森林生态系统碳汇： 概念、时间效应与提升途径
工业革命以来，化石燃料大量燃烧排放 CO₂引发全球气候变暖、极端灾害频发。我国 2020 年提出 2030 碳达峰、2060 碳中和 “双碳” 目标；至 2060 年碳中和阶段，即便全行业碳排放降至最低，仍有约 1/4 现有碳排放需依靠生态系统消纳，工业革命以来大气新增 140 ppm CO₂也需生态系统清除。森林是陆地生态系统碳汇主体，贡献陆地碳汇 80% 以上，但森林长周期、高复杂、动态变化特征，造成碳汇基础概念模糊、时间效应界定不清，衍生碳汇提升技术匮乏、碳汇交易市场混乱等问题。 本文系统梳理森林生态系统碳汇定义与形成机理，分多时间尺度解析碳汇动态规律，阐释碳汇时间效应；推荐以 “吨⁃年（t⁃year）” 作为碳汇计量单位，划定 3~6 个月为碳汇最小计量周期；从提升碳汇总量、延长固碳封存时长两大维度提出增汇路径：一是扩绿、提质、控干扰，提升森林碳汇产能；二是推广木材替代高碳建材、生物质制生物炭、防控林火病虫害等手段，减少临时碳汇、增加持久碳汇（依据《巴黎协定》，碳汇计量上限年份为 2100 年）；最后提出构建以人工智能为核心的气候智慧林业，为森林碳汇提质增效与可持续经营提供理论、技术支撑。
工业革命（1760 年至今）后化石能源大规模使用，大气 CO₂浓度由工业化前水平升至 2022 年 418 ppm，累计增幅 140 ppm，温室效应加剧，海平面上升、洪涝、干旱、林火等跨区域极端气候灾害常态化。 全球气候治理进程：1992 年《联合国气候变化框架公约》、1997 年《京都议定书》、IPCC 成立、2015 年《巴黎协定》，全球共识将本世纪升温控制在 2℃内，力争 1.5℃，本世纪中叶实现全球净零排放。 我国 “双碳” 战略构建 “三端发力” 体系：能源供应端非碳能源替代、消费端节能降碳、人为固碳端生态增汇 + 人工碳封存。陆地生态固碳具备绿色、低成本、规模化优势，森林占陆地总面积 30% 以上，碳汇贡献超陆地生态系统 80%，是抵消化石碳排放、实现碳中和的核心载体。测算显示，2060 碳中和阶段我国森林碳汇需在现有基础上提升 1 倍以上，年固碳规模达 1.602~2.002 Pg CO₂。 当前全球森林碳汇估算不确定性极高，加之森林固碳、释碳同步发生（植物呼吸、土壤微生物分解、林火、采伐均释放 CO₂），森林碳汇是长期复杂动态过程。本文系统阐释森林碳汇概念、形成机理、时间尺度效应，提出碳汇提升路径与气候智慧林业发展方向。
1 森林生态系统碳汇
1.1 森林碳汇定义
森林生态系统碳汇指森林从大气吸收、清除 CO₂的总量，以单位时间碳吸收与排放差值表征：差值为正 = 碳汇，差值为负 = 碳源，未知正负统称碳收支。 我国森林碳汇演化：1980 年前采伐毁林导致碳汇衰退；1980—2000 年三北防护林、天然林保护工程实施，森林由碳源转为碳汇；2000 年后碳汇增速持续提升。全球森林碳汇估算区间差异巨大，温带森林碳汇能力最强，仅 15% 面积贡献 47% 全球森林碳汇。
1.2 碳汇形成机理与三大碳库
树木通过光合作用固定大气 CO₂生成碳水化合物，构建地上（叶、枝、干）、地下根系生物量碳库；林木凋落物、枯木、死根形成植物残体碳库；残体经微生物分解汇入土壤，形成土壤有机碳库。三大碳库共同构成森林生态系统碳储存载体。 单位时间森林碳汇计算公式：
Csink=ΔCbio+ΔCsoil+ΔCres
Csink：单位时间碳汇；ΔCbio：生物量碳库时段变化；ΔCres：植物残体碳库变化；ΔCsoil：土壤有机碳变化（土壤饱和时为 0）。
1.3 完整演替周期碳汇计量
天然林百年演替、人工林 30 年轮伐周期内，完整碳汇包含木材、活体枝叶根系、未分解残体、土壤有机碳增量；若考虑枝叶、细根短期分解释放 CO₂，土壤碳饱和状态下，周期碳汇可简化为木材生物量 + 土壤碳增量。
2 森林生态系统碳汇的时间效应
森林固碳强度随时间尺度发生显著分化，碳封存时长直接决定气候缓解效益，由此区分临时碳汇、持久碳汇，提出 “吨⁃年” 计量标准。
2.1 多尺度碳汇动态特征
瞬时尺度（半小时）：涡度协方差高频通量观测，仅反映短时碳交换，无碳汇计量实际价值；
日尺度：生长季白天光合固碳、夜间呼吸释碳，温湿度、光照调控昼夜碳收支；
年尺度：温带森林季节分化显著，生长季碳汇、非生长季碳源 / 碳中性；热带无四季但干湿季影响固碳，毁林导致整体弱碳汇；建议3~6 个月为碳汇最小计量周期；
演替阶段尺度：中幼林光合远大于呼吸，固碳能力最强；成熟期生产力下降、呼吸增强；过熟林心腐病害大幅削弱碳汇；
演替周期尺度：正向演替过程碳库持续累积，土壤有机碳达到饱和后储量不再增长，演替末期生物量碳储量达峰值；
超长周期尺度：老龄林碳积累与释放平衡，呈碳中性；无高强度土壤干扰时，长期碳汇仅来源于土壤有机碳增量；人工林采伐后木材进入人类社会循环，短则数年、长至上百年分解，或加工为生物炭实现永久封存。
2.2 临时碳汇与持久碳汇
临时碳汇：森林固定碳在 2100 年前重新释放至大气（《巴黎协定》划定计量上限 2100 年），如树叶、细根短期分解、老龄林自然腐烂、未防护木制品自然降解；
持久碳汇：固定碳至 2100 年前不返回大气，包括长期使用木结构建材、生物质转化生物炭、地质 / 深海碳封存。
2.3 碳汇计量单位：吨⁃年（t⁃year）
1 吨碳在大气外封存 1 年记为 1 t⁃year，该单位体现碳汇时间属性。 案例对比：10 t 碳封存 1 年、1 t 碳封存 10 年，吨⁃年数值相等，但两者缓解升温的实际气候效应存在非线性差异，现有研究仍存在空白。
2.4 碳汇时间效应气候意义
森林固碳可阶段性抵消大气 CO₂、降低升温幅度；碳封存持续时间越长，降温效益维持越久。若森林碳库因干扰全部释放，长期临时碳汇的气候抵消效应将完全消失。最优经营模式：持续抚育维持森林稳定固碳，采伐生物质转化为长期储碳产品，实现动态平衡持久固碳。
3 提升森林生态系统碳汇能力的途径
两大核心方向：提升碳汇总量、延长碳封存时长，配套发展 AI 驱动的气候智慧林业。
3.1 提质、增绿、控干扰，扩大碳汇总量
提质：优化森林经营，提升林分固碳效率我国森林总面积 2.31 亿 hm²，人工林 8000 万 hm²，为全球第一人工林大国，但林分结构单一、质量偏低制约碳汇。通过树种调整、补植、抚育复壮等措施，维持林分高年净生长量，稳定生物量碳积累。
增绿：拓展造林空间，扩大森林覆盖国内潜在适宜造林地 66.61 万 km²，推进国土绿化、四旁绿化、防护林建设；攻克困难立地造林技术，提升造林成活率，新增森林碳汇载体。
减排控干扰：降低林火、病虫害、人为破坏碳排放林火、病虫害会大量释放 CO₂，不合理采伐、地表破坏损耗土壤有机碳库，使森林由碳汇转为碳源。建立火险、虫害预警体系，管控林下可燃物，减少人为高强度干扰，保护植被与土壤碳库稳定。
3.2 延长固碳周期，提高碳库持久性
以木代钢、以木代塑，建材领域长期储碳木结构建筑建材生产阶段碳排放较钢筋混凝土低 48.9%~94.7%，百年生命周期温室气体排放低 20%~50%。推广木质建材替代高碳原材料，将碳长期锁定在建筑产品中，同步削减工业生产碳排放。
优化木材加工工艺，延长木制品储碳年限优质木制品无腐烂、燃烧条件下可储碳百年以上；改良加工防腐工艺，延长产品使用寿命，拉长碳封存周期。
林业剩余物制备生物炭，实现永久固碳我国林业残余生物质年产量约 9 亿吨，采伐剩余物利用率仅 10%，大量枯木、枝桠自然分解释碳。将高风险可燃物、采伐剩余物转化生物炭，既能降低林火风险，又可实现碳长期封存，改良林地土壤。
3.3 发展 AI 驱动的气候智慧林业
传统林业难以解析森林与气候变化长期互作机制；气候智慧林业以人工智能、数字孪生、大数据为核心，重构林业科研与管理模式：
量化森林 — 气候双向反馈机制；
搭建 AI 专家决策数字系统；
输出可持续森林经营方案，保障碳汇长期稳定供给，为人与自然协同生态管理提供技术支撑。
四、结论
森林碳汇由植被、残体、土壤三大碳库共同构成，碳汇存在显著多尺度时间效应，建议采用 “吨⁃年” 计量，最小计量周期 3~6 个月，以 2100 年作为持久 / 临时碳汇划分节点；
增汇路径分为两类：一是通过扩林、提质、控干扰提升年度固碳总量；二是通过木材替代、生物炭转化延长碳封存时间，减少临时碳汇；
依托人工智能发展气候智慧林业，能够破解传统林业管理短板，为双碳目标下森林碳汇可持续提升提供理论与数字化技术支撑。
来源：朱教君， 高添， 于立忠， 等． 森林生态系统碳汇： 概念、时间效应与提升途径． 应用生态学报，转在的目的在于传递更多的知识，如有侵权行为，请联系我们，我们会立即删除。