造林再造林、森林采伐、氣候變化、CO2濃度升高、火災和蟲害對森林固碳能力的影響

劉魏魏，王效科，逯　非，歐陽志云

1 中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京　100085 2 中國科學院大學，北京　100049

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造林再造林、森林采伐、氣候變化、CO2濃度升高、火災和蟲害對森林固碳能力的影響

劉魏魏1,2，王效科1,*，逯非1，歐陽志云1

1 中國科學院生態環境研究中心，城市與區域生態國家重點實驗室，北京100085 2 中國科學院大學，北京100049

摘要:森林生態系統具有吸收大氣CO2、緩解氣候變化的作用。造林再造林作為京都議定書認可的大氣CO2減排途徑，是提高森林固碳能力的低成本、有效策略。森林生態系統固碳能力還受森林采伐、氣候變化、大氣CO2濃度升高、火災以及蟲害等自然因素和人為因素的強烈影響。綜述了全球和區域造林再造林的固碳能力，以及目前較受重視的一些因素(森林采伐、氣候變化、大氣CO2濃度升高、火災以及蟲害)對森林生態系統固碳能力的影響。結果表明，全球造林再造林固碳能力為148—2400 TgC/a；采伐造成的全球森林碳損失最大為900 TgC/a，其次是火災為300 TgC/a，蟲害造成森林碳釋放最小在2—107 TgC/a之間。建議在今后的研究中，應關注固碳措施和多種環境因素對森林生態系統固碳能力，尤其是對森林土壤固碳能力的影響，嚴格控制森林采伐和火災發生，以及減少或避免造林再造林活動引起的碳泄漏。

關鍵詞：森林生態系統；造林再造林；采伐；氣候變化；CO2濃度升高；火災；蟲害；固碳能力

由于人類礦物燃料燃燒和土地利用變化導致大氣CO2濃度急劇上升[1]，并引發了一系列全球環境問題。森林作為重要的陸地生態系統在吸收大氣CO2、緩解氣候變化中的作用已經得到了廣泛的共識[2- 5]。目前，全球森林碳儲量在652—927 PgC之間[2, 6]，約占全球有機碳儲量的33%—46%[7- 9]；固碳能力達到4.02 PgC/a[2]。森林固碳能力受造林再造林、森林管理、土地利用變化、森林采伐、氣候變化、CO2濃度、火災、病蟲鼠害和暴風雪災害等人為因素和自然因素的強烈干擾。在目前大氣CO2濃度下，森林生態系統凈初級生產力并沒有達到飽和，隨著大氣CO2濃度升高和CO2施肥作用，以及實施造林再造林等管理措施森林凈初級生產力還將進一步增加[10]，固碳能力也將進一步提高。而土地利用變化、森林采伐和退化等因素易引起森林生態系統碳排放(目前造成森林碳排放約為2.95 PgC/a[2, 11])。因此未來森林碳庫水平仍由碳輸入和碳輸出兩方面共同決定，即通過固碳措施來增加森林碳庫的碳輸入以及通過降低干擾來減少森林碳庫釋放。另外，由于全球各地氣候條件、森林管理措施和森林災害呈現較大的差異性，因此這些因素對全球森林固碳能力影響也呈現較大的區域差異性。探究全球和區域森林管理措施和固碳能力，以及氣候變化和自然災害對固碳能力的影響，對預測森林生態系統固碳作用、緩解大氣CO2濃度增加和管理全球碳循環具有重要作用。當前，已有很多關于全球、區域或者某一具體地點的森林固碳措施和固碳能力，以及單一或幾個干擾因素對森林固碳能力影響的研究[2- 3, 6, 12- 20]，本文在搜集已發表文獻基礎上，綜合論述了全球和區域造林再造林的固碳能力，以及森林采伐、氣候變化、CO2濃度、火災和蟲害等主要干擾因素對森林固碳能力的影響，以期探究這些因素對森林生態系統固碳能力的影響及其在緩解氣候變化中的作用。

1造林再造林對全球和區域森林固碳能力影響

造林和再造林是指在原來沒有森林的土地上植樹造林。造林是指在很長時間以來沒有森林的土地上植樹造林，而再造林是指在近期沒有森林的土地上植樹造林。京都議定書認為造林和再造林可以減少礦物燃料燃燒釋放的CO2，是增加陸地生態系統固碳的可行方式[10]。目前，全球造林再造林面積有264Mhm2，占全球森林面積的6.6%[6]。造林和再造林通過植被生長和再生提高森林生態系統生產力，并把大量的碳固定在新生植被[12]和死有機物質中[21]，在樹木成熟和土壤碳達到平衡之前，固碳一直在進行，這個過程一般持續數十年甚至百年[22]。造林和再造林不僅能固定大量的碳，相對于其他固碳措施來說還具有成本優勢[23- 24]。因此，過去十多年，全球進行了大面積的造林和再造林，2000—2010年造林和再造林分別以5.6Mhm2/a和5.3Mhm2/a的速度增加[6]。全球造林再造林主要集中在撒哈拉以南的非洲、拉丁美洲、以及北半球的歐洲、美國和中國等地區[12]。造林再造林對增加全球森林資源[6]、提高森林生態系統固碳能力產生了重要影響。

全球造林再造林固碳能力為148—2400 TgC/a[2, 7, 10, 25- 27]，固碳速率在0.14—9.5 t C hm-2a-1之間[7, 28- 31]，可以抵消全球人為CO2排放(約為5200 TgC/a)的2.8%—46.2%。預計21世紀中期全球造林再造林固碳能力可以達到310—2721 TgC/a[12, 32]，可以抵消全球人為CO2排放的6.0%—52.3%。

從區域和國家來看，非洲和拉丁美洲造林再造林面積為15.4—31.6Mhm2和14.9—40.8Mhm2[6, 25]，其中非洲中南部和拉丁美洲中部造林再造林固碳速率相對較高，均大于3 t C hm-2a-1[28]。Houghton等[33]利用簿記模型估算了巴西亞馬遜地區棄耕農田再造林植被固碳速率在1.5—5.5 t C hm-2a-1之間，再造林25a后森林生物量可以恢復到原來水平的70%，接下來50a可以恢復到原來水平[33]。Humpen?der等[12]利用MAgPIE模型預測21世紀末撒哈拉以南的非洲和拉丁美洲地區造林固碳速率將達到20 t C hm-2a-1。總體來說，目前非洲、拉丁美洲造林再造林固碳速率在1.5—5.5 t C hm-2a-1之間。

北半球造林再造林主要集中在發達國家[34]。歐洲造林再造林面積約69.3Mhm2[6]。Zaehle等[35]基于LPJ-DGVM模型預測到2100年歐盟聯合體(包括歐盟15國、挪威和荷蘭)造林凈固碳能力在17—38 TgC/a之間，可以抵消同時期碳排放的1.9%—2.9%。其中英國未來造林面積將以8khm2/a速率增長。2020年造林固碳能力為0.58 TgC/a(Thomson等[36]利用C-FLOW模型估算得出)，英國森林每年可以抵消4.9Tg碳排放[37]。到2050年森林面積將占國土面積的16%，固碳能力將抵消同時期溫室氣體排放的10%[38]；烏克蘭適宜造林面積有2.29Mhm2，造林可以增加該國森林面積23%。未來40a造林的固碳能力為4.6 TgC/a，可以抵消該國年碳排放的4.6%[37]；荷蘭盡管實施了造林計劃，但由于其國土面積小，預計造林面積僅0.007Mhm2，通過造林來緩解氣候變化的空間較小[37]。綜合以上可以看出，未來歐洲造林再造林固碳能力在0.58—38 TgC/a之間。

北美洲地區造林再造林面積約37.5Mhm2[6]。其中加拿大魁北克東南部造林50a后固碳速率達到1.5 t C hm-2a-1(Tremblay等[39]利用實測方法得出)，后續的固碳能力將繼續增大。墨西哥再造林是森林面積增加的主要因素，約占該國森林面積增量的98%。de Jong等[40]利用IPCC指南方法估算了墨西哥再造林固碳速率為0.7 t C hm-2a-1，再造林植被固碳能力可以抵消該國森林砍伐碳釋放的13%。北美碳匯一半來自于美國造林和再造林[15]，Woodbury等[41- 42]利用歷史土地利用變化數據和Forcarb模型估算了美國造林的固碳能力為17 TgC/a；Benítez等[28]利用基于網格模型估算了美國中部造林再造林固碳速率均大于3t C hm-2a-1；Niu等[16]利用土地覆蓋和土壤地理數據以及多種模型估算了美國中西部造林后20a的固碳速率為4 t C hm-2a-1，可以抵消當地化石燃料碳排放的8%[16]。可以看出，北美造林再造林固碳速率在0.7—4 t C hm-2a-1之間。

2000s亞洲地區造林再造林面積分別以4.9Mhm2/a和2.5 Mhm2/a的速度大幅度增長，這主要是中國造林引起的(造林速率3.0—4.1Mhm2/a)[6, 37]。南亞造林面積以0.3Mhm2/a速度增加，固碳能力為13 TgC/a(Patra等[17]利用簿記法估算得出)，其中印度造林的固碳能力是該區域較強的國家。東亞地區在過去30a由于實施造林再造林工程，森林面積增加了16.9Mhm2，森林植被固碳能力為66.9 TgC/a，固碳速率為0.23 t C hm-2a-1[3]。其中日本造林再造林約10.33Mhm2[3]，占該國森林面積的40%[43]。Fang等[3]利用森林清查數據和生物量連續因子變化函數法估算了造林植被固碳速率為1.38 t C hm-2a-1。日本森林植被碳儲量的增加主要是由造林再造林植被碳密度增加(或者森林生長)引起的(91.1%)，而森林面積擴張對植被碳儲量增加作用(8.9%)很小[3]；中國是世界上造林再造林面積最大的國家[6]，2000s造林再造林面積達36.15Mhm2[3]，約占森林面積的23%[44]，植被固碳能力為47.5 TgC/a，固碳速率為0.54t C hm-2a-1[3]。預計到2050年造林再造林面積將再增加21.7Mhm2[45]，固碳能力在57.1—62.8 TgC/a之間[44- 45]，可以抵消同時期化石燃料碳排放的4.6%—7.1%[44]。另外，中國森林植被碳儲量增加主要是由森林面積擴張引起的(58.1%)，植被碳密度增加的作用(41.9%)相對較小[3]。可以看出，中國森林植被碳密度還有很大的提升空間，未來固碳潛力還很大。總體來說亞洲地區造林再造林固碳能力在13—66.9 TgC/a之間，固碳速率在0.23—1.38 t C hm-2a-1之間。

總體上看，熱帶地區造林再造林固碳能力為1700 TgC/a[2]，固碳速率在4—8 t C hm-2a-1之間[7, 28]。非洲和拉丁美洲等熱帶地區造林再造林固碳速率(1.5—5.5 t C hm-2a-1)也大于溫帶的歐洲、北美洲和亞洲地區造林再造林固碳速率(0.23—4 t C hm-2a-1)；溫帶地區造林再造林固碳能力為27—500 TgC/a[7, 10]，固碳速率為1.5—4.5 t C hm-2a-1[7]，其中北美造林再造林固碳速率(0.7—4 t C hm-2a-1)大于亞洲造林再造林固碳速率(0.23—1.38 t C hm-2a-1)；寒帶地區造林固碳能力為700 TgC/a[27]；固碳速率相對較低，均小于1 t C hm-2a-1[28]，這可能是由于造林降低了太陽反射率，從而減緩了森林從大氣中吸收CO2的能力[12]。

造林再造林的固碳能力受土地利用狀況、土壤類型、造林樹種、森林管理、干擾和氣候等多方面影響[16, 21, 29, 43, 46]，并造成固碳能力估算的不確定性。造林再造林主要是增加植被碳固定，一般認為植被固碳量占總固碳量的2/3[47]。造林再造林后土壤碳變化差異很大，一般在±1.5 t C hm-2a-1之間[39]。例如，Tremblay等[39]實測得出加拿大魁北克地區造林50a后土壤碳損失0.4 t C hm-2a-1[39]；Paul等[48]通過對比實驗研究發現俄亥俄州農田再造林50a后落葉林土壤固碳速率在0.15—0.58 t C hm-2a-1之間，而松柏林土壤碳損失0.85 t C hm-2a-1。造林再造林后土壤碳變化主要取決于造林再造林時間和造林前土壤狀況[47]。一般認為，造林再造林后數幾十年內(有的為10a，有的甚至為50a)，土壤有機碳(SOC)呈降低趨勢；隨后開始緩慢積累，并隨著立木成熟積累速度加快[39]。這可能是由于造林再造林后的幼齡林中，死生物量低造成枯枝落葉少，枯枝落葉帶來的碳輸入小于土壤呼吸引起的碳損失[39]。另外，造林前SOC高的，造林后5—10a內呈下降趨勢，隨后再升高[48]；而造林前SOC低的，造林后呈現上升趨勢[16, 39]。盡管從長期看造林再造林可以增加土壤碳輸入，但和土壤原碳儲量相比，輸入的碳非常少，估算存在極大的不確定性；并且在樹種、林齡和種植密度間有很大的變異性。這使得對造林再造林土壤碳輸入的估算非常困難[49]。

2采伐

采伐是影響森林固碳能力最主要的森林管理方式。全球森林采伐量約3×109m3[6]，極大地影響了全球和區域森林固碳能力。采伐直接降低森林植被密度或清除森林植被，造成森林生產力下降或消失，碳吸收能力減少，同時采伐使植被碳轉移到木材產品和生物燃料中，造成森林生態系統碳儲量減少和固碳能力降低。美國森林采伐造成碳損失(或轉移)為18.1 TgC/a(US EPA[50]利用清單數據、IPCC[51- 52]方法估算得出)。1990—2008年加拿大管理森林采伐對森林生態系統固碳影響情況如下，Stinson等[53]基于清單數據利用CBM-CFS3經驗模型估算的碳損失為45 TgC/a，該期間森林整體上呈現碳匯；而根據聯合國氣候變化公約(UNFCCC)方法估算的19年間有8a森林呈現碳源。這可能是由于UNFCCC方法忽略了采伐植被的碳轉移，沒有考慮木材產品中碳的存留時間，認為采伐植被的碳立即排放到大氣中，過高地估計了采伐引起的碳排放。盡管木材采伐減少了森林生態系統碳儲量，但不導致溫室氣體直接排放。另外，薪材替代化石燃料燃燒還能減少碳排放[53]。因此，有些研究認為[54- 55]采伐是減少碳排放方法之一，但大多數研究[50, 53, 56]認為采伐后幼林替代成熟林導致凈碳損失。總體來看，采伐造成全球森林生態系統碳釋放為900 TgC/a[26](包括碳轉移590 TgC/a，實際碳排放310 TgC/a)，約占全球碳排放的17%。但由于采伐樹種、材積、密度、采伐規范和技術、木材產品生命周期以及估算方法的差異，采伐對森林生態系統固碳影響還存在很大的不確定性。

采伐后森林植被密度降低，促進了林木再生和林下植物生長，從而增加了森林生產力，促進植被碳固定[57]。Houghton等[26]利用簿記法研究了采伐后全球森林再生的固碳能力為1120 TgC/a；Albani等[57]利用ED模型研究了采伐后美國東部森林再生的固碳能力為100 TgC/a。采伐后森林固碳能力還受采伐頻率和采伐后森林結構的影響[56]。另外，當采伐對森林植被碳儲量影響不大時，采伐可能增加森林粗木質殘體的碳儲量，而粗木質殘體一般不隨木材從森林中移除，森林粗木質殘體碳儲量的增加促進了營養元素和水分循環，從而也對森林生態系統碳收支產生影響[58]。

采伐對森林土壤固碳能力的影響受多種因素共同作用。采伐影響輸入到土壤的殘落物數量和質量，殘落物數量和質量又改變土壤微生物群落組成和活性。另外，采伐還通過影響氣候來影響植被和微生物生長過程，從而影響土壤碳平衡。一般采伐后的幾年至數十幾年內土壤碳儲量降低[59]，隨后又上升。這是由于采伐后森林植被的移除使輸入到土壤的凋落物數量減少，同時微生物分解速率的增加導致碳釋放增加；土壤碳儲量降至最低點后，隨著林木再生、有機物質分解恢復到采伐前水平以及凋落物輸入增加導致土壤SOC開始積累[18]。Nave等[58]利用Meta分析研究了溫帶森林采伐后5a內土壤碳儲量減少了8%。盡管采伐后森林土壤碳儲量減少，但由于土壤碳庫種類、大小、周轉時間和碳分子特性的差異較大，森林土壤受采伐影響不如植被敏感。

3氣候變化和CO2濃度升高

森林生態系統固碳還受氣候變化和CO2濃度升高的影響。北半球森林生態系統作為一個穩定碳匯主要原因之一是氣候變化和CO2濃度升高促進了植被再生[57]。氣候變化(尤其是溫度升高)和CO2濃度升高能夠促進植物生長[60]，提高森林生產力[9, 18- 19]，增加輸入到土壤的枯枝落葉數量和土壤有機碳含量[18, 61]，從而有利于森林碳固定[13]。評價氣候變化和CO2濃度升高對森林固碳能力的影響，對于研究未來氣候條件下森林在減緩大氣變化中的作用有重要意義。Dib等[18]利用Rothc和CENTURY模型模擬顯示，到本世紀末溫度和CO2濃度升高能夠使美國新罕布什爾州落葉林SOC含量比當前水平增加7%；Bellassen等[62]基于清單數據，利用ORCHIDEE-FM模型研究了氣候變化和大氣CO2濃度升高能夠使歐洲森林生態系統凈初級生產力(NPP)增加0.013 t hm-2a-1；Hudibury等[13]利用CLM4模型對美國俄勒岡州森林固碳能力的研究表明，在現有管理措施以及溫度和CO2濃度升高情況下，2100年森林凈固碳能力將增加32%—68%，顯著抵消火災和其他擾動造成的森林碳排放。總體來說，溫度和CO2濃度升高兩者相互作用將使森林生態系統碳輸入增加7%—68%，從而提高森林生態系統固碳能力[13, 63]。

溫度和CO2濃度升高單因素對森林固碳能力的影響同樣取決于碳輸入與輸出的平衡。溫度升高可以提高植被光合作用和NPP，增加凋落物數量和土壤碳輸入。然而溫度升高也會提高北方森林有機物質分解速率，促進土壤呼吸[18]，增加土壤碳輸出。另外，溫度升高也增加了蒸騰作用，降低土壤濕度，增加干旱頻率和強度，有可能降低土壤呼吸和有機質的分解[18]。Dib等[18]利用Rothc模型模擬的在不考慮CO2施肥作用、未來各種溫度升高情景下美國新罕布什爾州森林土壤碳輸出都大于碳輸入，呈現碳源狀態。Masahito等[64]利用渦度相關法研究了溫度對阿拉斯加森林固碳的影響，結果表明由于年際氣候波動，9a內該區域秋天溫度升高了0.22℃ /a導致黑云杉林由碳匯變成碳源，這可能是由于秋天溫度升高引起森林呼吸作用引起的碳輸出大于光合作用引起的碳輸入造成的。

CO2濃度升高對森林固碳能力的影響涉及的因素較多。CO2濃度升高能夠提高光合作用效率，增加NPP和凋落物數量。另外CO2濃度升高還有可能促進根系生長[18]，間接地影響土壤碳平衡。Talhelm等[19]基于實地調查研究了CO2濃度升高使美國威斯康辛州森林NPP提高39%，森林碳儲量增加11%；Albani等[57]利用ED模型研究了CO2濃度升高下，1980—2000年美國東部森林固碳能力為170—220TgC/a，21世紀達到700 TgC/a，CO2施肥是增加該區域碳匯的主要原因。但也有學者[60, 65]認為短期內CO2濃度升高能夠促進森林增長，增加森林SOC積累；但長期看會促進森林土壤微生物呼吸，縮短SOC周轉時間，減少森林SOC積累。另外，CO2濃度升高也能夠提高森林水分利用效率，促進植被生長，增加碳固定[13, 38]，然而大氣CO2濃度升高下，水分利用效率的提高也增加了森林土壤含水量[35]，從而促進干旱半干旱區森林土壤微生物分解作用，也有可能增加碳釋放[60]。由于CO2濃度對森林固碳能力的影響涉及因素較多，以及氣候變化和CO2濃度變化的多樣性，氣候變化和CO2濃度對森林固碳能力的研究將是以后森林碳循環研究的重點和難點。

4火災

全球每年約有1%森林受到火災的嚴重影響[6]，火災引起的森林碳排放(約0.3PgC/a[66])約占全球碳排放的5.8%。火災不僅能夠直接把森林有機物質分解成無機物質、水蒸氣和CO2，造成溫室氣體排放[20, 22]，還間接改變森林生產力[20]，影響植被結構和組成、土壤性質以及養分循環過程，從而影響森林生態系統碳循環[67]。正確評估火災對森林固碳能力的影響，將有助于全面評價森林在緩解氣候變化中的作用。全球森林火災碳排放主要集中在東亞和北美地區，熱帶封閉森林較少[20]。中國森林每年受火災面積約0.95Mhm2[68]，王效科等[69]和Lü等[70]分別根據森林火災統計資料、森林火災統計資料結合遙感數據，利用排放因子法和排放比法估算了中國森林火災碳排放在10.2—11.3 TgC/a之間；Hayes等[71]利用TEM模型估算了1997—2006年亞洲寒帶西伯利亞北部森林火災碳釋放為255 TgC/a，北美寒帶森林火災碳排放為51 TgC/a；Stinson等[53]基于清單數據，利用CBM-CFS3經驗模型估算了1990—2008年加拿大森林火災碳釋放為23 TgC/a；US EPA[50]利用清單數據和IPCC[51- 52]方法估算了美國48個州以及阿拉斯加森林火災引起的碳排放為242.7 TgC/a。總體來說，目前全球森林火災碳釋放約為300 TgC/a[66]，低于森林采伐造成的碳釋放。

火災也影響森林土壤的固碳能力。火災可以直接燃燒部分土壤有機碳，使土壤有機碳層變薄；另外，火災后植被冠層破壞或者完全去除，使太陽輻射能量透過冠層到達地表，火災后地表熱能也直接傳遞到土壤，都導致土壤溫度升高促進土壤呼吸、增加碳釋放。Poirier等[72]通過對加拿大魁北克地區14個受火災干擾后森林土壤實際測定發現，火災使北方森林SOC含量由449.9g/kg降低到419.9 g/kg；Amiro等[73]利用渦度相關法發現受火災干擾10a內北美森林土壤為碳源，以后才變為碳匯。然而，Berenguer等[74]利用GLMMs模型研究表明，火災干擾后亞馬遜森林土壤碳密度與未受火災干擾森林土壤碳密度相差不大，這可能是由于熱帶溫度本來就很高，火災引起的土壤溫度上升并未促進土壤微生物分解作用和土壤碳釋放。

區域研究認為全球氣候變暖環境下，未來寒帶發生火災的頻率、范圍和強度還可能增大[71, 75-76]。Kloster等[77]利用CLM-CN模型預測了2075—2099年全球森林火災造成的碳排放將超過現在的17%—62%；Hudiburg等[13]利用CLM4模型預測了美國俄勒岡州森林火災碳釋放將從現在的3.2 TgC/a增長到2100年的4.0 TgC/a；Liu等[78]預計2081—2100年中國東北寒帶森林火災發生密度可能增加30%—230%，人為因素引起的火災將超過氣候變化對火災的影響，火災將造成該區域碳大量釋放。因此，維持森林生態系統植被結構、固碳功能和其他環境功能必須控制火災發生，尤其是控制高發區域火災的發生。

5蟲害

全球受蟲害影響的森林約有34Mhm2[6]。北半球加拿大、美國、歐洲和東亞等地區森林蟲害爆發嚴重。尤其是北美地區，近幾十年來約23 Mhm2森林爆發蟲害[6]，每年北美森林蟲害爆發面積約占全球森林蟲害面積的68%，極大地影響該地區森林碳循環[14]。在遭受蟲害后的幾年到數十年內，森林固碳能力降低。這是由于遭受蟲害后，植被再生變慢，森林初級生產力(GPP)大幅度降低。遭病蟲害嚴重的樹木甚至死亡，死亡樹木分解又釋放大量CO2，尤其在樹木死亡后的幾年內，枯死有機物質數量大，分解速率快，CO2釋放量大。GPP降低和呼吸(Rh)增加造成森林凈生產力(NEP)和碳儲量減少[79]。Brown等[80]利用渦度相關法研究了加拿大不列顛哥倫比亞森林在受松山甲蟲影響的最初1—2a NEP降低0.33—0.82 t hm-2a-1；Stinson等[53]基于清單數據，利用CBM-CFS3經驗模型估算了1990—2008年松山甲蟲造成加拿大管理森林碳損失26.8 TgC/a，2005年更高達107 TgC/a；Dymond等[79]利用CBM-CFS3模型研究發現加拿大魁北克東部10.6Mhm2森林受云杉蚜蟲侵害碳釋放為2 TgC/a，預計2011—2024年云杉蚜蟲的爆發將使該區域由碳匯變成碳源；Metsaranta等[81]利用CBM-CFS3模型預測蟲害使2010—2100年加拿大管理森林均呈現碳源。由于蟲害面積、情景假設差異和估算的不確定性，蟲害造成森林生態系統碳釋放還存在很大的變化范圍，總結以上結果看出蟲害引起森林碳釋放在2—107 TgC/a之間，約占全球碳排放的0.04%—2.1%。

但從長期看，隨著時間推移，蟲害造成的枯死有機物質數量降低，呼吸釋放的碳也減少；樹木死亡促進了林下植被生長以及樹木再生增加了GPP。GPP增加和Rh減少提高了森林NEP和碳儲量[79]。Edbury等[82]利用CLM4過程模型研究發現山松甲蟲爆發后100a內美國西部森林都為碳源，100a后才為碳匯。Albani等[83]利用ED模型和隨機模型研究了鐵杉長毛球蚜對美國東部森林的影響，結果表明2000—2040年該區域森林固碳能力減少11 TgC/a；2040—2100年碳吸收為0.89 PgC，比未受蟲害影響時增加12%。可以看出，受蟲害影響后數幾十年至百年內森林為碳源，以后才為碳匯。另外，受蟲害后森林表現為碳源或碳匯還受蟲害爆發強度的影響。蟲害爆發較輕時森林為碳匯；爆發嚴重時，森林受蟲害后的數幾十年都為碳源。Medvigy等[84]利用ED2模型研究了百年時間尺度上舞毒蛾蟲害強度對美國新澤西州森林固碳能力的影響，結果表明隨著蟲害強度增加森林NEP呈線性降低。蟲害爆發的周期也影響森林碳源/匯，周期為5—15a時森林生產力和生物量明顯降低[84]。

6總結與展望

造林再造林、氣候變化和CO2濃度增加可以通過擴大森林面積或者增加森林碳輸入實現森林生態系統碳固定。造林和再造林是增加全球森林固碳能力的主要因素，全球造林再造林固碳能力為148—2400 TgC/a[2, 7, 10, 25-27]；氣候變化和CO2濃度增加也使森林碳儲量比當前水平增加7%—68%[13, 18- 19]；而森林采伐、火災和蟲害則通過降低森林生產力和碳輸入，降低森林固碳能力。森林采伐造成全球森林碳損失900 TgC/a[26]，火災造成森林碳釋放300 TgC/a[66]，蟲害造成森林碳釋放在2—107 TgC/a[53, 79]之間。由于情景設定的差異和估算方法的不同，評價造林再造林、森林采伐、氣候變化、CO2濃度、火災和蟲害等對森林生態系統固碳能力的影響還存在很大不確定性。但是可以看出造林再造林、氣候變化和CO2濃度增加可以在一定程度上提高森林固碳能力，而森林采伐和火災則造成森林碳損失1200 TgC/a，抵消造林再造林最大固碳能力的一半。因此，建議在森林管理中應嚴格控制森林采伐和火災的發生。

目前關于造林和再造林對森林植被固碳能力的研究較多[85]，而由于森林土壤固碳估算存在很大的不確定性，就造林和再造林對森林土壤固碳能力的研究相對較少。土壤作為重要的碳匯也有一定的固碳能力，因此今后應注重研究固碳措施對森林土壤固碳能力的影響。目前就造林再造林、采伐、氣候變化、CO2濃度、火災和蟲害等單一因素或者幾個因素結合對森林生態系統固碳能力的估算較多，但綜合這些因素對具體某一區域或國家整個森林生態系統(包括植被層、林下層、草本層、凋落物層和土壤層)碳動態的研究卻鮮見報道[74]。森林生態系統作為一個整體系統，其固碳能力受以上多種因素綜合影響很大。因此，以后還應該注重多種因素綜合對森林生態系統固碳能力的影響。

造林和再造林還會通過活動轉移、市場泄漏、排放轉移和生態泄漏等途徑造成森林生態系統碳泄漏，森林生態系統凈固碳能力由固碳措施的固碳能力和溫室氣體泄漏共同構成，碳泄漏有可能抵消固碳措施的固碳效果，在實施造林和再造林措施時應盡量減少或避免由于活動對造林再造林區或周邊地區的森林造成碳泄漏。

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Influence of afforestation, reforestation, forest logging, climate change, CO2concentration rise, fire, and insects on the carbon sequestration capacity of the forest ecosystem

LIU Weiwei1,2, WANG Xiaoke1,*, LU Fei1, OUYANG Zhiyun1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract：Controlling the rising levels of atmospheric greenhouse gas (GHG, especially CO2) concentration to mitigate global climate change is arguably the most challenging environmental issue encountered by China and many other countries. Forest ecosystem, which is an integral part of terrestrial ecosystems, can play a significant role in absorbing CO2 from the atmosphere and aiding global climate change mitigation, subsequently contributing to meet the national commitment and demand of carbon emission reduction and carbon sink enhancement. Afforestation and reforestation, as recognized in the Kyoto Protocol, provide relatively low-cost and effective solutions to enhance forest ecosystem carbon sink. Meanwhile, the carbon sequestration capacity of a forest ecosystem is enormously affected by various natural and anthropogenic factors, which may convert the forest ecosystem from a carbon sink to a source. Therefore, the understanding of the influence of afforestation, reforestation, and those factors on the carbon sequestration capacity of the forest ecosystem is important for the accurate estimation of global and regional forest ecosystem carbon budget. In this study, the recent research progresses on the effect of afforestation and reforestation on carbon sequestration capacity of global and regional forest has been reviewed, along with the influence of several natural and anthropogenic disturbances (i.e., forest logging, climate change, CO2 concentration enhancement, fire, and insect). It was indicated that the carbon sequestration capacity of global afforestation and reforestation was in the range of 148 to 2400 TgC/a, varying regionally as follows: tropical forest (1700 TgC/a) > boreal forest (700 TgC/a) > temperate forest (27—500 TgC/a). Furthermore, besides climate change and CO2 concentration rise, other factors that caused carbon emissions in the forest have been summed up and listed below. Forest logging caused the highest carbon emissions (900 TgC/a), followed by forest fire (300 TgC/a), and insects caused the lowest carbon emissions (2—107 TgC/a). Henceforth, more attention should be paid on the influence of carbon sequestration measures and integrated effects of multiple forms of disturbance on the carbon sequestration capacity of forest ecosystems, especially carbon sequestration capacity of forest soil. Furthermore, controlling forest logging and fire, along with reducing or avoiding additional carbon leakage due to afforestation and reforestation would also greatly contribute to forest carbon sequestration.

Key Words:forest ecosystem; afforestation and reforestation; logging; climate change; CO2 concentration rise; fire; insect; carbon sequestration capacity

基金項目:中國科學院戰略先導科技專題(XDA05050602, XDA05060102)

收稿日期:2014- 11- 02; 網絡出版日期:2015- 08- 24

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: wangxk@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201411022143

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