刘世荣院士：碳中和目标下中国森林碳储量、碳汇变化预估与潜力提升途径

碳中和目标下中国森林碳储量、碳汇变化预估与潜力提升途径

刘世荣 王晖 李海奎 余振 栾军伟

据联合国政府间气候变化委员会（IPCC）第六次评估报告，全球气候正经历着一场以变暖为主要特征的显著变化。相比1850—1900年，2011—2020年10年全球地表温度约上升1.09℃，从未来20年的平均温度变化预估来看，全球温升预计将达到或超过1.5℃（IPCC，2021）。全球气候变化对地球上许多地区的生态系统已产生严重影响，如海平面升高（IPCC，2022）、冰川退缩（IPCC，2022）、冻土消融、植被物候变化、动植物分布改变等。

森林是陆地生态系统的主体，碳储量861Pg（以C计）（1Pg=1015g=10亿t），占陆地生态系统碳库的40%，是陆地上除永冻土外最大的储碳库。森林在减缓气候变化中具有双重作用：一方面，森林可吸收并固定大气中的CO₂，是大气CO₂的吸收汇、储存库和缓冲器；另一方面，气候变化和人类活动引起的森林退化、毁林等使其成为大气CO₂的排放源。为有效发挥森林生态系统减缓气候变化的作用，必须实施林业减缓与适应并举的策略，通过扩大森林面积和森林经营提高森林碳储量和碳汇潜力的同时，提升森林的质量和适应气候变化的韧性，降低气候风险引发的森林碳排放，为实现碳中和目标和努力控制全球温升不超过1.5℃作出不可或缺的重要贡献。

根据《森林法》中的森林定义，森林包括乔木林、竹林和国家特别规定的灌木林，通常作为森林碳储和碳汇的计量范畴。目前，中国森林碳储量多以乔木林生物量碳库估算，很少涉及竹林、灌木林以及死有机质碳库、土壤有机碳库和木质产品碳库。森林采伐后形成的木质产品是森林碳储存库的转移，常作为一个单独碳库进行评估。

国家森林资源连续清查数据测算表明，中国森林植被碳储量（不包括经济林和竹林）近5年（第8次至第9次清查）平均年增长0.152Pg（以C计），近10年（第7次至第9次清查）平均年增长0.137Pg（以C计）（表1）。

根据《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》，2014年中国LULUCF领域净碳汇量约1.151Pg（以CO₂计），其中林地（包括其他生物质）贡献0.84Pg、木质产品贡献0.111Pg。基于近20年来文献整合分析中国陆地生态系统碳汇量评估结果（表2），2000s—2010s中国陆地生态系统碳汇量约229.7Tg·a-1（以C计）（136.3~343.5Tg·a-1）（1Tg=1012g），其中森林植被（仅指乔木林）碳储量约增加150.6Tg·a-1（94.9~236.8Tg·a-1），占整个陆地生态系统植被碳汇量的65.6%左右。经济林、竹林、灌木林的生物质碳储量约增加3.57Tg·a-1，森林死有机质（主要是粗木质残体和凋落物）碳库增加量约9Tg·a-1。

中国森林面积历史上发生了较大变化。20世纪70年代末之前，伐木和毁林导致森林面积急剧减少，森林生物量碳储量减少0.7Pg（以C计）。20世纪80年代初至90年代，通过实施一系列造林和生态恢复工程，中国森林生物量碳储量在1970—2000年增加40%。20世纪90年代至今，大规模生态工程建设实施显著提高森林生物量碳储量，森林生物量碳汇达109Tg·a-1（以C计），较20世纪80年代初至90年代增长118%。总体而言，过去70年，中国森林已从碳源转变为逐渐增强的碳汇，其中生物量碳汇是主要来源（贡献约76.3%），以造林和森林恢复为主导的土地利用和覆盖变化驱动因子对碳汇贡献约44%。

森林生物量碳储量变化趋势和潜力预测主要基于未来森林面积有无变化2种情景，未来森林生物量碳储量均呈增加趋势（表3）。如果不考虑未来新造林面积，预估2050年碳汇量约0.075~0.098Pg·a-1（以C计），如果考虑新造林面积，则碳汇量可增加1倍左右，达0.145~0.213Pg·a-1（表3）。李海奎研究发现，相比2000s—2010s时段，2050年现有乔木林生物量碳汇量将有所下降，主要归因于现有乔木林未来碳汇潜力预估大多采用蓄积随林龄变化的“S”形生长模型，伴随林龄逐渐趋于成熟将导致森林生长速率下降。如果考虑新增造林面积，2030年新增乔木林的碳汇量达0.019~0.066Pg·a-1，2050年新增乔木林碳汇量达0.025~0.057PgPg·a-1。此外，Yu等假设森林面积按国家林业和草原局规划文件扩大，基于生态系统过程模型综合考虑森林采伐及其对林龄的影响，预测中国2020—2100年的年均生物量碳汇可达0.172Pg，其中2050年的生物量碳储量约13.86Pg。

人工林优化管理可在一定程度上提升碳汇，预计2010—2050年人工林碳汇约提升0.014Pg·a-1（以C计）。Yu等（2024）研究表明，如果综合考虑森林采伐的影响，中国森林碳汇的峰值会比不考虑采伐的情景推迟10~30年。此外，通过延长轮伐期和树种替代等管理措施，2020—2100年可额外增加2.3Pg碳储量。因此，维持并提升森林碳汇能力和潜力，需实施森林科学经营，包括林龄结构、树种配置、更新抚育、采伐方式等一系列优化调整与时空合理布局。

国际社会、各国家和地区都在努力制定保护和加强森林经营管理提升森林碳汇的政策和激励措施，然而这些政策措施并未充分考虑到生态和气候相关风险对森林碳汇稳定性的影响。在全球变化背景下，除干旱和热浪等极端气候事件对森林产生直接影响外，森林火灾、病虫害等干扰因素会间接对森林碳循环产生影响，因此，气候变化和相关风险可能会削弱21世纪森林的碳汇功能。

3.1 气候变化对森林碳汇的直接影响

气候变化对森林碳汇的影响预测存在不确定性，森林碳汇最可能受益于CO₂施肥效应，随着大气CO₂浓度从1850年的约280×10-6增至2022年的约421×10-6（NOAA莫纳罗亚大气基线观测站于2022年5月测得），通过光合作用固定碳变得更加容易。然而，Beedlow等研究表明，寄希望于通过大气CO₂浓度增加提高现有森林碳封存量的可能性不大，气候变化也会使气温升高，这将增加土壤和植物的呼吸速率引起碳排放增加。许多研究发现，气候变化可能导致CO₂施肥效应下降，甚至最终有可能转为碳源。气候变暖可能导致树木生长加速，但这并不一定意味着碳储量增加，全球变暖实际上正在减少森林碳储量。同样，在极端情况下树木个体会因热应激和干旱导致枯死，引起森林生产力和碳汇下降。2015—2016年出现厄尔尼诺相关的严重干旱和极端高温是自1950年以来最强的一次，热带森林生产力以及全球陆地碳汇均显著下降。Wigneron等使用低频微波遥感数据对地上生物量碳储量（AGC）变化进行监测，结果表明到2017年底，非洲和美洲湿润森林的AGC并未恢复到干旱事件发生前水平，这可能归因于干旱导致的森林死亡率增加带来的遗留影响。在CO₂浓度和气温不断升高的预期下，中国森林固碳能力可能会随之提高。但也有相反的结果，基于对东北长白山老龄林30年（1981—2010年）的长期样地监测数据显示，气候变暖使云杉（Picea asperata）-冷杉（Abies fabri）林碳汇减少7.3Mg·hm-2（1Mg=106g），红松（Pinus koraiensis）-阔叶混交林碳汇减少0.96Mg·hm-2。Li等对2003—2016年中国南方亚热带碳通量观测发现，这些森林在大部分年份是碳汇（吸收4~7.4Mg·hm-2a-1)，但在2011—2013多年干旱年份，导致森林成为2003年以来首次出现的强碳排放源。

随着森林演替，暖温带森林土壤碳库增加，但其温度敏感性也随之增加，意味着易受气候变暖的影响，而树种多样性不仅可增加土壤碳储量，而且有助于增加土壤碳库的稳定性以及土壤碳的化学稳定性。还有研究表明，决定森林生态系统功能（包括土壤固碳）的不完全是树种多样性，而是树种功能特性和树种组成。在林业生产实践中，尤其是热带、亚热带人工林营建过程中的树种选择和配置，造林树种丰富度不可能像天然林那样复杂，需要兼顾森林经营成本和操作的可行性。对林龄40年的南亚热带多树种人工林研究表明，随树种多样性梯度（1~8个树种）增加，表层土壤（0~10cm）有机碳储量呈一元二次方程抛物线变化特征，4~5个树种配置下的土壤有机碳储量最高。以中国随纬度梯度不同气候区典型天然林为对象，进一步发现树种功能多样性以及特定功能树种（指示树种重要值）而不是树种丰富度对提升土壤有机碳稳定性的重要贡献，说明加强特定功能树种的管护对有效提升森林生态系统固碳潜力具有重要意义。因此，通过优化森林经营措施可有效缓解气候变化对森林碳汇的影响，如对长达100年数据分析显示，夏季干旱是地中海地区赤松（Pinus densiflora）种群的主要威胁，而通过疏伐减少林分蓄积可有效缓解干旱情景下对森林生长的负面影响。

3.2 气候变化对森林碳汇的间接影响

因气候变化导致的病虫害发生频率升高、传播范围扩大，可能会通过减少森林生长或造成树木死亡减少森林生产力，且受损或死亡树木分解会增加异养呼吸，极大削弱森林固碳功能。2015年，全球受虫害影响的森林约3020万h㎡，占森林总面积的1.4%（62个报告国），受病灾影响的总面积为6.60Mh㎡，占森林面积的0.4%（51个报告国），其中北美和中美洲受病虫害影响的森林面积最大。2000—2020年北美山松甲虫（Dendroctonus ponderosae）虫害暴发导致森林碳损失0.27Pg，森林从微弱碳汇转变为碳源；Dymond等基于CBM-CFS3模型研究发现，加拿大魁北克东部10.6Mh㎡森林受云杉蚜虫（Choristoneura burnijerana）侵害碳释放为2Tg·a-1（以C计），预计2011—2024年云杉蚜虫暴发将使该区域由碳汇变成碳源。病虫鼠害是造成中国森林碳损失的主要原因之一，尤其在西北地区病虫鼠害大暴发将引发温室气体高排放。病虫鼠害暴发的频率和树木受害程度在人工林中尤为严重，是因为人工林树种单一、结构简单，且缺乏本土树种。因此，中国未来需要采取适应性的人工林经营管理措施籍以有效控制病虫鼠害暴发。气候变化将进一步加剧外来入侵性害虫对森林的影响，松材线虫（Bursaphelenchus xylophilus）是目前中国最具危险性的森林病害病原之一，松树个体感染松材线虫后最快40天即可死亡，整片松林从发病到毁灭性死亡只需3~5年。随着气候变化加剧，中国适宜松材线虫生存的地域面积扩大近2倍，且呈向北、向西扩散速度加快的趋势，这将对松林碳汇功能产生更不利影响。

2015年，全球受火灾影响的森林面积约9800万h㎡，其中2/3以上发生在热带的非洲和南美洲区域。火灾会改变森林的组成、结构和生长过程，进而极大影响森林碳循环。Brando等基于生态系统模型，预测未来几十年亚马逊南部地第4期刘世荣等：碳中和目标下中国森林碳储量、碳汇变化预估与潜力提升途径161区约有16%的森林将发生火灾，火灾产生的CO₂排放量将从2000年的2.1Pg增至2050年的6.0Pg。Ramo等发现，非洲火灾造成1.44Pg碳排放，占全球化石燃料燃烧产生二氧化碳排放量的14%。Walker等研究加拿大西北地区森林火灾后发生的遗留碳损失情况，结果显示，随着北方森林火灾规模、频度、强度增加，中幼林会成为碳源。王效科等和Liu等分别根据森林火灾统计资料并结合遥感数据，采用排放因子法和排放比法估算中国森林火灾碳排放为10.2~11.3Tg·a-1（以C计）（1950—2000年）。付超和Liu等研究发现，由森林火灾引起的温室气体排放量为1.6Tg·a-1（以C计）（1990—2009年）、1.7Tg·a-1（以C计）（2000—2014年）。在过去几十年里，中国森林火灾面积及产生的温室气体排放量有所下降，这可能归因于中国投入了大量人力物力实施林火控制。防火策略可有效控制小面积森林火灾，但在未来极端气候事件增加的背景下，森林火灾风险正在增加，因此有必要采取适应性森林管理措施，如改变树种组成、建立防火林带并减少火灾干扰的频率和规模，以适应气候变化引发的火灾风险。

综合考虑森林减缓和适应气候变化的双重属性，遵循基于自然的气候解决方案创新理念，从森林可持续经营和面向生态系统服务的森林多功能经营的全新视角，探索碳中和背景下构建森林碳储与碳汇双增以及森林碳汇与碳资源化利用的汇转移为木质产品库的双汇协同提升途径，如图1所示。

4.1 保碳

天然林占中国森林面积的71%，因数十年过度采伐，更新恢复天然林中60%以上为中幼林，碳储量低；如果对此森林实施保护并自然恢复，其碳固存潜力是巨大的。再者，茂密原始天然林（主要指老龄林）的分布范围虽小，但其结构复杂，生物多样性丰富，土壤自然发育程度高以及对火灾和干旱具有较强的适应性，而且天然林的损失不容易通过重新造林在短期内弥补。如果中国南方所有密闭老龄林均被砍伐，会损失1.71Pg碳（占总碳储量的20.5%），相当于约9年化石燃料释放CO₂量。因而在天然林中，不管是中幼龄林还是老龄林，都应是需要优先保护的重要且稳定的长期碳汇，称其为保碳途径。1998—2010年，中国天保工程区域的生态系统碳汇增加889.1Tg（以C计），生物量碳汇增加479.6Tg（以C计），占全国森林生物量碳汇的35.5%~39.9%，区域中土壤碳储量增加409.5Tg（以C计）。Chen等在仅考虑现有天然林情况下，预测2030、2060和2100年中国天然林将分别额外固存2.27±1.21Pg、4.19±2.55Pg和6.03±4.09Pg碳（以C计），相比2010年的碳储量分别增加24%、45%、64%。因此，实施天然林保护工程有利于维持现有森林碳库并获得自然增碳，同时保碳不仅是减少森林碳排放的有效措施，还有助于增加生物多样性，提升森林稳定性和适应气候变化的韧性，减缓气候变化对森林的负面影响及其所造成的碳排放。

4.2 增碳

森林经营管理直接影响森林的碳储量和碳汇，也是提升森林碳汇功能的重要手段。树种选择、营造方式、抚育措施、采伐方式等均可能对人工林固碳能力和和土壤碳库产生影响。优化人工林经营管理，实施人工林多目标适应性经营，如高固碳树种造林、树种混交、引入固氮树种和林分结构调整等，既可维持较高的土壤肥力、长期生产力和提高适应气候变化的韧性，也有助于森林固碳增汇，特别是增加森林土壤有机碳储量（表4）。

森林采伐通常会降低土壤有机物质输入，特别是强度采伐或皆伐。此外，林地施肥可能对土壤碳汇产生不同影响，合理的施肥方式可能会增强人工林土壤碳汇功能（表5）。

实施退化次生林恢复也是提高森林碳储和碳汇的重要措施。王璐颖等在海南尖峰岭和吊罗山热带林区研究发现，生物量恢复受树种组成和径级结构的显著影响，大径级林木生物量占比随恢复时间显著增加；随恢复时间增加，速生树种的种类和数量逐渐减少，生物量占比下降7%左右；而慢生树种则均呈增加趋势，生物量增长20%~32%，演替后期的长寿命、大径级树种对热带森林碳储和碳汇潜力影响较大。Ali等探究中国东部80个亚热带森林林分结构多样性、物种多样性和林龄对地上碳储量的直接和间接影响发现，林分结构多样性是中国东部亚热带次生林地上碳储量变化的主要决定因素，保持树木胸径和高度多样性可能是提高森林地上碳储量的有效方法。史山丹等和韩营营等研究发现，山杨（Populus davidiana）天然次生林群落碳储量、白桦（Betula platyphylla）天然次生林土壤有机碳含量和碳密度随林龄增加明显，碳汇潜力很大，中龄林为碳储量增长迅速期，且能够持续较长一段时间。魏亚伟等发现大兴安岭地区兴安落叶松（Larix gmelinii）天然林固碳潜力和总碳储量随年龄变化主要与乔木碳储量有关，加强乔木碳库管理对未来增汇具有重要作用。在三江源地区，大面积分布的高寒灌木林是该区域的主要碳库，灌木层植物碳储量占到总植被层碳储量的66.06%，是乔木层的近２倍，加强该地区灌木林的保护修复对提升固碳能力至关重要。综上，天然次生林恢复与抚育经营，可通过改善树种组成、径级结构、年龄结构和乔灌草空间配置提升森林碳储量和碳汇。

4.3 扩碳

增加森林面积是扩碳的第一个主要渠道，包含造林（afforestation）和再造林（reforestation）2种方式。中国相继实施一系列林业生态建设工程，显著增加了森林面积和碳汇功能。根据第九次全国森林资源清查数据，中国森林覆盖率已从1949年的8.6%恢复至2021年的23.04%；人工林面积从1973年的18.71Mh㎡增至2018年的79.5Mh㎡，占全球现有人工林总面积（291Mh㎡）的27.3%。同时，人工林蓄积量也从1973年的1.6亿m³增至2018年的175.6亿m³，人工林分别占全国森林覆盖率和森林蓄积量二者净增长的62.9%和36.2%。造林（人工林面积增加）对1973—2008年中国森林生物量碳汇增加的贡献率为35%。1977—2018年，森林面积扩大比森林生长对森林碳汇功能的贡献比例大（66.73%vs.33.27%），人工林面积扩大对森林碳汇的贡献大于森林生长（63.99%vs.36.01%），而天然林中森林生长的贡献大于面积扩大（57.82%vs.42.18%），且在过去十年中（2009—2018年）森林面积扩大的相对贡献已超过森林生长。三北防护林工程和退耕还林还草工程作为典型的造林工程，前者因森林面积增加对整个工程区碳汇功能（生物量和土壤碳库）提升的贡献比例高达96.8%（2001—2010年），后者因林草面积增加贡献比例高达73.2%（2000—2010年），考虑到森林面积增加远大于草地面积增加，故后者的贡献比例绝大部分来自森林面积增加。近年来，遥感数据（2000—2017年）反演的中国植被呈明显变绿趋势，其中森林叶面积增加对植被变绿的贡献率达42%，尤其是中国西南和东北地区，新增人工造林对陆地碳增汇贡献很大，东北地区1993—2017年森林碳库增加的46%~94%来自人工林。考虑到中国森林多为新增的中幼龄林，这些森林碳汇潜力很大，如退耕还林还草工程，预计2030和2050年的碳储量将分别是2010年的3.41和5.59倍。

虽然扩大森林面积是增加森林碳汇的重要手段，但未来中国也面临着可造林土地面积有限且造林难度加大的问题。目前，估计中国森林覆盖率最大潜力有可能达到28%~29%，这其中约有39.58Mh㎡林地可供造林，但这些土地67%分布在华北、西北干旱半干旱地区，12%分布在南方岩溶石漠化地区；此外，还有10Mh㎡可用于城乡造林绿化的非规划林地、近10Mh㎡需要恢复植被的废弃矿山用地等。其他国内外学者估计的中国可造林土地约52.38Mh㎡和40.18Mh㎡。虽然上述估计值差异不大，但自2017年以后中国造林总面积出现明显下降却是不争的事实。即使假设所有可造林土地均营建新的森林，新造林与现存森林相比，其未来50年（2010—2060年）的碳汇贡献比例还是相对较小（6.5%vs.93.5%）。针对未来中国造林区规划问题，Zhang等指出增加森林碳汇功能最适宜的植树造林地区应集中在中国东部即胡焕庸线以东地区；尽管按照当前的气候变化轨迹，预计2070年左右气候变化会扩大森林潜在适生区面积33.10Mh㎡，但这个扩增区域还主要集中在胡焕庸线沿线的林草和农牧过渡带等低适宜造林地区，边际土地的低适宜造林地的增汇潜力有限。

提升森林质量是扩碳的第二个主要渠道。森林面积增加并不意味着森林结构、功能和质量提升，特别是造林设计未充分体现适地适树原则，或缺乏造林后的林分抚育和长期监测管理。多数人工林以单一树种纯林为主，与天然林相比，通常具有较低的碳汇、水源涵养、水土保持和生物多样性保护功能，较高的水分消耗特征。应积极提倡通过冠下补植补造乡土阔叶树种、固氮树种改造人工纯林或营造多树种混交的人工林，有效利用环境资源产生生态位互补效应，增加人工林生产力，协同提高森林地上和地下固碳能力，同时也有利于通过提高生物多样性来适应气候变化，增强生态系统中植被和土壤碳库的稳定性，并对极端气候事件起到积极缓冲作用。值得注意的是，在森林经营中通过特定功能树种优化配置，选择数量适中的树种丰富度是提升森林生态系统碳储量并兼顾生产经营成本的关键。

4.4 碳资源化利用及木质产品汇转移

木质产品是一个独立于森林之外的碳库，在减缓气候变化方面发挥着重要作用，且该碳库的碳储量呈不断增加趋势（表6）。碳资源化利用途径需要考虑采伐后碳的后续使用寿命（生命周期分析）。如果木材进入纸等寿命较短的产品，那么森林碳循环是一个相对平衡的过程，若再考虑木材加工过程中的碳排放时，该过程可能是一个碳源。如果木材用于建筑或其他长期用途，或通过木材改性和新型木材基复合功能性材料制备及应用，则其中碳固存期可延长几十年甚至更长时间，实现森林碳汇向木质产品库的汇转移与存续。因此，实施积极主动的森林抚育采伐及其木质产品库的碳汇转移，不但有利于森林再生长并维持高碳汇速率，而且可实现可再生木质产品的高效利用和森林碳汇产品的长期续存。此外，利用森林生物质生产生物能源，也可确保木材收获后森林再生的同时，减少化石能源使用的碳排放来缓解气候变化。

1）加强森林生态系统固碳机制和增汇潜力与实现途径研究。深入阐明森林生态系统碳汇形成及其经营响应机制，特别是加强森林土壤有机碳形成和稳定性固持机制研究，研发不同森林类型增汇的经营技术体系，评估气候变化和森林经营对森林增汇潜力的可能影响。构建空-天-地一体化森林碳源碳汇计量监测体系，建立多过程、多尺度耦合的森林固碳增汇潜力预估模型，准确预估不同气候情景和不同森林经营措施情景下中国森林的碳储量和碳汇现状、动态变化和发展潜力。

2）科学制定未来森林增汇的造林规划。依据现实和未来不同气候变化情景，科学预测未来中国森林及不同造林树种的分布区变化，规避未来气候变化风险并识别植树造林惠益区域，精准制定气候变化背景下的适应性造林空间规划及适宜造林树种或基因型选择方案；充分利用坡地、荒地、废弃矿山等国土空间，科学推进青藏高原生态屏障区、黄河重点生态区、长江重点生态区、东北森林带、北方防沙带、南方丘陵山地带和海岸带等大规模国土绿化行动，优先在中国森林增汇潜力较高的东北、西南和华南区域大力发展碳汇林。

3）加强森林适应性经营管理。大力实施重要生态系统保护和修复重大工程和生物多样性保护重大工程，加强中幼林抚育和退化林修复，严格执行林地用途管制制度，着力提升森林质量和森林碳汇功能。全面实行森林分类经营和森林多功能经营，利用乡土阔叶树种和固氮树种改培人工针叶纯林，或与针叶树种混交营建多树种合理组配的人工林，籍以提升人工林生态系统的碳汇潜力和生态稳定性；通过适当延长轮伐期和大径材培育等经营措施，实现高价值木材生产与碳汇功能多目标之间有效协同与权衡。不断加强气候灾害风险防控和预警，重点做好森林防火、有害生物灾害综合防治以及森林凋落物和采伐剩余物的管理，努力减少气候风险和各种灾害造成的森林碳损失。

4）实施森林增汇工程。中国森林未来还具有较大的增汇潜力和空间。通过高固碳的林木新种质创制和森林固碳增汇经营技术的创新，实施分区施策、分类经营的森林增汇工程，有望大幅度提升森林碳密度、固碳速率和增汇潜力，特别是提升森林土壤的碳库容量、碳固持速率和稳定性；编制国家、省区及经营单位森林碳汇提升的可持续经营方案，通过实施积极的森林碳资源化利用与木质产品库转汇并延长使用周期和存续时间，实现森林碳汇倍增的期望目标。