全國的森林覆蓋率由20世紀80年代初的12%，
提高到目前的23%，
我們還是全球人工林面積最大的國家，
占據全球人工林面積的25%左右。
樸世龍 · 中國科學院院士
格致論道第83期 | 2022年6月25日 北京
大家好，非常榮幸在格致論道跟大家交流有關中國的生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、碳收支方面的一些研究進展。我今天報告的內容是《中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯現狀及其潛力》。
人類活動是當代氣候變化的主因
在工業(yè)化革命以前的全球生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)的過程中，在陸地上，植被通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳用于自身生長，又把一部分的碳通過自養(yǎng)呼吸的方式排放到大氣里邊。另外我們知道，生態(tài)系統(tǒng)中不僅有植被，還有土壤。土壤的有機質被土壤里的微生物分解，通過異養(yǎng)呼吸的方式排放到大氣里邊。所以在沒有人類干擾的時候，植被生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用吸收的量和排出的量基本上達到了平衡。
海洋也是相似的過程，陸地和海洋之間主要通過河流的方式進行一些碳的橫向的交流。另外在自然界里邊，我們還要注意火災?；馂陌l(fā)生以后，會把大量的碳排放到大氣里邊。這些是工業(yè)化革命以前的情況。
但是在工業(yè)化革命以后，人類通過化石燃料燃燒的方式，把地下的碳排放到大氣里邊；而在工業(yè)化革命之前，這些碳是沒有參與到現代碳循環(huán)過程中的。此外，在熱帶地區(qū)農田的面積不夠，所以還會通過森林砍伐的方式開拓農田，這也會導致大量的碳排放到大氣里邊。所以目前來說，化石燃料的燃燒和土地利用的變化，這兩種方式是全球二氧化碳濃度增加的主要方式。
▲數據來源：CSIRO
從上圖中我們可以看到，在過去兩千年的歷史中，工業(yè)化革命以后的大氣中的二氧化碳濃度的上升速率是非?？斓?，IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會）的核心結論是：人類活動是當代氣候變暖的主因。
我們從IPCC的1990年的第1次評估報告到2021年的第6次評估報告中可以看出來，“人類活動是當代氣候變暖的主因”這個結論的信度是逐漸遞增的，并且在第6次評估報告里邊，它提到了一點：毋庸置疑的是，人類活動的影響已經使得大氣、海洋和陸地變暖。
中：克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）
來源：The Nobel Committee說到這個結論，我們不得不提到兩位杰出的科學家——美國科學家真鍋淑郎和德國科學家克勞斯·哈塞爾曼。這兩位科學家由于在全球氣候變化研究中的貢獻獲得了2021年的諾貝爾物理學獎。真鍋淑郎“奠定了地球氣候變率和人類對其影響的認知基礎”，他利用三維模式估算了二氧化碳濃度上升以后對地球系統(tǒng)產生的影響。另外一位科學家的獲獎理由是在“地球氣候物理模擬、量化變異和可靠預測全球變暖”這方面的突出貢獻，尤其是他發(fā)展了檢測歸因的方法，利用這種方法得出的結論是，目前觀測到的氣候變暖大部分來自于人類活動。
我們經常會問，人類活動對整個地球系統(tǒng)的擾動到底有多大，IPCC對未來的二氧化碳濃度的場景進行了三種不同的預測，包括低排放情景、中排放情景、高排放情景。
如果是高排放情景，二氧化碳濃度可達到白堊紀時期的濃度。白堊紀時期，也就是我們經常說的恐龍時代，那多么可怕。如果是中排放場景，北極和南極是沒有冰蓋的。如果在低排放情景下的話，北極基本上會是小冰蓋。所以如此大規(guī)模的二氧化碳的濃度的變化，肯定會引起氣候和生態(tài)系統(tǒng)顯著地變化。
因此從1992年開始，國際社會進行了大量有關氣候的談判。2015年的時候《巴黎協定》達成，2016年《巴黎協定》正式生效?！栋屠鑵f定》里有3個目標，第一個目標是將全球平均溫度上升幅度控制在不超過工業(yè)化革命前水平的2度之內。我們要記住，不是離現在，而是離工業(yè)化革命以前，并力爭不超過工業(yè)化革命前的1.5度；第二個目標是提高適應氣候變化不利影響的能力，并以不威脅糧食產量的方式增強氣候適應能力和發(fā)展溫室氣體的低排放路徑；最后一個目標是使資金流動符合溫室氣體低排放和氣候適應型發(fā)展的路徑。
▲ 全球二氧化碳總排放量示意圖（IPCC, 2021）
那么，我們要怎么樣去實現《巴黎協定》里2度和1.5度的目標呢？如果想實現1.5度的目標，2030年人為二氧化碳的排放量需要比2010年減少45%，另外要在2050年左右實現凈零的排放；如果要達到2度的目標的話，我們需要在2070年左右實現凈零排放。
▲1850-2016年全球氣候變化圖（IPCC, 2021）
從上圖中我們可以看到，目前溫度的上升已經差不多有1度了，所以我們離1.5度或者2度的目標并沒有多少的空間。
▲圖源：IPCC, 2021
IPCC中有一個針對碳中和的明確的概念，它是指通過平衡二氧化碳人為的排放量與人為的去除量，實現二氧化碳的凈零排放。這里要強調的是人為的去除量，并不僅僅是依靠自然對二氧化碳排放量的消除。也就是說我們吸收的和排放的碳要達到平衡，使大氣中的二氧化碳濃度沒有上升。2020年，我們國家在聯合國第75屆會議上承諾了要在2030年碳排放量達到峰值，2060年要實現碳的中和。
我們經常提到，大氣中的二氧化碳是一個長壽命的氣體。那關于全球氣候變暖這一現象，中國到底要負多大的責任？北大的李本綱老師和我們一起在Nature和美國科學院院刊（PNAS）上發(fā)表了數據。我們的結論是，中國對目前的氣候變暖的貢獻大概只有9%，而美國大概是22%，歐洲大概是14%，所以對于現在的氣候變暖來說，我們國家的貢獻是比較少的。但是我們是一個負責任的國家，所以也提出了碳中和的目標。
目前我們國家二氧化碳的排放量大概是100億噸，從現在到2060年，我們要怎么把碳排放量減為零？我們有三個途徑，第一個是我們要減排，大幅度的減排，利用一些可持續(xù)的能源來替代現在的化石燃料；第二個是碳捕獲、利用與封存，利用一些地球工程，把大氣中的二氧化碳埋藏到地下深處里；還有一種方法是利用陸地和海洋的碳匯來實現碳中和。
大幅度的減排對我們國家來說是非常大的一個挑戰(zhàn)。這是因為我國從碳達峰到碳中和的時間只有30年，而美國是43年，歐盟是71年，所以我們的減排壓力非常大。
今天我講的是陸地的碳匯，陸地的碳匯對于實現碳中和的目標能不能起那么大的作用呢？
▲數據來源：NOAA
這個視頻是不同二氧化碳濃度觀測站的二氧化碳濃度的變化。橫坐標是這個站點分布的緯度，0代表赤道地區(qū)，右邊是北半球地區(qū)，左邊是南半球地區(qū)。我們可以看出來二氧化碳濃度是逐漸地上升的，但是每個站點的上升規(guī)律是不一樣的，在南半球和赤道地區(qū)，二氧化碳濃度穩(wěn)定上升，而在北半球的大部分站點是夏天的時候濃度低，而到了冬天以后，它的濃度是非常高的。主要的原因是什么呢？因為在夏天，生態(tài)系統(tǒng)進行光合作用吸收了大量的碳。所以我們可以看出來，陸地生態(tài)系統(tǒng)確實在減緩溫室氣體濃度上升中起著不可忽視的作用。
全球的碳計劃每年會對過去10年的全球碳收支進行評估，從2011年到2020年，我們人為排放了大概400億噸的二氧化碳，但是只有48%在大氣里邊累積，剩下分別有26%被陸地和海洋所吸收。
需要強調的是，我在陸地生態(tài)系統(tǒng)中給出來的是剩余碳匯，為什么呢？因為我們的陸地空間太復雜了，異質性太大了，所以現在還沒有很好的方法可以完全準確地估算出全球的陸地碳匯到底有多少。所以在全球碳計劃的時候，我們把總排放量計算出來，再把大氣生態(tài)系統(tǒng)的部分算出來，海洋生態(tài)系統(tǒng)的部分算出來，然后認為剩下的應該是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的部分。但是這會導致一個問題，那就是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的量會受到其他幾個部分的估算精度的影響。如果我們把其他部分的排放量高估了，那么陸地的碳匯也有可能會被高估。
▲全球碳循環(huán)研究的兩個關鍵問題
全球碳匯我們還可以這樣算出來，但是如果到具體到某一個區(qū)域的時候，我們是無法用這種間接的方法去計算的。所以全球碳計劃有兩個核心的關鍵問題，26%的碳分布在哪兒？分布在美國還是在中國？這是一個核心的問題。另外一個核心的問題是碳匯隨時間怎么變化？未來還會不會增加，比如增加到40%或50%？我們當然希望未來碳匯會增加，這對我們碳中和是非常有利的。我們的課題組在過去20年，圍繞這兩個核心的問題進行了研究。接下來，我重點介紹一下中國的碳收支方面的研究。我們?yōu)槭裁匆芯窟@個區(qū)域的碳收支的呢？這是因為通過將區(qū)域的碳排放、吸收與全球大氣中的二氧化碳濃度的增加聯系起來，可以幫助確定碳補償、減緩的政策。比如說像《京都議定書》里邊提到的，如果一個國家通過植樹造林吸收了更多的碳，那么就有權排放相應的碳。因此，在科技部和基金委的支持下，我們國家在過去幾十年開展了大量的研究，也為我國達成碳中和目標和參與全球氣候治理提供了關鍵的科學支撐。
我們先看一看影響區(qū)域碳收支的影響因子有哪些。首先是土地利用的變化，在過去50年，我國75個城市的建成區(qū)面積增加了7倍左右，大家可以看一看你們所在的城市面積到底有沒有變化。比如我們可以看到吉林城區(qū)基本上面積是沒有變化的，而深圳的面積增加是非常大的。這種城市化的擴張會破壞自然的植被，導致碳儲量流失。中國的城市化還有一個很重要的特征，那就是農村人口向城區(qū)里邊移動。這一現象對農村地區(qū)植被的破壞會相對少一些，有利于農村地區(qū)的植被的碳吸收。
另外，我們國家在過去幾十年進行了大量的生態(tài)工程，包括陜北防護林等。全國的森林覆蓋率由20世紀80年代初的12%，提高到目前的23%，森林蓄積量提高到了175億立方米。我們還是全球人工林面積最大的國家，占據全球人工林面積的25%左右。所以我國大量的植樹造林工作有利于陸地碳吸收，有利于生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。
但是另一方面，我們還經歷著氣候變化。1901-2020年，我們國家的溫度平均每10年升高0.1度。溫度變化一方面有利于生態(tài)系統(tǒng)碳吸收，延長物候生長季的時間；但在另一方面它又是不利的，因為會加快生態(tài)系統(tǒng)的呼吸，比如加快植物的呼吸和土壤有機質的分解。所以，溫度上升對中國生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)到底會產生怎么樣的影響，現在還存在很大的不確定性。除了溫度變化以外，我們國家的降水格局也發(fā)生了變化。我們國家現在經歷著南澇的問題，如果我們看過去幾十年的降水量變化的話，可以發(fā)現我國南方的降雨量是增加的，北方地區(qū)的降雨量是下降的。北方本來就缺水，因此對植被生長來說，降雨量下降是不利于生態(tài)系統(tǒng)碳吸收的。二氧化碳濃度上升雖然會導致氣候變暖，但對植被來說卻是有利的。為什么呢？我們知道，二氧化碳是光合作物的底物，光合作用的底物增加了，光合作用的速率就會加強。目前遙感數據發(fā)現，全球植被生長率是顯著增加的，葉子面積的增加量大概相當于亞馬遜雨林的面積，科學家認為這一現象是二氧化碳濃度上升導致的。另外，大氣中氮的沉降也會有利于生態(tài)系統(tǒng)的碳的吸收。對于植被的生長來說，整個北半球的土壤里邊缺氮，所以農民經常施氮肥，以便提高農作物的產量。因此大氣的氮沉降也會導致植被的生產率提高，從而有利于生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收。還有一個影響因素是氣溶膠，也就是我們經常提到的霧霾。霧霾對人體健康是不利的，但是目前的研究表明，霧霾對植被的生長和生態(tài)系統(tǒng)碳匯來說是反而是有利的。像中國科學院植物所劉玲莉老師他們研究發(fā)現，在陰天，植被的光能利用效率提高，生產力反而更好。
還有在1991-1992年左右，其實當時我們人為的碳排放量是大于70年代和80年代的，但是大氣中的二氧化碳濃度基本沒有增加。這是什么原因呢？其實這和1991年菲律賓皮納圖博火山爆發(fā)有關系。火山爆發(fā)以后，大量的氣溶膠增加，反而有利于植被的生長。因此大氣中的二氧化碳濃度基本沒有增加。那么我們的問題是，氣候變化了，土地利用變化了，大氣成分也變化了，在這種多重的壓力下，中國生態(tài)系統(tǒng)到底是碳匯還是碳源？如果是碳匯的話，它能抵消我們國家工業(yè)排放的多少二氧化碳量？
為了回答這一問題，我們有好幾種方法，傳統(tǒng)方法是跑到野外、挖個土去看一看這里面的碳儲量到底有多少，現在也有一些新的高技術方法。中科院地理所的于貴瑞老師，他們是利用渦度相關的技術來估算生態(tài)系統(tǒng)碳匯，還有一些是基于衛(wèi)星的數據估算，還有的方法是利用大氣二氧化碳濃度的觀測數據進行反演模型。我們在這個研究里邊用了傳統(tǒng)的地面觀測和大氣的反演模型的方法。
不同的遙感數據均表明，我們國家植被整體趨勢是變好的，在《自然·可持續(xù)發(fā)展》（Nature Sustainability）有一篇我本人參與的文章認為，目前中國變綠的速率大于世界的平均速率，并排在世界首位，第二名是印度。印度變綠的速率高跟農作物的產量有關系，而我們國家主要是跟生態(tài)工程植樹造林密不可分。
另外，氣候變暖以后，植被展葉的提前或者是落葉的推遲都會導致碳的吸收日趨增長，這有利于生態(tài)系統(tǒng)碳匯。▲圖源：Piao et al., 2009 Nature; 樸世龍, 2022, 中國科學上圖是我們目前估算的森林、草地、農田、灌木，湖泊和竹林這些不同的生態(tài)系統(tǒng)的碳匯的情況。我們要強調的是，農田里邊雖然農作物產量增加很多，但是因為這部分碳很快就被人消耗掉，它的周轉是非?？斓模赃@部分我們不去考慮。總的來說，中國的碳匯大概是每年1.2億噸，這是基于地面觀測數據和遙感數據的方法。利用另外一種大氣反演方法估算的數據大概是兩倍左右，大概是3.5，一個是2.0。▲大氣反演模型與基于地面觀測數據估算結果比較示意圖
（Piao et al., 2009 Nature；樸世龍, 2022,中國科學）
但是這兩個方法是不能直接比較的，大氣反演它只是基于二氧化碳濃度觀測來計算的，生態(tài)系統(tǒng)丟失的碳并不僅僅是二氧化碳，它還有一些氧化亞碳、揮發(fā)性有機物等，所以這些碳也需要考慮。過去幾十年，我們國家引進了大量的木材、糧食，這個碳并不是我們生態(tài)系統(tǒng)的碳的丟失，所以我們在計算的時候還要對這個碳進行補償。另外，我們很多人以為，森林砍伐后這些碳都會到大氣里邊。其實不是的，像森林砍伐后做成家具的這些碳還是留在地面的。所以我們把這些碳加了以后，地面觀測到大概是2.1億噸的碳，而大氣反演的結果大概是2.6億噸的碳。▲左：中國陸地碳匯大小
右：中國陸地碳匯占同期中國化石燃料燃燒碳排放百分比
（樸世龍, 2022, 中國科學）
左側是今年我們把目前的不同研究組估算的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯收集了以后得出的圖。我們可以看出來，大部分研究表明，中國的碳匯大小大概是每年1.7-3.5億噸。那么能抵消我們的工業(yè)排放的多少呢？80年代的時候，我們的工業(yè)碳排放量比較低，所以我們大概能抵消30%左右，但是這幾十年，我們的工業(yè)碳排放的增長量顯著，所以大概抵消目前的7%-15%左右。陸地生態(tài)系統(tǒng)未來還有多少潛力？很多人會問，我們的生態(tài)系統(tǒng)未來碳匯的潛力到底有多少？▲圖源：Yao & Piao* et al., 2018 科學通報需要強調的是，我們植樹造林的年限是比較短的，所以目前我們國家的森林資源基本上是以中幼林為主，大概是占全部的森林面積的61%。這些森林未來成長以后，它的碳匯潛力是可觀的。我們估算未來30年后，碳匯儲量大概能增加90-100億噸。
另外，目前我們的很多草地生態(tài)系統(tǒng)是退化的，如果能把這些生態(tài)系統(tǒng)恢復，也會有可能使得我們生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力大量增加，當然這也有一定的風險。風險來自于青藏高原的凍土，因為凍土里邊儲存了大量的碳，占到我們國家土壤的1/3。所以在未來氣候變暖，凍土加速融化以后，這些碳會排放到大氣里邊，從而有可能會加劇變暖。這些方面的研究目前還需要加強。▲左：歐洲干旱
右：陸地和海洋碳匯變化圖
（樸世龍 等., 中國科學, 2019）
另外，我們要關注的是極端氣候事件。極端氣候事件對生態(tài)系統(tǒng)碳匯也會有顯著的影響。從右邊的圖里我們可以看出來，大氣中每年二氧化碳濃度的增加量大的年份，基本上是極端氣候事件發(fā)生的這些年份。比如像2003年的歐洲的干旱、1998年的厄爾尼諾，這些極端氣候發(fā)生以后，生態(tài)系統(tǒng)的碳匯吸收能力顯著地下降，它導致了大氣中的二氧化碳濃度顯著地增加。長期來說，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯在“碳中和”戰(zhàn)略中到底有什么樣的作用？我想強調的是，生態(tài)系統(tǒng)碳匯就像一個容器，現在是不斷裝滿的過程，也就是碳匯的過程。但是呢，有一天這個容器裝滿了以后，有可能再也裝不下別的，所以我們必須得把這個容器弄大。如果容器沒有變大，而是保持在現狀的話，生態(tài)系統(tǒng)遲早有一天會達到碳平衡。從右邊的圖里我們可以看出來，隨著2100年到來的時候，目前森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力是會顯著下降的。所以我們現在的植樹造林和森林管理是非常有必要的。怎么把碳匯窗口期的時間延長、什么時候要造林、在哪兒造林，這都是需要去綜合規(guī)劃的。而要規(guī)劃這些，我們就需要構建中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的可持續(xù)管理系統(tǒng)。目前來說，陸地生態(tài)系統(tǒng)可測量、可報告、可核查，是制定我國減排政策的重要的基礎。在這個系統(tǒng)里邊，我們需要多數據、多過程、多尺度、多方法相融合，構建天空地一體化的中國生態(tài)系統(tǒng)的碳匯可持續(xù)管理系統(tǒng)。
