林火碳排放的影響與減緩對策

劉志華 賀紅士 徐文茹 梁宇 朱教君* 王高峰 魏偉 王自發 韓永明

1 中國科學院沈陽應用生態研究所 沈陽 110016

2 東北師范大學地理科學學院 長春 130024

3 中國科學院上海高等研究院 上海 201210

4 中國科學院大氣物理研究所 北京 100029

5 中國科學院地球環境研究所 西安 710061

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）最新評估顯示，自工業革命以來，由化石燃料使用和毀林等人為活動引起的碳排放，使大氣二氧化碳（CO2）濃度由工業革命前285 ppm 增加至2022 年的417 ppm，導致全球平均溫度增加了約1.1℃[1]。為了減緩以CO2為主要溫室氣體濃度增加導致的氣候變暖，國際社會先后制定了《聯合國氣候變化框架公約》（1992 年）、《京都議定書》（1997 年）、《哥本哈根協定》（2009 年）、《巴黎協定》（2015 年）、《格拉斯哥氣候協議》（2021年）、《聯合國氣候變化框架公約》（2022 年）等國際公約，確定了在21 世紀末將氣溫升高控制在1.5℃的目標。作為碳減排的全球性重大行動，世界主要經濟體先后公布了“雙碳”（碳達峰、碳中和）減排目標。

中國是“雙碳”行動的積極推進者，中國政府于2020 年9 月宣布，將爭取在2030 年“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”（即CO2凈排放為0）。像中國這樣一個正處在實現工業化和現代化進程中的大國，“碳達峰”與“碳中和”僅有30 年間隔，必然面臨著產業轉型、技術升級和生態系統固碳增匯等方面的巨大挑戰。當前，實現“碳中和”的主要路徑包括減少化石燃料使用及土地利用變化導致的碳排放量（減排）、增加陸海生態系統碳吸收（增匯）及廣泛使用碳捕捉與碳封存（CCUS）技術[2]。

增加生態系統碳匯是實現“碳中和”最綠色、經濟和可行的途徑。2012—2021年，全球陸地生態系統碳匯約為110 億噸CO2/年，抵消約32%人類化石燃料碳排放，在實現“碳中和”目標中起著不可替代的作用[3]。然而，生態系統碳匯是脆弱的，除受到生態系統類型、土壤和氣候因素的影響，還受到人為干擾的影響。

野火是全球生態系統中最重要的自然干擾過程之一，也是森林和草地面臨的主要自然干擾類型，在陸地生態系統碳循環中起著重要作用[4-7]。火燒破壞地表植被，釋放大量溫室氣體、顆粒物和其他痕量氣體，加劇水土流失和空氣污染，是影響全球環境和氣候安全的重要驅動因子之一[8,9]。2002—2020年，全球野火年均排放（73.2±7.32）億噸CO2，約為化石燃料釋放CO2的18.5%，對大氣CO2濃度升高的貢獻顯著[10,11]。同時，野火碳排放量受氣候變化的影響存在巨大的年際變化。例如，1997—1998厄爾尼諾年，野火的排放量高達117.12 億噸CO2，而在2001—2009 年，年均野火的排放量為58.6 億噸CO2，因此野火碳排放是導致陸地碳匯變化的主要因素之一[12,13]。盡管火后植被恢復可以抵消一部分野火的直接碳排放，但在氣候變暖、火燒輪回期變短，以及強度增加的背景下，植被需要更長的時間才能抵消碳釋放。特別是在北方森林和熱帶雨林區，氣候暖干化和人類活動導致森林火災頻率、面積和強度增加，林火碳釋放量急劇上升，導致森林植被恢復需要上百年以上才能抵消林火導致的碳釋放，滯后于氣溫升高控制在1.5℃的目標所設定的時間框架[14,15]。因此，在“雙碳”的背景下評估碳核算體系，野火碳排放不容忽視。

1 林火碳排放在全球碳循環中的作用

1.1 全球森林火燒面積及碳排放趨勢

野火主要發生在草原、稀樹草原和森林三大生態系統中，而非洲大陸野火面積占全球火燒面積的3/4以上。衛星數據表明，2000年以來全球野火發生面積總體呈下降趨勢，主要是農田管理導致非洲草原和稀樹草原火燒面積降低。然而，全球林火呈上升趨勢，特別是北美西部、澳大利亞等地區災難性火災頻率增加[15]。林火占全球火燒面積約5%，但由于森林生物量高，林火碳排放占全球野火CO2排放的20%，年均排放量約為15億噸CO2[16]。近年來，受氣候變暖和人類活動的影響，林火排放的CO2約以每年1%（約1 500萬噸CO2）的速度增長[16]，已成為不可忽視的碳排放源。

特別是北方針葉林①北緯50°以北，主要包括西伯利亞落葉松林、加拿大亞寒帶針葉林。，隨著氣候變暖和干旱的加劇，林火發生頻率呈顯著增加趨勢。2000—2020 年，北方森林火災碳排放為全球野火CO2排放量的10%；由于氣候變暖，2021年占比達23%，釋放了17.6億噸CO2[17]。而且較少發生野火的高緯度苔原帶地區也開始頻繁火燒，導致凍土融化，加劇甲烷、氮氧化物等強溫室氣體排放。

1.2 林火發生的影響因素

林火的發生受到氣象條件、可燃物特征和火源的影響[18,19]。氣候變暖導致高溫、熱浪和干旱，造成可燃物水分含量下降，并增加大氣雷暴頻率，林火發生的頻率、蔓延速度和能量釋放也隨之增加[20]。同時，溫度升高有利于高緯度植物生長，增加了可燃物的載量，進一步增加林火強度。由于氣候變暖存在“北極放大效應”（即高緯度地區的氣候變暖速率高于全球平均），因此未來北半球高緯度地區的高溫熱浪和干旱事件可能會更頻繁，極端野火發生的頻率和強度可能持續增加[20,21]。氣候變暖與野火碳排放之間的正反饋機制，可能使高緯度地區成為火燒碳排放的高發區域。

2 加拿大2023 年極端林火碳排放估算及其影響

林火是北方森林中不可或缺的自然干擾過程，是維持森林生態系統多樣性和健康的重要因子，它以從地面火到樹冠火的多種形態調節森林生態系統的樹種組成、年齡結構和空間（景觀）格局。每年5—10 月為加拿大林火活躍期。全球氣候變化導致北美天氣持續高溫，2023年春季加拿大部分省份氣溫較往年同期高，異常炎熱干燥的氣候增加了林火發生頻率和強度。據加拿大森林消防中心數據②Canadian Interagency Forest Fire Centre. [2023-09-04]. https://ciffc.net/.，截至當地時間8月29 日，2023 年該國累計發生5 900 處火災，過火面積累計約15萬平方公里。如此大規模、高烈度的林火可能導致生態系統的破壞和生物多樣性的喪失，造成生態系統不可逆的退化。

火燒釋放大量的顆粒物，隨西風環流輸送到美國及歐洲，造成嚴重的空氣污染，危害美國、加拿大、歐洲甚至整個北半球人群健康。同時，林火釋放大量的溫室氣體（CO2、甲烷和氮氧化物），進一步增加大氣溫室氣體濃度，加劇全球氣候變暖，對國際氣候治理和“雙碳”減排目標造成困難。

2.1 林火碳釋放估算的方法

計算林火碳排放量的方法主要有排放因子法、遙感觀測法、模型模擬法、監測反演法等[12,22-24]。排放因子法、遙感觀測法、模型模擬法等屬于“自下而上”方法，主要通過火燒面積或輻射功率，結合生物量、燃燒系數、排放因子等參數計算消耗的可燃物生物量產生的不同溫室氣體的排放量，具有空間分辨率高（100 m2—1 km2）等優點，但是需要精確的火燒面積、生物量、排放因子等數據。監測反演法屬于“自上而下”方法，主要基于大氣觀測的溫室氣體濃度和氣象場資料，結合大氣化學輸送模型，通過數據同化方法，可以較快速地反演獲得林火的排放量。然而，該方法空間分辨率低（＞ 0.25°）、受大氣邊界層影響難以量化CO2排放的源匯變化。由于目前尚不能準確掌握加拿大過火區域的森林結構、林分密度、燃燒比例等信息，不同方法進行估算存在一定差異。

遙感數據是目前估算大尺度林火碳排放的有效手段[25]。本研究基于火燒碳釋放強度的方法，可快速準確進行林火碳釋放的初步評估。該方法首先通過全球林火碳釋放數據庫（GFED）③Global Fire Emissions Database. [2023-09-04]. https://www.globalfiredata.org/.計算獲得加拿大區域火燒碳排放強度圖（圖1）。GFED 數據庫是精度高、國際通用的林火碳排放數據集，是IPCC 估算火燒碳釋放的主要數據源；然后，結合遙感觀測和加拿大國家發布的火燒數據，近實時估算火燒的累積碳釋放量（圖2）。林火碳釋放的計算公式如下：

圖1 加拿大林火碳釋放量強度Figure 1 Intensity of carbon emission from forest fire in Canada

圖2 2003—2023年加拿大火燒年累計CO2排放曲線Figure 2 Yearly cumulative CO2 emission curve for fires in Canada from 2003 to 2023

其中，EFireC為火燒碳釋放（碳當量）；EFireCO2為火燒CO2釋放（CO2當量）；Eintensity為加拿大區域火燒碳排放強度（圖1）；S為火燒面積。

本研究利用哥白尼大氣監測服務（CAMS）“全球火災同化系統”（GFAS）④The Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS). [2023-09-04]. https://atmosphere.copernicus.eu/.提供的火燒碳釋放數據作為驗證。GFAS是基于中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測到的火災輻射功率（FRP）數據，利用排放因子法將FRP轉換為火災消耗的干物質（DM），再結合發表數據，計算火燒碳排放量。GFAS 已被廣泛應用于監測火燒碳排放、空氣質量預報及大氣化學模擬，是國際權威火燒碳排放數據庫之一[26]。

本研究估算，截至8月29日，2023年加拿大火燒已累計排放CO2約12.68 億噸，低于CAMS 的測算值（13.94 億噸）約9%，是2002—2022 年同期CO2平均排放量的5 倍以上（圖2）；該排放量已超過加拿大、德國2021年各自全年能源相關的CO2排放量（據國際碳計劃2022 年的數據，加拿大、德國2021 全年能源相關的CO2排放量分別為5.46億噸和6.74億噸；其中，德國居全球第7位）。

2.2 加拿大林火對空氣質量的影響

加拿大林火除釋放CO2、甲烷等溫室氣體，還產生大量顆粒物，包括細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、黑碳（BC），以及揮發性有機物（VOCs）等空氣污染物；這些空氣污染物對當地和下游地區空氣質量的影響非常顯著，直接影響人體健康。基于地球系統模式（IAP-AACM），本研究模擬了加拿大林火空氣污染物對全球PM2.5濃度的影響。結果顯示，加拿大林火釋放的PM2.5受西風環流及天氣動力作用，造成了長距離跨境傳輸，不僅影響美國東部，并跨過大西洋向西歐和歐亞大陸等人口密集區擴散，導致了大范圍空氣污染。影響較大的跨境傳輸過程主要有4 次，分別為2023年5月17—26日、6月6—19日、6月23—30 日、7 月15—20 日（圖3）。這4 次過程均顯著影響到美國地區空氣質量（PM2.5濃度可達50 微克/立方米以上），其中6 月27—30 日林火釋放的高濃度PM2.5顯著影響歐洲地區（5微克/立方米以上）。加拿大林火對北非和亞洲地區PM2.5濃度也有影響，且影響到我國西部地區，濃度貢獻小于5 微克/立方米。截至2023 年7月20日，加拿大林火已造成超過300萬平方公里陸地的PM2.5超標，影響超過8 000多萬人。

圖3 基于地球系統模式模擬的加拿大林火對全球大氣PM2.5濃度的影響Figure 3 Impact of Canadian forest fires on global atmospheric PM2.5 concentrations based on Earth system model simulations

3 中國森林火災碳排放現狀

我國持續不懈的植樹造林、森林保護等生態治理措施，實現了連續30 多年森林面積和蓄積量“雙增長”。根據第九次全國森林資源清查數據[27]，我國天然林面積1.4億公頃，人工林面積0.8億公頃，森林覆蓋率約為23%。在2000—2017 年全球新增綠化面積中，約1/4 來自中國，貢獻比例居全球首位[28]，為增匯貢獻巨大。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》提出，“十四五”時期，森林覆蓋率提高到24.1%。

森林面積和蓄積量的不斷增長，為固碳增匯、改善生態環境作出了巨大貢獻，同時也對森林防火帶來了巨大挑戰。盡管面臨自然因素和社會因素疊加的嚴峻挑戰，在多方共同努力下，我國森林草原防火工作仍取得長足發展，火災綜合防控能力顯著提升。2000—2021 年，我國年均森林火災次數為6 088±3 948 次，其中95%以上為面積小于100 公頃的火災，森林受災面積為（7.2±12.0）萬公頃。特別是2010 年以來，森林火災次數和面積顯著下降（圖4）。森林火災面積的降低，顯著降低了林火碳排放的量。我國每年森林火災碳排放量為（1 500±160）萬噸CO2。因此，我國實行的“增綠固碳”森林生態工程措施和“預防為主、防救結合”防火方針，為全球環境治理、增加碳匯和減少林火碳排放作出了巨大貢獻。

圖4 2000—2021年中國森林火災次數（a）與森林受災面積（b）Figure 4 Numbers (a) and areas (b) of forest fire in China from 2000 to 2021

4 加強林火碳研究，減少自然過程碳排放

林火已成為不容忽視的碳排放源，特別是近年來極端森林火災事件頻發（如2019年亞馬孫林火、2019—2020年澳大利亞林火、2022年西伯利亞林火和2023年加拿大林火），直接排放大量溫室氣體。同時，林火通過加速凍土融化，也大量釋放甲烷和氧化亞氮等強溫室氣體，其他火山、活動斷裂也是溫室氣體排放源。因此，加強林火碳排放研究，減少自然過程碳排放刻不容緩。對此提出3點建議。

（1）將林火碳排放納入國家排放清單。建立全面、客觀、公正的碳排放監測與計量系統，同時兼顧人類活動（化石燃料排放、工業排放）和自然過程碳排放，將包括林火在內的自然過程所排放溫室氣體納入國家排放清單，共同建立公平合理、合作共贏的全球氣候治理體系。

（2）采取有效手段降低自然過程碳排放。雖然森林火災的預測和控制是學術界和林業部門的難題，但是可以采取科學有效手段預防林火發生。例如，在森林中實施可燃物處理，降低可燃物載量，其處理方式包括計劃火燒、機械清除、林分疏透和自然火利用、增加防火林帶[29]。同時可以考慮調整森林的樹種組成，形成具有抵抗林火的森林帶，構筑天然的“綠色防火道”。2023年5月，我國出臺的《關于全面加強新形勢下森林草原防滅火工作的意見》體現了黨中央、國務院化解重大森林草原火災風險、全力維護人民群眾生命財產安全和生態安全的決心。

（3）加強國際合作。極端林火的影響范圍不局限于某一區域，已成為影響全球環境和氣候治理的突發性事件，亟待各國高度重視；通過加強合作，共同應對，實施切實可行的措施，消減自然因素帶來的碳排放。針對極端林火預測和防控的世界性難題，應組織科研人員進一步研究構建森林林火風險識別、預警預測和防控技術體系，并加強林火過程碳排放研究，建立更加科學、全面、自主可控的碳核算體系。