轉變恰恰是森林可再生性的體現、是森林固碳的延伸、是森林土地高效合理利用的最佳經營方式。所以人類對森林的積極培育、合理管護、正確采伐、永續利用才是發揮森林碳匯作用最大化的必經之路[7]。森林生態系統是地球陸地生物圈的主體，也是陸地表面最大的碳庫，在吸收、固定二氧化碳和全球碳循環研究中扮演著極其重要的角色，它通過同化作用吸收固定大氣中的二氧化碳，抑制其濃度上升的功能對于應對氣候變化問題具有積極意義和重要作用。

在森林生態系統中，熱帶森林在固碳中發揮著重要作用。它占地球表面的7%，但它擁有全球50%的物種和70%～80%的樹種[8]，儲存有全球生物量碳的40%左右，每年通過光合作用吸收的碳相當人類通過化石燃料燃燒釋放到空氣中碳的6倍[9]，它的存在和消長對于維護全球碳平衡和減緩溫室氣體增溫具有重大意義。

1.2土壤土壤主要包括農用地（或廣義的土地）和森林土壤，森林土壤是一種特殊的碳匯類型[10]。土壤碳庫是陸地生態系統碳庫的重要組成部分，其容量是植被與大氣碳庫的3～4倍[11]，是僅次于海洋和地質庫的碳儲庫。全球土壤有機碳庫約1 500 pg（1 pg=1015 g），分別是大氣（750 pg）和陸地生物（550～570 pg）碳庫的2～3倍[12]。

1.3濕地濕地生態系統碳平衡對氣候變化極為敏感，是陸地生態系統碳循環響應全球變化的重要環節[13]。濕地吸碳能力是其他生態系統的10倍，能減緩和遏制全球氣候變暖的進程[14]。而隨著全球氣候變暖及人口急劇增加，濕地面積卻不斷減小[15-16]，濕地的固碳功能受到進一步減弱。此外，泥炭生態系統貯存了500～600 pg的有機碳，自從冰河時期便開始大規模積累[17]。

1.4水體全球碳循環是碳元素在地球各個碳庫之間不斷交換、循環周轉的過程，它是地球化學循環中極為重要的組成部分，包括地殼層、海洋和陸地全球三大碳庫。其中，內陸水體生態系統（河流、湖泊、水庫等）是陸地生態系統的重要類型[18]，在全球碳循環和碳固定方面發揮著非常關鍵的功能。

1.5其他陸地生態系統因碳植被豐富多樣性、土壤固碳能力強而呈現出巨大的碳匯量。此外，大氣、海洋生態系統是人工源二氧化碳2個可能的容納匯，其中，碳失匯的主要原因與海洋對碳的吸收、巖石圈中巖溶動力系統對碳的吸收，以及陸地上碳庫的轉移有關。

2碳匯估算

2.1森林碳匯估算目前，常見的碳匯價值確定方法主要有人工固定二氧化碳成本法、造林成本法（它是根據所造林分吸收大氣中的二氧化碳與造林費用之間的關系來推算森林固定二氧化碳的價值）、碳稅率法（環境經濟學家們通常使用瑞典的碳稅率）、變化的碳稅法、損失估算法以及意愿支付法[19]；還有一種是依據京都協議書的清潔發展機制（CDM），是發達國家締約方為實現部分溫室氣體減排義務，與發展中國家締約方進行項目合作的機制，CDM 是一種最省錢的獲取排放權的途徑[20]。王冬至等學者利用林分生物量，通過化學反應機理來計算林分碳匯量[21]；郗婷婷等采用森林蓄積量擴展法計算碳匯量，它以森林蓄積（樹干材積）為計算基礎，通過蓄積擴大系數計算樹木（包括枝木、樹根）生物量，然后通過容積密度（干重系數）計算生物量干重，再通過含碳率計算其固碳量，這種方法計算出來的是以立木為主體的森林生物量碳匯量[22]。

國內外應用最廣泛的森林碳匯估算方法還有樣地清查法、渦度相關法和應用遙感技術的模型模擬法[23]。樣地清查法是指通過設立典型樣地，準確測定森林生態系統中的植被、枯落物或土壤等碳庫的碳儲量，并可通過連續觀測來獲知一定時期內碳量變化情況的推算方法[24]。黨曉宏等采用碳匯計量方法，具體操作為：選擇設置標準樣地，對每個樣地內所有活立木的直徑、樹高、樹冠進行詳細調查，然后選擇5、10、15和20年這4個年齡階段的標準木各3株并伐倒。分別對枝條、根系、葉子等器官采用烘干稱量法測定其生物量，計算各器官生物量的同時，測定各器官的含碳率，最后估算其固碳量。最后根據固碳量、造林面積及林分密度，推算各造林區相同年齡時固定的碳儲量[25]。

2.2土壤碳匯計算森林土壤碳貯量主要是某類森林植被覆蓋下，貯存在一定土壤深度內的土壤有機碳的總和。肖英等學者研究了杉木、馬尾松、樟樹、楓香4種森林類型土壤有機碳貯量，其從大到小排序為杉木、馬尾松、樟樹、楓香[26]；土壤碳匯與碳密度、數量等有關。

2.3巖石-流域碳匯估算以流域為單位的巖石化學風化固碳量的估算方法已經取得一定進展，其估算方法大致可以分為動力學方法、溶蝕測量法和水化學方法3類。其中，動力學方法主要從反應物或產物的濃度與時間關系出發，獲得反應動力學參數；溶蝕測量法通過直接測定溶蝕量，建立溶蝕速率模型，為不同環境、地質、生態、氣候等自然條件下的溶蝕速率預測提供理論依據，進而估算巖溶作用過程中消耗的大氣二氧化碳；水化學方法是直接計算一氧化碳的吸收量和碳匯率。各種計算碳匯率的方法和側重點各有不同，有可能因風化作用、生物呼吸作用等因素而難以準確估算。

為揭開碳失匯黑箱之謎，找尋及估算北半球隱存的巨大碳匯及其通量，國內外學者針對碳匯及其估算方法作了大量科學研究。然而，由于碳匯估算方法不確定、量化指標不統一、計算模型過于理論化、實測數據可信度差及誤差大等因素，導致各圈層碳匯估算結果存在較大差異。

3影響碳匯潛力的因素

隨著國內外學者對地球各圈層碳匯研究的不斷深入，碳失匯問題的提出，使全球各大碳源匯所在地及其通量的研究成為當前研究的熱點和難點。

3.1影響森林碳匯潛力的因素森林資源利用和碳儲存之間的關系并不協調[27]，影響幼林生態系統碳匯能力的因素較多，王蕾等認為黃土高原荒地造林的造林密度、保存率和是否禁牧是其主要因素[28]；植被固定二氧化碳總量隨降水量的顯著變化而出現明顯的差異變化，但大體呈逐漸增加趨勢；林地和園地在二氧化碳固定過程中占據優勢，是農用地植被固定二氧化碳最重要的貢獻者。年平均降水量對園地和林地固定二氧化碳的物質量影響程度要遠大于其面積變化的影響。同時國家和區域的經濟政策及調整對植被固定二氧化碳物質量有顯著影響并存在空間差異；一個地區農用地在土地利用結構中所占比例越大，則植被固定二氧化碳量越高[29]；隨著二氧化碳濃度升高，高溫和干旱對熱帶森林將產生一系列更嚴重的負面影響，如森林生長量下降、死亡率以及森林火險增加[30]，將對森林固碳產生直接影響；采用動態的生命周期評價方法可評價土地利用、土地利用變化和林業的時間序列對固碳與氣候變化的影響[31]。從以上研究可知，影響森林碳匯的因素較多，且缺乏統一的標準和認識。

3.2影響濕地碳匯潛力的因素濕地是陸地生態系統中重要的二氧化碳碳匯，影響濕地生態系統碳匯與碳源過程的控制因子有水分、植物類型、土壤厚度、微生物（底物、pH、溫度、氧化還原條件）等[32]，環境條件差異、氣候變化等也將對固碳能力產生影響。

3.3影響土壤碳匯潛力的因素不同生境中碳匯速率變化較大，潛在土壤有機碳匯能力差異也較大[33]；土壤貯存二氧化碳的能力與母巖類型、演替進程和利用方式有關[34]；時間也影響土壤碳匯過程，溫暖、潮濕的農業棄耕地環境次生演替過程中，從碳源到碳匯的轉折點大約需要5～19年[35]；為了提高單位面積碳匯，有效提高碳和氮的利用效率也是一個行之有效的途徑[36]；土壤作為全球最大的有機碳儲存庫，在全球碳循環中扮演著越來越重要的角色。為了預測全球氣候變化和采取更多統一的方法來減少溫室氣體排放、遏制全球變暖，土壤碳捕獲能力在全球氣候變化中扮演源還是匯的角色引起了越來越多的關注；營養元素的施用方法對土壤碳匯能力影響極大，研究表明，慢性施氮使大草原土壤碳匯能力增加，快速提供有效氮不僅會使生物多樣性減少，還影響碳的生物地球化學耦合[38]。

不僅非生命因素影響土壤碳匯潛力，微生物群落的營養狀態對土壤中二氧化碳損失的影響可能要高于土壤基質的生物可利用性，特別是關于氮肥的添加，即作物產量會隨著土壤中二氧化碳排放量的增加而增加。為了全面評估棕櫚種植園土壤碳儲存的影響因素，土地流轉后初始土壤中的碳損失（如從原生森林或其他之前的種植園）必須考慮在內。數據顯示，如果初始土壤碳損失很大，就是等到棕櫚成熟，種植園土壤總也沒有積累穩定的碳源，因此土壤中碳的含量會存在凈虧損[39]。

在降雨量大的地區，高等植物籬和草地過濾帶是重要的促進和維持坡耕地生產率的措施，然而對侵蝕控制措施影響下的土壤固碳能力和農藝生產力未能得到廣泛評估。通過對印度東北部采取侵蝕控制措施下的坡耕地碳匯潛力進行評估表明，碳匯能力得到提高[40]，表明采取有效措施防止土壤流失也能夠提高土壤碳匯能力。

減少溫室氣體排放的途徑之一就是激勵林業和農地管理者采取措施，將更多的碳貯存在樹木和土壤中。在生物碳估價環節，要有足夠的碳資金、清晰的機構組織、更多公眾和私營部門參與者[41]，才能實現碳匯效益最大化。

4基于區域碳匯交易的森林生態效益補償方式

4.1政府補償政府補償是以國家或上級政府為主體，以財政轉移支付、差異性的區域補償政策、生態環境稅費制度、生態補償基金為手段的生態補償方式[42]，體現政府的“強干預”作用，更多依賴行政手段，具有強制性。

4.2市場補償市場補償是指在政府的“弱干預”（“弱干預”與政府的“強干預”補償相對而言，后者是指通過政府的轉移支付實施生態保護補償機制）下，以市場交易主體在各類生態環境標準、法律法規、政策規范的調控范圍內，利用經濟手段參與環境市場產權交易，從而自發參與生態環境改善活動的總稱[43]。

5碳匯研究展望

5.1發展碳匯農業的路徑大力發展資源節約型、環境友好型循環農業，減少對高碳型生產資料的依賴；積極推廣有機農業，增強農業碳匯功能；發展休閑觀光農業，減少農作物的碳排放量；改變傳統的耕作方法，提高土壤的固碳水平[44]；合理利用農業廢棄物，如秸稈、畜禽糞便、沼液、沼渣等，實現廢物資源化、無害化；創新整地方式，減少碳流失。

5.2固碳潛力及速率研究在碳匯潛力估算和速率計算方面，我國至今還沒有公認的、科學的準確數據及計量方法，應多加強這方面的研究，闡明各碳庫演變及其影響因素的區域特征，建立固碳潛力與速率計量理論與方法，提出固碳潛力與速率更準確、更科學的數據，這對于我國固碳戰略的制定、固碳措施的實施以及提高我國總體固碳潛力、應對全球氣候變化及外交談判等均具有重要的理論和現實意義。

5.3多學科多技術相結合研究碳匯有關碳匯問題的研究，應綜合運用多學科相關知識，如微氣象學、數學、化學等，采用先進的地理信息系統（GIS）和遙感（RS）圖像數據處理等技術，建立完整的生態系統碳循環各環節數據庫，進行各種環境條件下的情景模擬，實現在時間和空間尺度上對碳儲量及其價值的準確評估和計算。

5.4研究減少碳排放的措施靠自然過程捕獲和匯集二氧化碳的速率太慢[45]，因此要采取一切措施從源頭上減少二氧化碳氣體排放，同時保護好森林、土壤、水體和濕地等自然生態系統，保持較高效率的碳吸收能力。

5.5林業應對全球氣候變化的措施研究利用森林資源清查系統，開展林業氣候影響綜合監測，為制定林業適應氣候變化相關政策提供基礎信息。增加林業基礎設施投資和投入，增強森林抵御自然和人為災害的能力。加強林業科學研究， 更好地為決策服務。只有人工林滿足了人們日常生活的需要，才能更好地保護天然林，提高森林在應對全球氣候變化中的作用。

安徽農業科學2015年

5.6碳匯貿易市場的建立目前，全球碳匯基金會比較多，但國內只有“中國綠色碳基金”這一支，原因是國內沒有真正意義上的碳匯交易市場。在國際市場上，二氧化碳完全可以作為一種商品進行交易。從2004到2014年，全球碳匯市場的交易額呈增長趨勢，我國是最大的碳匯賣方。國內現有的CDM林業碳匯項目包括“中國廣西珠江流域治理再造林項目”、“廣西二期項目”和“中國四川西北部退化土地的造林再造林項目”等。其中，“中國廣西珠江流域治理再造林項目”是全球第一個CDM碳匯項目，碳匯成交價為4.35美元/t，項目首次成功解決了CDM 再造林項目基線、額外性、非持久性、碳泄漏等問題，但我國在這方面的發展和研究顯得后勁不足。因此，建立國內碳匯貿易和交易市場迫在眉睫。

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