基于退耕还林工程建设期(2000—2010年)营造林过程边界内碳成本和边界外碳泄漏的计算,分析退耕还林工程及各区域碳成本和碳泄漏的年际变化、碳成本和碳泄漏的组成特征以及净固碳量的变化特征.结果表明: 退耕还林工程建设期内,西北地区、西南地区、东北地区、华北地区、中南华东地区的碳成本分别为3.38、3.64、1.03、1.66、4.38 Tg C,合计14.09 Tg C;碳泄漏分别为21.33、4.60、5.50、1.32、3.78 Tg C,合计36.53 Tg C.退耕还林工程及各区域工程措施碳成本组成特征较为一致,造林引起的碳排放是各区域最大的工程措施碳成本,其中退耕地造林是主要的造林碳成本来源.在各种物资消耗中,肥料引起的碳排放是各区域最大的物资碳成本,其次为建材,而燃油、灌溉和药剂产生的碳排放占各区域碳成本总量的比例仅为10%左右.退耕还林工程的实施在工程边界内外共产生温室气体50.62 Tg C,抵消了工程固碳效益的19.9%;在西北地区、西南地区、东北地区、华北地区和中南华东地区的抵消作用分别为38.9%、10.4%、26.1%、8.9%和15.5%.退耕还林工程建设期内的净固碳量为203.50 Tg C,年均净固碳量为18.50 Tg C·a-1.碳成本和碳泄漏对退耕还林工程固碳的抵消较小,退耕还林工程在我国温室气体减排和全球气候变暖减缓上做出了巨大贡献.经济林营造采用精准施肥和为退耕还林工程区农户提供可替代的维持生存的方法是分别减少碳成本和碳泄漏的可能措施.
Based on the estimation of carbon cost from afforestation in project boundary and carbon leakage out of boundary in the construction period of “Grain for Green” Program (GGP) (2000-2010), the annual variance and composition of the carbon cost and carbon leakage, as well as characters of variance of net carbon sequestration were analyzed for GGP and respective program regions. Results showed that the carbon costs in northwest region, southwest region, northeast region, north region and central south and east region were 3.38, 3.64, 1.03, 1.66 and 4.38 Tg C, respectively, totaling 14.09 Tg C. Meanwhile the carbon leakages of the above regions were 21.33, 4.60, 5.50, 1.32 and 3.78 Tg C, respectively, and 36.53 Tg C in total. The composition characters of the carbon costs of the GGP and the respective regions were similar. Carbon emissions from afforestation were the largest carbon cost, and afforestation on converted farmland was the main carbon emission source. Accordingly, among the materials consumed, fertilizer brought about the largest carbon cost, followed by building materials, while carbon emissions from fuels, irrigation, herbicides and pesticides only accounted for about 10% for respective regions. The carbon cost and carbon leakage of the GGP were 50.62 Tg C in total, which counteracted 19.9% of the sequestered carbon in the program. In northwest region, southwest region, northeast region, north region and central south and east region, carbon emissions (including cost and leakage) accounted for 38.9%, 10.4%, 26.1%, 8.9% and 15.5% of the carbon sequestration, respectively. The net carbon sequestration of the GGP was 203.50 Tg C with an annual average of 18.50 Tg C·a-1. The carbon cost and leakage offset a minor part of the carbon sequestration of the GGP. Therefore, the GGP contributed significantly to greenhouse gas mitigation in China as well as global climate warming mitigation. Adopting precision fertilization in economic forest afforestation and supplying alternative livelihoods to farmers in the program could be the potential measures to reduce carbon cost and carbon leakage.
全 文 :中国退耕还林工程温室气体排放与净固碳量
刘博杰1,2 张 路1 逯 非1,3∗ 王效科1,3 刘魏魏1,2 郑 华1 孟 龄1,4 欧阳志云1
( 1中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085; 2中国科学院大学, 北京 100049; 3全球变化
研究协同创新中心, 北京 100875; 4北京城市生态系统研究站, 北京 100085)
摘 要 基于退耕还林工程建设期(2000—2010年)营造林过程边界内碳成本和边界外碳泄
漏的计算,分析退耕还林工程及各区域碳成本和碳泄漏的年际变化、碳成本和碳泄漏的组成
特征以及净固碳量的变化特征.结果表明: 退耕还林工程建设期内,西北地区、西南地区、东北
地区、华北地区、中南华东地区的碳成本分别为 3.38、3.64、1.03、1.66、4.38 Tg C,合计 14.09
Tg C;碳泄漏分别为 21.33、4.60、5.50、1.32、3.78 Tg C,合计 36.53 Tg C.退耕还林工程及各区域
工程措施碳成本组成特征较为一致,造林引起的碳排放是各区域最大的工程措施碳成本,其
中退耕地造林是主要的造林碳成本来源.在各种物资消耗中,肥料引起的碳排放是各区域最
大的物资碳成本,其次为建材,而燃油、灌溉和药剂产生的碳排放占各区域碳成本总量的比例
仅为 10%左右.退耕还林工程的实施在工程边界内外共产生温室气体 50.62 Tg C,抵消了工程
固碳效益的 19.9%;在西北地区、西南地区、东北地区、华北地区和中南华东地区的抵消作用
分别为 38.9%、10.4%、26.1%、8.9%和 15.5%.退耕还林工程建设期内的净固碳量为 203.50
Tg C,年均净固碳量为 18.50 Tg C·a-1 .碳成本和碳泄漏对退耕还林工程固碳的抵消较小,退
耕还林工程在我国温室气体减排和全球气候变暖减缓上做出了巨大贡献.经济林营造采用精
准施肥和为退耕还林工程区农户提供可替代的维持生存的方法是分别减少碳成本和碳泄漏
的可能措施.
关键词 退耕还林工程; 碳成本; 碳泄漏; 净固碳量; 温室气体
本文由中国科学院战略性先导科技专项(XDA05060102, XDA05050602)和中国科学院青年创新促进会资助 This work was supported by the Stra⁃
tegic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (XDA05060102, XDA05050602) and the Youth Innovation Promotion Association CAS.
2015⁃10⁃29 Received, 2016⁃02⁃27 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: feilu@ rcees.ac.cn
Greenhouse gas emissions and net carbon sequestration of “Grain for Green” Program in
China. LIU Bo⁃jie1,2, ZHANG Lu1, LU Fei1,3∗, WANG Xiao⁃ke1,3, LIU Wei⁃wei1,2, ZHENG
Hua1, MENG Ling1,4, OUYANG Zhi⁃yun1 ( 1State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology,
Research Center for Eco⁃Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, Chi⁃
na; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3Joint Center for Global
Change Studies, Beijing 100875, China; 4Beijing Urban Ecosystem Research Station, Beijing
100085, China) .
Abstract: Based on the estimation of carbon cost from afforestation in project boundary and carbon
leakage out of boundary in the construction period of “Grain for Green” Program (GGP) (2000-
2010), the annual variance and composition of the carbon cost and carbon leakage, as well as
characters of variance of net carbon sequestration were analyzed for GGP and respective program re⁃
gions. Results showed that the carbon costs in northwest region, southwest region, northeast region,
north region and central south and east region were 3.38, 3.64, 1.03, 1.66 and 4.38 Tg C, respec⁃
tively, totaling 14.09 Tg C. Meanwhile the carbon leakages of the above regions were 21.33, 4.60,
5.50, 1.32 and 3.78 Tg C, respectively, and 36.53 Tg C in total. The composition characters of the
carbon costs of the GGP and the respective regions were similar. Carbon emissions from afforestation
were the largest carbon cost, and afforestation on converted farmland was the main carbon emission
source. Accordingly, among the materials consumed, fertilizer brought about the largest carbon
cost, followed by building materials, while carbon emissions from fuels, irrigation, herbicides and
应 用 生 态 学 报 2016年 6月 第 27卷 第 6期 http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2016, 27(6): 1693-1707 DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201606.004
pesticides only accounted for about 10% for respective regions. The carbon cost and carbon leakage
of the GGP were 50.62 Tg C in total, which counteracted 19.9% of the sequestered carbon in the
program. In northwest region, southwest region, northeast region, north region and central south
and east region, carbon emissions ( including cost and leakage) accounted for 38. 9%, 10. 4%,
26.1%, 8.9% and 15.5% of the carbon sequestration, respectively. The net carbon sequestration of
the GGP was 203.50 Tg C with an annual average of 18.50 Tg C·a-1 . The carbon cost and leakage
offset a minor part of the carbon sequestration of the GGP. Therefore, the GGP contributed signifi⁃
cantly to greenhouse gas mitigation in China as well as global climate warming mitigation. Adopting
precision fertilization in economic forest afforestation and supplying alternative livelihoods to farmers
in the program could be the potential measures to reduce carbon cost and carbon leakage.
Key words: Grain for Green Program (GPP); carbon cost; carbon leakage; net carbon sequestra⁃
tion; greenhouse gas.
近年来,由于人类活动和土地利用变化导致的
全球气候变暖和大气 CO2 浓度升高引起了国际社
会的广泛关注[1] .2011年大气 CO2 浓度比工业革命
初期增加了 40%,并仍在以(4.0±0.2) Pg C·a-1的
速率增加[2] .森林是陆地生态系统重要的碳汇组成
部分[3],全球陆地生态系统碳储量的 45%贮存在森
林中[4] .东亚地区和中国森林生物量碳储量分别为
8944和 6145 Tg C,分别占世界森林生物量总碳储
量的 2.5%和 1.7%[5-6] .1990—2007 年,全球森林固
碳总量为 73 Pg C,相当于同期化石燃料燃烧碳排放
量的 60%[5] .东亚季风区亚热带森林的净生态系统
生产力(NEP)占世界森林 NEP 的 8%,在全球碳循
环中不容忽视[7] .增加森林生态系统对 CO2 的吸收
是应对全球气候变化的有效途径[8] .《京都议定书》
框架下的清洁发展机制(CDM)规定,缔约方可通过
与发展中国家进行造林再造林项目合作,获得项目
产生的核证减排量(CERs) [9] .除了造林再造林,以
减少毁林和森林退化为目标的 REDD 项目( redu⁃
cing emissions from deforestation and degradation)也
可以减少 CO2 排放,因而具有固碳功能[10] . REDD
项目的理念已延伸到 REDD+,即通过可持续森林管
理增加森林碳储量[10] .对 CDM 造林再造林项目和
REDD+项目的固碳量进行测量、报告和核查,是评
价项目对温室气体减排贡献大小的必然要求[11-12] .
国内外关于林业碳汇项目固碳能力的研究表
明,项目具有显著的固碳效益[13-15] .然而,林业碳汇
项目固碳结果的有效性要求将项目实施产生的碳成
本和碳泄漏等温室气体排放扣除,以保证固碳结果
的额外性[16] .林业碳汇项目各项营造林活动包括清
理整地、定植、施肥、抚育、管护等措施,所需物资在
生产和运输过程会产生温室气体排放,即项目边界
内“碳成本” [12,17] .另外,由于项目的实施会导致边
界外碳排放量增加,即项目边界外“碳泄漏” [18] .常
见的碳泄漏包括项目边界外化石燃料燃烧及活动转
移导致土地利用发生变化产生的碳排放[12,19] .目前,
针对林业碳汇项目碳泄漏的研究主要集中于较小尺
度 REDD+项目,碳泄漏抵消项目固碳效益的比例为
5%~ 279%[20] . Henders 等[21]将计算 REDD 项目活
动转移碳泄漏的方法分为 6 组,这些方法主要来自
CDM和核证减排标准(VCS).林业碳汇项目对温室
气体减排的实际贡献应体现为净固碳能力,其核心
思路是在估算项目固碳量的基础上扣除碳成本和碳
泄漏的抵消作用[22] .
随着我国人口和经济的快速增长,毁林和耕地
开垦速率增加,导致环境恶化和自然灾害频发[23] .
坡耕地农业生产导致流域内发生严重土壤侵蚀、水
土流失甚至洪涝灾害[24] .基于此,我国于 1999 年开
始试点实施退耕还林工程并于 2000年正式启动,工
程涉及 25个省、市和自治区,建设期为 2000—2010
年[25] .作为我国最大的一项生态恢复工程,退耕还
林工程与土地利用 /覆盖变化紧密相关[26] .其主要
内容包括退耕地还林还草、荒山荒地造林种草和退
耕农户粮食和现金补助[27] .
退耕还林工程不仅具有一系列生态环境[28]和
社会经济效益[29],在新造林[30]和土壤保持[26]两方
面也具有固碳效益.退耕还林工程实施的前 10 年,
新造林固碳量为 222 ~ 468 Tg C[30] .另外,退耕还林
工程表层土壤平均固碳速率为 0.33 t C·hm-2·
a-1[31] .然而,上述研究并未计算工程边界内营造林
活动产生的碳成本和边界外化石燃料燃烧和活动转
移导致的土地利用变化产生的碳泄漏,退耕还林工
程的净固碳能力还需要进一步明确.为此,本研究以
退耕还林工程为研究对象,从大尺度上估算退耕还
林工程及各区域碳成本、碳泄漏和净固碳量,以期为
4961 应 用 生 态 学 报 27卷
工程在温室气体减排的有效性和全球气候变暖减缓
的净贡献方面提供科学依据.
1 研究地区与研究方法
1 1 研究区域概况
本研究所涉及的范围包括退耕还林工程实施的
25个省(自治区、直辖市),基于计算参数的空间异
质性,本研究将退耕还林工程划分为 5 个研究区域
(图 1).西北地区包括:陕西、甘肃、青海、宁夏和新
疆 5省(自治区);西南地区包括:四川、重庆、贵州、
云南和西藏 5省(自治区、直辖市);东北地区包括:
吉林、黑龙江和辽宁 3 省;华北地区包括:北京、天
津、河北、山西、内蒙古 5 省(自治区、直辖市);中南
华东地区包括:河南、湖北、湖南、安徽、江西、广西和
海南 7省(自治区).
图 1 退耕还林工程区域划分
Fig.1 “Grain for Green” Program regionalization.
NE: 东北地区 Northeast region; SW: 西南地区 Southwest region;
NW:西北地区 Northwest region; N:华北地区 North region; SE:中南
华东地区 Central south and east region. 下同 The same below.
1 2 退耕还林工程边界内碳成本和边界外碳泄漏
的计算
本研究计算了退耕还林工程建设期 2000—
2010年每年工程边界内的碳成本以及工程实施导
致边界外产生的碳泄漏.工程边界内碳成本指退耕
还林工程造林、营林过程物资使用和能源消耗产生
的碳排放量;工程边界外碳泄漏指由退耕还林工程
引起的、工程措施以外的人类活动碳排放. “工程边
界”的划定是基于工程的内容和措施,而非地域边
界.因此,碳泄漏可能发生在工程区域内,也可能发
生在工程区域外.
1 2 1碳成本计算 基于退耕还林工程的主要实施
内容,本研究计算的工程措施碳成本包括退耕地造
林、荒山荒地造林、新造林及森林管护、森林基础设
施建设和种草的碳排放[27,32] .退耕地造林和荒山荒
地造林包含的营造林活动有耕整地、造林地除草、施
肥和灌溉;新造林及森林管护包括森林巡视、病虫害
防治和新造林抚育;森林基础设施建设包括护林宣
传牌、围栏和林区道路建设;种草包括种草地清理整
地、草种运输和灌溉.计算每一项营造林活动的碳成
本,公式如下:
E it =EF i× Mit (1)
式中:E it为第 i 种物资于第 t 年碳成本( t C);EF i为
第 i种物资的碳排放参数(t C·t-1);Mit为第 i 种物
资于第 t 年的消耗量( t).表 1 列出了工程消耗的物
资种类、物资名称及相应的碳排放参数.Mit的计算公
式如下:
Mit =Upi×Spt (2)
式中:Upi为第 p项营造林活动下第 i 种物资单位面
积的施用量(t·hm-2);Spt为第 p项营造林活动于第
表 1 工程消耗的物资种类、物资名称及碳排放参数
Table 1 Material category and name, carbon emission factors of respective materials consumed in the program
物资种类
Material category
物资
Material
排放过程
Emission process
碳排放参数
Emission factor
参考文献
Reference
燃油 Fuels 汽油 Gasoline 摩托车巡视 0.87 t C·t-1 [33]
柴油 Diesel 运输 0.86 t C·t-1 [34]
建材 钢铁 Steel and iron 护林宣传牌、围栏 0.66 t C·t-1 [35]
Building materials 水泥 Cement 围栏、林区道路 0.19 t C·t-1 [36]
水 Water 围栏、林区道路 0.02 kg C·t-1 [34,37]
灌溉 Irrigation 水 Water 灌溉 0.02 kg C·t-1 [38]
肥料 Fertilizer 复合肥 Compound fertilizera) 施肥 0.98 t C·t-1 [38]
药剂 2,4⁃D丁酯除草剂 2,4⁃D butylate herbicide 造林地除草 2.85 t C·t-1
Pesticide and 氟乐灵除草剂 Trifluralin herbicide 新造林抚育 6.53 t C·t-1 [38]
herbicide 杀虫剂 Pesticideb) 新造林抚育、森林抚育 17.28 t C·t-1
a) 复合肥指 N、P、K纯养分质量各占肥料质量的 15% Compound fertilizer contains nutrients N, P, K which accounted for 15% of total mass respec⁃
tively; b) 杀虫剂的碳排放参数指常见林业杀虫剂甲氰菊酯、敌敌畏、阿维菌素、吡虫啉和达螨灵的平均值 Emission factor of pesticide was the
average value of emission factors of common forest pesticides fenpropathrin, dichlorvos, abamectin, imidacloprid and pyridaben.
59616期 刘博杰等: 中国退耕还林工程温室气体排放与净固碳量
表 2 退耕还林工程各项主要营造林活动的物资使用量
Table 2 Material consumption of main afforestation activities in “Grain for Green” Program
物资
Materials
主要营林造林活动
Main afforestation activity
用量 Consumption (kg·hm-2)
NW SW NE N SE
参考文献
Reference
柴油 耕整地 Site preparation 18.00 18.00 18.00 18.00 18.00 [39]
Diesel 苗木运输 Seedling transportation 3.13 3.13 4.69 3.13 3.13 [40]
汽油 Gasoline 森林巡视 Forest patrol 2.54 2.32 2.05 2.84 2.26 [27]
钢铁 护林宣传牌 Forest protection board 1.02 1.02 1.02 1.02 1.02 [41]
Steel and iron 围栏 Fencing 5.10 5.10 4.94 5.10 4.95 [42]
水泥 林区道路 Forest road 892.80 892.80 892.80 892.80 892.80 [43-44]
Cement 围栏 Fencing 3.92 3.92 3.79 3.92 3.80 [45-46]
水 生态林灌溉 Irrigation of ecological forest 40000 40000 40000 40000 40000 [47]
Water 荒山荒地经济林灌溉 Irrigation of eco⁃
nomic forest on barren rnouniain and land
265261 307514 237020 159265 177540 [47-48]
退耕地经济林灌溉 Irrigation of econo⁃
mic forest on converted farmland
1246250 734352 1384518 1049705 707508 [47-48]
肥料
Fertilizer
荒山荒地造经济林 Economic forest affo⁃
restation on barren mountain and land
1114 1144 1203 842.18 1201 [48]
退耕地造经济林 Economic forest affore⁃
station on converted farmland
4934 4545 4374 4714 4384 [48]
除草剂
Herbicide
造林地除草 Weed control on afforestation
land
1.67 1.67 1.67 1.67 1.67 [49]
荒山荒地幼林抚育 Immature forest ten⁃
ding on barren mountain and land
5.21 5.05 11.68 7.86 5.19 [49-50]
退耕地幼林抚育 Immature forest tending
on converted farmland
5.35 5.35 12.04 8.02 5.40 [49-50]
杀虫剂
Pesticide
荒山荒地病虫害防治 Forest disease and
insect pests control and prevention on bar⁃
ren mountain and land
0.08 0.04 0.02 0.05 0.09 [32,51]
退耕地病虫害防治 Forest disease and
insect pests control and prevention on con⁃
verted farmland
0.09 0.05 0.03 0.06 0.11 [32,51]
NW: 西北地区 Northwest region; SW: 西南地区 Southwest region; NE: 东北地区 Northeast region; N: 华北地区 North region; SE: 中南华东地区
Central south and east region. 下同 The same below.
t年的实施面积(hm2).由于中国不同区域气候、地
形等条件存在差异,因此相同营造林活动下同种物
资在不同研究区域的使用量存在差异(表 2).Spt参
考 2000—2010年《中国林业统计年鉴》 [32]中退耕还
林工程每年各项营造林活动的实施面积.
1 2 2碳泄漏计算 1)对退耕还林农户进行粮食补
助是退耕还林工程的主要内容之一.2000—2003 年
给予退耕农户粮食实物补助;从 2004 年起,由于国
家进一步完善退耕还林粮食补助方法,粮食补助由
实物供应逐步改为发放补助现金[52] .无论是粮食实
物还是退耕农户用现金购买的粮食,都会在运输过
程中燃烧化石燃料产生工程边界外的碳泄漏.补助
粮运输碳泄漏计算公式如下:
At =Aft+ (G t / α)·β·10 (3)
式中:At为第 t年粮食调运数量(t);Aft为第 t年粮食
实物兑现数量( t);G t为第 t 年粮食补助现金金额
(万元);α 为每公斤粮食折资 1.4 元-1[27];β 为考虑
外出务工人员后粮食调运数量的修正系数,取 0.7.
其中,Af t和 G t参考 2000—2010 年《中国林业统计年
鉴》 [32]中每年粮食实物和现金的补助数量和金额.
基于对国家林业局退耕还林办公室的咨询,各县城
内的储备粮满足粮食需求总量的 80%,另外 20%通
过邻近县城调运.因此,县城内和县城间粮食调运数
量如下:
Ait =At (4)
Aet = 0.2At (5)
式中:Ait为第 t年县城内粮食调运数量(t);Aet为第 t
年县城间粮食调运数量(t).基于县城内和县城间粮
食调运的数量和距离,计算粮食运输过程消耗的柴
油量:
Mft = 2×C×D×10
-6×(Ait×R i+Aet×Re) (6)
式中:Mft为第 t年补助粮运输消耗的柴油总量( t);
C为货车百吨公里运输耗柴油量 7 L· t-1 ·100
km-1[53];D为柴油密度,为 850 kg·m-3;R i为县城内
补助粮运输距离(km);Re为县城间补助粮运输距离
(km).根据柴油碳排放参数计算补助粮运输过程碳
泄漏量:
Lft =EF f×Mft (7)
6961 应 用 生 态 学 报 27卷
式中:Lft为第 t年补助粮运输碳泄漏量( t C);EF f为
柴油的碳排放参数,为 0.86 t C·t-1[34] .
2)退耕还林工程的实施导致工程省份于工程
实施初期粮食总产量呈下降趋势[54],以致粮价上涨
和耕地扩张[55] .相应地,林地、灌丛和草地转为耕地
时,由于植被和土壤碳损失而产生碳泄漏.本研究假
设各工程县、市、区、旗所在区域内耕地开垦是由退
耕还林工程引起的.耕地开垦活动转移碳泄漏计算
公式如下:
Lct = Lvt+Lst (8)
式中:Lct为第 t年林地、灌丛和草地转为耕地的碳泄
漏(t C);Lvt为第 t 年植被碳损失( t C);Lst为第 t 年
土壤碳损失(t C).Lvt和 Lst的计算分别如下:
Lvt =Dvf×Sft+ Dvs×Sst+Dvg×Sgt (9)
Lst =(Dsf-D0) ×Sft+(Dss-D0) ×Sst+(Dsg-D0) ×Sgt
(10)
式中:Dvf、Dvs、Dvg分别为林地、灌丛和草地植被碳密
度(t C·hm-2);Sf t、Ss t和 Sg t分别为第 t 年林地、灌
丛和草地转为耕地的面积(hm2);Dsf、Dss、Dsg和 D0
分别为林地、灌丛、草地和耕地的表层(0~20 cm)土
壤碳密度( t C·hm-2).退耕还林工程期,工程区域
内林地、灌丛和草地转为耕地的总面积以及耕地开
垦导致的林地、灌丛和草地植被和土壤碳密度损失
见表 3.土地利用数据来自中国科学院生产的 China⁃
Cover数据集,该数据集以空间分辨率 30 m 的国产
卫星 HJ为主要数据源,以 Landsat TM数据为辅助,
基于超算平台自动完成数据处理;遥感影像分类采
用面向对象的技术根据生态系统特征,选取相关研
究中 3个一级类的分类方法测量农田转换面积;根
据 31675个随机样点叠加检验,林地、灌丛、草地和
耕地 的 分 类 精 度 分 别 为 96%、 95%、 93% 和
94%[56-57] .本研究获取了退耕还林工程区县域内
2000和 2010年两期的土地利用数据.基于各年耕地
开垦面积的遥感数据无法获得,本研究假设各年耕
地开垦面积占退耕还林工程期耕地开垦总面积的比
例与当年退耕地面积占退耕还林工程期退耕地总面
积的比例相同:
Srt / Sr =Sct / Sc (11)
式中:Srt为第 t 年退耕还林工程区县域内耕地开垦
面积(hm2);Sr为退耕还林工程区县域内工程期耕
地开垦总面积(hm2);Sc t为第 t 年退耕还林工程退
耕地面积(hm2);Sc为退耕还林工程期内退耕地总
面积(hm2).Sc t和 Sc参考 2000—2010 年《中国林业
统计年鉴》 [32]中每年退耕地面积数据.则各年耕地
开垦的面积计算公式如下:
Srt =(Sct / Sc)×Sr (12)
进一步假设,各年退耕还林工程区县域内耕地
开垦总面积中森林、灌丛和草地分别开垦为农田的
比例与全工程期耕地开垦总面积中森林、灌丛和草
地分别开垦为农田的比例相同:
Sut / Srt =Su / Sr (13)
式中:Sut为退耕还林工程区县域内土地利用类型 u
(u为林地、灌丛或草地)于第 t 年开垦为农田的面
积(hm2);Su为土地利用类型 u 于工程期内开垦为
农田的总面积(hm2).则各年每种土地利用类型开
垦为耕地的面积计算公式如下:
Sut =(Su / Sr)×Srt (14)
3)由于退耕还林工程实施前后区域内人口数
量及其消耗的粮食量基本持平,为退耕农户提供的
补助粮数量与因工程区实施退耕政策而减少的粮食
产量应基本相等.相应地,补助粮生产所消耗的肥
料、药剂、燃油、灌溉等物资产生的碳排放也应与原
退耕地上产粮碳排放基本相等.因此,相比于工程实
施前,原退耕地产粮的碳排放只是转移到了工程省
内的非退耕区,而在省级尺度上碳排放量的大小并
没有增减.基于上述假设,本研究设定由于工程实施
表 3 退耕还林工程耕地开垦面积、植被碳密度损失和土壤碳密度损失
Table 3 Neo⁃cultivated land area, vegetation carbon density loss and soil carbon density loss of “Grain for Green” Program
区域
Region
耕地开垦面积
Neo⁃cultivated land
area (hm2)
自林地
From
forestland
自灌丛
From
shrubs
自草地
From
grassland
植被碳密度损失
Vegetation carbon density loss
( t C·hm-2)
林地
Forestland
灌丛
Shrubs
草地
Grassland
土壤碳密度损失
Soil carbon density loss
( t C·hm-2)
林地
Forestland
灌丛
Shrubs
草地
Grassland
文献
Reference
NW 29106 616036 1222358 45.05 6.53 2.73 76.77 15.50 0.53 [57-63]
SW 46376 12227 9230 52.87 13.47 3.98 41.13 0 0 [57-61,64-65]
NE 54708 212 74071 43.83 6.24 4.95 49.77 0 0 [57-60,65-67]
N 3891 1318 78048 24.34 6.23 3.77 27.95 4.06 10.04 [57-61,64-65]
SE 51478 40441 12260 25.79 12.51 3.61 34.95 0 4.92 [57-61,65,68]
79616期 刘博杰等: 中国退耕还林工程温室气体排放与净固碳量
导致补助粮生产产生的碳泄漏为 0.
1 3 净固碳量计算
基于 2000—2010年各工程区域每年碳成本和
碳泄漏的计算结果,结合工程新造林和退耕地造林
种草土壤保持的固碳量,计算退耕还林工程各区域
每年净固碳量:
NCS jt =CSajt+CSbjt-E jt-L1jt-L2jt (15)
式中:NCS jt为第 j区域于第 t年工程净固碳量(t C);
CSa jt为第 j区域于第 t 年工程新造林固碳量( t C);
CSb jt为第 j 区域于第 t 年土壤保持固碳量( t C);E jt
为第 j区域于第 t年工程边界内碳成本(t C);L1 jt为
第 j区域于第 t年运输补助粮化石燃料燃烧产生的
碳泄漏(t C);L2 jt为第 j 区域于第 t 年林地、灌丛和
草地转为耕地的碳泄漏(t C).基于退耕还林工程各
工程省份每年累计新造林面积和各工程省份人工幼
龄林固碳率,计算各工程省份每年新造林固碳量:
CSakt =CSRk×Sakt (16)
式中:CSakt为第 k 省于第 t 年工程新造林固碳量
(t C);CSRk为第 k省退耕还林工程人工幼龄林固碳
率(t C·hm-2·a-1) [39];Sakt为第 k 省于第 t 年累计
新造林面积(hm2) [32] .基于退耕地造林种草土壤固
碳率和工程区累计退耕地造林种草面积,计算退耕
还林工程土壤保持固碳量:
CSbjt =CSR f×Sfjt+CSRg×Sgjt (17)
式中:CSR f为退耕地造林土壤固碳率,为 0.49 t C·
hm-2·a-1 [31];Sf jt为第 j区域于第 t 年累计退耕地造
林面积(hm2) [32];CSRg为退耕地种草土壤固碳率,
为 1.52 t C·hm-2·a-1 [31];Sg jt为第 j 区域于第 t 年
累计退耕地种草面积(hm2) [32] .
2 结果与分析
2 1 退耕还林工程及各区域的碳成本
2 1 1碳成本年际变化 退耕还林工程建设期营造
林活动共产生碳成本 14.09 Tg C.不同区域碳成本具
有明显差异.其中,中南华东地区>西南地区>西北地
区>华北地区>东北地区(图 2).整个工程期内,上述
5个区域的碳成本分别为 4.38、3.64、3.38、1.66 和
1 03 Tg C.各区域年际碳成本主要取决于造林面积
的大小,因而两者的变化具有明显一致性.由造林面
积变化导致的燃油、灌溉、肥料、建材和药剂消耗量
的变化是碳成本发生改变的主要原因.中南华东地
区、西南地区、西北地区、华北地区和东北地区于
2000—2003年碳成本均随造林面积的升高而增加,
图 2 退耕还林工程及各区域碳成本年际变化
Fig.2 Annual variation of carbon cost of “Grain for Green”
Program regions.
GGP: 退耕还林工程 “Grain for Green” Program.下同 The same below.
并于 2003 年达到峰值,分别为 639. 12、 532. 76、
537 21、252. 92 和 182. 86 Gg C,合计为 2144. 87
Gg C;2004—2006年碳成本随造林面积的下降而减
少.由于造林面积稳定,退耕还林工程、西北地区、东
北地区、华北地区和中南华东地区碳成本于 2007—
2010年呈稳定变化.西南地区自 2008年起造林面积
增加,因此碳成本随之增加.由图 2 可知,南方地区
(中南华东地区、西南地区)碳成本大于北方地区
(西北地区、华北地区和东北地区).这主要是由于南
方地区退耕还林工程建设期内经济林营造面积大于
北方地区,并且营造单位面积经济林产生的碳成本
大于生态林(表 4).
2 1 2各工程措施碳成本的组成特征 本研究将各
项营造林活动划分为 5 项主要工程措施:退耕地造
林、荒山荒地造林、新造林及森林管护、森林基础设
施建设和种草,对退耕还林工程各区域工程措施碳
成本的组成特征进行研究.
各区域工程措施碳成本的组成特征比较一致
(图 3).造林(退耕地造林和荒山荒地造林)引起的
碳排放占各区域碳成本总量的 56.6% ~ 76.6%,其
中,退耕地造林碳排放是各区域造林碳成本的主要
来源,占各区域造林碳成本的 83.2% ~ 94.7%;森林
基础设施建设碳排放占各区域碳成本总量的
21.3%~37.8%,因此造林及森林基础设施建设碳排
放是各区域主要的碳成本,占各区域碳成本总量的
92.1%~97.8%;新造林及森林管护和种草碳排放占
各区域碳成本总量的比例仅为 2% ~8%,其中,种草
产生的碳成本最少,占各区域碳成本总量的比例仅
为 0.1%~1.5%.
退耕还林工程包含的工程措施并无明显区域性
8961 应 用 生 态 学 报 27卷
图 3 退耕还林工程各区域工程措施碳成本
Fig. 3 Carbon cost of program measures in each region of
“Grain for Green” Program.
GP: 种草 Grass planting; FI: 森林基础设施 Forest infrastructure; FP:
新造林及森林管护 Immature and mature forests protection; AF: 退耕
地造林 Afforestation on converted farmland; AB: 荒山荒地造林 Affo⁃
restation on barren mountain and land.
差异,因此各区域碳成本组成特征相对一致.然而,
各工程措施碳成本在碳成本总量中所占比例与各措
施包含的营造林活动相关.经济林主要在退耕地上
营造,而荒山荒地造林以生态林为主[69] .相比于生
态林,由于经济林营造需要施加基肥和抚育追肥,由
此导致肥料生产、运输和造林地氧化亚氮排放大量
碳成本.基于退耕地造林碳成本包含退耕地造经济
林的碳成本,其碳成本高于荒山荒地造林碳成本,并
且是各个区域造林碳成本的主要来源.此外,由于南
方地区经济林营造面积大于北方地区,因此退耕地
造林碳成本占南方地区碳成本总量的比例大于北方
地区.从整个退耕还林工程看,造林及森林基础设施
建设是主要的碳成本来源,占碳成本总量的 96.7%,
其中退耕地造林碳成本占 65.5%,森林基础设施建
设碳成本占27.6%,荒山荒地造林碳成本占7.0%;
新造林及森林管护和种草碳成本仅占退耕还林工程
碳成本总量的 3.3%.
2 1 3各工程措施碳成本强度 为了了解各工程措
施在不同区域的单位面积平均碳成本(碳成本强
度),本研究汇总了退耕地造林、荒山荒地造林和新
造林及森林管护 3项工程措施及措施下各项目的碳
成本强度(表 4).其中,退耕地造林和荒山荒地造林
的碳成本强度包含了配套森林基础设施建设的碳成
本强度.相同工程措施的碳成本强度在不同区域存
在差异,主要是由于计算不同区域各工程措施碳成
本时参数选取的空间异质性所致.
退耕地造林、荒山荒地造林各项措施的碳成本
强度均大于新造林及森林管护,这与2.1.2 中分析的
造林是各区域主要工程措施碳成本的结果一致.由
于经济林比生态林需要投入肥料和更多的灌溉碳成
本,各区域退耕地造经济林碳成本强度是退耕地造
生态林的 29.41 ~ 33.22 倍.荒山荒地造经济林的开
始年份 ( 2007 年) 晚于退耕地造经济林 ( 2000
年) [32],且由于经济林造林后每年仍需要投入肥料
和灌溉碳成本,相应地 4 年期内单位面积荒山荒地
造经济林投入的碳成本(碳成本强度)小于 11 年期
的退耕地造经济林.
2 1 4各种物资消耗碳成本组成特征 将各项营造
林活动消耗的物资划分为 5类:燃油、灌溉、建材、肥
料和药剂,对退耕还林工程及各区域各类物资消耗
的碳成本组成特征进行研究(图 4).
肥料碳成本是各区域最大的物资碳成本,占各
区域碳成本总量的 50%以上,且肥料碳成本在南方
地区碳成本总量所占比例高于北方地区.南方地区
表 4 退耕还林工程及各区域工程措施碳成本强度
Table 4 Carbon cost intensity of each program measure in “Grain for Green” Program regions
工程措施
Program measures
项目
Item
碳成本强度 Carbon cost intensity (kg C·hm-2)
NW SW NE N SE GGP
新造林及森林管护
Immature and mature
森林巡视
Forest patrol
2.21 2.02 1.79 2.47 1.96 2.12
forests protection 幼林抚育
Immature forest tending
16.54 16.24 37.16 24.82 16.48 19.58
病虫害防治
Forest disease and insect pests control
and prevention
0.31 0.15 0.09 0.19 0.38 0.25
退耕地造林
Afforestation on
生态林
Ecological forest
185.11 185.11 186.32 185.11 184.98 185.19
converted farmland 经济林(11年期)
Economic forest (11 years)
6150.02 5672.35 5479.52 5882.09 5478.40 5708.35
荒山荒地造林
Afforestation on barren
生态林
Ecological forest
200.67 200.67 201.88 200.67 200.54 200.73
mountain and land 经济林(4年期)
Economic forest (4 years)
1546.97 1583.17 1654.17 1217.29 1649.92 1562.66
GGP: 退耕还林工程 “Grain for Green” Program.
99616期 刘博杰等: 中国退耕还林工程温室气体排放与净固碳量
图 4 退耕还林工程及各区域各种物资消耗碳成本构成
Fig.4 Carbon cost composition of different categories of materials consumed in “Grain for Green” Program regions.
FU: 燃油 Fuels; IR: 灌溉 Irrigation; BU: 建材 Building materials; FE: 肥料 Fertilizer; HE: 药剂 Herbicide and pesticide.
经济林造林面积大于北方地区,而肥料的碳排放来
自经济林人工造林,因此肥料碳成本在南方地区占
有更大比例.其次是建材碳成本,占各区域碳成本总
量的 30%左右.肥料和建材碳成本是主要的物资碳
成本,二者之和占各区域碳成本总量的 85%以上,
这与2.1.2分析的造林和森林基础设施建设碳成本
是各区域主要工程措施碳成本的结果一致.然而,燃
油、灌溉和药剂的碳成本比例较小,三者之和占各区
域碳成本总量的 10%左右.从整个退耕还林工程看,
肥料和建材碳成本是主要的物资碳成本,而燃油、灌
溉和药剂碳成本占碳成本总量的比例不足 10%.
2 2 退耕还林工程及各区域的碳泄漏
2 2 1补助粮运输碳泄漏 基于退耕还林工程每年
补助粮运输的数量和运输距离,计算补助粮运输产
生的碳泄漏.结果表明,退耕还林工程补助粮运输共
产生碳泄漏 270.93 Gg C.西北地区、西南地区、东北
地区、华北地区和中南华东地区分别为 93. 73、
75 58、27.34、28.79 和 45.49 Gg C;运输 1 t 补助粮
产生的碳泄漏分别为 30. 00、15. 87、8. 52、9. 43 和
14 67 kg C·t-1 .
2 2 2耕地开垦碳泄漏 基于退耕还林工程各区域
内林地、灌丛和草地转为耕地的面积和不同土地利
用类型植被以及土壤碳密度值,计算耕地开垦碳泄
漏.结果表明,退耕还林工程耕地开垦共产生碳泄漏
36.27 Tg C.西北地区、西南地区、东北地区、华北地
区和中南华东地区分别为 21.24、4.52、5.48、1.29 和
3.74 Tg C.西北地区森林、灌丛和草地转为耕地的面
积分别是西南地区、东北地区、华北地区和中南华东
地区的 27.53、14.48、22.43 和 17.93 倍,因此西北地
区耕地开垦产生的碳泄漏大于其他区域.在退耕还
林工程耕地开垦碳泄漏中,森林植被和土壤碳损失
占碳泄漏总量的 45.1%、灌丛植被和土壤碳损失占
39.3%、草地植被和土壤碳损失占 15.6%;植被碳损
失占碳泄漏总量的比例高于土壤碳损失.
2 3 退耕还林工程及各区域净固碳量
基于退耕还林工程及各区域新造林固碳量、土
壤保持固碳量、碳成本和碳泄漏的计算结果,计算退
耕还林工程及各区域的净固碳量(图 5 和表 5).退
耕还林工程和各区域新造林固碳量和土壤保持固碳
量随着累计新造林面积的增加而增加(图 5).碳成
本和碳泄漏对每年的固碳效益具有一定的抵消作
用,但随着固碳效益的逐年增加,抵消作用逐渐减
小.各区域碳成本和碳泄漏对固碳的抵消从 2000 年
的 53.6%~410.4%降至 2010年的 2.8%~6.5%.
西北地区在工程初期(2000—2003 年),随着耕
地开垦面积的增加和由此产生碳泄漏量的增加,每
年碳成本和碳泄漏总和大于固碳总量,净固碳量自
-0.96 Tg C降至-3.52 Tg C.因此,西北地区退耕还
林工程于该时间段是碳排放过程.2004年起,由于耕
地开垦面积的减少和由此产生碳泄漏量的减少,固
碳总量大于碳成本和碳泄漏总和,该区域退耕还林
工程由碳排放转为碳吸收且净固碳量开始逐年上
升.东北地区固碳量、碳成本、碳泄漏以及净固碳量
的变化与西北地区类似,2000—2003 年为碳排放过
程,净固碳量由-0.093 Tg C 降至-0.82 Tg C,2004
年起转为碳吸收过程.西南地区、华北地区和中南华
0071 应 用 生 态 学 报 27卷
图 5 退耕还林工程及各区域固碳量、碳成本、碳泄漏和净固碳量的变化
Fig.5 Variation of carbon sequestration, carbon cost, carbon leakage and net carbon sequestration in “Grain for Green” Program re⁃
gions.
NCS: 净固碳 Net carbon sequestration; CL: 碳泄漏 Carbon leakage; CC: 碳成本 Carbon cost; SCS: 土壤保持固碳 Soil retention carbon sequestra⁃
tion; ACS: 新造林固碳 Afforestation carbon sequestration.
表 5 退耕还林工程及各区域固碳量、碳成本、碳泄漏及净固碳量
Table 5 Carbon sequestration, carbon cost, carbon leakage and net carbon sequestration in “Grain for Green” Program
regions
地区
Region
固碳
Carbon sequestration
新造林
固碳量
Carbon
sequestration
of afforestation
(Tg C)
占固碳
总量比例
Fraction
in total
carbon
sequestration
(%)
土壤保持
固碳量
Carbon
sequestration
of soil
retention
(Tg C)
占固碳
总量比例
Fraction
in total
carbon
sequestration
(%)
碳成本
Carbon cost
碳成本
Carbon
cost
(Tg C)
占碳排放
总量比例
Fraction
in total
carbon
emissions
(%)
碳泄漏
Carbon leakage
碳泄漏
Carbon
leakage
(Tg C)
占碳排放
总量比例
Fraction
in total
carbon
emissions
(%)
净固碳
Net carbon sequestration
净固碳量
Net carbon
sequestration
(Tg C)
碳排放抵消
固碳量
Fraction of
carbon emissions
in carbon
sequestration
(%)
NW 53.55 84.3 10.01 15.8 3.38 13.7 21.33 86.3 38.85 38.9
SW 71.61 90.1 7.89 9.9 3.64 44.2 4.60 55.8 71.26 10.4
NE 22.03 88.1 2.98 11.9 1.03 15.8 5.50 84.2 18.48 26.1
N 29.32 87.6 4.14 12.4 1.66 55.7 1.32 44.3 30.48 8.9
SE 45.66 86.8 6.93 13.2 4.38 53.7 3.78 46.3 44.43 15.5
GGP 222.17 87.4 31.95 12.6 14.09 27.8 36.53 72.2 203.50 19.9
东地区于工程建设期内均为碳吸收过程,且净固碳
量随固碳总量的增加而上升.每年的碳成本和碳泄
漏对当年固碳总量具有一定的抵消作用,但并没有
影响净固碳量的变化趋势,说明这 3 个区域对净固
碳量起主导作用的还是固碳总量.整个退耕还林工
程在 2000和 2001 年为碳排放过程,但不同于西北
地区和东北地区,净固碳量在工程建设期内逐年增
加并于 2002年起由碳排放转为碳吸收.退耕还林工
10716期 刘博杰等: 中国退耕还林工程温室气体排放与净固碳量
程和各区域碳泄漏量均在 2003年达到最大,主要是
由于 2003 年退耕面积为退耕还林工程实施以来最
多的一年[70],相应地工程边界外由于当年耕地开垦
导致的碳泄漏量也是最大的一年.2004 年后由于退
耕面积急剧调减[70],相应地边界外耕地开垦碳泄漏
比 2003年大幅降低,因此退耕还林工程和各区域净
固碳量自 2004年起明显增加.
通过各个区域固碳量、碳成本、碳泄漏的对比得
出(表 5):新造林固碳是各区域的主要固碳组成部
分,占各区域固碳总量的比例高于 80%.碳泄漏是西
北地区、东北地区主要的碳排放组成,占碳排放总量
的比例在 80%以上;西南地区、华北地区和中南华
东地区碳成本和碳泄漏各占碳排放总量的 50%左
右.不同区域碳成本和碳泄漏对固碳效益的抵消强
度不同,表现为西北地区>东北地区>中南华东地区
>西南地区>华北地区.从整个退耕还林工程看,新造
林固碳量大于土壤保持固碳量,碳泄漏大于碳成本.
退耕还林工程在工程边界内外引起的额外温室气体
排放量达到 50. 62 Tg C,抵消了工程固碳效益的
19 9%.因此,碳成本和碳泄漏对退耕还林工程固碳
的抵消较小.退耕还林工程建设期内净固碳量为
203 50 Tg C,年均净固碳量为 18.50 Tg C·a-1 .
3 讨 论
由于研究对象、边界划定和参数使用的差异,不
同研究得到的碳成本组成特征存在差异.目前关于
造林项目碳成本的研究通常采用生命周期分析
(LCA)的方法,计算从种苗生产、整地、种植、树木采
伐和木材运输至加工厂全过程的碳排放[71-72] .多项
研究表明,木材采伐和运输过程燃油的碳排放是造
林项目最大的碳成本[72-75] .其中,木材运输碳成本
占碳成本总量的比例高达 52%[72] .然而,由于营造
林模式多为粗放型,不施加或少量施加肥料,因此肥
料的碳成本较小[72,75],占造林碳成本总量的比例不
到 1%[71-72] .基于退耕还林工程建设期内新造幼龄
林不涉及木材的利用,因此本研究未将木材的采伐
和运输计入边界,相应地燃油占碳成本总量的比例
也远小于上述研究.虽然退耕还林工程建设期内经
济林造林面积占造林总面积的 10%,但营造经济林
需要投入的基肥和追肥量高达 787.31×104 t(折纯
量),相应地肥料产生的碳成本在碳成本总量中所
占比例也不容忽视.因此,根据苗木在不同生长期对
养分的需求量、土壤养分供给量、肥料利用率等对经
济林进行精准施肥,是今后造林工程减少肥料使用
和降低碳成本的可能途径[22,76] .
退耕还林工程建设期碳排放的 72.2%来自碳泄
漏,说明碳泄漏是工程的主要碳排放组成部分.由于
边界内退耕导致耕地开垦活动转移至边界外产生的
碳泄漏是退耕还林工程碳泄漏的主要来源,占工程
碳排放总量的 71.7%,抵消了退耕还林工程固碳效
益的 14.0%.关于造林和森林保护项目边界外活动
转移如采伐和土地利用变化产生碳泄漏的研究表
明,活动转移碳泄漏可抵消固碳效益的 50%左右甚
至更高[77-78] .上述活动转移碳泄漏的研究边界为跨
区域尺度,采用的计算方法也是基于跨区域、跨时期
的模型.本研究为减小碳泄漏计算的不确定性,活动
转移碳泄漏的研究范围仅在开展退耕还林工程的
县、市、区、旗的行政区域内,而且退耕的土地主要为
低产的坡耕地,对粮食生产影响不大.因此,本研究
活动转移碳泄漏对固碳的抵消作用相对较小.
碳成本和碳泄漏对退耕还林工程固碳的抵消较
小,表明工程为温室气体减排和减缓全球气候变暖
做出了巨大贡献.类似研究也表明,造林项目具有可
观的净固碳效果,然而由于各研究针对的造林项目
的特征以及计入边界的碳成本、碳泄漏不同,得出的
碳排放对固碳量的抵消强度存在差异.目前,国内针
对生态林造林过程中机械设备和运输工具化石燃料
燃烧在造林当年所造成的碳排放研究结果表明,计
入期内造林碳排放对固碳的抵消强度为 0. 01% ~
0.2%[14-15,79-80] .国外学者基于生态林造林全生命周
期碳排放的计算也表明,造林产生的碳排放仅占森
林固碳量的 0.4%~2.3%,占本国化石燃料燃烧碳排
放总量的比例也很小[71-73] .针对膏桐经济林碳汇项
目的研究表明,森林管理引起的 CO2 和 N2O排放在
20年计入期内可抵消固碳效益的 17.3%,其中,造
林后 10年内均表现为净温室气体排放源,之后才具
有净固碳效益[81] .经济林碳成本强度高于生态林是
经济林造林项目固碳抵消强度高于生态林造林项目
的主要原因(表 4).本研究退耕还林工程碳排放对
固碳的抵消强度高于上述研究,主要是由于本研究
计算了营造林过程每年可能产生的碳成本,并且考
虑了碳泄漏对固碳的抵消.相比于目前几种典型农
田措施碳排放都会抵消部分甚至全部土壤固碳效
益[82],重大林业生态工程具有净固碳效果可观、工
程碳成本和碳泄漏对固碳抵消较小等优势.基于国
际能源署 ( International Energy Agency)公布的数
据[83],退耕还林工程建设期净固碳量相当于 2000—
2010年我国化石燃料燃烧碳排放总量的 1.3%,年
2071 应 用 生 态 学 报 27卷
均净固碳量相当于 2005 年(我国 2020 年减排目标
基准年)我国化石燃料燃烧碳排放总量的 1.3%.因
此,作为一个单项生态工程,退耕还林工程的实施对
我国温室气体减排目标的实现不容忽视.
基于退耕还林工程在温室气体净减排上具有巨
大潜力,通过降低活动转移碳泄漏可进一步提高工
程的净固碳能力.可采取的措施包括为退耕农民提
供除薪材外可替代的能源、提供补贴和就业机会,以
增加农民收入[84] .此外,提高工程区退耕地农民对
退耕还林工程的认识[85]和发展可持续农业措施,以
提高优质耕地的产量[86],也是今后退耕还林工程减
少活动转移碳泄漏的可能措施.
本研究在退耕还林工程碳成本、碳泄漏和净固
碳量的计算上存在一定的不确定性.本研究假设退
耕还林所涉及的县、市、区、旗内林地、灌丛、草地的
开垦均与退耕还林有关.工程建设期共退耕地造林
种草 775×104hm2,工程涉及县级行政区内新开垦林
地、灌丛和草地为农田的面积约 188×104hm2,约占
退耕地造林的 1 / 4.国际上关于造林项目活动转移碳
泄漏的研究表明,边界外毁林面积约占边界内造林
面积的 10%[86] .我国退耕还林工程涉及县级行政区
数量众多,其总面积约占国土面积的 3 / 4,在此范围
内发生的开垦活动,可能仍然有部分并非直接由退
耕还林引起,因此在估算开垦农田导致的碳泄漏可
能存在高估;退耕还林工程在土壤保持固碳的同时
也减少了工程区土壤养分的流失[87] .土壤养分保持
量的增加可能会减少工程区肥料的使用,相应地也
减少了肥料生产、运输和氧化亚氮直接排放的碳成
本.本研究未计算这部分可能存在的减排量.然而,
由于土壤养分在全球尺度上质量守恒,因此工程区
内土壤养分保持固碳量的计算对于全球尺度温室气
体减排的意义较小.生态移民是退耕还林工程实施
的措施之一[88] .然而基于数据的可获得性,本研究
未计算生态移民过程产生的碳泄漏.本研究认为,退
耕还林工程生产补助粮产生的碳排放只是原退耕地
产粮碳排放的转移,因此补助粮生产造成的碳泄漏
为 0.实际上,原退耕地上单位粮食产量碳排放与非
退耕地或新开垦耕地单位粮食产量碳排放可能存在
一定差异,因此本研究在方法部分提出的假设具有
一定不确定性.但是基于退耕还林工程建设期各工
程省(自治区、直辖市)补助粮数量占各省粮食总产
量的比例最多不超过 16%,有的省份甚至不到 1%.
因此,即使补助粮生产造成的碳泄漏存在,其不确定
性对本研究结果的影响也较小.退耕还林工程作为
我国一项生态补偿措施,对工程参与农户的补偿标
准和补偿方式还不够完善[89] .如果参与生态补偿措
施的农户没有得到必要的经济补偿,可能会影响农
户参与的积极性,引起生态资源的不合理利用,进而
导致生态服务功能的退化[90] .因此,基于研究方法
有待完善,本研究未计算退耕还林工程实施后由于
社会经济影响导致的生态碳泄漏.
4 结 论
退耕还林工程建设期边界内营造林碳成本总量
为 14.09 Tg C,其中西北地区、西南地区、东北地区、
华北地区、中南华东地区分别为 3. 38、3. 64、1 03、
1.66、4.38 Tg C;边界外碳泄漏总量为 36.53 Tg C,其
中西北地区、西南地区、东北地区、华北地区、中南华
东地区分别为 21.33、4.60、5.50、1.32、3.78 Tg C.
退耕还林工程期内,碳成本对固碳量的抵消作
用为 5.5%.退耕还林工程不同区域碳成本组成特征
基本一致.造林引起的碳排放是各区域主要的工程
措施碳成本,占各区域碳成本总量的 56. 6% ~
76.6%,其中,退耕地造林是主要的造林碳成本来源.
相应地,肥料引起的碳排放是各区域主要的物资碳
成本,占各区域碳成本总量的 50%左右甚至更高.
退耕还林工程建设期内,边界外耕地开垦碳泄
漏是碳泄漏的主要组成部分,占碳成本和碳泄漏总
量的 71.6%,抵消了退耕还林工程固碳效益的 14%.
因此,减少退耕还林工程耕地开垦导致的碳泄漏可
进一步提高工程的净固碳能力.
退耕还林工程一期碳成本和碳泄漏对固碳的抵
消作用为 19.9%,净固碳量为 203.50 Tg C,相当于同
期我国化石燃料燃烧碳排放总量的 1.3%.因此,退
耕还林工程建设在我国温室气体减排和减缓全球气
候变暖上做出了巨大贡献.
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作者简介 刘博杰,男,1990 年生,硕士研究生.主要从事全
球气候变化与碳氮循环研究. E⁃mail: liubojieha_2009@ sina.
com
责任编辑 杨 弘
刘博杰, 张路, 逯非, 等. 中国退耕还林工程温室气体排放与净固碳量. 应用生态学报, 2016, 27(6): 1693-1707
Liu B⁃J, Zhang L, Lu F, et al. Greenhouse gas emissions and net carbon sequestration of “Grain for Green” Program in China. Chi⁃
nese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(6): 1693-1707 (in Chinese)
70716期 刘博杰等: 中国退耕还林工程温室气体排放与净固碳量