陆地生态系统碳汇评估方法研究进展
自工业革命以来，人类对化石燃料的消耗，导致CO2等温室气体被大量释放，大气中CO2浓度从1750 年约278μmol/ mol 增加到2021 年11 月的415.01μmol/ mol(www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends )， 从2006 年开始中国取代美国成为世界上最大的CO2排放国 ，2020 年的碳排放量约为10.7Pg(1 Pg＝1015g＝10 亿t)CO2当量，占同年全球排放量的31％ ，未来中国实现碳中和所需的碳减排压力远超过世界上其他任何一个发达国家 。 为此，2020 年我国提出:“二氧化碳排放力争在2030年达到峰值，2060 年实现碳中和目标”，这不仅是实现我国自身可持续发展的需求，也是展现我国作为负责任大国的作为和担当。 减少CO2排放和增加碳汇是最主要的两种实现“碳中和”目标的手段，而碳汇增加的重点在于提高生态系统的质量和稳定性，巩固提升生态系统的碳汇能力。生态系统碳循环根据排放和吸收之间的关系可以分为碳源和碳汇，其中碳源表示生态系统的排放量大于吸收量，而碳汇则表示生态系统的吸收量大于排放量。 根据最新的生态系统碳汇的定义:“生态系统碳汇是指不同生态系统相关关联共同对于全球生态系统碳平衡的作用，不仅包括传统的植树造林、增加绿化面积等措施对于碳吸收的贡献，也包括草原、湿地、海洋等生态系统吸收大气中二氧化碳的过程，同时也涵盖土壤、永久性冻土固定的碳储量” 。 中国陆地生态系统占全球陆地面积的6.4％，其净CO2的吸收量占全球吸收量的10％—30％，是全球和区域碳循环及其模式研究的重点地区。 根据预测，在2060 年中国陆地生态系统碳汇潜力将达到0.36 Pg C/a，抵消的同期化石燃料燃烧和工业活动导致的碳排放的比例将达到43％ 。 因此，在中国开展陆地生态系统碳汇研究不仅是改进生态系统管理、保障生态安全的急迫需求，同时也为实现“碳中和”目标路线图和时间表提供科学基础 。
近年来，随着科技水平的进步，适用于不同时空尺度的碳汇水平观测技术和碳汇强度评估方法不断地得到发展和完善。 在全球尺度和中国尺度的陆地生态系统碳汇评估研究中，国内外发表了大量的基于不同估算方法的文章(表１)，根据数据的来源及模型方法的原理可以将陆地生态系统碳汇方法分为“自下而上”(bottom-up)和“自上而下”(top-doen)两类 。 “自下而上”方法利用地面调查数据、气象观测数据，使用模型方法模拟区域或全球陆地生态系统碳汇，主要包括地表植被生物量和土壤碳的地面调查与清查方法、涡度相关法、生态过程模型等方法 。 常用的模型包括通过温度、降水等气候因子，海拔、坡度、坡向、经纬度等地理因子与植被生物量、蓄积量之间的关系来估算陆地生态系统生产力的经验模型 。通过考虑植被生长与光能利用效率(光合有效辐射)以及植被内部生理生态过程(光合作用、呼吸作用等)来估算陆地生态系统尺度生产力的生态过程模型 。 “自上而下”方法主要利用碳同化反演技术，基于不同平台的(地基平台、航空遥感平台、卫星遥感)大气温室气体浓度观测，结合气象场数据和大气辐射传输模型计算陆地生态系统碳汇强度 ，常用的方法有基于大气CO2浓度的碳同化方法以及卫星遥感数据反演方法。
本文根据生态系统碳汇评估的“自下而上”和“自上而下”两种途径，分析讨论不同方法在陆地生态系统碳汇估算中的应用、以及各方法的优势及缺陷，阐明主要驱动因子对陆地生态系统碳汇的影响。总结中国陆地生态系统的碳汇特征及主要影响因素，最后，基于目前研究存在的挑战，展望了新的理论、方法和技术手段在陆地生态系统碳汇研究中的应用，为更准确的估算陆地生态系统碳汇、更好的支撑国家碳中和行动方案的制定和实施提供参考。
“自下而上”碳汇估算方法
样地清查法
利用清查法评估陆地生态系统的研究包括多个方面:基于生物量组分的碳汇估算，生态系统各组分碳汇水平评估，陆地生态系统碳汇强度的评估和碳汇强度的变化趋势。 郭兆迪等根据中国多期森林资源清查数据，按照不同森林类型分别统计天然林、人工林、经济林和竹林的面积和蓄积数据，利用生物量转换因子法计算了中国 1977—2008 年间森林生物量的碳汇情况，得到天然林和人工林(63.3 Tg C/a(1Tg ＝ 1012g))、经济林(4.0 Tg C/a)和竹林(2.9 Tg C/a)的年平均碳汇 。 方精云等根据清查数据估算了 1981—2000 年间中国陆地生态系统各组分(森林、草地、灌木丛、农作物、土壤)碳汇，认为森林生态系统的森林生物量、地表凋落物、木质残体和土壤有机碳等组分整体表现出明显的碳汇，并肯定了我国植树造林、人工林面积增加对生态系统碳汇的重要贡献[ 。 由全球变化研究国家重大科学研究计划项目经费支持的研究结果表明:2004—2008 年间中国森林凋落物碳和木质残体的碳储量为(925±54) Tg，1988—2008 年，森林凋落物碳和木质残体的年平均碳汇为(925±54)Tg C/a 。 在对陆地生态系统碳汇潜力预测上，刘迎春等基于国家林业和草原局第一至六次森林资源清查数据，采用蓄积量—生物量转换方程，探讨了在基线情景下(气候条件、干扰情况、管理方式、森林面积、树种组成情况不变)2000—2200 年森林碳储量变化 ；Zhang 等在基于森林生物量碳密度恒定的情况下，探讨了 2000—2025 年间在“退耕还林还草”环境保护政策引导下，森林和草地面积增加的条件下陆地生态系统碳汇变化 。 Pan 等通过收集全球不同地区的森林调查数据以及历史观测数据，估算了全球森林在 1990—2007 年间碳汇强度变化，前十年(1990—1999)的全球净森林碳汇强度为(1.0±0.8) Pg C/a，后期(2000—2007)的碳汇强度略高于前十年为(1.2±0.8) Pg C/a 。 基于样地清查法的陆地生态系统碳汇评估方法明确、技术简单，可以直接获得最为准确和可靠的数据。 但陆地生态系统具有较高的空间异质性，需要较广的空间范围和较为精确的采样精度，一般都需要靠抽样方法进行总体精度控制，工作量大，耗时长，而且样地清查法没有考虑陆地生态系统的全部类型，该方法多侧重于森林、草地生态系统等占比较高的生态系统，对于灌丛、湿地、荒漠、冻土、城市等生态系统的观测数据则较少，如中科院实施的“碳专项”项目耗时5年在全国也仅调查了 14371 个调查样方(森林样方 7800个，草地样方 4030个，灌丛样方 1200 个，农田样方1341个)，且并未涵盖所有的陆地生态系统 。 此外，基于样地清查法的碳汇通常基于碳储量的年变化量计算得到，碳储量的年变化量远远小于陆地生态系统的碳储量，碳汇测定误差较大；同时该方法没有考虑生态系统内的土壤呼吸、水蚀、风蚀等因素造成的碳的横向转移过程。
涡度相关方法
涡度相关法是基于微气象理论的目前唯一能直接测量大气与植被冠层及土壤间物质循环和能量交换的观测技术，实现了生态系统尺度的温室气体交换、能量平衡和生产力等功能与过程涉及的生态现象观察、生态要素观测、生态系统功能变化观测的融合 。 目前全球通量观测网络联盟(FLUXNET)建立起 900多个观测样点，形成全球性和区域性的覆盖不同气候带和植被区系的通量观测网络，包括美国通量网、欧洲通量网、亚洲通量网、中国通量网等共 42个国家、23个区域性通量研究网络 。 中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinFLUX)于2002 年建成，截止目前拥有80 多个台站，包括森林、草地、农田、湿地、荒漠、水域生态系统 ，通过应用微气象法进行生态系统 CO2和水热通量长期定位观测的关键技术，为全球碳平衡与全球变化研究提供中国典型陆地生态系统碳、水汽、氮通量的长期观测数据。
通过构建区域、国家及全球尺度的通量观测网络，可以研究不同时间尺度和空间尺度的陆地生态系统碳汇强度。 Fu 等通过借助欧洲中期天气预报中心(ECMWF)1979—2013 年间的 CO2通量观测数据，并结合地面植被数据定量分析了此间北半球、南半球和全球尺度的陆地生态系统 NEP(Netecosystemprouductivity)长期趋势与年际变异的特征规律，发现从长期趋势来看，北半球和南半球对全球 NEP 贡献率相当，年际变化上，北半球的贡献率更大(58％) 。 Pieter 等通过收集陆地和海洋的 CO2的碳通量数据，使用大气环流模型(generalcirculationmodel(GCM))计算了 1981—1987年间全球陆地生态系统碳源汇水平，认为陆地生态系统的碳汇水平远高于海洋生态系统 。 在区域尺度上，Yu 等根据碳通量观测数据发现:相同纬度的中国及东亚地区的亚热带森林碳汇能力要高于北美及欧洲地区森林碳汇量，Chen 等的研究结果则表明亚热带和温带森林的碳汇能力要高于热带雨林地区和北方森林地区 。 此外，涡度相关碳通量技术也应用于不同气候区和植被类型的生态系统碳汇强度研究，包括寒带草原和温带草原 、森林生态系统 、湿地生态系统、荒漠生态系统。 基于涡度相关方法的陆地生态系统碳汇研究，可以实施监测生态系统尺度上的陆地与大气碳交换，减少样地清查法中的数据误差，长期的点位观测可以规避生态环境数据的短期波动带来的不确定性，有利于探讨生态系统碳循环过程对气候变化的相应机制。 但是，涡度相关方法设备布设要求高，下垫面地形复杂的情况会影响设备运行，且周围会有建筑物限高要求;通量塔数量偏少、设置不合理、覆盖范围小不能完全反映测量生态系统的景观异质性;因涡度测量仪器和工作原理的缺陷，观测数据存在缺失，不能记录到光合作用的碳吸收和呼吸的作用的碳排放数据，对于空缺碳通量数据的填补不同方法误差较大;仪器还不能准确区分记录的异常数据是生态系统碳循环的真实扰动数据还是无效记录数据;由于夜间的湍流被抑制会导致测量系统响应不足，测量数据值偏低，测量数据存在偏移现象(植被在休眠期和非光合作用时期记录到 CO2吸收现象) ;对地表可用能量存在低估现象，能量平衡不闭合。
陆地生态系统碳汇驱动因子
通过对近年来中国陆地生态系统碳汇研究的文献进行梳理，总结相关的研究方法和结果，通过“自下而上”和“自上而下”两种方法估算的中国陆地生态系统碳汇大小为(0.07—1.91)Pg C/a ，其中，基于样地清查法估算的碳汇介于(0.13—0.31)Pg C/a，基于涡度相关法估算的中国区域碳汇介于(0.18—1.91)Pg C/a，基于模型法模拟的碳汇为(0.07—0.29)Pg C/a ，“自上而下”方法反演得到的陆地生态系统碳汇为(0.28—1.11)Pg C/a 。 通过比较两类碳汇估算方法可以看出，基于不同方法的我国陆地生态系统碳汇水平存在着明显的差异，“自上而下”方法计算的碳汇要普遍高于“自下而上”方法，这主要是因为“自上而下”方法假设化石燃料和非生物质燃料燃烧完全释放为CO2，未考虑其他的污染气体和非气态碳化合物，从而高估了大气中CO2的排放量，而基于“自下而上”的方法对于森林产品收获、水体沉积等从陆地生态系统碳库中转移部分缺乏考虑 ；此外，对于陆地生态系统的主体森林生态系统碳汇计算也存在很大的不确定性:对于森林定义的不同统计的森林面积也有区别，森林碳汇往往只针对连片的森林乔木，对经济林、灌木林和其他类型林木较少纳入计算，这造成了森林生态系统碳汇水平的低估 。 从中国陆地生态系统碳汇强度历史变化趋势来看，学者对20 世纪后半叶中国陆地碳汇变化有着较大的争议，一些研究认为从60 年代到90 年代，碳汇水平呈微弱的下降趋势，而有些研究则认为碳汇不存在明显的变化 。 对于21世纪以来的碳汇水平，大多数研究都认同中国陆地生态系统碳汇强度在增加 。 通过对未来碳汇水平的预测，到2060年中国陆地生态系统碳汇强度介于(0.19—0.52)Pg C/a，将会抵消2.8—18.7％的碳排放，为我国实现“碳中和”发挥着举足轻重的作用。
在中国，气候因素对于陆地碳汇的驱动作用要高于其他因素。 Zhang 等基于碳通量数据使用６个生态系统碳汇模型定量分析了中国陆地碳汇年际变化的区域贡献与气候变化之间的关系，结果表明中国季风区对全国陆地生态系统碳汇的年际变化起主导作用(86％)，相较于其它区域的气候因子，降水的年际变异对碳汇年际变异的贡献最大(23％) 。 Fang 等利用基于NOAA 时间序列数据获取的归一化植被指数(NDVI)研究了1982—1999 年间中国植被活动的变化特征及驱动因素，结果表明18 年间全国NDVI 增加了7.4％，其主要的驱动因素在于温度的升高、夏季降水的增加和农业活动的增强 。 通过对中国1982—2010年间陆地生态系统碳汇变化及驱动因素分析，发现气候因素效应的贡献率为56.3％，其次是氮沉降(11.3％)和大气CO2 浓度增加(8.6％) 。 卢学鹤等利用卫星遥感估算的大气氮沉降数据、卫星柱浓度数据和气象数据模拟了氮沉降对于我国陆地生态系统碳汇的影响，研究表明在21世纪初期，大气氮沉降使中国陆地生态系统碳汇增加了0.0469 Pg C/a。 我国所属的北半球大部分地区为全球氮沉降的高值区域 。
土地利用管理也是中国陆地生态系统碳汇的主要影响因素。 当前土地利用/ 覆盖变化主要包括两个方面，一方面随着经济发展和城市化进程需要的国土开发导致的林地、耕地、草地面积减少、建设用地增加，对1980—2010 年间我国陆地生态系统土地利用变化的研究表明，30年间因林地、耕地面积减少和城市用地的增加造成了279Tg C 的损失 。 另一方面受益于天然林资源保护工程、退耕还林还草、三北防护林体系等一系列生态工程的实施，增加了森林面积，提高了森林覆盖率，明显提高了我国陆地生态系统的碳汇能力 。Chen 等基于MODIS 全时间序列叶面积指数数据发现2000—2017年间全球植被叶面积呈增加趋势，其中，中国以占全球6.6％的植被面积，贡献了占１/４ 的全球叶面积增加量，地球变“绿”的直接因素就是土地利用管理。
展望
陆地生态系统碳汇是一个复杂的机理过程，碳汇估算也受多种因素的影响，包括对于陆地生态系统碳汇定义的差异、模型参数化本身的系统误差、观测样点分布不均的造成抽样误差、观测设备本身存在的测量误差、以及不同碳汇估算原理和方法间的误差 。 为了加深对陆地生态系统碳汇过程机理的理解，提高陆地生态系统碳汇估算的准确性，准确客观的评价陆地生态系统碳汇对我国碳中和的贡献，需要采用新技术和新方法，多源数据、多尺度数据和多源方法相融合，开展陆地生态系统碳汇评估。
规范陆地生态系统碳汇指标
要对陆地生态系统碳汇有着全面准确的认识，首先需统一陆地生态系统碳汇指标定义。 因对生态系统的定义不同，不同研究使用的观测数据在来源、定义、阈值等方面存在着差异，其结论也会存在较大的差距，Fang等 和Tang等分别采用森林资源连续清查数据和1∶100万植被图来计算森林生态系统碳汇，其定义的森林面积分别为(1.428×106) hm2 和(1.882×106) hm2 。 因此，规范生态系统指标，统一量化分类方法，及时更新土地利用数据，对于比较不同生态系统碳汇有着重要意义。
扩展陆地生态系统数据监测范围，完善碳汇监测技术手段
在计算陆地生态系统碳汇时不仅要关注森林、草地、农田、湿地(包括泥炭地)等生态系统的碳汇数据，也要重视灌丛、荒漠、冻土、城市生态系统等碳汇数据，以及水体可溶碳、大气中除CO2通量以外的氮、硫、甲烷通量、人为碳汇活动数据的收集，扩大陆地生态系统数据监测范围，标准化数据观测，提高数据的代表性和准确性。 完善国家陆地生态系统定位观测研究站、中国通量观测研究联盟、中国生态系统光谱观测研究网络等观测系统的建设，从而获取长期、连续、定位的生态系统观测数据，推进大气观测卫星(天气、气候大气成分探测卫星)、陆地观测卫星(光学、微波、地球物理场探测卫星)等空间基础设施和基于无人机遥感技术的近地面遥感监测平台的建设，获取高分辨率、长时间序列、高可靠性的生态系统遥感监测数据(碳通量、气溶胶、叶绿素荧光、生物量、叶面积指数、大气颗粒物、污染气体、温室气体浓度)，完善“天￣空￣地”一体化的陆地生态系统观测体系。 我国于2018 年发射的首颗碳卫星(TanSat)，在研究全球CO2浓度，监测温室气体方法、估算全球和区域碳通量已发挥了重要作用 。 2022 年8 月发射的首颗陆地生态系统碳监测卫星“句芒”为我国获取全球森林碳汇的多要素遥感信息，提高碳汇计量的效率和精度、实现陆地生态系统碳汇监测提供重要支撑。
新技术的应用及模型方法的系统耦合
新技术和新方法的广泛应用可以促进陆地生态系统碳汇研究。 测序技术的突破、质谱技术的发展以及生物信息学的进步为从分子层面阐明生态系统群落组成、功能和结构提供了帮助；稳定碳同位素追踪技术通过测定植被、土壤及大气中各碳库示踪物量的变化，量化植被光合作用中碳的传输与分配特征、阐明土壤碳动态变化，从叶片、种群、群落、生态系统等尺度解释陆地生态系统碳循环；日光诱导叶绿素荧光(SIF)遥感技术作为新兴的植被遥感技术，在借助近地面遥感平台、机载平台和星载平台获取丰富的数据源基础上，通过深入SIF 机理研究，构建起从叶片、冠层全球尺度的生态系统过程中的关键生理生化参数反演模型，为陆地生态系统碳循环监测提供了新的视角。 陆地生态系统碳汇方法日趋成熟，单一的技术手段和方法已经不能实现碳汇的准确评估，今后的研究方向已倾向于综合应用各类观测数据、耦合多种模型、“自下而上”和“自上而下”方法相结合进行碳汇比较验证。 包括基于物联网、大数据技术建立温室气体、碳、氮同位素协同观测网络，植被碳循环模型与气候模型相耦合研究不同尺度陆地生态系统间的物质循环和能量流动，揭示陆地生态系统碳汇，降低预测的不确定性。
国家重大生态工程的碳汇评估
最后，根据中国政府出台的“碳汇能力巩固提升行动”方案，需要量化国家生态保护修复重大工程对陆地生态系统碳汇的影响。 防护林工程、退耕还林还草工程和国土绿化工程对森林、草地等生态系统的增汇潜力，以及随着时间的推移植被年龄结构的变化和经营管理措施对碳汇能力的影响都需要科学评估，同时也要研制和完善突发气候状况下(极端天气、火灾)和不同碳排放场景下的陆地生态系统碳汇模型。 此外，考虑到陆地生态系统碳汇评估的研究性，当2060 年实现“碳中和”目标后，随着能源结构的调整、CO2浓度的变化， “后碳中和”时代的陆地生态系统碳汇评估可能遇到新的问题和挑战，这需要有预见性考量并提前作出科学的应对。
来源：刘坤，张慧，孔令辉，乔亚军，胡梦甜.陆地生态系统碳汇评估方法研究进展.生态学报，2023，43（10）：4294-4307
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