碳汇的含义与估算

一、碳汇的含义与种类

　　1.碳汇的含义

　　“碳汇”一词来源于《联合国气候变化框架公约》,指从空气中清除二氧化碳的过程、活动、机制。狭义上的碳汇主要指森林、农田、湿地等吸收并储存二氧化碳的能力,广义上的碳汇指通过陆地生态系统的有效地管理来提高固碳潜力,所取得的成效抵消相关国家的碳减排份额。本章主要讨论狭义上的碳汇。

　　大自然中的碳存在循环,在碳循环的过程中往往有一个暂缓场所,其场所在环境科学中称之为“pool”。站在物质循环链的不同方位描述pool,又可以把pool分为“源”(source)和“汇”(sink)两种,两者是相对可互换的概念¹³。根据《公约》,“汇”指从大气中清除温室气体、气溶胶或温室气体前体的任何过程、活动或机制;“源”指向大气排放温室气体、气溶胶或温室气体前体的任何过程或活动。碳汇是从空气中清除二氧化碳的过程、活动、机制。与碳汇相对的概念是碳源,它是指自然界中向大气释放碳的母体。

　　碳汇与碳源不是固定不变的,两者在一定条件下可以互相转化。以森林为例,一方面,森林的生长可以从大气中吸收和固定大量的碳,是大气中二氧化碳的一个重要碳汇;另一方面,森林的采伐利用会使原先已固定的碳释放,又可成为大气二氧化碳的一个重要碳源。以湿地为例,湿地是二氧化碳的汇,同时是甲烷的源。因此,判断湿地是温室气体的源还是汇, 取决于二氧化碳的吸收和甲烷的排放平衡。在经常性积水条件下,湿地是二氧化碳的汇。当排水后,土壤中有机物分解速率大于积累速率,则湿地变为二氧化碳的源。

　　2.碳汇的主要类型

　　根据主体的不同可以把碳汇分为森林碳汇、农田碳汇、湿地碳汇三个主要类型。

　　(1)森林碳汇。森林碳汇是指森林植物通过光和作用吸收大气中二氧化碳并将其固定在植被或土壤中,同时放出氧气,从而减少大气中二氧化碳的浓度。二氧化碳是林木生长的重要营养物质。森林把吸收的二氧化碳在光能作用下转变为糖、氧气和有机物,为生物界提供枝叶、茎根、果实、种子,提供最基本的物质和能量来源。这一转化过程,就形成了森林的固碳效果。研究表明,不同自然地带的植被固碳能力不同,以森林生态系统固碳能力最强最稳固。因此,造林对于降低大气二氧化碳浓度,平衡全球碳循环起着重要的作用。

　　森林作为陆地生态系统的主体,本身维持着大量的碳库(约占全球植被碳库的86%以上),同时森林也维持着巨大的土壤碳库(约占全球土壤碳库的73%)。此外,与其他陆地生态系统相比,森林生态系统具有较高的生产力,每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3。据专家测算,森林每生长1立方米蓄积量,平均吸收1.83吨二氧化碳、释放1.62吨氧气。因此,森林生态系统在应对气候变换、调节全球碳平衡、减缓大气中二氧化碳等温室气体浓度上升等方面中具有不可替代的作用。

　　森林是二氧化碳的吸收器、贮存库和缓冲器。反之,森林一旦遭到破坏,则变成了二氧化碳的排放源。森林过度采伐被认为是继矿物燃料燃烧之后引起全球大气二氧化碳浓度上升的最重要因素。

　　与工业直接减排相比,森林碳汇虽是间接减排,但它具有固碳投资少、代价低、综合效益大、经济可行性和现实可操作性强等特点。森林是利用太阳能的最大的载体,通过光合作用吸收二氧化碳气体,是一种既经济又廉价的固碳方式。森林是最经济的吸碳器,利用森林固碳实现间接减排,被国际公认为最有效的生物固碳方式。

　　与森林碳汇相关的两个概念是林业碳汇、碳汇林业。林业碳汇是指利用森林的储碳功能,通过植树造林、加强森林经营管理、减少毁林、保护和恢复森林植被等活动,吸收和固定大气中的二氧化碳,并按照相关规则与碳汇交易相结合的过程、活动或机制。所谓碳汇林业,就是指以吸收固定二氧化碳,充分发挥森林的碳汇功能,降低大气中二氧化碳浓度,减缓气候变化为主要目的的林业活动。

　　(2)农田碳汇。农田碳汇是指农作物吸收二氧化碳并将其固定在土壤中的过程、机制。农田生态系统中的碳库不仅是全球碳库的一个重要组成部分,而且在保持农业土壤碳汇功能、提高土壤有机碳水平、缓解气候增暖趋势和保障粮食安全方面具有重要的意义。农田碳汇及与之密切联系的农田土壤有机质碳含量是衡量农业生态系统稳定性的重要指标。在人类耕种、施肥、灌溉等管理活动影响下,农业土壤中碳库的质和量在不断发生变化。土壤有机碳的变化是陆地生态系统对于大气二氧化碳的源汇效应的重要依据,而土壤固碳是应对全球气候变化的重要途径。

　　农田碳汇管理措施在很大程度上影响土壤有机碳的动态变化。过度开垦和不合理管理会造成农田土壤有机碳含量大幅度降低,导致二氧化碳向大气的大量排放。优化农业管理措施不但能增加土壤碳库、改善土壤质量并提高农业生产力,还具有减少水土流失、保护生物生境等环境效益。但是应该注意到,土壤的碳汇集潜力一方面受植被状况、环境温度、土壤矿物组成和风化层深度、土壤排水以及水分和空气可利用性等诸多条件的影响;另一方面还受控于土壤有机质的化学组成及其对微生物降解的抗性¹⁴。

　　(3)湿地碳汇。湿地是地球上独特的、多功能的和高价值的生态系统,具有丰富的生物多样性,不但能够直接或间接地为人类提供多种产品和服务,而且具有均化洪水、降解污染、调节局地气候、控制侵蚀等多种环境功能。湿地生态系统是目前已知陆地生态系统中仅次于森林的重要碳汇,具有巨大的能量与物质循环功能,对全球范围的碳循环有着显著影响。泥炭地是世界分布最广的湿地类型,据统计,泥炭地占全球湿地面积的50%~70%,碳储量为世界土壤碳储量的1/3,相当于全球大气碳库碳储量的75%。芦苇湿地全球分布广泛,因净水效果好被广泛应用于人工污水处理湿地,是常见的湿地类型。

　　湿地在稳定全球气候变化中占有重要地位。湿地土壤和泥炭是陆地上重要的有机碳库。尽管全球湿地面积仅占陆地面积的4%~6%,碳储量约为300~600吉吨,占陆地生态系统碳储存总量的12%~24%。

　　湿地植被和土壤碳储量丰富、碳密度高。湿地在陆地上各种生态系统中单位面积碳储量是最高的,陆地生态系统土壤碳储量远大于植被碳储量,湿地生态系统90%以上的碳储量储存在土壤中。湿地植物较高的生物生产量和较低的分解率使得湿地土壤能够储存大量的有机碳。

　　一方面,湿地是二氧化碳的汇,即通过湿地植物的光合作用吸收大气中的二氧化碳并将其转化为有机质,植物死亡后的残体经腐殖化作用和泥炭化作用形成腐殖质和泥炭,储存在湿地土壤中。另一方面,湿地也是温室气体的源,土壤中的有机质经微生物矿化分解产生的二氧化碳和在厌氧环境下经微生物作用产生的甲烷,都被直接释放到大气中。湿地是温室气体的源还是汇主要取决于二氧化碳的净汇与甲烷释放之间的平衡。尽管甲烷的温室效应大约是二氧化碳的21倍,通过研究表明,多数湿地的二氧化碳固定量都远高于甲烷的释放量,有机质被大量储存在土壤中,湿地植物净同化的碳仅仅有15%被释放到大气,因此多数天然湿地都是二氧化碳的净汇,表现为负性温室效应,是平衡大气中含碳温室气体的贡献者¹⁵。

　　但是湿地中的水被排干后,原有的碳收支平衡将被破坏,湿地碳储存的功能减弱。因此,湿地的大规模开发对全球气候变化产生深远影响。

二、碳汇的估算方法

　　不同生态系统的碳汇计算方法不同,以下从森林、农田、湿地等生态系统介绍目前主要的碳汇计算方法。

　　1.森林碳汇的估算方法

　　根据联合国环境规划署——同济大学环境与可持续发展学院碳减排研究课题组,森林碳汇的估算方法主要分为以下四种,见表6-1。

表6-1森林碳汇估算方法¹⁶

方法

计算方法

优点

缺点

适用性

样地清查法

生物量法

以森林生物量数据为基础,用样地数据得到植被的平均碳密度,然后用每一种植被的碳密度与面积相乘

直接、明确,技术简单;能够用于长时期、大面积的森林碳储量监测

耗时耗力;推算的结果往往导致森林植物的固碳量估算不准确;一般会忽略土壤微生物对有机碳的分解

多应用于森林资源清查

蓄积量法

以森林蓄积量数据为基础,对森林主要树种抽样实测,计算森林中主要树种的平均容重(t/m³),根据森林的总蓄积量求出生物量,进而得到森林固碳量

比较直接、明

确、技术简单

可能会忽略森林生态系统内诸多其他要素,统计结果可能会出现较大的误差

是推算大尺度森林生物量的简易方法

材积源—

生物量

确定森林生态系统类型乔木层的碳贮存密度,根据乔木层生物量与总生物量的比值,估算各森林类型的单位面积总生物质碳贮量

结果较准确

耗时耗力

可用于多种尺度研究

通量观测法

静态

箱式法

用箱子将被测地面罩起来,在保持箱内空气与外界没有任何交换的情况下,每隔一段时间对箱内待测气体浓度测量一次,根据浓度变化估算被罩表面气体的排放通量

技术简单

改变了被测表面空气的自然湍流状态;关闭盖子以后,箱内的温度和湿度都可能变化,这也会在一定程度上影响地面与大气的气体交换

测定来自土壤、水体和小型植物群落的微量气体成分排放通量

微气象学

法—涡度

相关技术

通过测定和计算物理量的脉动与垂直风速脉动的协方差求算湍流输送量的方法

直接测量生物圈与大气间能量与物质通量的最直接、标准的方法

在实际应用中往往受限于一些技术和环境条件

下垫面平坦均一;大气边界层内湍流剧烈且湍流间歇短

模型

模拟法

通过数学模型估算森林生态系统的生产力和碳储量

可用于通量数据的空间与时间插补、从点到面演绎全球尺度的森林碳平衡研究中

由于一些生态学过程的特征参数不易获得或难以把握和可靠的观测数据的可获得性标准,模型化很难

主要用于大尺度森林生态系统碳循环研究

土地利用和

土地覆被变化

监测法(基于

RS/GIS技术)

利用遥感手段获得各种植被状态参数,结合地面调查,完成植被的空间分类和时间序列分析,随后可分析森林生态系统碳的时空分布及动态

数字摄影测量可以为图像分析提供较准确的三维空间数据

结果精度受影像质量及地面调查详细程度的影响大,不确定性大

大尺度范围内植被碳库的变化研究

　　资料来源:李风亭,郭茹,蒋大和,Mahesh Pradhan.上海市应对气候变化碳减排研究[M].北京:科学出版社,2009(11):19。

　　2.农田碳汇的估算方法¹⁷

　　农田碳汇主要包括农业植被生物储碳和农田土壤固碳。

　　估算作物生物量储碳及其变化的方法是利用作物产量的统计数据及各主要作物的相关参数来进行。赵荣琴、秦明周(2004)参照李克让的估算方法,采用不同种类作物经济系数和碳吸收率来估算农作物生长期内对碳的吸收¹⁸,其公式如下:

　　C_d=C_f×Y_w/H

　　式中,C_d表示某种作物生长期内对碳的吸收量;C_f表示作物合成单位有机质干质量所吸收的碳;Y_w表示作物的经济产量;H表示经济系数。

　　土壤是陆地生态系统的核心,连接着大气圈、水圈、生物圈和岩石圈,土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库,是全球碳循环的重要组成部分。土壤有机碳含量是衡量农业生态系统质量的一个重要指标。提高土壤有机碳含量,保持农田土壤碳收集能力,对缓解全球气候变暖、保障粮食安全具有重要意义,是农田碳汇研究的重要内容之一。参照金琳(2008)对于中国农田土壤有机碳密度(DSOC,tC·ha^-1)的估算公式,一般可采用以下计算方法:

　　DSOC=SOC×γ×TH×0.1¹⁹

　　式中,SOC表示土壤有机碳量(gC·kg^-1);γ表示土壤容重(g·cm^-3);TH表示土层深度(cm)。

　　在数据匮乏的情况下,也可以采用土壤碳汇系数法大致估算农田土壤碳汇。但是值得注意的是,农田系统同时也是一个重要的碳源。

　　3. 湿地碳汇估算方法

　　目前针对碳汇的研究重点集中于森林的研究上,对湿地生态系统的研究有限。湿地植物较高的生物生产量和较低的分解率使得湿地土壤能够储存大量的有机碳。影响土壤有机碳储量的因素很多,主要包括植被(有机质输入量、物质组成),气候因子(温度、湿度),土壤性质(结构、粘粒含量、矿化度、酸度等)以及其他因素如施肥、灌溉。影响土壤有机质矿化的速率主要取决于温度和氧气供应(排水状况)、土地利用方式、作物种类、土壤耕作管理等。不同类型的湿地碳累积或分解的速率不同,碳密度相差很大。因此,估算湿地土壤碳储量,必须建立在准确掌握湿地的类型、面积和动态变化数据的基础上。

　　湿地碳储量的绝大多数储存在泥炭地中,而 90%的泥炭地分布在北半球温带及寒冷地区。北方森林土壤中由于含有大量泥炭,土壤碳储量是植被碳储量的5.4倍。据Zoltai和Mart ikainen(1996)估算,全球森林泥炭地土壤碳储量约为541吉吨,占陆地生态系统土壤碳储量的34.6%。又据Gorham(1991)估计有455吉吨的土壤有机碳储存在北方和次北极的泥炭地,占全球土壤有机碳储量的近1/3²⁰。

　　湿地土壤的有机碳密度普遍较高。潘根兴(1999)根据全国第二次土壤普查的资料,估算湿地土壤(沼泽土和泥炭土)的平均有机碳密度在14.1~60kg(C)/m²之间,远高于全国平均水平²¹。马学慧等(1996)在实测数据的基础上估算中国三江平原湿地土壤(沼泽土和泥炭土)碳密度为13.9~47.3kg(C)/m²²²。碳储存在土壤、植物和凋落物中的平均存留时间不同。如果气候稳定且无人类干扰,湿地相对于其他生态系统能够更长期地储存碳。

　　我国关于碳汇的研究与国外相比存在一定的差距,尤其是在碳汇市场化方面还存在很大的差距。因此,从碳汇估算、市场化,再到碳汇经济还有很长的路要走。通过碳汇项目,实现碳交易,并实现生态效益的部分补偿,进而促进碳汇经济发展,这也是一个新的发展趋势。