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Regional and global estimates of carbon stocks and carbon sequestration capacity in forest ecosystems: A review.

全球森林生态系统碳储量、固碳能力估算及其区域特征


从气候地带性和地理区域分布两方面对森林生态系统碳储量及固碳能力,以及土地利用变化对森林固碳的影响和森林固碳估算不确定性的原因进行综述.据估算,全球森林生态系统碳储量为652~927 Pg C,固碳能力达到4.02 Pg C·a-1.各气候地带森林碳储量表现为热带最大(471 Pg C),寒带次之(272 Pg C),温带(113~159 Pg C)最小,固碳能力表现为热带(1.02~1.3 Pg C·a-1)最大,温带次之(0.8 Pg C·a-1),寒带(0.5 Pg C·a-1)最小;各地理区域森林碳储量表现为南美洲(187.7~290 Pg C)最大,其次是欧洲(162.6 Pg C)、北美洲(106.7 Pg C)、非洲(98.2 Pg C)和亚洲(74.5 Pg C),而大洋洲(21.7 Pg C)最小,固碳能力为南美洲热带(1276 Tg C·a-1)和非洲热带(753 Tg C·a-1)较大,其次是北美洲(248 Tg C·a-1)和欧洲(239 Tg C·a-1),而东亚(98.8~136.5 Tg C·a-1)较小.为进一步减少森林生态系统固碳估算的不确定性,今后应综合运用连续长期观测技术、样地清查、遥感分析和模型模拟等方法.

As a dominant part of terrestrial ecosystems, forest ecosystem plays an important role in absorbing atmospheric CO2 and global climate change mitigation. From the aspects of zonal climate and geographical distribution, the present carbon stocks and carbon sequestration capacity of forest ecosystem were comprehensively examined based on the review of the latest literatures. The influences of land use change on forest carbon sequestration were analyzed, and factors that leading to the uncertainty of carbon sequestration assessment in forest ecosystem were also discussed. It was estimated that the current forest carbon stock was in the range of 652 to 927 Pg C and the carbon sequestration capacity was approximately 4.02 Pg C·a-1. In terms of zonal climate, the carbon stock and carbon sequestration capacity of tropical forest were the maximum, about 471 Pg C and 1.02-1.3 Pg C·a-1 respectively; then the carbon stock of boreal forest was about 272 Pg C, while its carbon sequestration capacity was the minimum, approximately 0.5 Pg C·a-1; for temperate forest, the carbon stock was minimal, around 113 to 159 Pg C and its carbon sequestration capacity was 0.8 Pg C·a-1. From the aspect of geographical distribution, the carbon stock of forest ecosystem in South America was the largest (187.7-290 Pg C), then followed by European (162.6 Pg C), North America (106.7 Pg C), Africa (98.2 Pg C) and Asia (74.5 Pg C), and Oceania (21.7 Pg C). In addition, carbon sequestration capacity of regional forest ecosystem was summed up as listed below: Tropical South America forest was the maximum (1276 Tg C·a-1), then were Tropical Africa (753 Tg C·a-1), North America (248 Tg C·a-1) and European (239 Tg C·a-1), and East Asia (98.8-136.5 Tg C·a-1) was minimum. To further reduce the uncertainty in the estimations of the carbon stock and carbon sequestration capacity of forest ecosystem, comprehensive application of longterm observation, inventories, remote sensing and modeling method should be required.


全 文 :全球森林生态系统碳储量、固碳能力
估算及其区域特征∗
刘魏魏1,2  王效科1∗∗  逯  非1  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)
摘  要  从气候地带性和地理区域分布两方面对森林生态系统碳储量及固碳能力,以及土地
利用变化对森林固碳的影响和森林固碳估算不确定性的原因进行综述.据估算,全球森林生
态系统碳储量为 652~927 Pg C,固碳能力达到 4.02 Pg C·a-1 .各气候地带森林碳储量表现为
热带最大(471 Pg C),寒带次之(272 Pg C),温带(113~159 Pg C)最小,固碳能力表现为热带
(1.02~1.3 Pg C·a-1)最大,温带次之(0.8 Pg C·a-1),寒带(0.5 Pg C·a-1)最小;各地理区
域森林碳储量表现为南美洲(187.7~290 Pg C)最大,其次是欧洲(162.6 Pg C)、北美洲(106.7
Pg C)、非洲(98.2 Pg C)和亚洲(74.5 Pg C),而大洋洲(21.7 Pg C)最小,固碳能力为南美洲热
带(1276 Tg C·a-1)和非洲热带(753 Tg C·a-1)较大,其次是北美洲(248 Tg C·a-1)和欧洲
(239 Tg C·a-1),而东亚(98.8~136.5 Tg C·a-1)较小.为进一步减少森林生态系统固碳估算
的不确定性,今后应综合运用连续长期观测技术、样地清查、遥感分析和模型模拟等方法.
关键词  森林生态系统; 碳储量; 固碳能力; 区域分布
∗中国科学院战略先导科技专项(XDA05050602,XDA05060102)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: wangxk@ rcees.ac.cn
2014⁃11⁃18收稿,2015⁃05⁃05接受.
文章编号  1001-9332(2015)09-2881-10  中图分类号  X24  文献标识码  A
Regional and global estimates of carbon stocks and carbon sequestration capacity in forest
ecosystems: A review. LIU Wei⁃wei1,2, WANG Xiao⁃ke1, LU Fei1, OUYANG Zhi⁃yun1 ( 1State
Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco⁃Environmental Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 2University of Chinese Academy of Sciences,
Beijing 100049, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(9): 2881-2890.
Abstract: As a dominant part of terrestrial ecosystems, forest ecosystem plays an important role in
absorbing atmospheric CO2 and global climate change mitigation. From the aspects of zonal climate
and geographical distribution, the present carbon stocks and carbon sequestration capacity of forest
ecosystem were comprehensively examined based on the review of the latest literatures. The influ⁃
ences of land use change on forest carbon sequestration were analyzed, and factors that leading to
the uncertainty of carbon sequestration assessment in forest ecosystem were also discussed. It was es⁃
timated that the current forest carbon stock was in the range of 652 to 927 Pg C and the carbon se⁃
questration capacity was approximately 4.02 Pg C·a-1 . In terms of zonal climate, the carbon stock
and carbon sequestration capacity of tropical forest were the maximum, about 471 Pg C and 1.02-
1.3 Pg C·a-1 respectively; then the carbon stock of boreal forest was about 272 Pg C, while its
carbon sequestration capacity was the minimum, approximately 0.5 Pg C·a-1; for temperate fo⁃
rest, the carbon stock was minimal, around 113 to 159 Pg C and its carbon sequestration capacity
was 0.8 Pg C·a-1 . From the aspect of geographical distribution, the carbon stock of forest ecosys⁃
tem in South America was the largest (187.7-290 Pg C), then followed by European (162.6 Pg
C), North America (106.7 Pg C), Africa (98.2 Pg C) and Asia (74.5 Pg C), and Oceania
(21.7 Pg C). In addition, carbon sequestration capacity of regional forest ecosystem was summed
up as listed below: Tropical South America forest was the maximum (1276 Tg C·a-1), then were
Tropical Africa ( 753 Tg C · a-1 ), North America ( 248 Tg C · a-1 ) and European ( 239
应 用 生 态 学 报  2015年 9月  第 26卷  第 9期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2015, 26(9): 2881-2890
Tg C·a-1), and East Asia (98.8-136.5 Tg C·a-1) was minimum. To further reduce the uncer⁃
tainty in the estimations of the carbon stock and carbon sequestration capacity of forest ecosystem,
comprehensive application of long⁃term observation, inventories, remote sensing and modeling
method should be required.
Key words: forest ecosystem; carbon stock; carbon sequestration; regional distribution.
    近年来,由于人类矿物燃料燃烧和土地利用变
化的加剧,大气 CO2浓度已由 1980 年的 338 ppm上
升到 2014 年的 399 ppm[1], 超过工业革命前
40%[2],2013年 CO2排放速率达 10.7 Pg C·a
-1[1] .
大气 CO2浓度升高不仅造成全球气温升高、极地冰
雪融化、海平面上升、气候变化和极端天气发生[3],
还导致作物锌、铁营养元素减少,威胁人类营养[4] .
政府间气候变化专门委员会( IPCC)第五次评估报
告指出,2030 年确保全球变暖幅度不超过 2 ℃ [5],
因此控制大气 CO2浓度升高是 21 世纪重要的任务
之一[6] .目前,控制大气 CO2浓度升高的战略措施
有:减少排放、通过陆地与海洋生物手段固碳、将
CO2以液态形式储存在地下、增加地球云层覆盖、增
强对太阳辐射的反射,其中通过陆地与海洋手段固
碳是最有希望的方法[7] .陆地生态系统在减缓大气
CO2浓度增加中的作用已经得到共识[5
-6] .
陆地生态系统通过光合作用把大气 CO2固定在
植被和土壤中[6,8] .作为重要的碳汇,陆地生态系统
固碳功能一直受到广泛关注[6,8-9],尤其是作为重要
陆地生态系统的森林.目前,陆地生态系统总碳库为
1950~3150 Pg C[5-6,8,10],其中植被碳库为 450 ~ 650
Pg C[5-6,8,10],碳密度为 2~133 t C·hm-2[10];土壤碳
库为 1500~ 2500 Pg C[5-6,10],1 m 深土壤碳密度为
42~709 t C·hm-2[10-11] .陆地生态系统的固碳能力
已由 19世纪 80年代碳中状态和上升到 19 世纪 90
年代净碳增汇(1.1±0.9) Pg C·a-1和 21世纪初净碳
增汇(1.5±0.9) Pg C·a-1[5,12] .若不考虑土地利用变
化,21世纪初陆地生态系统固碳能力已达到 2.6 ~
2􀆰 85 Pg C·a-1[5,12-16],约占全球碳汇的 27%[16] .在
全球陆地生态系统中,北半球是一个大的土壤碳
汇[10,17-19],净碳增汇为 0.5 ~ 2.1 Pg C·a-1[19-21],其
中欧洲固碳能力最大,其次是北美、俄罗斯和东
亚[22-29](表 1);热带地区是一个大的植被碳汇[5,10] .
由于 CO2施肥作用、土地利用变化和管理,陆地生态
系统净碳汇以(1. 4 ± 0. 7) Pg C·a-1速度增长,到
2050年固碳能力将增至约 5 Pg C·a-1[6] .
森林作为重要陆地生态系统具有保存现有碳
库、增加碳汇和替代矿物燃料的功能[30],以及减少
大气 CO2浓度、缓解气候变化的潜力[31] .森林可以从
大气中吸收 CO2并储存在植被和土壤中[32
-33],据估
计,现有森林植被碳密度为 3~60 t C·hm-2,土壤碳
密度为 10 ~ 1000 t C·hm-2[34];整个森林碳储量占
全部陆地碳储量的 33% ~ 46%[10,35-36],森林储存了
80%以上陆地地上碳储量,70%以上陆地土壤有机
碳[37],是陆地生态系统中最重要的碳库,其固碳功
能对陆地生态系统固碳作用和全球及区域气候变化
具有重要影响[38-45] .森林固碳能力受当地气候条
件、火灾、病虫鼠害、综合管理措施等多方面强烈影
响[46-48],这些因素具有较大的区域性,因此森林固
碳能力也呈现出很大的区域差异[46] .而了解全球和
区域森林生态系统碳源 /汇分布和固碳能力,对于预
测管理全球碳循环和地球气候行为至关重要[49] .虽
然有很多关于全球或者具体某一地点森林固碳能力
的报道[39-45,50],但就全球和区域森林碳储量和固碳
状况特征分布的研究较少,少有的研究由于采用的
情景假设和估算方法差异,估算结果存在很大的不
确定性[49] .因此,本文针对全球森林生态系统固碳
状况及区域分布格局这一问题,在搜集已发表文献
的基础上[39,51-75],综述了全球和区域森林生态系统
碳储量现状及固碳能力变化状况,以期明确全球和
区域森林生态系统固碳特征分布状况及其在缓解大
气 CO2浓度增加中的作用.
表 1  不同区域或国家陆地生态系统的固碳能力
Table 1  Regional or national carbon sequestration capacity
of terrestrial ecosystems
区域 /国家
Region or
national
面积
Area
(×106 hm2)
固碳能力
Carbon sequestration
capacity
(Pg C·a-1)
时期
Period
文献
Reference
欧洲 Europe 500 0.90±0.20 2001—2005 [22]
北美洲 North America - 0.60±0.02 2000—2005 [23]
南美洲 South America 1780 -0.30±0.30 2000—2005 [24]
东亚 East Asia 1200 0.25±0.10 1990—2009 [25]
南亚 South Asia 450 0.15±0.24 2000—2009 [26]
美国 America - 0.15~0.33 1990—2005 [27]
俄罗斯 Russia 1710     0.60 1990—2007 [28]
澳大利亚 Australia 731 0.04±0.03 1990—2009 [29]
2882 应  用  生  态  学  报                                      26卷
1  全球森林生态系统区域划分方法与研究方法
根据全球陆地地理区域(七大洲)分布,着重搜
集除南极洲以外的六大洲及其主要国家的森林生态
系统面积、碳储量、碳密度、固碳能力和固碳速率数
据.根据气候地带性原则,将全球森林生态系统按寒
带、温带和热带划分为 3 种森林生态系统类型.另
外,按照各气候带上分布的主要国家或区域,以及可
以搜集到的国家或区域森林生态系统固碳方面的数
据,将各气候带森林生态系统进行进一步划分,其中
分布在寒带的国家主要有俄罗斯、加拿大、芬兰、挪
威和瑞典;分布在温带的国家主要有美国、英国、比
利时、丹麦、爱尔兰、荷兰、奥地利、法国、德国、瑞士、
希腊、葡萄牙、西班牙、意大利、乌克兰、中国、日本、
韩国、澳大利亚、新西兰和其他温带国家;分布在热
带的地区主要有亚洲热带地区、非洲热带地区和美
洲热带地区.
森林生态系统碳储量及固碳能力的估算方法很
多.有利用森林清查资料、遥感数据、气候驱动或遥
感驱动的模型进行估算的[76] .不同的估算方法会对
估算结果产生一定的差异,使用不同的空间尺度也
会对估算结果产生影响[76] .因此,这些估算方法和
时空尺度在评述森林碳储量及固碳能力时必须明
确.本文整理了森林碳储量和固碳能力的估算方法
(表 2).
2  全球森林生态系统固碳状况及区域特征分布
2􀆰 1  全球森林生态系统碳储量和碳密度及区域
分布
全球森林面积约 4.0 ´109 ~ 4.2 ´109 hm2[35,51],
占陆地面积的 31%[51] .全球森林碳储量为 652 ~ 927
Pg C[39,51],占全球有机碳储量的 33%~46%[10,35-36],
其中 42%~50%储存在植被中[39,51-52],11% ~13%储
存在枯死木和枯枝落叶中,44% ~ 45%储存在土壤
中[39,51] .从不同气候地带性碳储量分布上看,热带森
林碳储量(471±93 Pg C) [10,39,53] >寒带森林碳储量
(272±23 Pg C) [39] >温带森林碳储量(113 ~ 159 Pg
C) [10,39,53] .热带森林碳储量最大,其中 56%储存在
植被中,32%储存在土壤中[39];温带森林碳储量最
小,约 33%储存在植被中,67%储存在土壤中[54] .虽
然温带森林碳储量小,但温带造林面积大,林龄偏
小,未来固碳潜力巨大[53] .寒带森林碳储量约 20%
储存在植被中,60%储存在土壤中[39] .可以看出,随
着纬度的升高,森林植被碳储量呈递减趋势,而森林
土壤碳储量呈增加趋势.不同气候地带性碳密度方
面:寒带森林碳密度(449 t C·hm-2) >热带森林碳
密度 ( 269 t C · hm-2 ) >温带森林碳密度 ( 168
t C·hm-2) [10,53-54] .寒带森林碳密度是所有森林中
最高的,其中土壤碳密度高达 378 t C·hm-2,这是
由于夏天时间短以及针叶林高酸度土壤造成土壤有
机质分解非常缓慢[54];热带森林植被碳密度是所有
森林中最高的,而土壤碳密度处于中值,这可能与温
暖潮湿条件下土壤有机碳分解较快有关[54];温带森
林碳密度最小,但温带造林面积大,林龄偏小,随着
林龄增加,未来碳密度有很大的提升空间[53] .不同
温度带主要国家森林生态系统碳储量和碳密度见
表 2.
从地理区域森林生态系统碳储量来看,南美洲
(187.7~290 Pg C)和欧洲(162.6 Pg C)森林生态系
统碳储量最大,其次是北美洲(106.7 Pg C)、非洲
(98.2 Pg C)和亚洲(74. 5 Pg C),而大洋洲最小
(21􀆰 7 Pg C) [24,39,41,43,51](图 1A).全球各区域森林生
态系统碳密度变化趋势与各区域森林生态系统碳储
量变化趋势一致(图 1B).
南美洲森林约占整个大洲的一半.FAO[51]基于
IPCC 指南方法[55]估计的南美洲森林总碳储量为
187.7 Pg C,其中植被碳储量为 112.2 Pg C,土壤碳
储量为 75.5 Pg C.Gibbs 等[56]和 Malhi 等[57]利用森
林清查数据估算的仅亚马逊热带森林总碳储量为
259~290 Pg C,其中植被碳储量达 95~126 Pg C,土
壤碳储量为 164 Pg C[56] .FAO估算的土壤碳储量较
小,可能与 IPCC缺省方法仅估算 30 cm深土壤碳储
量有关.总体来看,南美洲森林生态系统碳储量为
187.7~290 Pg C[24,51] .南美成熟林近年来碳吸收量
几乎可以抵消当地化石燃料燃烧和森林砍伐造成的
图 1  全球各区域森林生态系统碳储量(Pg C, A)和碳密度
(t C·hm-2, B)
Fig.1  Carbon stocks (Pg C, A), carbon density (t C·hm-2,
B) of regional forest ecosystems in globe.
Ⅰ: 非洲 Africa; Ⅱ: 欧洲 Europe; Ⅲ: 大洋洲 Oceania; Ⅳ: 北美洲
North America; Ⅴ: 亚洲 Asia; Ⅵ: 南美洲 South America.
38829期                      刘魏魏等: 全球森林生态系统碳储量、固碳能力估算及其区域特征         
表 2  全球不同区域或国家森林生态系统碳储量、碳密度、固碳能力和固碳速率
Table 2  Carbon stock, carbon destiny, carbon sequestration capacity and carbon sequestration rate of regional or national
forest ecosystems
区域 /国家
Region or
national
时期
Period
森林面积
Forest area
(×106 hm2)
碳储量
Carbon
stock
(Pg C)
碳密度
Carbon
density
(t C·hm-2)
固碳能力
Carbon
sequestration
capacity
(Tg C·a-1)
固碳速率
Carbon
sequestration
rate (t C·
hm-2·a-1)
估算方法
Estimation
method
空间尺度
Spatial
scale
文献
Reference
寒带
Boreal
俄罗斯
Russia
1990—2010 809.09 209.00~323.00 248 463.0 0.80 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、IPCC指南方法、森林碳收支方法
Ⅰ [39,51,53]
加拿大
Canada
1990—2010 310.13 50.40 220 10.0~31.0 0.04 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、IPCC指南方法
Ⅰ [39,51]
芬兰
Finland
1990 23.37 1.73 48a(26) b 7.1 0.08a(0.22) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
挪威
Norway
1990 9.57 0.48 29a(21) b 2.9 0.08a(0.22) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
瑞典
Sweden
1990 28.02 2.25 47a(33) b 14.6 0.09a(0.43) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
温带
Temperate 美国America
1990—2013 304.02 42.90~43.10 150~167 162.0~244.0 0.94 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、IPCC指南方法、森林碳收支方法、For⁃
carb2模型、土地利用变化模型
Ⅰ [27,39,51,
53,58]
英国
England
2010—2020 2.85 0.81 28a(36) b 2.4~3.4 0.32a(0.71) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60,73]
比利时
Belgium
1990 0.62 0.06 42a(54) b 0.6 0.24a(0.74) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
丹麦
Denmark
1990 0.45 0.05 62a(52) b 0.7 0.34a(1.08) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
爱尔兰
Ireland
1990 0.43 0.01 13a(21) b 0.6 0.30a(1.13) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
荷兰
Netherlands
1990 0.33 0.04 38a(71) b 0.9 1.07a(1.52) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
奥地利
Austria
1990 3.88 0.63 71a(90) b 4.8 0.61a(0.61) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
法国
France
1990 13.50 1.17 35a(52) b 11.9 0.33a(0.55) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
德国
Germany
1990 10.73 1.72 68a(93) b 18.4 0.84a(0.88) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
瑞士
Switaerland
1990 1.19 0.26 100a(118) b 0.8 0.43a(0.27) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
希腊
Greece
1990 6.12 0.12 8a(11) b 0.1 0.01a(0.01) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
葡萄牙
Portugal
1990 3.10 0.15 23a(25) b 0.4 0.05a(0.08) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
西班牙
Spain
1990 25.60 0.41 7a(8) b 5.5 0.00a(0.22) b 森林清查数据、土壤碳动态模型 Ⅰ [60]
意大利
Italy
1990—2007 8.55 0.56 123~247 16.2 0.31a(0.70) b 森林清查数据、土壤碳动态模型、遥感数
据、样地数据、异速生长方程
Ⅱ [60,74-75]
乌克兰
Ukraine
—2010 9.70 1.70 - 17.0 - IPCC指南方法 Ⅰ [51,73]
中国
China
2000—2010 149.19~207.0024.20 155 182.0 1.22 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、IPCC指南方法
Ⅰ [39,51]
日本
Japan
2000—2007 23.64 6.19 66 22.0~37.0 1.59 森林清查数据、生物量扩展因子方法、长期
观测数据、统计过程模型
Ⅰ [39,42]
韩国
Korea
2000—2007 6.21~6.50 - - 18.0 2.86 森林清查数据、生物量扩展因子方法、长期
观测数据、统计过程模型
Ⅰ [39,42,71]
澳大利亚
Australia
1990—2010 149.30 16.10~51.00 108 51.0 0.34 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、IPCC指南方法、森林碳收支方法
Ⅰ [39,51,53]
新西兰
New Zealand
2000—2010 8.27 0.90~2.20 179~259 9.0 1.05 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、IPCC指南方法
Ⅰ [39,51,77]
其他温带国家
Other temperate
counteies
2000—2007 - - - 3.0 0.18 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模

Ⅰ [39]
热带
Tropical
亚洲热带地区
Tropical Asia
1990—2007 310.00 84.00~97.00 - 711.0 2.38 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、森林碳收支方法
Ⅲ [39,53]
非洲热带地区
Tropical Africa
1990—2007 527.00 115.00 - 753.0 1.08 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、森林碳收支方法
Ⅲ [39,53]
美洲热带地区
Tropical America
1990—2007 918.00 229.00 - 1276.0 1.30 森林清查数据、长期观测数据、统计过程模
型、森林碳收支方法
Ⅲ [39,53]
a、b分别表示土壤和植被的指标 a,b meant soil and plant indices, respectively. Ⅰ: 国家尺度 National scale; Ⅱ: 国家 /区域尺度 National / regional
scale; Ⅲ: 区域尺度 Regional scale.
4882 应  用  生  态  学  报                                      26卷
碳损失量[24],其中亚马逊流域森林为长期巨大的碳
汇,不过最近的研究表明,这种碳汇作用可能正在减
弱[24] .
北美洲森林面积约 698.46×106 hm2,根据 IPCC
指南方法[55]估算的碳储量为 106.7 Pg C[51] .美国森
林是北美主要的碳汇[27] .Pan 等[39]结合森林清查数
据和长期观测数据,利用统计过程模型估算的美国
森林碳储量为 42.9 Pg C;美国 EPA[58]利用森林清
单数据和 IPCC 指南方法估算的碳储量为 43.1 Pg
C.整体上看,美国森林碳储量约占北美森林碳储量
的 40.3%.碳密度方面,西北太平洋地区森林植被碳
密度比西南部地区、阿拉巴马州和佛罗里达州的森
林植被碳密度高两倍,洛基山北部、加利福尼亚、大
湖区和东北部地区的森林植被碳密度也高于中南部
和东南地区的森林植被碳密度[27] .
欧洲森林面积约占陆地总面积的 1 / 3[59],由森
林清查资料和 IPCC 指南方法估算的碳储量为
162􀆰 6 Pg C[51],其中西欧国家(丹麦、芬兰、瑞典、挪
威、比利时、爱尔兰、荷兰、英国、奥地利、法国、德国、
瑞士、希腊、意大利、葡萄牙、西班牙)森林面积有
137􀆰 87 Mhm2 .Liski等[60]用森林清查资料、森林资源
预测和土壤碳动态模型估计西欧森林碳储量将由
1990年的 9.7 Pg C(土壤为 4.9 Pg C,植被为 4.8 Pg
C)增长到 2040 年的 15 Pg C(土壤为 7 Pg C,植被
为 8 Pg C).欧洲森林碳储量增加主要原因是森林生
物量增加、收获物和扰动减少,同时输入到土壤的枯
枝落叶增加.
东亚森林面积约为 196.65×106 hm2[42] . Ito[61]用
过程模型模拟的东亚森林总碳储量约为 73.1 Pg C,
其中森林植被碳储量约为 8.9 Pg C[42] .东亚各国中,
日本森林面积约占国土面积的 2 / 3[62] .森林总碳储
量约为 6.19 Pg C,其中森林植被碳储量为 1.62 Pg
C[42](根据国家森林清查数据和生物量连续因子转
化函数法得出),1 m 深土壤碳储量为 4.57 Pg C[63]
(根据实际调查方法得出).中国森林总碳储量约为
24.2 Pg C[39],其中森林植被碳储量由 1970s 的 4.38
Pg C增加到 1998年 4.75 Pg C[64](根据国家森林清
查数据和生物量连续因子转化函数法得出)和 20
世纪初的 6.15 Pg C[42],预计 2050年将增加到 13.09
Pg C[65] .亚洲森林碳储量增加主要是实施大面积造
林和再造林工程的结果.
2􀆰 2  全球森林生态系统固碳能力及区域特征
全球 森 林 生 态 系 统 固 碳 能 力 为 4􀆰 02
Pg C·a-1 [39];固碳速率为 0.6~4 t C·hm-2·a-1[5] .
从气候地带性分布看,热带森林固碳能力(1.02 ~
1􀆰 3 Pg C·a-1) > 温 带 森 林 固 碳 能 力 ( 0􀆰 8
Pg C·a-1)>寒带森林固碳能力(0.5 Pg C·a-1)[39,66] .
不同温度带主要国家森林生态系统固碳能力见表 2.
在进行地理区域分布特征的分析时,由于有些区域
没能搜集到完整的固碳能力数据,因此用该区域的
部分地区来替代.总体来说,南美洲热带 ( 1276
Tg C·a-1)>非洲热带(753 Tg C·a-1) >北美(248
Tg C·a-1) >欧洲 ( 239 Tg C · a-1 ) >东亚地区
(98.8~136􀆰 5 Tg C·a-1) [39,42-43,51,53,61] .固碳能力和
固碳速率的变化规律和特征会受到区域环境条件以
及人为干扰等因素的影响.因此,全球森林生态系统
固碳能力呈现一定的区域特征.
在北美地区,Hayes等[43]结合森林清查资料、陆
地生物量模型和大气反演模型估计北美森林固碳能
力为 248 Tg C·a-1,其中美国、加拿大、墨西哥森林
固碳能力分别为 244、31和 27 Tg C·a-1 .因此,美国
为北美地区固碳能力最大的国家,很多学者就美国
森林固碳能力开展了一系列研究.Pan 等[39]结合森
林清查数据和长期观测数据,利用统计过程模型估
算的美国森林固碳能力为 239 Tg C·a-1;Woodbury
等[27]利用森林清查数据、土地利用变化数据、土壤
数据,结合 Forcarb2 模型和土地利用变化模型估算
的固碳能力为 162 Tg C·a-1;美国 EPA[58]利用森
林清单数据和 IPCC 指南方法估算的固碳能力为
218.2 Tg C·a-1 .估算结果差异可能来源于使用的森
林清单数据,Pan等[39]由于数据缺乏未估计阿拉斯
加地区森林固碳能力,而美国 EPA[58]估算中包括了
阿拉斯加和夏威夷地区.总体来说,美国森林固碳能
力为 162~244 Tg C·a-1[27,39,58],固碳能力可以抵消
北美 CO2排放的 25%[39] .
在欧洲地区,由森林清查资料和 IPCC 指南方
法估算的固碳能力为 239 Tg C·a-1[39],固碳速率为
1.06~1.75 t C·hm-2·a-1[41];Liski 等[60]用森林清查
资料、森林资源预测和土壤碳动态模型估计的西欧森
林固碳能力 1990年 59~84 Tg C·a-1 [60,67-68],到 2040
年将增加到 113 Tg C·a-1(土壤为 43 Tg C·a-1,植
被为 70 Tg C·a-1) [60] .总体来说,欧洲森林生态系
统可以吸收7%~12%的人为 CO2排放[69] .
在东亚地区,Ito[61]用过程模型模拟的东亚森林
固碳能力为 98.8 Tg C·a-1 .Fang 等[42]用森林清查
数据和生物量扩展因子方法估算的为 136􀆰 5
Tg C·a-1 .Ito[61]由于只包括森林植被和土壤碳库造
成估算结果偏小;Fang等[42]估算结果除包括森林植
58829期                      刘魏魏等: 全球森林生态系统碳储量、固碳能力估算及其区域特征         
被和土壤碳库外,还包括枯木和凋落物碳库.另外,
Fang等[42]在估计植被固碳能力基础上,采用美国森
林不同碳库比例来估计其他碳库固碳能力也可能造
成估算结果的偏差.东亚各国中,朝鲜森林 40 年来
森林植被固碳能力呈降低趋势,幅度约为 - 3􀆰 6
Tg C·a-1 [42];韩国由于实施森林保护和“五年绿色
增长计划”,2010 年森林固碳能力可以抵消该国温
室气体排放的 6%[70-71];中国森林植被固碳能力由
1970—1998年的 21 Tg C·a-1[64]增加到 21 世纪初
的 75 Tg C· a-1[42],预计 2050 年将增加到 145
Tg C·a-1[65] .总体来说,东亚森林生态系统固碳能
力为 98􀆰 8 ~ 136.5 Tg C·a-1,可以抵消该区域化石
燃料燃烧 CO2排放的 11.8%[42] .
全球森林生态系统固碳能力约为全球人为 CO2
排放的 37.8%.由此可见,森林生态系统对缓解大气
CO2浓度增加具有重要作用.然而,由于土地利用变
化、森林砍伐、退化和管理不善等原因,导致森林固
碳能力不断减少,2005—2010 年全球森林植被碳释
放约为 0.5 Pg C·a-1[51] .除去土地利用变化、森林砍
伐和退化造成的碳排放,全球森林净固碳能力为
(1􀆰 2±0.8) Pg C·a-1[20,39] .另外,遏制森林砍伐、促
进新增森林增长能够提高全球森林植被固碳能力约
1􀆰 3 Pg C·a-1 [7] .在目前大气 CO2浓度条件下,森林
生态系统净初级生产力并没有达到饱和,随着大气
CO2浓度升高和 CO2施肥作用,以及造林再造林、森
林管理等经营措施的实施,森林生态系统净初级生
产力将进一步增加[6],固碳能力也将进一步提高.
3  土地利用变化对森林生态系统固碳能力的影响
土地利用变化是影响森林生态系统固碳能力的
主要因素之一.在考虑土地利用变化的情况下,全球
森林生态系统净固碳能力为 1.2 Pg C·a-1[39] .从气
候地带性分布上看,热带森林碳吸收能力为 1.02 ~
1.3 Pg C·a-1[39,66],若考虑土地利用变化导致的碳
排放(1.1 Pg C·a-1[39] ),热带森林净固碳能力为
-0.08~0.2 Pg C·a-1,基本呈现碳中和状态.温带和
寒带森林为净碳汇[39] .从地理区域分布看,FAO[51]
根据 IPCC 指南方法,在考虑土地利用变化的情况
下,欧 洲 森 林 生 态 系 统 固 碳 能 力 最 大 ( 260
Tg C·a-1),其次是北美洲(140 Tg C·a-1)和亚洲
(70 Tg C·a-1),而大洋洲( -60 Tg C·a-1)、非洲
(-470 Tg C·a-1)和南美洲(-780 Tg C·a-1)森林
生态系统分别呈碳损失状态[51],因此全球森林生态
系统碳损失为 840 Tg C·a-1[51] .然而,在考虑土地
利用变化情况下,Pan[39]结合森林清查数据和长期
观测数据,利用统计过程模型估算的全球森林生态
系统净固碳能力为 1200 Tg C·a-1 . IPCC 第五次报
告[72]指出,大气反演表明森林作为碳汇可以抵消土
地利用变化引起的碳排放,全球森林呈净碳汇状态.
因此,FAO的结果可能过高地估计了土地利用变化
导致的碳排放.从各地理区域森林面积变化对碳汇
的影响也可以看出,近十几年来南美洲和非洲森林
面积的减少呈现降低趋势[51],而两地区的原有林和
再生林的固碳能力可以抵消森林面积减少引起的碳
排放[39];亚洲和欧洲森林面积呈现增加趋势(亚洲
森林面积的增加主要是由中国大面积造林引起
的),北美洲基本保持不变[51],3 个地区森林生态系
统呈碳汇状态.因此在考虑土地利用变化情况下,全
球森林生态系统仍为净碳汇.
4  问    题
不同学者对同一地区森林碳储量和固碳能力的
估算呈现较大差异[39,41,51,60,74-75],数值的差异反映
了森林固碳估算的不确定性,尽管近年来森林固碳
估算有了很大的改善,但仍存在极大的不确定性.估
算不确定性可能来源于估算样本较少,80%以上的
森林固碳估算仅包括森林面积的 1 / 3[19] .此外,估算
的不确定性还受到以下因素的影响:
1)基础数据来源.森林生态系统基础数据一般
来自于原位调查、国家森林清单、政府统计报告、模
型输出和区域卫星数据,这些来自不同测量方法的
国家或者区域数据会呈现一定的差异[78] .另外,不
同时间和观测地点初始状况的差异也导致估算不确
定性的增加.
2)森林的界定.森林界定的差异也会导致估算
的不确定性.有些估算仅包括林地,而有些估算还包
括其他有树木生长的土地[60];有些国家(如中国、日
本)认定树冠郁闭度≥20%的为森林,有些国家(如
韩国)则认定树冠郁闭度≥30%的为森林,还有些
(FAO)认定树冠郁闭度>10%的为森林[42] .森林界
定的不一致性导致森林面积估算差异,进而导致森
林固碳估算的不确定性.例如,拉丁美洲森林郁闭度
从 10%上升到 30%,相应的森林植被碳储量也由
120 Pg C降低到 107 Pg C[44] .森林面积和蓄积量调
查时精度的差异也可能导致固碳估算的不确定性,
例如中国森林面积和蓄积量调查时要求精度>90%,
而日 本 则 要 求 误 差 <3%[79], 韩 国 要 求 误 差
<5%[80-81] .
6882 应  用  生  态  学  报                                      26卷
3)森林土壤剖面深度的差异.森林土壤碳库估
算时采取的剖面深度不一样,导致估算数据的差异.
如 Woodbury等[27]采用土地利用变化模型估算美国
森林土壤碳库和 Goodale等[19]利用文献数据基于清
单调查的簿记方法和生态模型估算北半球森林土壤
碳库时采用 1 m 深土壤剖面,而有些研究采用 3 m
深土壤剖面,3 m 深土壤剖面碳储量是 1 m 深土壤
剖面碳储量的 1.5倍[82] .
4)模型的限制.用于不同时空尺度上固碳模型
的原始数据差异、模型参数选择,以及模型自身误差
都可能造成固碳估算的不确定性.另外,模型估算受
很多因素综合作用,如光合作用、环境因子和是否考
虑营养元素对土壤碳分解的限制等[23] .土壤动态模
型依赖初始碳储量的输入,并把总碳储量分为几个
土壤碳模型.如果初始碳储量输入有误差,可造成固
碳估算的不确定性[60] .森林生态系统固碳速率受植
被动态模型影响敏感,尤其是与森林生产力响应的
森林自疏变化和与年龄相关的森林增长率,以及统
计的总植被生物量清单数据[67] .
5)估算方法的差异.基于不同清单方法估算的
森林植被碳储量有很大差别.例如,1984—2003年中
国森林植被碳储量利用平均生物量密度方法估算为
5.7~7.7 Pg C,利用平均速率方法估算为 4.2 ~ 6.2
Pg C,而利用生物量转化因子方法估算为 4.0 ~ 5.9
Pg C[83] .森林年龄分级是造成这些差别的主要原
因[83] .另外,蓄积量转化公式的差异也造成森林植
被碳估算差异[84] .不同树种森林、不同林龄森林的
生物量转化系数不同[85],有些估算把这些参数均一
化也导致了估算的不确定性[60] .
5  展    望
由于森林生态系统本身具有复杂多变的时空异
质性和广泛的内部联系特性,森林生态系统固碳研
究必须涉及到这些时空异质性和内部联系,从而使
得碳储量和固碳能力的估算存在很大的困难和不确
定性.尽管本文根据文献综述分析了当前全球森林
生态系统固碳能力和区域特征分布,但由于引文估
算的森林时期不可能完全一致以及引文本身估算的
不确定性,综述分析的固碳范围也存在不确定性.另
外,本文只考虑了当前全球和区域森林生态系统固
碳能力特征分布格局,由于数据缺乏,并未考虑各区
域森林林龄状况对固碳能力及区域格局特征分布的
影响.因此,亟需完善长期连续观测系统及区域监测
网络的建设,综合运用遥感解译分析数据、国家统计
数据、样地清查和模型模拟等方法,统一森林界定标
准,优化模型参数等,以有效地降低森林固碳估算的
不确定性,为大尺度估算提供合理的参数和数据分
析基础.
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作者简介  刘魏魏,女,1985年生,博士研究生. 主要从事森
林生态系统固碳研究. E⁃mail: weiweiliu@ 163.com
责任编辑  孙  菊
0982 应  用  生  态  学  报                                      26卷