自工業革命以來，人類對化石燃料的消耗，導致CO2等溫室氣體被大量釋放，大氣中CO2濃度從1750 年約278μmol/ mol 增加到2021 年11 月的415.01μmol/ mol(www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends )， 從2006 年開始中國取代美國成為世界上最大的CO2排放國 ，2020 年的碳排放量約為10.7Pg(1 Pg＝1015g＝10 億t)CO2當量，占同年全球排放量的31％ ，未來中國實現碳中和所需的碳減排壓力遠超過世界上其他任何一個發達國家 。 為此，2020 年我國提出:“二氧化碳排放力爭在2030年達到峰值，2060 年實現碳中和目標”，這不僅是實現我國自身可持續發展的需求，也是展現我國作為負責任大國的作為和擔當。 減少CO2排放和增加碳匯是最主要的兩種實現“碳中和”目標的手段，而碳匯增加的重點在于提高生態系統的質量和穩定性，鞏固提升生態系統的碳匯能力。生態系統碳循環根據排放和吸收之間的關系可以分為碳源和碳匯，其中碳源表示生態系統的排放量大于吸收量，而碳匯則表示生態系統的吸收量大于排放量。 根據最新的生態系統碳匯的定義:“生態系統碳匯是指不同生態系統相關關聯共同對于全球生態系統碳平衡的作用，不僅包括傳統的植樹造林、增加綠化面積等措施對于碳吸收的貢獻，也包括草原、濕地、海洋等生態系統吸收大氣中二氧化碳的過程，同時也涵蓋土壤、永久性凍土固定的碳儲量” 。 中國陸地生態系統占全球陸地面積的6.4％，其凈CO2的吸收量占全球吸收量的10％—30％，是全球和區域碳循環及其模式研究的重點地區。 根據預測，在2060 年中國陸地生態系統碳匯潛力將達到0.36 Pg C/a，抵消的同期化石燃料燃燒和工業活動導致的碳排放的比例將達到43％ 。 因此，在中國開展陸地生態系統碳匯研究不僅是改進生態系統管理、保障生態安全的急迫需求，同時也為實現“碳中和”目標路線圖和時間表提供科學基礎 。

    近年來，隨著科技水平的進步，適用于不同時空尺度的碳匯水平觀測技術和碳匯強度評估方法不斷地得到發展和完善。 在全球尺度和中國尺度的陸地生態系統碳匯評估研究中，國內外發表了大量的基于不同估算方法的文章(表１)，根據數據的來源及模型方法的原理可以將陸地生態系統碳匯方法分為“自下而上”(bottom-up)和“自上而下”(top-doen)兩類 。 “自下而上”方法利用地面調查數據、氣象觀測數據，使用模型方法模擬區域或全球陸地生態系統碳匯，主要包括地表植被生物量和土壤碳的地面調查與清查方法、渦度相關法、生態過程模型等方法 。 常用的模型包括通過溫度、降水等氣候因子，海拔、坡度、坡向、經緯度等地理因子與植被生物量、蓄積量之間的關系來估算陸地生態系統生產力的經驗模型 。通過考慮植被生長與光能利用效率(光合有效輻射)以及植被內部生理生態過程(光合作用、呼吸作用等)來估算陸地生態系統尺度生產力的生態過程模型 。 “自上而下”方法主要利用碳同化反演技術，基于不同平臺的(地基平臺、航空遙感平臺、衛星遙感)大氣溫室氣體濃度觀測，結合氣象場數據和大氣輻射傳輸模型計算陸地生態系統碳匯強度 ，常用的方法有基于大氣CO2濃度的碳同化方法以及衛星遙感數據反演方法。

    本文根據生態系統碳匯評估的“自下而上”和“自上而下”兩種途徑，分析討論不同方法在陸地生態系統碳匯估算中的應用、以及各方法的優勢及缺陷，闡明主要驅動因子對陸地生態系統碳匯的影響。總結中國陸地生態系統的碳匯特征及主要影響因素，最后，基于目前研究存在的挑戰，展望了新的理論、方法和技術手段在陸地生態系統碳匯研究中的應用，為更準確的估算陸地生態系統碳匯、更好的支撐國家碳中和行動方案的制定和實施提供參考。

　 “自下而上”碳匯估算方法
 樣地清查法
     利用清查法評估陸地生態系統的研究包括多個方面:基于生物量組分的碳匯估算，生態系統各組分碳匯水平評估，陸地生態系統碳匯強度的評估和碳匯強度的變化趨勢。 郭兆迪等根據中國多期森林資源清查數據，按照不同森林類型分別統計天然林、人工林、經濟林和竹林的面積和蓄積數據，利用生物量轉換因子法計算了中國 1977—2008 年間森林生物量的碳匯情況，得到天然林和人工林(63.3 Tg C/a(1Tg ＝ 1012g))、經濟林(4.0 Tg C/a)和竹林(2.9 Tg C/a)的年平均碳匯 。 方精云等根據清查數據估算了 1981—2000 年間中國陸地生態系統各組分(森林、草地、灌木叢、農作物、土壤)碳匯，認為森林生態系統的森林生物量、地表凋落物、木質殘體和土壤有機碳等組分整體表現出明顯的碳匯，并肯定了我國植樹造林、人工林面積增加對生態系統碳匯的重要貢獻[ 。 由全球變化研究國家重大科學研究計劃項目經費支持的研究結果表明:2004—2008 年間中國森林凋落物碳和木質殘體的碳儲量為(925±54) Tg，1988—2008 年，森林凋落物碳和木質殘體的年平均碳匯為(925±54)Tg C/a 。 在對陸地生態系統碳匯潛力預測上，劉迎春等基于國家林業和草原局第一至六次森林資源清查數據，采用蓄積量—生物量轉換方程，探討了在基線情景下(氣候條件、干擾情況、管理方式、森林面積、樹種組成情況不變)2000—2200 年森林碳儲量變化 ；Zhang 等在基于森林生物量碳密度恒定的情況下，探討了 2000—2025 年間在“退耕還林還草”環境保護政策引導下，森林和草地面積增加的條件下陸地生態系統碳匯變化 。 Pan 等通過收集全球不同地區的森林調查數據以及歷史觀測數據，估算了全球森林在 1990—2007 年間碳匯強度變化，前十年(1990—1999)的全球凈森林碳匯強度為(1.0±0.8) Pg C/a，后期(2000—2007)的碳匯強度略高于前十年為(1.2±0.8) Pg C/a 。 基于樣地清查法的陸地生態系統碳匯評估方法明確、技術簡單，可以直接獲得最為準確和可靠的數據。 但陸地生態系統具有較高的空間異質性，需要較廣的空間范圍和較為精確的采樣精度，一般都需要靠抽樣方法進行總體精度控制，工作量大，耗時長，而且樣地清查法沒有考慮陸地生態系統的全部類型，該方法多側重于森林、草地生態系統等占比較高的生態系統，對于灌叢、濕地、荒漠、凍土、城市等生態系統的觀測數據則較少，如中科院實施的“碳專項”項目耗時5年在全國也僅調查了 14371 個調查樣方(森林樣方 7800個，草地樣方 4030個，灌叢樣方 1200 個，農田樣方1341個)，且并未涵蓋所有的陸地生態系統 。 此外，基于樣地清查法的碳匯通常基于碳儲量的年變化量計算得到，碳儲量的年變化量遠遠小于陸地生態系統的碳儲量，碳匯測定誤差較大；同時該方法沒有考慮生態系統內的土壤呼吸、水蝕、風蝕等因素造成的碳的橫向轉移過程。

渦度相關方法
    渦度相關法是基于微氣象理論的目前唯一能直接測量大氣與植被冠層及土壤間物質循環和能量交換的觀測技術，實現了生態系統尺度的溫室氣體交換、能量平衡和生產力等功能與過程涉及的生態現象觀察、生態要素觀測、生態系統功能變化觀測的融合 。 目前全球通量觀測網絡聯盟(FLUXNET)建立起 900多個觀測樣點，形成全球性和區域性的覆蓋不同氣候帶和植被區系的通量觀測網絡，包括美國通量網、歐洲通量網、亞洲通量網、中國通量網等共 42個國家、23個區域性通量研究網絡 。 中國陸地生態系統通量觀測研究網絡(ChinFLUX)于2002 年建成，截止目前擁有80 多個臺站，包括森林、草地、農田、濕地、荒漠、水域生態系統 ，通過應用微氣象法進行生態系統 CO2和水熱通量長期定位觀測的關鍵技術，為全球碳平衡與全球變化研究提供中國典型陸地生態系統碳、水汽、氮通量的長期觀測數據。

     通過構建區域、國家及全球尺度的通量觀測網絡，可以研究不同時間尺度和空間尺度的陸地生態系統碳匯強度。 Fu 等通過借助歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)1979—2013 年間的 CO2通量觀測數據，并結合地面植被數據定量分析了此間北半球、南半球和全球尺度的陸地生態系統 NEP(Netecosystemprouductivity)長期趨勢與年際變異的特征規律，發現從長期趨勢來看，北半球和南半球對全球 NEP 貢獻率相當，年際變化上，北半球的貢獻率更大(58％) 。 Pieter 等通過收集陸地和海洋的 CO2的碳通量數據，使用大氣環流模型(generalcirculationmodel(GCM))計算了 1981—1987年間全球陸地生態系統碳源匯水平，認為陸地生態系統的碳匯水平遠高于海洋生態系統 。 在區域尺度上，Yu 等根據碳通量觀測數據發現:相同緯度的中國及東亞地區的亞熱帶森林碳匯能力要高于北美及歐洲地區森林碳匯量，Chen 等的研究結果則表明亞熱帶和溫帶森林的碳匯能力要高于熱帶雨林地區和北方森林地區 。 此外，渦度相關碳通量技術也應用于不同氣候區和植被類型的生態系統碳匯強度研究，包括寒帶草原和溫帶草原 、森林生態系統 、濕地生態系統、荒漠生態系統。 基于渦度相關方法的陸地生態系統碳匯研究，可以實施監測生態系統尺度上的陸地與大氣碳交換，減少樣地清查法中的數據誤差，長期的點位觀測可以規避生態環境數據的短期波動帶來的不確定性，有利于探討生態系統碳循環過程對氣候變化的相應機制。 但是，渦度相關方法設備布設要求高，下墊面地形復雜的情況會影響設備運行，且周圍會有建筑物限高要求;通量塔數量偏少、設置不合理、覆蓋范圍小不能完全反映測量生態系統的景觀異質性;因渦度測量儀器和工作原理的缺陷，觀測數據存在缺失，不能記錄到光合作用的碳吸收和呼吸的作用的碳排放數據，對于空缺碳通量數據的填補不同方法誤差較大;儀器還不能準確區分記錄的異常數據是生態系統碳循環的真實擾動數據還是無效記錄數據;由于夜間的湍流被抑制會導致測量系統響應不足，測量數據值偏低，測量數據存在偏移現象(植被在休眠期和非光合作用時期記錄到 CO2吸收現象) ;對地表可用能量存在低估現象，能量平衡不閉合。

　陸地生態系統碳匯驅動因子

     通過對近年來中國陸地生態系統碳匯研究的文獻進行梳理，總結相關的研究方法和結果，通過“自下而上”和“自上而下”兩種方法估算的中國陸地生態系統碳匯大小為(0.07—1.91)Pg C/a ，其中，基于樣地清查法估算的碳匯介于(0.13—0.31)Pg C/a，基于渦度相關法估算的中國區域碳匯介于(0.18—1.91)Pg C/a，基于模型法模擬的碳匯為(0.07—0.29)Pg C/a ，“自上而下”方法反演得到的陸地生態系統碳匯為(0.28—1.11)Pg C/a 。 通過比較兩類碳匯估算方法可以看出，基于不同方法的我國陸地生態系統碳匯水平存在著明顯的差異，“自上而下”方法計算的碳匯要普遍高于“自下而上”方法，這主要是因為“自上而下”方法假設化石燃料和非生物質燃料燃燒完全釋放為CO2，未考慮其他的污染氣體和非氣態碳化合物，從而高估了大氣中CO2的排放量，而基于“自下而上”的方法對于森林產品收獲、水體沉積等從陸地生態系統碳庫中轉移部分缺乏考慮 ；此外，對于陸地生態系統的主體森林生態系統碳匯計算也存在很大的不確定性:對于森林定義的不同統計的森林面積也有區別，森林碳匯往往只針對連片的森林喬木，對經濟林、灌木林和其他類型林木較少納入計算，這造成了森林生態系統碳匯水平的低估 。 從中國陸地生態系統碳匯強度歷史變化趨勢來看，學者對20 世紀后半葉中國陸地碳匯變化有著較大的爭議，一些研究認為從60 年代到90 年代，碳匯水平呈微弱的下降趨勢，而有些研究則認為碳匯不存在明顯的變化 。 對于21世紀以來的碳匯水平，大多數研究都認同中國陸地生態系統碳匯強度在增加 。 通過對未來碳匯水平的預測，到2060年中國陸地生態系統碳匯強度介于(0.19—0.52)Pg C/a，將會抵消2.8—18.7％的碳排放，為我國實現“碳中和”發揮著舉足輕重的作用。

    在中國，氣候因素對于陸地碳匯的驅動作用要高于其他因素。 Zhang 等基于碳通量數據使用６個生態系統碳匯模型定量分析了中國陸地碳匯年際變化的區域貢獻與氣候變化之間的關系，結果表明中國季風區對全國陸地生態系統碳匯的年際變化起主導作用(86％)，相較于其它區域的氣候因子，降水的年際變異對碳匯年際變異的貢獻最大(23％) 。 Fang 等利用基于NOAA 時間序列數據獲取的歸一化植被指數(NDVI)研究了1982—1999 年間中國植被活動的變化特征及驅動因素，結果表明18 年間全國NDVI 增加了7.4％，其主要的驅動因素在于溫度的升高、夏季降水的增加和農業活動的增強 。 通過對中國1982—2010年間陸地生態系統碳匯變化及驅動因素分析，發現氣候因素效應的貢獻率為56.3％，其次是氮沉降(11.3％)和大氣CO2 濃度增加(8.6％) 。 盧學鶴等利用衛星遙感估算的大氣氮沉降數據、衛星柱濃度數據和氣象數據模擬了氮沉降對于我國陸地生態系統碳匯的影響，研究表明在21世紀初期，大氣氮沉降使中國陸地生態系統碳匯增加了0.0469 Pg C/a。 我國所屬的北半球大部分地區為全球氮沉降的高值區域 。

   土地利用管理也是中國陸地生態系統碳匯的主要影響因素。 當前土地利用/ 覆蓋變化主要包括兩個方面，一方面隨著經濟發展和城市化進程需要的國土開發導致的林地、耕地、草地面積減少、建設用地增加，對1980—2010 年間我國陸地生態系統土地利用變化的研究表明，30年間因林地、耕地面積減少和城市用地的增加造成了279Tg C  的損失 。 另一方面受益于天然林資源保護工程、退耕還林還草、三北防護林體系等一系列生態工程的實施，增加了森林面積，提高了森林覆蓋率，明顯提高了我國陸地生態系統的碳匯能力 。Chen 等基于MODIS 全時間序列葉面積指數數據發現2000—2017年間全球植被葉面積呈增加趨勢，其中，中國以占全球6.6％的植被面積，貢獻了占１/４ 的全球葉面積增加量，地球變“綠”的直接因素就是土地利用管理。

　展望

    陸地生態系統碳匯是一個復雜的機理過程，碳匯估算也受多種因素的影響，包括對于陸地生態系統碳匯定義的差異、模型參數化本身的系統誤差、觀測樣點分布不均的造成抽樣誤差、觀測設備本身存在的測量誤差、以及不同碳匯估算原理和方法間的誤差 。 為了加深對陸地生態系統碳匯過程機理的理解，提高陸地生態系統碳匯估算的準確性，準確客觀的評價陸地生態系統碳匯對我國碳中和的貢獻，需要采用新技術和新方法，多源數據、多尺度數據和多源方法相融合，開展陸地生態系統碳匯評估。

　規范陸地生態系統碳匯指標

    要對陸地生態系統碳匯有著全面準確的認識，首先需統一陸地生態系統碳匯指標定義。 因對生態系統的定義不同，不同研究使用的觀測數據在來源、定義、閾值等方面存在著差異，其結論也會存在較大的差距，Fang等 和Tang等分別采用森林資源連續清查數據和1∶100萬植被圖來計算森林生態系統碳匯，其定義的森林面積分別為(1.428×106) hm2 和(1.882×106) hm2 。 因此，規范生態系統指標，統一量化分類方法，及時更新土地利用數據，對于比較不同生態系統碳匯有著重要意義。

　擴展陸地生態系統數據監測范圍，完善碳匯監測技術手段

      在計算陸地生態系統碳匯時不僅要關注森林、草地、農田、濕地(包括泥炭地)等生態系統的碳匯數據，也要重視灌叢、荒漠、凍土、城市生態系統等碳匯數據，以及水體可溶碳、大氣中除CO2通量以外的氮、硫、甲烷通量、人為碳匯活動數據的收集，擴大陸地生態系統數據監測范圍，標準化數據觀測，提高數據的代表性和準確性。 完善國家陸地生態系統定位觀測研究站、中國通量觀測研究聯盟、中國生態系統光譜觀測研究網絡等觀測系統的建設，從而獲取長期、連續、定位的生態系統觀測數據，推進大氣觀測衛星(天氣、氣候大氣成分探測衛星)、陸地觀測衛星(光學、微波、地球物理場探測衛星)等空間基礎設施和基于無人機遙感技術的近地面遙感監測平臺的建設，獲取高分辨率、長時間序列、高可靠性的生態系統遙感監測數據(碳通量、氣溶膠、葉綠素熒光、生物量、葉面積指數、大氣顆粒物、污染氣體、溫室氣體濃度)，完善“天￣空￣地”一體化的陸地生態系統觀測體系。 我國于2018 年發射的首顆碳衛星(TanSat)，在研究全球CO2濃度，監測溫室氣體方法、估算全球和區域碳通量已發揮了重要作用 。 2022 年8 月發射的首顆陸地生態系統碳監測衛星“句芒”為我國獲取全球森林碳匯的多要素遙感信息，提高碳匯計量的效率和精度、實現陸地生態系統碳匯監測提供重要支撐。

　新技術的應用及模型方法的系統耦合

    新技術和新方法的廣泛應用可以促進陸地生態系統碳匯研究。 測序技術的突破、質譜技術的發展以及生物信息學的進步為從分子層面闡明生態系統群落組成、功能和結構提供了幫助；穩定碳同位素追蹤技術通過測定植被、土壤及大氣中各碳庫示蹤物量的變化，量化植被光合作用中碳的傳輸與分配特征、闡明土壤碳動態變化，從葉片、種群、群落、生態系統等尺度解釋陸地生態系統碳循環；日光誘導葉綠素熒光(SIF)遙感技術作為新興的植被遙感技術，在借助近地面遙感平臺、機載平臺和星載平臺獲取豐富的數據源基礎上，通過深入SIF 機理研究，構建起從葉片、冠層全球尺度的生態系統過程中的關鍵生理生化參數反演模型，為陸地生態系統碳循環監測提供了新的視角。 陸地生態系統碳匯方法日趨成熟，單一的技術手段和方法已經不能實現碳匯的準確評估，今后的研究方向已傾向于綜合應用各類觀測數據、耦合多種模型、“自下而上”和“自上而下”方法相結合進行碳匯比較驗證。 包括基于物聯網、大數據技術建立溫室氣體、碳、氮同位素協同觀測網絡，植被碳循環模型與氣候模型相耦合研究不同尺度陸地生態系統間的物質循環和能量流動，揭示陸地生態系統碳匯，降低預測的不確定性。

　國家重大生態工程的碳匯評估

     最后，根據中國政府出臺的“碳匯能力鞏固提升行動”方案，需要量化國家生態保護修復重大工程對陸地生態系統碳匯的影響。 防護林工程、退耕還林還草工程和國土綠化工程對森林、草地等生態系統的增匯潛力，以及隨著時間的推移植被年齡結構的變化和經營管理措施對碳匯能力的影響都需要科學評估，同時也要研制和完善突發氣候狀況下(極端天氣、火災)和不同碳排放場景下的陸地生態系統碳匯模型。 此外，考慮到陸地生態系統碳匯評估的研究性，當2060 年實現“碳中和”目標后，隨著能源結構的調整、CO2濃度的變化， “后碳中和”時代的陸地生態系統碳匯評估可能遇到新的問題和挑戰，這需要有預見性考量并提前作出科學的應對。

來源：劉坤，張慧，孔令輝，喬亞軍，胡夢甜.陸地生態系統碳匯評估方法研究進展.生態學報，2023，43（10）：4294-4307

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