中国的陆地生态系统，到底能吸收多少二氧化碳？｜朴世龙院士

　　文章转载自“格致论道讲坛”

　　

　　全国的森林覆盖率由20世纪80年代初的12%，

　　提高到目前的23%，

　　我们还是全球人工林面积最大的国家，

　　占据全球人工林面积的25%左右。

　　朴世龙· 中国科学院院士

　　格致论道第83期 | 2022年6月25日 北京

　　大家好，非常荣幸在格致论道跟大家交流有关中国的生态系统碳循环、碳收支方面的一些研究进展。我今天报告的内容是《中国陆地生态系统碳汇现状及其潜力》。

　　人类活动是当代气候变化的主因

　　在工业化革命以前的全球生态系统的碳循环的过程中，在陆地上，植被通过光合作用吸收大气中的二氧化碳用于自身生长，又把一部分的碳通过自养呼吸的方式排放到大气里边。另外我们知道，生态系统中不仅有植被，还有土壤。土壤的有机质被土壤里的微生物分解，通过异养呼吸的方式排放到大气里边。所以在没有人类干扰的时候，植被生态系统通过光合作用吸收的量和排出的量基本上达到了平衡。

　　海洋也是相似的过程，陆地和海洋之间主要通过河流的方式进行一些碳的横向的交流。另外在自然界里边，我们还要注意火灾。火灾发生以后，会把大量的碳排放到大气里边。这些是工业化革命以前的情况。

　　但是在工业化革命以后，人类通过化石燃料燃烧的方式，把地下的碳排放到大气里边；而在工业化革命之前，这些碳是没有参与到现代碳循环过程中的。此外，在热带地区农田的面积不够，所以还会通过森林砍伐的方式开拓农田，这也会导致大量的碳排放到大气里边。所以目前来说，化石燃料的燃烧和土地利用的变化，这两种方式是全球二氧化碳浓度增加的主要方式。

　　

　　▲数据来源：CSIRO

　　从上图中我们可以看到，在过去两千年的历史中，工业化革命以后的大气中的二氧化碳浓度的上升速率是非常快的，IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）的核心结论是：人类活动是当代气候变暖的主因。

　　我们从IPCC的1990年的第1次评估报告到2021年的第6次评估报告中可以看出来，“人类活动是当代气候变暖的主因”这个结论的信度是逐渐递增的，并且在第6次评估报告里边，它提到了一点：毋庸置疑的是，人类活动的影响已经使得大气、海洋和陆地变暖。

　　

　　▲ 左：真锅淑郎（Syukuro Manabe）

　　中：克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）

　　来源：The Nobel Committee

　　说到这个结论，我们不得不提到两位杰出的科学家——美国科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼。这两位科学家由于在全球气候变化研究中的贡献获得了2021年的诺贝尔物理学奖。真锅淑郎“奠定了地球气候变率和人类对其影响的认知基础”，他利用三维模式估算了二氧化碳浓度上升以后对地球系统产生的影响。另外一位科学家的获奖理由是在“地球气候物理模拟、量化变异和可靠预测全球变暖”这方面的突出贡献，尤其是他发展了检测归因的方法，利用这种方法得出的结论是，目前观测到的气候变暖大部分来自于人类活动。

　　全球变暖，我们要怎么办？

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　　我们经常会问，人类活动对整个地球系统的扰动到底有多大，IPCC对未来的二氧化碳浓度的场景进行了三种不同的预测，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，二氧化碳浓度可达到白垩纪时期的浓度。白垩纪时期，也就是我们经常说的恐龙时代，那多么可怕。如果是中排放场景，北极和南极是没有冰盖的。如果在低排放情景下的话，北极基本上会是小冰盖。所以如此大规模的二氧化碳的浓度的变化，肯定会引起气候和生态系统显著地变化。

　　因此从1992年开始，国际社会进行了大量有关气候的谈判。2015年的时候《巴黎协定》达成，2016年《巴黎协定》正式生效。《巴黎协定》里有3个目标，第一个目标是将全球平均温度上升幅度控制在不超过工业化革命前水平的2度之内。我们要记住，不是离现在，而是离工业化革命以前，并力争不超过工业化革命前的1.5度；第二个目标是提高适应气候变化不利影响的能力，并以不威胁粮食产量的方式增强气候适应能力和发展温室气体的低排放路径；最后一个目标是使资金流动符合温室气体低排放和气候适应型发展的路径。

　　

　　▲ 全球二氧化碳总排放量示意图（IPCC, 2021）

　　那么，我们要怎么样去实现《巴黎协定》里2度和1.5度的目标呢？如果想实现1.5度的目标，2030年人为二氧化碳的排放量需要比2010年减少45%，另外要在2050年左右实现净零的排放；如果要达到2度的目标的话，我们需要在2070年左右实现净零排放。

　　

　　▲1850-2016年全球气候变化图（IPCC, 2021）

　　从上图中我们可以看到，目前温度的上升已经差不多有1度了，所以我们离1.5度或者2度的目标并没有多少的空间。

　　

　　▲图源：IPCC, 2021

　　IPCC中有一个针对碳中和的明确的概念，它是指通过平衡二氧化碳人为的排放量与人为的去除量，实现二氧化碳的净零排放。这里要强调的是人为的去除量，并不仅仅是依靠自然对二氧化碳排放量的消除。也就是说我们吸收的和排放的碳要达到平衡，使大气中的二氧化碳浓度没有上升。2020年，我们国家在联合国第75届会议上承诺了要在2030年碳排放量达到峰值，2060年要实现碳的中和。

　　我们经常提到，大气中的二氧化碳是一个长寿命的气体。那关于全球气候变暖这一现象，中国到底要负多大的责任？北大的李本纲老师和我们一起在Nature和美国科学院院刊（PNAS）上发表了数据。我们的结论是，中国对目前的气候变暖的贡献大概只有9%，而美国大概是22%，欧洲大概是14%，所以对于现在的气候变暖来说，我们国家的贡献是比较少的。但是我们是一个负责任的国家，所以也提出了碳中和的目标。

　　目前我们国家二氧化碳的排放量大概是100亿吨，从现在到2060年，我们要怎么把碳排放量减为零？我们有三个途径，第一个是我们要减排，大幅度的减排，利用一些可持续的能源来替代现在的化石燃料；第二个是碳捕获、利用与封存，利用一些地球工程，把大气中的二氧化碳埋藏到地下深处里；还有一种方法是利用陆地和海洋的碳汇来实现碳中和。

　　大幅度的减排对我们国家来说是非常大的一个挑战。这是因为我国从碳达峰到碳中和的时间只有30年，而美国是43年，欧盟是71年，所以我们的减排压力非常大。

　　陆地生态系统碳汇的重要作用

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　　今天我讲的是陆地的碳汇，陆地的碳汇对于实现碳中和的目标能不能起那么大的作用呢？

　　▲数据来源：NOAA

　　这个视频是不同二氧化碳浓度观测站的二氧化碳浓度的变化。横坐标是这个站点分布的纬度，0代表赤道地区，右边是北半球地区，左边是南半球地区。我们可以看出来二氧化碳浓度是逐渐地上升的，但是每个站点的上升规律是不一样的，在南半球和赤道地区，二氧化碳浓度稳定上升，而在北半球的大部分站点是夏天的时候浓度低，而到了冬天以后，它的浓度是非常高的。主要的原因是什么呢？因为在夏天，生态系统进行光合作用吸收了大量的碳。所以我们可以看出来，陆地生态系统确实在减缓温室气体浓度上升中起着不可忽视的作用。

　　全球的碳计划每年会对过去10年的全球碳收支进行评估，从2011年到2020年，我们人为排放了大概400亿吨的二氧化碳，但是只有48%在大气里边累积，剩下分别有26%被陆地和海洋所吸收。

　　需要强调的是，我在陆地生态系统中给出来的是剩余碳汇，为什么呢？因为我们的陆地空间太复杂了，异质性太大了，所以现在还没有很好的方法可以完全准确地估算出全球的陆地碳汇到底有多少。所以在全球碳计划的时候，我们把总排放量计算出来，再把大气生态系统的部分算出来，海洋生态系统的部分算出来，然后认为剩下的应该是全球陆地生态系统的部分。但是这会导致一个问题，那就是陆地生态系统碳汇的量会受到其他几个部分的估算精度的影响。如果我们把其他部分的排放量高估了，那么陆地的碳汇也有可能会被高估。

　　

　　▲全球碳循环研究的两个关键问题

　　全球碳汇我们还可以这样算出来，但是如果到具体到某一个区域的时候，我们是无法用这种间接的方法去计算的。所以全球碳计划有两个核心的关键问题，26%的碳分布在哪儿？分布在美国还是在中国？这是一个核心的问题。另外一个核心的问题是碳汇随时间怎么变化？未来还会不会增加，比如增加到40%或50%？我们当然希望未来碳汇会增加，这对我们碳中和是非常有利的。

　　影响中国陆地碳汇的因素有哪些？

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　　我们的课题组在过去20年，围绕这两个核心的问题进行了研究。接下来，我重点介绍一下中国的碳收支方面的研究。

　　我们为什么要研究这个区域的碳收支的呢？这是因为通过将区域的碳排放、吸收与全球大气中的二氧化碳浓度的增加联系起来，可以帮助确定碳补偿、减缓的政策。比如说像《京都议定书》里边提到的，如果一个国家通过植树造林吸收了更多的碳，那么就有权排放相应的碳。

　　

　　因此，在科技部和基金委的支持下，我们国家在过去几十年开展了大量的研究，也为我国达成碳中和目标和参与全球气候治理提供了关键的科学支撑。

　　我们先看一看影响区域碳收支的影响因子有哪些。首先是土地利用的变化，在过去50年，我国75个城市的建成区面积增加了7倍左右，大家可以看一看你们所在的城市面积到底有没有变化。比如我们可以看到吉林城区基本上面积是没有变化的，而深圳的面积增加是非常大的。这种城市化的扩张会破坏自然的植被，导致碳储量流失。

　　中国的城市化还有一个很重要的特征，那就是农村人口向城区里边移动。这一现象对农村地区植被的破坏会相对少一些，有利于农村地区的植被的碳吸收。

　　另外，我们国家在过去几十年进行了大量的生态工程，包括陕北防护林等。全国的森林覆盖率由20世纪80年代初的12%，提高到目前的23%，森林蓄积量提高到了175亿立方米。我们还是全球人工林面积最大的国家，占据全球人工林面积的25%左右。所以我国大量的植树造林工作有利于陆地碳吸收，有利于生态系统的碳汇功能。

　　但是另一方面，我们还经历着气候变化。1901-2020年，我们国家的温度平均每10年升高0.1度。温度变化一方面有利于生态系统碳吸收，延长物候生长季的时间；但在另一方面它又是不利的，因为会加快生态系统的呼吸，比如加快植物的呼吸和土壤有机质的分解。所以，温度上升对中国生态系统碳循环到底会产生怎么样的影响，现在还存在很大的不确定性。

　　除了温度变化以外，我们国家的降水格局也发生了变化。我们国家现在经历着南涝的问题，如果我们看过去几十年的降水量变化的话，可以发现我国南方的降雨量是增加的，北方地区的降雨量是下降的。北方本来就缺水，因此对植被生长来说，降雨量下降是不利于生态系统碳吸收的。

　　二氧化碳浓度上升虽然会导致气候变暖，但对植被来说却是有利的。为什么呢？我们知道，二氧化碳是光合作物的底物，光合作用的底物增加了，光合作用的速率就会加强。目前遥感数据发现，全球植被生长率是显著增加的，叶子面积的增加量大概相当于亚马逊雨林的面积，科学家认为这一现象是二氧化碳浓度上升导致的。

　　另外，大气中氮的沉降也会有利于生态系统的碳的吸收。对于植被的生长来说，整个北半球的土壤里边缺氮，所以农民经常施氮肥，以便提高农作物的产量。因此大气的氮沉降也会导致植被的生产率提高，从而有利于生态系统的碳吸收。

　　还有一个影响因素是气溶胶，也就是我们经常提到的雾霾。雾霾对人体健康是不利的，但是目前的研究表明，雾霾对植被的生长和生态系统碳汇来说是反而是有利的。像中国科学院植物所刘玲莉老师他们研究发现，在阴天，植被的光能利用效率提高，生产力反而更好。

　　还有在1991-1992年左右，其实当时我们人为的碳排放量是大于70年代和80年代的，但是大气中的二氧化碳浓度基本没有增加。这是什么原因呢？其实这和1991年菲律宾皮纳图博火山爆发有关系。火山爆发以后，大量的气溶胶增加，反而有利于植被的生长。因此大气中的二氧化碳浓度基本没有增加。

　　那么我们的问题是，气候变化了，土地利用变化了，大气成分也变化了，在这种多重的压力下，中国生态系统到底是碳汇还是碳源？如果是碳汇的话，它能抵消我们国家工业排放的多少二氧化碳量？

　　为了回答这一问题，我们有好几种方法，传统方法是跑到野外、挖个土去看一看这里面的碳储量到底有多少，现在也有一些新的高技术方法。中科院地理所的于贵瑞老师，他们是利用涡度相关的技术来估算生态系统碳汇，还有一些是基于卫星的数据估算，还有的方法是利用大气二氧化碳浓度的观测数据进行反演模型。我们在这个研究里边用了传统的地面观测和大气的反演模型的方法。

　　不同的遥感数据均表明，我们国家植被整体趋势是变好的，在《自然·可持续发展》（Nature Sustainability）有一篇我本人参与的文章认为，目前中国变绿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。印度变绿的速率高跟农作物的产量有关系，而我们国家主要是跟生态工程植树造林密不可分。

　　另外，气候变暖以后，植被展叶的提前或者是落叶的推迟都会导致碳的吸收日趋增长，这有利于生态系统碳汇。

　　

　　▲图源：Piao et al., 2009Nature; 朴世龙, 2022, 中国科学

　　上图是我们目前估算的森林、草地、农田、灌木，湖泊和竹林这些不同的生态系统的碳汇的情况。我们要强调的是，农田里边虽然农作物产量增加很多，但是因为这部分碳很快就被人消耗掉，它的周转是非常快的，所以这部分我们不去考虑。

　　

　　总的来说，中国的碳汇大概是每年1.2亿吨，这是基于地面观测数据和遥感数据的方法。利用另外一种大气反演方法估算的数据大概是两倍左右，大概是3.5，一个是2.0。

　　

　　▲大气反演模型与基于地面观测数据估算结果比较示意图

　　（Piao et al., 2009Nature；朴世龙, 2022,中国科学）

　　但是这两个方法是不能直接比较的，大气反演它只是基于二氧化碳浓度观测来计算的，生态系统丢失的碳并不仅仅是二氧化碳，它还有一些氧化亚碳、挥发性有机物等，所以这些碳也需要考虑。过去几十年，我们国家引进了大量的木材、粮食，这个碳并不是我们生态系统的碳的丢失，所以我们在计算的时候还要对这个碳进行补偿。

　　另外，我们很多人以为，森林砍伐后这些碳都会到大气里边。其实不是的，像森林砍伐后做成家具的这些碳还是留在地面的。所以我们把这些碳加了以后，地面观测到大概是2.1亿吨的碳，而大气反演的结果大概是2.6亿吨的碳。

　　

　　▲左：中国陆地碳汇大小

　　右：中国陆地碳汇占同期中国化石燃料燃烧碳排放百分比

　　（朴世龙, 2022, 中国科学）

　　左侧是今年我们把目前的不同研究组估算的中国陆地生态系统碳汇收集了以后得出的图。我们可以看出来，大部分研究表明，中国的碳汇大小大概是每年1.7-3.5亿吨。那么能抵消我们的工业排放的多少呢？80年代的时候，我们的工业碳排放量比较低，所以我们大概能抵消30%左右，但是这几十年，我们的工业碳排放的增长量显著，所以大概抵消目前的7%-15%左右。

　　陆地生态系统未来还有多少潜力？

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　　很多人会问，我们的生态系统未来碳汇的潜力到底有多少？

　　

　　▲图源：Yao & Piao* et al., 2018 科学通报

　　需要强调的是，我们植树造林的年限是比较短的，所以目前我们国家的森林资源基本上是以中幼林为主，大概是占全部的森林面积的61%。这些森林未来成长以后，它的碳汇潜力是可观的。我们估算未来30年后，碳汇储量大概能增加90-100亿吨。

　　另外，目前我们的很多草地生态系统是退化的，如果能把这些生态系统恢复，也会有可能使得我们生态系统的碳汇潜力大量增加，当然这也有一定的风险。

　　风险来自于青藏高原的冻土，因为冻土里边储存了大量的碳，占到我们国家土壤的1/3。所以在未来气候变暖，冻土加速融化以后，这些碳会排放到大气里边，从而有可能会加剧变暖。这些方面的研究目前还需要加强。

　　

　　▲左：欧洲干旱

　　右：陆地和海洋碳汇变化图

　　（朴世龙 等., 中国科学, 2019）

　　另外，我们要关注的是极端气候事件。极端气候事件对生态系统碳汇也会有显著的影响。从右边的图里我们可以看出来，大气中每年二氧化碳浓度的增加量大的年份，基本上是极端气候事件发生的这些年份。比如像2003年的欧洲的干旱、1998年的厄尔尼诺，这些极端气候发生以后，生态系统的碳汇吸收能力显著地下降，它导致了大气中的二氧化碳浓度显著地增加。

　　

　　▲图源：朴世龙 等., 中国科学, 2022

　　长期来说，陆地生态系统碳汇在“碳中和”战略中到底有什么样的作用？我想强调的是，生态系统碳汇就像一个容器，现在是不断装满的过程，也就是碳汇的过程。但是呢，有一天这个容器装满了以后，有可能再也装不下别的，所以我们必须得把这个容器弄大。如果容器没有变大，而是保持在现状的话，生态系统迟早有一天会达到碳平衡。

　　从右边的图里我们可以看出来，随着2100年到来的时候，目前森林生态系统的碳汇能力是会显著下降的。所以我们现在的植树造林和森林管理是非常有必要的。怎么把碳汇窗口期的时间延长、什么时候要造林、在哪儿造林，这都是需要去综合规划的。

　　

　　▲图源：朴世龙, 2022, 中国科学

　　而要规划这些，我们就需要构建中国陆地生态系统碳汇的可持续管理系统。目前来说，陆地生态系统可测量、可报告、可核查，是制定我国减排政策的重要的基础。在这个系统里边，我们需要多数据、多过程、多尺度、多方法相融合，构建天空地一体化的中国生态系统的碳汇可持续管理系统。

　　谢谢大家 ！

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