森林植被碳儲量研究綜述與展望

胡忠宇 蘇建蘭

(西南林業大學經濟管理學院，云南 昆明 650224)

森林植被有較強的儲碳能力，森林生態系統在調節全球碳平衡和減緩氣候變化方面發揮著關鍵作用[1]，良好的森林生態系統環境是實現人類可持續發展的重要基礎，同時森林生態系統是中國陸地生態系統庫的主體，發揮著明顯的碳匯功能。2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話，指出中國將采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，“碳達峰、碳中和”目標提出后，國內外學者圍繞優化產業結構和能源結構等實現路徑開展了諸多研究，指出碳減排和增匯是關鍵途徑，利用自然之力解決氣候變化問題成為相關領域的熱點話題，森林生態系統的固碳能力研究相繼成為學界重點議題，碳儲量的計量和應用更是開展氣候治理、“雙碳”目標推進的重要一環。

森林碳儲量是指森林植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中，從而減少該氣體在大氣中的濃度，森林是陸地生態系統中最大的碳庫，有研究數據表明，作為固碳主體的森林生態系統貢獻了約80%的固碳量，抵消了同期中國化石燃料碳排放量的14.1%[2]，此外，森林碳儲量還是森林生態系統結構和森林質量評價的重要指標之一，是聯合國氣候變化框架協議和千年發展目標的重大課題內容[3]。因此，科學合理估算植被碳儲量，探析森林碳儲量發展沿革，了解國內外有關森林碳儲量研究的差異，并據此提出行業發展趨勢和研究側重點，在豐富理論研究的同時可促進區域森林植被碳儲量計量方法的完善，全口徑估算區域乃至全國森林碳匯量，挖掘森林碳匯潛力，助力森林碳匯發展的同時推動“碳達峰、碳中和”目標如期實現。

1 國內森林植被碳儲量研究

有關森林植被碳儲量開展的時間整體來說國內滯后于國外，但國內外研究方向基本趨同，即國內學者首先借助科學手段測算不同樹種不同部位的生物量，后逐步推算出森林生物量、碳儲量計量公式。在碳儲量計算方法發展的同時，另有學者基于樣本數據開展研究不同優勢樹種的含碳率(CF)，最終利用生物量和含碳率2個關鍵指標估算出森林植被的碳儲量，隨著研究的不斷深入，森林植被碳儲量估算方法已逐漸延伸，涉及以生物量和含碳率2個指標為基礎估算的生物量法、以森林面積和森林蓄積估算的森林蓄積量擴展法、基于技術手段估算的模型模擬法和遙感估算法，利用不同方法測算區域森林碳儲量、不同林分結構的森林植被碳儲量、森林碳匯潛力成為學界熱點話題。基于此，筆者從森林植被生物量、碳儲量估算方法、不同樹種含碳率研究、森林碳儲量應用開展幾個方面展開研究梳理和分析。

1.1 國內森林植被生物量研究綜述

國內關于森林植被生物量的測算起始于20世紀80年代初，鄧士堅[4]、杜曉軍[5]率先通過樣本收獲法、營養元素含量測定和剖面法測量出杉木人工林生物量和長白山森林生態系統3種森林類型根系的生物量，此舉揭開了國內基于技術手段測算植被生物量的序幕；此后，方精云[6]、劉國華[7]通過構建森林植被不同組成部分的生長經驗方程、不同森林類型生物量和蓄積量之間的回歸方程于大區域尺度推算出全國不同類型優勢樹種的生物量；如今，有關森林植被生物量的研究已由喬木林不同器官測量逐漸延伸開來，涉及到竹林、整株樹木、全國森林生態系統。蔡越[8]、鄭陽龍[9]基于地面LiDAR構建回歸模型，研究單株竹子和生物量之間的關系，實現了生物量估算的準確高效；王嫄[10]采用三維激光掃描儀測算整株樹木不同部分的密度，進而測算得到立木的生物量；張煜星[11]更是根據氣候差異和樣本量將全國分成7個區域，同時按區域構建起25個樹種樣本，進而構建起不同區域的林分生物量模型，這對區域乃至全國森林植被生物量的研究意義重大。

可見，國內有關生物量的研究由局部逐漸延伸到整體，從初略估算不斷發展到精確核算。森林植被碳儲量的研究本身就要以森林生物量為基礎[12]，不同學者先依據小樣本數據桉樹種測定生物量，再發展到分區域構建生物量估算模型，或采用先進技術估算植被碳密度進而提出生物量回歸模型方程。提高了生物量的測量；使得植被碳儲量的估算精度得以提高。因此，森林植被生物量的發展進程是森林碳儲量、森林碳匯研究過程中必須要關注的重要環節。

1.2 國內森林植被碳儲量估算方法與植被含碳率研究

森林植被碳儲量計量的準確與否和估算方法的選擇至關重要，此外，不同優勢樹種含碳率的確定也是關鍵環節，國內學者在推進森林植被碳儲量方法開展的同時也對植被含碳率的確定做了詳細深入研究。學者周國模[16]、田大倫[17]率先對浙江臨安的毛竹和湖南會同的杉木按照不同器官測定其含碳率，二者在研究結論中都指出不同優勢樹種不同林齡的含碳率差距較大；“碳達峰、碳中和”目標提出后，學界對森林碳儲量的研究掀起新的熱潮，基于森林碳匯視角下含碳率的研究也進一步深入，徐期瑚[18]、張悅[19]基于樣地數據構建起模擬模型，深入分析了含碳率對于碳儲量計量科學性和準確性的重大影響，并指出含碳率的研究在森林經營管理和規劃方案落實方面也有指導作用。

國內有關森林碳儲量估算方法和含碳率的研究已逐漸系統化，諸多學者的研究內容與研究方向對于碳匯潛力探析、生態文明建設有指導意義。然而，森林碳儲量估算方法和優勢樹種含碳率測量的誤差也是不可忽視的問題，構建起詳實科學的指標系統、不斷完善碳儲量估算方法是目前碳儲量推進過程中亟需解決的問題。

1.3 國內森林植被碳儲量的應用研究

在植被碳儲量測算方法和含碳率研究逐漸發展成熟、相關參數不斷趨向標準化的基礎上，國內學者有關森林植被碳儲量的研究開始趨于多元化。有學者以區域尺度為研究對象，對不同省域、全國森林碳儲量現狀和動態變化情況展開定性和定量研究，孫輝祥[20]基于國家森林資源清查數據，采用生物量轉換因子連續函數法估算出黑龍江省碳儲量為661.78Tg，碳密度33.94Mg·hm-2；張穎[21]以森林蓄積量擴展法測算得到北京森林碳儲量1157.75萬t，并據此提出區域穩碳增匯的路徑選擇；李海奎[22]、張煜星[23]采取歷次森林資源清查數據核算全國森林碳儲量現狀與動態變化情況，指出我國森林碳匯潛力巨大；學者基于不同樹種特性，于微觀層面對不同優勢樹種、不同起源樹種碳儲量和碳密度進行核算。學者曾偉生[24]、程小云[25]分別以東北三省落葉松天然林和人工林、甘肅省天然林為研究對象，深入探析其固碳能力，結果顯示東北落葉松人工林固碳能力顯著高于天然林、甘肅省天然林碳儲量實現74.57TgC。

國內學者對區域或全國森林碳儲量的深入研究不僅探析清楚我國森林碳儲量“家底”，還在碳儲量計量過程中完善了方法學，區域或全國碳儲量的估算結果對于森林經營方案的制定和穩碳增匯路徑選擇提供重要的數據參考；此外，在“碳達峰、碳中和”戰略背景之下，準確計量森林碳儲量，清晰我國森林資源固碳能力，此舉增加了我國在國際上的氣候談判主動權，在碳減排治理和“雙碳”戰略目標推進中有重要意義和價值。

2 國外森林植被碳儲量研究進展與現狀

2.1 國外森林植被生物量研究綜述

國外森林植被生物量研究早于國內，早在1876年，德國生物學家Ebermeyr[26]率先以科學手段測量了不同樹種各器官和枯落枝葉的生物量，并對外公布德國幾類主要樹種的干重數據；到20世紀50年代，蘇聯、日本等國家基于研究數據指出生物量與森林蓄積、林分結構等指標密切相關[27]；隨著生物量研究的不斷深入，20世紀80年代，國際科教理事會提出國際地圈和生物圈計劃(IG-BP)，該計劃通過研究地球上主要森林植被類型的生物量及其區域地理分布狀態、植被生產力和植物群落分布的關系，進而估算地球生物圈的生物總量，這推動了陸地生態系統生物量測算的進一步發展。如今，國外生物量研究主要以遙感技術為主，該方法在應用上科學準確，但是操作具有一定的復雜性，Castro-Magnani[28]、Ghosal[29]分別采用Terra-MODIS遙感衛星與IRS P6 LISS-IV數據測定美洲和印度西孟加拉喜馬拉雅地區地上植被生物量，遙感技術的運用相當程度提高了生物量測算的精度，為區域碳儲量研究提供了更加詳實可靠的來源信息。

2.2 國外森林植被碳儲量估算方法與植被含碳率研究

在碳儲量估算方法方面，國外學者最初在計量方法確認上與國內一致，即采用生物量法、生物量清單法、蓄積量擴展法，Brown[30]、Schroeder[31]率先構建起冪指函數分析木材蓄積(V)和轉換因子(BEF)的內在關系，并提出木材蓄積(V)和轉換因子(BEF)之間的函數表達式(BEF=aV-b，其中a、b都是大于0的常數)；隨后，Lehtonen[32]充分考量林齡、立地條件、林分狀況等因素后指出優勢樹種不同，生物量轉換因子(BEF)也就不同。國外森林碳儲量核算的伊始與國內采用的估算方法具有一致性，這些方法經過了反復論證，已具有較好的精準性和科學性，隨著科學技術的不斷發展和對估算精度的進一步要求，國外在植被碳儲量估算上開始引入跨學科的研究成果，即采用氣象學或理學領域的弛豫渦旋積累法、渦旋相關法和渦度協方差法對植被固碳情況加以核算。Soloway[33]運用渦度協方差法在長周期數據收集后，測算出加拿大Manitoba云杉CO2的交換情況，并據此推算出該區域森林植被的碳儲量；Pappas[34]、Rodda[35]皆運用微氣象學法中的渦旋相關法分別測量加拿大Saskatchewan云杉成熟林碳儲增量與印度中部一個區間熱帶落葉林的森林碳匯量。可見，目前國外在森林碳儲量方法運用上已經區別于國內，更多的采用自然科學領域的研究方法，這些方法的運用進一步提高了區域森林碳儲量的計量精度，在開展森林碳匯增量和存量核算時更具科學性。

國外森林碳儲量估算方法取得較大進展的同時，含碳率方面的研究也獲得了進一步推進。美國學者Birdsey[36]率先定量估算了當地針葉林(Coniferous)的含碳率達52.1%，闊葉林(Broad-leaved)含碳率為49.1%，值得一提的是，該指標一直沿用至今；在森林植被碳儲量估算精度要求愈來愈高的背景下，國外學者針對植被含碳率也展開了深入探討，將樹種范圍逐漸拓展開來，Ordóez[37]、Aguirre[38]基于區域和全球森林資源清查數據，分別估算墨西哥松林、橡樹林、冷杉和全球5種松木的含碳率，并據此推算出相關類型樹種的碳儲量。含碳率的拓展性研究為各優勢樹種碳儲量的核算提供了重要基礎數據，使得碳儲量的估算更加科學與系統。

綜上，國外有關森林植被碳儲量的研究與國內方向進程基本趨同，不同的是國外在植被生物量研究和碳儲量方法計量上引入了諸多自然科學領域的研究成果，實現了方法的綜合性與創新性，最終估算結果也更加精確，這對于國內森林碳儲量的估算和推進具有相當程度的借鑒作用。

2.3 國外森林植被碳儲量研究現狀

國外針對森林植被碳儲量的研究開展較早的國家有美國、加拿大、俄羅斯、德國等，這些國家對本國區域內森林生態系統碳儲量現狀和碳循環情況開展了深入研究，估算出本國森林碳庫數量和碳密度值，這與國內的研究方向和研究內容基本相同。然而，國外在碳儲量測算中更加注重影響因素的探討，從齡組、樹種的差異影響到立地類型、氣候帶對森林碳儲量的影響，深入細致地探析植被特性和地理因素在森林固碳過程的正面或負面效應，并有針對性地提出森林經營管理方案。Pregitzer[39]通過研究不同齡組碳儲量的差異，結論指出森林碳儲量和齡組呈正相關，認為合理科學管護樹木是挖掘碳匯潛力的關鍵環節；Fitts[40]、Crockett[41]分別對美國和加拿大不同氣候帶森林碳儲量做定量研究，在對比其他氣候帶森林固碳數量后指出森林生長或森林固碳與氣候帶密切相關，溫帶地區碳儲量最高，在氣候減緩進程中發揮的作用最大；Shupe[42]更是以Middle Elbe為研究對象，深入分析林齡、樹種結構、物種、水文條件對區域碳儲量的影響，據此提出穩碳增匯的路徑選擇。

國外有關森林碳儲量的研究已逐漸深入微觀，由傳統的區域碳儲量數量測算轉向影響因素探討，在清晰區域或全國森林固碳影響因素后提出生態修復、森林保護措施，此舉可較好地揭示區域森林碳匯的制約條件，進而基于樹種特性、地理環境因素提出更加落地的增匯方案，國內研究也應沿著該方向深入推進。

3 研究評述與展望

基于上述文獻梳理和分析可知，在不借助科學儀器的基礎上核算森林植被碳儲量時，一般采用生物量和含碳率乘積推算碳儲量，故縱觀國內外森林植被碳儲量的研究進程，總體研究方向和研究內容趨同，即最初集中于森林植被生物量研究，而后推進到森林碳儲量估算方法和含碳率層面，在估算方法和參數標準發展成熟的基礎上開始應用到不同范圍、不同優勢樹種、不同起源樹種的碳儲量測算。從研究廣度來看，國內外學者針對森林碳儲量的研究已由單一樹種逐漸拓展到區域森林固碳能力或森林生態系統碳儲的研究上，從最初單一生物量測量逐漸延展深入到森林碳儲量估算方法、含碳率研究層面；從研究深度看，國內有關森林碳儲量的研究由局部深入到整體，后又局部整體相結合最終實現宏微觀多層次的探析。可見國內外在森林碳儲量的研究上成果頗豐，在應對氣候變化問題方面具有重要意義。

隨著精確要求的逐漸提升，國外森林碳儲量的研究開始引入精密儀器，在提高森林碳儲量估算精度的同時卻增加了研究成本，并且對人員和方法要求較高，在植被碳儲量計量的全面性和高效性方面有制約效應；而國內基于樣地清查數據采用的估算方法和參數標準存在一定誤差，最終導致估算結果的不確定性。針對如何減少研究誤差的技術問題，進行誤差分析，開展森林生物量、碳儲量估算多途徑交叉驗證，提高估算精度，基于地區差異制定完善的參數標準、樣地清查法和微氣象學法相互結合是后期森林碳儲量研究過程中亟需解決的問題。具體來說，基于地區差異構建起完善的參數系統，在考慮樹種特性的前提下科學合理測量區域優勢樹種的含碳率，劃定樣地采用微氣象學法、遙感技術實地測量森林碳儲量并與樣地清查數據推算的碳儲量對比，找尋誤差源頭，在考慮經濟效益的前提下從根本上提高森林碳儲量核算的精度；此外，國內研究進展與現狀中，以氣候帶、經緯度為劃定依據測量森林碳儲量的研究少之又少，后期可結合氣候帶、地理因素差異等深入探析區域植被碳儲量，以期為森林經營管理對策提供更加詳實可靠的數據。