中国天然林资源保护工程温室气体排放及净固碳能力

基于天然林资源保护工程(简称天保工程)一期(2000—2010年)营造林过程工程边界内碳排放和边界外碳泄漏的计算,分析了天保工程及各区域碳排放和碳泄漏年际变化及影响因素,对比了天保工程及各区域碳排放和碳泄漏的组成特征,研究了天保工程及各区域净固碳量的变化特征。结果表明:天保工程一期西北、中西部地区、南部地区、东北地区和天保工程的碳排放分别为0.89、1.47、0.09、2.45 Tg C;碳泄漏分别为3.17、3.11、6.50、12.78 Tg C。工程措施和碳排放强度的区域性差异导致各区域碳排放组成特征不同。造林及配套森林基础设施建设是西北、中西部地区和南部地区最大的工程措施碳排放;新造林及森林管护是东北地区最大的工程措施碳排放。相应地,各种物资消耗中,建材是西北、中西部地区和南部地区最大的物资碳排放;燃油是东北地区最大的物资碳排放。天保工程在工程边界内外引起的额外温室气体排放量达到15.23 Tg C,抵消了工程固碳效益的9.82%;在西北、中西部地区、南部地区和东北地区的抵消作用分别为10.08%、8.16%和11.24%。天保工程一期净固碳量为139.77 Tg C,年均净固碳量为12.71 Tg C/a。因此,碳排放和碳泄漏对天保工程固碳的抵消较小,工程一期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。避免工程基础设施的盲目建设和对工程进行合理规划是减少温室气体排放的可能途径。     

中国退耕还林工程温室气体排放与净固碳量

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.     

农田土壤固碳措施的温室气体泄漏和净减排潜力

农田土壤固碳措施作为京都议定书认可的大气CO2减排途径受到了广泛关注.研究表明,农田土壤固碳措施在主要农业国家和全球都具有很大的固碳潜力.但是,实施农田土壤固碳措施有可能影响农业中化石燃料消耗和其他农业投入的CO2排放和非CO2温室气体排放.这些土壤碳库以外的温室气体排放变化可能抵消部分甚至全部土壤固碳效果,构成了农田土壤固碳措施的温室气体泄漏.因此,将土壤固碳和温室气体泄漏综合计算的净减排潜力成为了判定土壤固碳措施可行性的首要标准.综述总结了目前较受重视的一些农田措施(包括施用化学氮肥、免耕和保护性耕作、灌溉、秸秆还田、施用禽畜粪便以及污灌)的土壤固碳潜力,温室气体泄漏和净减排潜力研究成果.结果表明,温室气体泄漏可抵消以上措施土壤固碳效益的-241%～660%.建议在今后的研究中,应该关注土壤碳饱和、气候变化及土地利用变化对农田固碳措施温室气体泄漏和净减排潜力的评估结果的影响.     

森林固碳释氧服务价值与异养呼吸损失量评估

固碳释氧是森林最重要的生态系统服务之一,将森林碳收支与固碳释氧服务价值评估相结合对于准确评估生态系统服务价值具有重要意义。应用森林碳收支模型(CBM-CFS3),分别基于净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)评估了2009—2030年湖北省兴山县森林生态系统总、净固碳释氧服务价值的时空动态,量化了异养呼吸造成的固碳释氧服务价值损失。模拟期间兴山县森林生态系统NPP逐渐增加(0.46—0.70 Tg/a),NEP由0.12 Tg/a先增加至0.21 Tg/a,然后逐渐下降至0.18 Tg/a;所对应的森林总、净固碳释氧服务价值范围分别为7.59—11.53亿元/a和2.21—3.70亿元/a。异养呼吸逐年增加,导致固碳释氧价值每年损失平均值为7.29亿元/a或4509元hm~(-2) a~(-1),约占总价值的68.6%。兴山县东南部异养呼吸造成的森林固碳释氧服务价值损失较高,而中部及西南部森林净固碳释氧价值较高。模拟期间兴山县森林为碳汇,稳定地提供固碳释氧服务。与NPP相比,使用NEP评估固碳释氧服务价值更为合理。忽视异养呼吸将严重高估森林生态系统固碳释氧服务价值;因而必须将物质循环过程与生态系统服务评估相结合,以降低评估结果的不确定性、提高生态系统服务的评估能力。     

中国农田施用化学氮肥的固碳潜力及其有效性评价

按照2003年氮肥施用情况和农业专家对不同作物提出的推荐施肥量,设定了“氮肥施用现状”和“按推荐量施肥”两个情景,在搜集和整理全国典型的农业长期定位实验站数据的基础上,将全国划分为4个农业区,分析了两种情景下我国农田土壤的固碳潜力;同时根据我国生产氮肥的化石能源消耗以及施用氮肥的数据,采用国内以及IPCC提供的相关参数,计算了施用化肥导致的温室气体泄漏,并提出“有效固碳潜力”的概念作为评价固碳潜力有效性和固碳措施可行性的标准.我国农田土壤在两种情景下的固碳潜力分别为21.9和30.2 Tg C·a^-1;但两种情景下生产和施用化学氮肥的温室气体泄漏量分别达到了72.9和91.4 Tg C·a^-1,使两种情景下有效固碳潜力分别为-51.0和-61.1 Tg C·a^-1;而“按推荐量施肥”还将增加10.1 Tg C·a^-1的温室气体净排放.因此,施用氮肥在我国农田土壤不具备有效固碳潜力,作为固碳措施不可行.鉴于施用化肥是我国粮食安全的基本保障,建议在保证粮食生产的前提下,提高氮肥利用率,适当减少氮肥施用量,以利于温室气体的减排.     

辽宁省森林植被碳储量和固碳速率变化

利用CBM-CFS3模型,结合森林资源相关数据,研究辽宁省森林植被碳储量和固碳速率;并基于是否造林的两种假设情境,预测了未来辽宁省森林植被碳储量、碳密度和固碳速率的时空变化趋势.结果表明： 2005年辽宁省森林植被碳储量为133.94 Tg,碳密度为25.08 t·hm^-2,其中,栎类的碳储量最大,刺槐碳储量最小;落叶松和阔叶林碳密度较大,油松、栎类和刺槐碳密度基本相当.全省森林植被碳密度呈东高西低的分布规律,辽东地区由于森林多为成熟林和过熟林,未来植被碳密度增加潜力不大,辽宁南部和北部的中幼龄林未来将成为植被碳密度增长的高值区.在假设未来不造林的情景下,辽宁省森林植被碳储量上升缓慢,固碳速率下降较快;在无林地造林情景下,全省森林植被碳储量、固碳速率将明显提高.说明造林在增加森林植被碳储量和碳密度、提高森林的固碳速率中起到了重要作用.     

基于森林资源清查数据估算中国森林生物量固碳潜力

森林是全球陆地生态系统中最大的植被碳库和碳汇,森林固碳被认为是各国抵减工业温室气体排放的重要途径,通过森林资源清查数据编制国家温室气体清单也是大多数国家的选择。但是,由于森林固碳本身的复杂性,未来通过森林固碳能够抵消多少工业碳排放往往并不清楚。如何基于森林资源清查数据估算森林的固碳潜力,仍是一个值得深入研究的领域。通过能够公开获得的森林资源清查数据,分起源(人工林和天然林)、36个树种、5个林龄组建立了国家和省两级森林蓄积量年增长量模型,并以第六次森林资源清查期为起点,估算了基线情景(造林、管理、干扰、气候、采伐等条件不变)下2001—2200年前中国森林生物量变化和中国森林生物量固碳潜力。结果认为,天然林蓄积量年增长量一般低于人工林;多数天然林树种的蓄积量增长过程符合理论上认为的中间高、前后低的逻辑斯蒂曲线形式,即中龄林、近熟林、成熟林年增长量高,幼龄林和过熟林年增长量低;人工林蓄积量增长过程多为前期高、后期低的形式,即幼龄林、中龄林和近熟林年增长量高,成熟林和过熟林年增长量低。基线情景下中国森林碳容量为12.82 Pg C,其中人工林为6.6 Pg C,天然林为6.2 Pg C;相对于2001年碳储量来说,到2200年中国森林生物量固碳潜力为6.52 Pg C。综合已有研究认为,中国森林生物量固碳潜力为6.52—13.57 Pg C。本研究可以用于优化森林生长过程模型,为我国森林管理政策的制定提供参考。     

中国国家森林公园碳储量及固碳速率的时空动态

森林生态系统在调节气候变化和维持碳平衡中具有重要作用。国家森林公园是森林保护的主要载体,探明其碳储量和固碳速率的变化对于森林生态系统的固碳能力评估和可持续经营管理具有重要意义。本研究采用生态系统过程模型CEVSA2模型,模拟了1982—2017年中国881处国家森林公园的碳密度、碳储量和固碳速率的空间分布特征。结果表明: 国家森林公园平均碳密度为255.18 t C·hm^-2,高于中国森林生态系统平均碳密度。2017年,国家森林公园总碳储量为3.56 Pg C,占全国森林生态系统总碳储量的11.0%~12.2%。1982—2017年国家森林公园平均固碳速率达到0.45 t C·hm^-2·a^-1,各地区国家森林公园固碳速率都在0.30 t C·hm^-2·a^-1以上。东北和西南地区国家森林公园的总碳储量最高。东北地区国家森林公园的土壤有机碳固碳速率最高,而华东和中南地区国家森林公园的植被碳固碳速率最高。国家森林公园面积占中国森林总面积的5.8%,在森林碳汇管理中占据着重要地位。准确评估国家森林公园的森林生长状况、固碳潜力和碳吸收特征,可为我国森林公园生态系统服务功能的总体评估提供借鉴和参考。     

四川省森林植被固碳经济价值动态

<正>确估算森林植被固碳经济价值可为森林生态系统的生态效益评价提供基础数据。利用1997年和2014年两期四川省森林资源清查数据,依据不同森林类型的生物量与蓄积量回归方程和支付意愿法,估算了四川省两个时期森林植被的固碳经济价值。结果表明,从1997年到2014年,四川省森林植被固碳经济价值由703.17亿元增长到865.75亿元,净增长162.58亿元,年均增长9.56亿元,年均增长率为1.36%;在两个时期,云冷杉林的固碳经济价值比重最大,分别占总固碳经济价值的54.82%和46.62%,表明云冷杉森林植被类型在全省森林植被固碳经济价值中占有重要的地位;四川省天然林和人工林植被的固碳经济价值均呈增加趋势,并且人工林植被固碳经济价值年均增长速率(7.42%)明显高于天然林(1.03%);四川省森林植被固碳经济价值总体上随林龄的增加而增加。研究结果说明,实施包括天然林保护工程在内的森林保护和经营管理措施对提高森林植被的固碳经济价值具有重要的作用。     

排放与森林碳汇作用下云南省碳净排放量估计

以云南省为例,用马尔科夫链计算能源结构,在经济增长模型基础上基于动态最优化理论估计能源消费碳排放,并基于CO₂FIX模型计算云南省森林碳汇,预测在能源消费碳排放和森林碳汇共同作用下的从2008到2050年碳净排放量。研究发现云南省能源消费碳排放量和碳净排放量曲线都呈"倒U"型,在2035年达到高峰,高峰值分别为和129.71 MtC和118.89 MtC;在森林碳汇中,原有森林的碳汇作用在现在和未来一段时间内处于主导地位,但新造林有着巨大的碳汇潜力,所以在保护原有森林的同时要植树造林,从生态学角度抵消碳排放;森林碳汇只能减少小部分碳排放,更主要的是改善云南省的能源结构,加快技术进步速度,开发水电等新能源,从根本上减少温室气体的排放。     

深圳福田红树林植被碳储量和净初级生产力

红树林是滨海湿地“蓝碳”的主要类型之一.准确和定位评估不同植物群落的固碳能力,对于红树林保育管理和恢复造林具有指导作用.本研究对深圳福田红树林4种代表性群落(白骨壤群落、秋茄群落、海桑群落、无瓣海桑群落)的各个植被碳库组分(乔木植物生物量碳库、林下灌丛碳库、呼吸根碳库、枯立木碳库、枯倒木碳库和枯枝落叶层碳库等)进行调查,计算各群落的植被碳储量,并通过生长增量-凋落物产量法计算得到各群落的净初级生产力.结果表明: 白骨壤群落、秋茄群落、海桑群落和无瓣海桑群落的植被碳储量分别为28.7、127.6、100.1、73.6 t C·hm^-2,各群落的净初级生产力分别为8.75、7.67、9.60、11.87 t C·hm^-2·a^-1.位于深圳市中心的福田红树林,每年固定大气CO₂高达4000 t.本研究结果将为红树林“蓝碳”碳汇功能的评估提供理论指导,并为我国红树林碳汇林建设提供依据.     

亚热带红壤侵蚀区马尾松不同套种模式生态系统碳平衡

以福建省长汀县红壤侵蚀区马尾松低效林套种杨梅、无患子、油茶及黄栀子的改造模式林分为研究对象,对林分各组分生物量年净生长量、含碳率及土壤异养呼吸进行定位观测,分析套种模式对低效马尾松林分生态系统碳储量格局及碳平衡的影响。结果表明: 杨梅、无患子、油茶、黄栀子和马尾松不同器官含碳率的变化范围分别为41.1%～50.1%、42.2%～50.6%、45.1%～48.9%、44.7%～49.6%和46.1%～51.9%。不同树种同一器官之间的含碳率存在显著差异。马尾松套种杨梅及马尾松套种无患子模式植被层碳储量及年净增碳储量最高,分别为67.62～68.42 t·hm^-2和9.21～9.45 t·hm^-2·a^-1,马尾松套种油茶和马尾松套种黄栀子模式较小,分别为31.96～36.24 t·hm^-2和4.09～4.16 t·hm^-2·a^-1,马尾松纯林对照最小,分别为17.01 t·hm^-2和2.00 t·hm^-2·a^-1。土壤异养呼吸年通量从高到低依次为马尾松套种杨梅模式(7.41 t·hm^-2·a^-1)>马尾松套种油茶模式(5.89 t·hm^-2·a^-1)>马尾松套种无患子模式(5.86 t·hm^-2·a^-1)>马尾松套种黄栀子模式(4.95 t·hm^-2·a^-1)>马尾松纯林对照(2.45 t·hm^-2·a^-1)。马尾松套种杨梅和马尾松套种无患子模式的年净生态系统碳平衡分别为2.04和3.27 t C·hm^-2·a^-1,表现为“碳汇”,马尾松套种油茶和马尾松套种黄栀子模式及马尾松纯林对照的年净生态系统碳平衡分别为-1.80、-0.80和-0.45 t C·hm^-2·a^-1,表现为“碳源”。总体上,短期内马尾松低效林套种杨梅或无患子能够提升林分的固碳增汇效益。     

长期不同施肥模式对南方双季稻田生态系统净碳汇效应和经济收益的影响

施肥措施与稻田生态系统净碳汇效应、经济收益的关系密切。本研究以长期(35年)定位施肥试验田为平台,分析了单独施用化肥(MF)、秸秆还田+化肥(RF)、30%有机肥+70%化肥(OM)和无肥对照(CK)4种不同施肥模式对我国南方双季稻田耕层土壤固碳速率、碳密度、年碳汇平衡和经济收益的影响。研究表明: 不同施肥处理双季稻田耕层土壤碳库变化范围为216.02～866.74 kg·hm^-2·a^-1,OM处理土壤碳年变化量显著高于MF、RF和CK处理;双季稻田土壤固碳速率为51.5～650.7 kg·hm^-2·a^-1,表土碳密度为55.64～78.42 t·hm^-2,各施肥处理高低顺序均为OM>RF>MF>CK。各施肥处理双季稻田生态系统水稻的碳吸收为4.42～9.32 t C·hm^-2·a^-1,其高低顺序为OM>RF>MF>CK;与MF处理相比,OM和RF处理稻田土壤净碳汇量分别提高了27.6%和13.6%。各施肥处理双季稻田生态系统的碳成本物质投入变化范围为1.49～2.17 t C·hm^-2·a^-1,年经济收益变化范围为1.30×10³～7.83×10³元·hm^-2·a^-1,其高低顺序为RF>OM>MF>CK;OM、RF和MF处理双季稻田生态系统经济效益的净收益均显著高于CK处理。总之,长期施用有机肥、秸秆还田配施化肥措施均有利于增加双季稻田土壤固碳速率、碳汇效应和经济收益,是提高南方双季稻田土壤有机碳贮量的施肥模式。     

罗浮栲林土壤微生物碳利用效率对短期氮添加的响应

作为调节土壤碳矿化过程的重要参数,微生物碳利用效率(CUE)对理解陆地生态系统中的碳循环至关重要。本研究在戴云山罗浮栲林设置对照(0 kg N·hm^-2·a^-1)、低氮(40 kg N·hm^-2·a^-1)和高氮(80 kg N·hm^-2·a^-1) 3个氮添加水平以模拟氮沉降,测定了表层(0～10 cm)土壤基本理化性质、有机碳组分、微生物生物量和酶活性;并利用¹⁸O标记水方法测定土壤微生物CUE,以更好地理解氮沉降加剧对微生物CUE的影响及其影响因素。结果表明: 短期氮添加显著降低了土壤微生物的呼吸速率、碳和氮获取酶活性,但显著增加了土壤微生物CUE。β-N-乙酰氨基酸葡糖苷酶(NAG)/微生物生物量碳(MBC)、微生物呼吸速率、β-葡萄糖苷酶(BG)/MBC、纤维素水解酶(CBH)/MBC和土壤有机碳含量是影响CUE的主要因素,且CUE与NAG/MBC、微生物呼吸速率、BG/MBC和CBH/MBC呈显著负相关,与土壤有机碳呈显著正相关。综上,短期氮添加导致土壤微生物获取碳和氮的成本降低,减少微生物呼吸,从而提高了土壤微生物CUE,这将有助于提高罗浮栲林土壤碳固存潜力。     

毛乌素沙地沙漠化逆转过程土壤颗粒固碳效应

为揭示毛乌素沙地沙漠化逆转过程中土壤颗粒的固碳效应,选择陕北榆林治沙区从流沙地、半固定沙地到林龄为20～55年生的灌木和20～50年生的乔木固沙林地,采用物理分组法分析了土壤砂粒、粉粒、黏粒结合碳的演变特征和累积速率.结果表明: 对比流沙地,土壤总有机碳及各颗粒碳含量在两种固沙林地均呈显著增加趋势,并以表层0～5 cm土壤碳含量增幅最高.从流沙地到55年生灌木和50年生乔木固沙林地,0～5 cm土层砂粒碳密度增速均为0.05 Mg·hm^-2·a^-1,粉粒碳密度增速分别为0.05和0.08 Mg·hm^-2·a^-1,而黏粒碳密度增速分别为0.02和0.03 Mg·hm^-2·a^-1.0～20 cm土层,两种林地各颗粒碳密度增速平均为0～5 cm土层的2.1倍.按此增速到50～55年生的固沙林地时,两种林地0～20 cm土层的砂粒碳、粉粒碳和黏粒碳密度分别比流沙地平均提高6.7、18.1、4.4倍,并且颗粒碳对总有机碳的累积贡献率平均为粉粒碳(39.7%)≈砂粒碳(34.6%)>黏粒碳(25.6%).综上,毛乌素沙地沙漠化逆转过程土壤颗粒均表现出显著的固碳效应,且以砂粒和粉粒为主要固碳组分.     

减氮施肥对春玉米-晚稻生产系统碳足迹的影响

随着对气候变化和粮食安全的的日益认识,低碳农业引起了人们的广泛关注.低碳农业的研究需要综合考虑作物产量和温室气体排放,改进氮肥管理可能有助于减缓作物生产系统的温室气体排放,同时实现对作物稳产甚至高产的需求.本试验利用生命周期法研究了不同施氮量(150、225、300 kg N·hm^-2)对春玉米-晚稻轮作系统碳足迹的影响.结果表明: 随着氮肥用量增加,两季作物生产过程中温室气体和碳足迹增加.在春玉米生产过程中,氮肥生产和施用引起的温室气体排放对碳足迹贡献最大,占36.2%～50.2%;而在晚稻生产中,甲烷的排放贡献最大,占42.8%～48.0%,并且随氮肥用量增加甲烷排放增加.当氮肥施用量减少25%(225 kg N·hm^-2)和50%(150 kg N·hm^-2)时,春玉米生产的温室气体排放分别下降了21.9%和44.3%,碳足迹分别下降了20.3%和39.1%;晚稻生产的温室气体排放分别下降了12.3%和20.4%,碳足迹分别降低了13.7%和16.7%.氮肥减量对春玉米产量无显著影响,而晚稻产量在225 kg N·hm^-2施肥量下最高.因此,春玉米氮肥用量降低至150 kg N·hm^-2和晚稻氮肥用量降低至225 kg N·hm^-2不仅能够保持作物高产,而且还能大幅度降低作物系统的碳足迹.