茶園生態系統碳匯評估方法研究進展

在全球氣候變化的嚴峻形勢下，陸地生態系統碳匯作為減緩溫室效應、實現碳中和目標的關鍵因素，正受到越來越多的關注。茶園生態系統作為一種兼具農林業特點的人工陸地生態系統，不僅具有顯著的經濟價值，還在全球碳循環中發揮著重要作用。茶樹通過光合作用固定大氣中的二氧化碳（ CO₂? ），將其轉化為有機物質，并儲存在植被和土壤中，從而實現了碳的長期固定。研究表明，茶園的碳儲量主要集中在土壤有機碳和茶樹生物量中，其碳匯功能在陸地生態系統中具有重要地位。據報道，2年生幼齡茶園年凈固定碳量可達 4.0～8.9t/hm² ，茶園土壤固碳速率顯著高于林地2]。我國茶園植被碳總量為 8.33×10¹⁰kg ，占茶園生態系統總碳儲量的 25.5%^[3] ；土壤有機碳儲量為 2.0713×10¹¹kg ，其中 1.2458×10¹¹kg 貯存于0～20cm 土層4。茶園土壤有機碳平均密度為59.17t/hm² ，表現出巨大的碳匯潛力。然而，由于茶園生態系統結構復雜，受到土地利用方式、土壤特性和人類活動等多種因素的綜合影響，其碳匯功能的準確評估面臨著諸多挑戰。

目前，國內外學者在茶園生態系統碳匯評估方面開展了一些探索性研究，但仍缺乏長期定位觀測數據對茶園碳匯模型的支撐驗證，從點位尺度的研究結果也難以推廣到區域尺度。如何精準測量茶園生態系統的碳儲存、充分利用茶園的碳匯功能以及提升茶園的碳匯潛力，是亟待解決的問題[5]。本文旨在梳理總結國內外有關茶園碳匯評估方法及相關研究進展，并基于當前研究存在的問題與挑戰，提出未來茶園碳匯研究的方向建議，為準確估算茶園生態系統碳匯和支撐國家“雙碳”戰略實施提供科學參考。

1茶園生態系統碳匯評估的方法

1.1樣地清查法

樣地清查法通過設立典型樣地，連續觀測樣地茶樹生物量和土壤碳儲量，從而推算出研究區域茶園碳儲量變化情況。該方法基于實地調查數據，通過對茶園內茶樹的生物量、土壤有機碳含量等關鍵指標進行測量，結合茶園面積等信息，計算出茶園的碳儲量。茶樹生物量的測量通常采用收獲法或生物量方程法[69]，土壤有機碳含量可通過調查采樣測定獲得，其優點是能夠提供高精度的碳儲量數據，減少模型模擬帶來的不確定性，適用于小尺度茶園碳匯評估，表1為部分茶樹品種生物量方程。李世玉等[研究表明，我國西部、南部、東部3個茶區的茶園生物量碳密度在 48.93～ 52.89t/hm² 之間，其中茶樹生物量年增量為 1.16～ 1.23t/hm² 。張敏等通過茶樹樹齡和生物量之間的自然指數經驗方程的估算表明，幼年期（1～4年）和成年中前期（5～15年）茶樹碳儲量平均以 （4.50±0.40） ） t/hm² 和 （0.95±0.05 ） t/hm² 的年增量遞增，在成年后期（25年）茶樹碳儲量約可達30.6t/hm² 。但該方法的工作量大、耗時費力，受茶樹品種、樣地選擇和測量技術的限制，難以全面反映大尺度茶園的碳匯狀況。此外，基于樣地清查法的茶園碳匯通常通過碳儲量的年變化量來計算，而實際上碳儲量的年變化量遠遠小于茶園生態系統的碳儲量，導致測定誤差較大。由于茶園經常受到修剪、采摘等農事活動影響，采用樣地清查法應選擇固定時期，減少人為活動影響。

1.2渦度相關法

渦度相關法是一種基于微氣象學原理的技術，通過測量大氣與植被冠層之間的湍流交換通量來估算生態系統與大氣之間的碳、水和能量交換，具有時空分辨率高、數據連續性強等優點，但對測量環境和儀器要求較高，且數據處理復雜。該方法適用于中尺度、連續監測的碳匯評估，能夠較好地反映茶園碳匯的動態變化。Pang等運用渦度協方差技術對2014—2017年間中國東南部茶園的凈生態系統交換（NEE）的大小及時間變化進行了定量分析，結果表明茶園是一個凈碳匯，其年NEE在 182.40～301.51g/m² 之間，但低于我國亞熱帶其他生態系統的固碳潛力。Pramanik等基于該方法對印度東北部茶園的研究表明，茶樹生物年固碳量為（ 1400.3±226.8） D kg/hm² ，且樹齡25～30年的成齡茶樹相比幼齡茶樹能固定更多的CO₂ 。我國是世界上茶園面積最大的國家，且超過60% 的茶園分布在丘陵山區[12]。由于丘陵山區茶園難以獲取可靠的 CO₂"通量數據，國內關于微氣象法測量茶園生態系統碳儲量的研究較少[13]。此外，渦度相關法對觀測場地要求較高，儀器設備昂貴，且數據處理復雜，需要專業的技術人員進行操作和分析，限制了其在一些地區的廣泛應用。

表1部分茶樹品種生物量方程

注：AGB-單位面積茶樹地上生物量；t-樹齡； B_r 單株茶樹總生物量；BD-基徑；DBH-胸徑； H. 樹高；V-茶樹體積 （冠幅與樹高的乘積）。

1.3模型模擬法

模型模擬法基于生態系統過程和碳循環原理，通過建立數學模型來模擬茶園碳儲量的變化。常用的模型包括生物量模型、土壤碳模型和生態系統過程模型等，可根據輸入的氣候數據、王壤參數、茶樹生長數據等，預測茶園碳儲量的動態變化。常用的模型如CENTURY模型、TEM模型、Biome-BGC模型、IBIS模型、CASA模型等[14]。該方法的優點在于能夠考慮茶園生態系統內部的多種生態過程和相互作用，具有較高的靈活性和可擴展性，可模擬不同管理措施和環境變化對茶園生態系統碳匯的影響，為茶園管理決策提供科學依據。但模型模擬法的準確性依賴于模型的構建和參數的確定，模型的復雜性可能導致計算成本較高，且模型的驗證需要大量的實地觀測數據，而這些數據對茶園生態系統而言更為缺乏，限制了模型的廣泛應用。邵于洋等基于改進Biome-BGC模型的東南丘陵區茶園生態系統碳通量模擬研究表明，在年尺度上，茶園總初級生產力（GPP）和生態系統呼吸碳排放的年平均觀測值分別為1.45、 1.26kg/m² 。此外，模型法無法準確刻畫茶園人工修剪導致的生物量損失和葉面積指數（LAI）快速下降，可能會高估茶園生態系統的碳匯量。

1.4遙感監測法

遙感監測法是基于遙感影像和地理信息系統（GIS）技術，結合地面實測數據，估算生態系統碳儲量的方法，又可分為光學遙感、微波雷達、激光雷達等方法。該方法具有觀測范圍大、數據獲取快等優點，但存在數據精度欠高和模型適用性欠廣等問題。遙感通過傳感器接收地物反射的太陽光強度，估算植被生物量和碳儲量。常用的光學遙感數據包括Landsat、MODIS等衛星影像。通過建立植被指數與生物量之間的關系模型，可以估算茶園植被的碳儲量[15]。微波雷達利用地物對微波的反射和散射特性，獲取地表信息。微波雷達數據不受云層和天氣條件影響，適用于大面積茶園碳儲量的估算。常用的微波雷達數據包括SAR、InSAR等[。激光雷達通過激光測距原理獲取地表三維信息，具有高精度和高分辨率的特點。激光雷達數據可以用于估算茶園植被的生物量和碳儲量，尤其適用于復雜地形和高生物量地區的茶園[]。申玲芝8通過遙感監測發現安溪2012—2022年間茶園植被指數呈上升趨勢，碳儲量增加了約 27% ，驗證了遙感監測法的可行性。何小娟[基于遙感觀測和實地取樣對四川省名山區茶園生態系統碳匯進行了評估，表明茶園凈作模式碳匯量為 284.53t/hm² 。劉宇[2利用時間序列的遙感影像數據和InVEST模型對廣南縣茶園的碳存儲進行量化評估，表明廣南縣的碳儲量平均每年減少 2.94×10⁵ t，碳密度高值區主要分布于廣南縣北部的低海拔地區。該方法的優點在于其具有大范圍、快速、動態監測的特點，能夠在短時間內獲取大面積茶園的碳儲量信息，適用于大區域尺度的茶園碳匯評估。

與傳統的樣地清查相比，遙感監測不需要大量的地面測量工作，減少了人力和時間的投入，提高了評估效率。但該方法的精度受到傳感器分辨率、大氣干擾等因素的影響，可能導致反演結果的誤差。特別是在植被覆蓋度較低或地形復雜的茶園區域，遙感數據的準確性可能會受到影響。為了確保遙感反演結果的可靠性，需要結合地面觀測數據進行驗證和校準。

2茶園生態系統碳匯評估面臨的挑戰

茶樹作為一種具有農業和林業雙重特征的多年生常綠木本植物，具有類似森林的碳匯能力[2]。茶園作為介于典型農業和林業之間的生態系統，也兼具生態功能和經濟效益[22]。盡管茶園生態系統碳匯評估方法已經取得了一定的進展，但仍存在一些問題和挑戰。在茶園生態系統碳匯測定方面，盡管當前已開發了許多有效的森林生態系統碳匯評估方法，但這些方法尚未有效應用于茶園生態系統。當前茶園碳匯計量監測方法仍面臨許多問題亟待解決。一是監測方法差異。不同茶園碳匯計量監測方法存在較大差異，導致核算結果缺乏可比性。二是茶園代表性樣本不足。當前有關茶園生態系統的研究主要集中在茶園地理分布[23]、茶葉產量和品質評估[24]、茶園土壤肥力[25]以及茶園生態效益評價2等方面，有關茶園生態系統的碳循環研究較少，導致茶園生態系統碳匯評估所需的基礎數據嚴重匱乏。三是尺度耦合難題。多源數據如地面觀測、遙感反演、模型輸出等在時空分辨率、精度標準和采集規范上存在系統性偏差，直接影響數據的融合效果。四是驗證體系欠缺，不同計量監測方法的交叉驗證機制尚未健全。

茶園植被碳匯是茶園碳匯評價的關鍵因素之一，其碳匯能力主要由茶樹群落光合能力決定，同時又受品種遺傳特性、生態環境、生產周期以及管理措施等因素影響。例如適當修剪可以改善茶園種植密度，提高葉片光合速率，從而提高茶樹植被生物量2；科學施肥也可顯著增強茶樹葉片的光合固碳速率[28]。鑒于茶園樹齡、品種、種植和管理方式的多樣性，建立茶園碳匯評估的通用估算模型也十分困難，同時缺乏茶樹生物量碳含量的數據，導致茶園碳匯估算不準確[29]。在長期觀測數據方面，茶園生態系統分布在不同的地形和氣候條件下，生長條件和碳吸存能力具有高度空間異質性，導致茶園實地觀測和數據獲取需要耗費較大的人力物力。此外，茶葉周期性采摘會定期移除葉片，導致部分碳匯被移出生態系統之外。這種移除不僅減少茶園凈碳匯量，還因采摘頻率和強度而使得碳匯穩定性下降。這部分碳匯在茶園碳匯計量監測方法中難以精確量化，增加了茶園碳匯核算的不確定性。

3小結與展望

茶園生態系統作為陸地生態系統的重要組成部分，其碳匯評估對于應對氣候變化和推動茶產業可持續發展至關重要。當前評估方法主要包括樣地清查法、渦度相關法、模型模擬法和遙感監測法，方法各具優缺點，適用于不同尺度和條件的評估。然而，由于茶園生態系統復雜多樣，評估仍面臨諸多挑戰，如通用估算模型建立困難、長期觀測數據缺乏以及遙感監測精度受限等。

未來的研究應注重多方法融合、長期監測與動態評估、茶園碳循環過程與影響機制等方面，以提高茶園碳匯評估的科學性和實用性，為茶園的可持續發展和碳匯經營提供更有力的技術支持和決策依據。

一是建立多方法融合的評估體系，綜合運用樣地清查法、渦度相關法、模型模擬法和碳同化反演法等方法，提高茶園碳匯評估的準確性和可靠性。

二是加強長期監測與動態評估。建立長期觀測站點，獲取連續的茶園碳儲量數據，以更好地理解茶園碳匯的動態變化過程。同時加強對茶園生態系統碳循環過程的深入研究，揭示氣候因素、土壤特性、茶園管理措施等對碳匯的影響機制，為茶園碳匯的提升提供理論依據。

三是開展大尺度的茶園碳匯監測和評估。利用遙感、地理信息系統等技術手段，構建“天-空－地”一體化的茶園生態系統碳匯監測網絡（圖1），整合遙感、無人機、地面觀測等多種技術手段，實現茶園碳匯的實時、動態監測，獲取全國范圍內的茶園碳匯數據，為制定合理的茶園管理策略和應對氣候變化的政策提供科學依據。

四是深化不同情境下的茶園碳匯潛力評估。深入研究茶園生態系統碳匯潛力，探索提高茶園碳匯能力的有效途徑，如優化茶樹種植結構、改進土壤管理措施等。通過模型模擬和實地試驗相結合的方式，評估不同管理策略對茶園碳匯的影響，為茶園的低碳管理提供科學指導。

高光譜/多光譜衛星/激光雷達衛星/碳衛星

圖1“天－空－地”一體化的茶園生態系統碳匯監測網絡

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