1 森林在全球碳库中的作用

森林作为陆地生态系统的主体，以其巨大的生物量贮存着大量的碳，森林植物中的碳含量约占生物量干质量的50%。联合国粮农组织(FAO)对全球森林资源的评估表明(表 1)，全球森林占全球陆地面积的31%，面积达38.70亿hm²，其中热带47%，亚热带9%，温带11%，寒温带33%。单位面积森林地上部分生物量平均为109 t·hm^-2，全球森林地上部分生物量达422 Gt(FAO，2001a)。森林土壤中的碳贮量比森林植物还要多得多。据IPCC估计，全球陆地生态系统碳贮量约2 477 Gt，其中植被碳贮量约占20%，土壤碳约占80%。占全球土地面积27.6%的森林植被碳贮量约占全球植被碳贮量的77%，森林土壤的碳贮量约占全球土壤碳贮量的39%。单位面积森林生态系统碳贮量(碳密度)是农地的1.9~5倍，土壤和植被碳库的比率在北方森林为5，在热带林仅为1(表 2)(Ciais et al.，2000)。可见，森林生态系统是陆地生态系统中最大的碳库，其增加或减少都将对大气CO₂浓度变化产生重要影响。

我国森林生态系统碳贮量的估计有较大差异(表 3)，主要与森林资源清查数据和估计方法有关。据全国森林资源清查的森林蓄积量数据，采用蓄积-生物量扩展系数(BEF)方法，计算的森林植被碳密度为30.5~45.75 t·hm^-2，低于FAO和IPCC估计的全球森林植被平均碳密度(FAO，2001a；Ciais et al.，2000)。由此计算我国森林植被碳贮量，在1973—1976、1977—1981、1984—1988、1989—1993和1994—1998年间(不包括经济林和竹林)分别为3.75~4.44、4.12~4.38、3.26~4.45、3.70~4.63和4.75 Gt。考虑到竹林和经济林的碳贮量，目前我国森林植被和土壤碳贮量在5和15 Gt左右的估计是合理的。

1) 汪业勖. 1999.中国森林生态系统区域碳循环研究.中国科学院自然资源综合考察委员会博士学位论文

2 森林生长对大气CO₂的影响

森林植物在其生长过程中通过同化作用，吸收大气中的CO₂，将其固定在森林生物量中。森林每生长1 m³木材，约需要吸收CO₂ 1.83 t。据Whittaker(1975)估计，热带森林净第一性生产力为4.5~16.0 t·hm^-2，温带森林为2.7~11.25 t·hm^-2，寒温带森林为1.8~9.0 t·hm^-2，耕地为0.45~20.0 t·hm^-2，草地仅1.3 t·hm^-2。在陆地植被与大气之间的碳交换中，90%是由森林植被完成的(Winjum et al.，1993)。草地植物和农作物也具有很强的固碳能力，但其作用是短暂的，不能将吸收固定的CO₂长期保存于生物有机体中。

早期的研究认为，20世纪80年代以森林为主体的陆地生态系统是大气CO₂的净排放源(Brown et al.，1996)，但近期的大气测量和模拟研究表明，20世纪80年代陆地是一个(0.2±1.0) Gt·a^-1的碳吸收汇，即(1.9±1.3) Gt·a^-1的陆地碳吸收与土地利用变化引起的(1.7±0.8)Gt·a^-1的碳排放之差；90年代吸收汇增至(0.7±1.0) Gt·a^-1，即(2.3±1.3) Gt·a^-1的陆地碳吸收减土地利用变化引起的(1.6±0.8) Gt·a^-1的碳排放(Ciais et al., 2000)。

就全球而言，陆地植被通过光合作用从大气中吸收碳(GPP)约120 Gt·a^-1，其中约60 Gt·a^-1通过植物自养呼吸返回到大气中；在余下的约60 Gt·a^-1的净初级生产(NPP)中，约50 Gt·a^-1通过土壤和死有机植物残体的异养呼吸(分解作用)返回大气，形成约10 Gt·a^-1的净生态系统生产量(NEP)，这其中又有约9 Gt·a^-1通过干扰排放进入大气，因此陆地植被年净碳交换量(NBP)约(1 Gt·a^-1(Ciais et al.，2000)。

据估计，我国森林生态系统净碳吸收量为0.04 Gt，其中NPP约0.61 Gt·a^-1，年采伐消耗0.13 Gt·a^-1，年凋落物总量0.44 Gt·a^-1，凋落物分解排放0.17 Gt·a^-1，土壤呼吸排放0.27 Gt·a^-1(赵士洞等，2001)。Zhang等(2003)的研究表明，1990年我国森林为0.098 Gt·a^-1的净碳吸收汇，占同期温室气体源排放的16.8%，其中森林生长吸收0.118 Gt·a^-1，土壤碳积累0.018 4 Gt·a^-1，生物量燃烧和分解排放0.038 9 Gt·a^-1。

森林的固碳速率因气候、森林类型、年龄、立地条件和人为干扰状况等因子而异。森林生态系统的NEP为北方森林-1.0~2.5 t·hm^-2a^-1 (样本数n=20)，温带森林2.5~8.0 t·hm^-2a^-1 (n=35)，地中海地区森林-1.0~2.0 t·hm^-2a^-1 (n=8)，热带森林2.0~6.0 t·hm^-2a^-1 (n=12)，这里负值表示净排放。欧洲通量网(EUROFLUX)涡动相关测定结果表明，欧洲森林生态系统的净生态系统碳交换量(NEE)为1.0~6.6 t·hm^-2a^-1，随纬度增加而降低(图 1)，而总第一性生产量与纬度无关，即森林生态系统NEP取决于生态系统的呼吸(Valentini et al., 2000)。

在自然状态下，随着森林的生长和成熟，森林吸收CO₂的能力降低，同时森林自养和异养呼吸增加，使森林生态系统NEE逐渐减小，系统趋于碳平衡状态，或生态系统碳贮量趋于饱和，如一些热带和寒温带的原始林(Ciais et al.，2000)；但达到饱和状态是一个十分漫长的过程，可能需要数百年甚至更长的时间。森林受自然或人为扰动后，其固有的碳平衡被打破，并向新的平衡方向发展，达到新平衡所需的时间取决于目前的碳贮量水平、潜在碳贮量、植被和土壤碳累积速率(Schimel et al.，2003)。对于可持续管理的森林、成熟森林被采伐后可以通过再生长恢复到原来的碳贮量，而收获的木材或木产品一方面可以作为工业或能源的代用品，从而减少工业或能源部门的温室气体源排放；另一方面，耐用木产品可以长期保存，部分可以永久保存，从而减缓大气CO₂浓度的升高(图 2)。

目前对森林生态系统固碳能力的估计可能偏高，主要原因是大多数观测结果，特别是碳通量的观测结果主要来自于生长较好的成熟森林，而没有考虑到自然和人为干扰过程(如采伐更新)对生态系统碳交换的影响。近期的研究表明，在干扰后的数年内，森林生态系统实际上是一个排放源而非吸收汇，如果将这些干扰过程考虑在内，欧洲森林生态系统年净生态系统交换量只有0.2 Gt，是原来估计的43%¹⁾。

1) Grace J. 2003. Final report of CARBO-AGE: Age-related dynamics of carbon exchange in European forests—Integrating net ecosystem productivity in space and time. www.ierm.ed.ac.uk/CARBO-AGE/HOME.htm

3 毁林对大气CO₂的影响

这里的毁林指森林向其他土地利用的转化或林木冠层覆盖度长期或永久降低到一定的阈值以下。由于毁林导致森林覆盖的完全消失，除毁林过程中收获的部分木材及其木制品可以较长时间保存外，大部分贮存在森林中的巨额生物量碳将被迅速地释放到大气中。同时毁林引起的土地利用变化还将引起森林土壤有机碳(SOC)的大量排放。研究表明，毁林转化为农地后，由于SOC的输入大大降低和不断的耕作，SOC损失可高达75%，大部分研究结果为0~60%，毁林转化为农地10年后SOC平均下降(30.3±2.4)%(n=75)，如果剔除土壤容重变化的影响，SOC平均下降(22.1±4.1)%(n=33)；而毁林转化为草地后SOC的变化无明显趋势(Murty et al.，2002)。吴建国等(2002；2003；2004)在宁夏半干旱区的研究表明，山杨(Populus davidiana)和辽东栎(Quercus liaotungensis)天然次生林转化为农地和草地后，SOC密度分别下降35%和14%，而且SOC的稳定性降低。

工业革命以来，全球毁林面积呈增加趋势，特别是近50年来，以热带亚洲和南美洲为主的毁林大幅上升。在20世纪50年代以前，毁林主要发生于北美和欧洲等温带地区以及热带亚洲和南美洲。在20世纪中叶以后，北美和欧洲(除前苏联外)的毁林基本遏止，并通过人工造林和退耕还林，森林面积呈增加趋势，1980—1995年发达国家森林面积年均增长130万hm²(FAO，1999)，使欧洲和北美等温带森林地区成为大气CO₂的吸收汇。而此期间热带亚洲、拉丁美洲和非洲热带地区的毁林大幅增加，从而成为大气CO₂的主要排放源(Houghton，1996)。1980—1995年间热带地区的毁林速率达1 550万hm²·a^-1(FAO，1999)。1990—2000年，全球年均毁林面积达1 460万hm²·a^-1，其中热带地区为1 420万hm²·a^-1，占97.3%(FAO，2001a)。全球毁林引起的碳排放从1850年的0.3 Gt·a^-1，增加到20世纪50年代初的1.0 Gt·a^-1，到80年代末达2.0~2.4 Gt·a^-1，占同期人类活动碳排放量的23%~27%(图 3)(Fearnside，2000；Houghton，1999)。据IPCC估计，1850—1998年间，由于土地利用变化引起的全球碳排放达(136±55) Gt，其中87%是由毁林引起的，13%是由草地开垦造成的，而同期化石燃料燃烧和水泥生产的碳排放量为(270±30) Gt(FAO，2001a)。在20世纪80和90年代，以热带地区毁林为主的土地利用变化引起的年碳排放分别为(1.7±0.8) Gt和(1.6±0.8) Gt，分别占化石燃料燃烧排放量的31%和25%(FAO，2001a)。毁林已成为仅次于化石燃烧的大气CO₂排放源。

自史前至20世纪70年代末，我国森林面积一直呈降低趋势。在距今4 000~5 000年的史前时期(主要指农耕前时期)，在中国目前的国土范围内，森林覆盖率约为60%；到2 000多年前的汉朝时期，森林覆盖率下降到50%以下；到大约1 000年前的唐宋年间，森林遭到更大破坏，森林覆盖率下降到40%以下；到300多年前的明末清初，森林覆盖国土的面积进一步降到15%~17%；到民国时期森林覆盖国土面积又降低到15%~8.6%；1948年中华民国政府农林部推算森林覆盖率为8.6%；1950—1962年曾对全国范围内的森林资源进行了初步清查，森林覆盖率为11.81%(中国可持续发展林业战略研究项目组，2002)。20世纪70年代末以来，随着森林保护的加强和大规模的造林活动，森林面积开始呈现增加趋势(图 4)。即便如此，我国近20年来全国毁林面积仍然相当巨大。近4次较系统的森林资源清查表明¹⁾²⁾³⁾，第2次(1977—1981)到第3次(1984—1988)森林资源清查期间，我国年均有林地转为无林地面积为334万hm²·a^-1，第3次到第4次(1989—1993)为221万hm²·a^-1，第4次到第5次为196万hm²·a^-1，其中转化为非林业用地的面积呈增加趋势，分别为1.634、1.817和2.862万hm²·a^-1。由于我国大规模造林活动的实施，有林地转化为非林地以外的其他地类，都有可能在较短的时间内恢复为森林。据此估计1980—2000年我国毁林碳排放达0.83 Gt，约占我国同期温室气体源排放的4.7%。其中生物量碳排放0.45 Gt，土壤碳排放0.38 Gt。同时，毁林开垦过程中的森林生物质燃烧也排放甲烷和氧化氮等非CO₂温室气体，其中毁林生物质燃烧约占全球甲烷排放量的10%(FAO，2001b)。

1) 林业部. 1989.全国森林资源统计(1984—1988)

2) 林业部. 1994.全国森林资源统计(1989—1993)

3) 国家林业局. 2000.全国森林资源统计(1994—1998)

4 林业活动与减排增汇

如上所述，森林的碳贮存功能及其变化与大气CO₂浓度变化有密切的关系，通过一些林业措施，可起到减排增汇的作用。在减缓气候变化的各种努力中，林业活动具有十分重要和不可替代的地位。

4.1 增强碳吸收汇

增强碳吸收汇的林业活动包括造林、再造林、退化生态系统恢复、建立农林复合系统、加强森林可持续管理等，它们都是增加陆地植被和土壤碳贮量的措施。

通过造林、再造林和森林管理活动增强碳吸收汇已得到国际社会广泛认可，并允许发达国家使用这些活动产生的碳汇用于抵消其承诺的温室气体减限排指标。据估计，若在1995—2050年将全球可用于造林再造林和农用林的约3.45亿hm²的土地全部实施造林、再造林和农用林，碳汇潜力可达38 Gt，其中热带和温带地区造林或再造林分别占44%和31%，热带地区农用林占17%(Brown et al.，1996)。英国皇家学会估计，2000—2050年造林碳汇潜力达28 Gt，农用林为7 Gt(Reed et al.，2001)。造林碳吸收速率因造林树种、立地条件和管理措施而异，寒温带约0.8~2.4 t·hm^-2a^-1，温带0.7~7.5 t·hm^-2a^-1，热带3.2~10 t·hm^-2a^-1(Brown et al.，1996)。

FAO估计，若在热带地区2.17亿hm²的退化地上开展人工促进天然更新，可新增固碳11.5~28.7 Gt(FAO，2001b)。英国皇家学会估计，2000—2050年在热带地区退化地上进行森林更新的碳汇潜力可达18 Gt(Reed et al.，2001)。但FAO(2001b)认为，如考虑社会经济因素，实际可用于这些活动的土地面积可能只有上述的1/3，则造林再造林和农用林活动的年碳汇量仅为0.25 Gt，退化地恢复每年为0.13 G。

森林管理可在一定程度上增加碳贮存，但其碳汇潜力与造林相比相对较低。根据“马拉喀什协定”第11/CP.7号有关土地利用、土地利用变化和林业(LULUCF)决议的规定，附件I国家1990年以来森林管理活动引起的碳汇可用于抵消《京都议定书》3.1条款下的温室气体减限排承诺。由于在碳汇计量时不用考虑这部分森林在基年的碳吸收量，只要是1990年以来被管理的森林在第1承诺期内的净碳吸收量均可用于履约，因此其碳汇数额就很大。鉴于此，第11/CP.7号决议对各附件I缔约方在第1承诺期《京都议定书》第3.4条款和第6条下可使用的森林管理活动碳汇给予限制，其总量不得超过7013.5万t的5倍(UNFCCC，2001)。

随着中国大规模的造林和再造林活动的开展，预计在2008—2012年的第1承诺期，中国森林可净吸收碳0.667 Gt；到2050年，中国森林年净碳吸收能力将比1990年增加90.4%(Zhang et al.，2003)。

4.2 保护碳贮存

保护碳贮存是指保护现有森林生态系统中贮存的碳，减少其向大气中排放。主要措施包括减少毁林、改进采伐措施、提高木材利用率以及有效森林灾害(林火、病虫害)控制。降低大气CO₂浓度最有效的方式是减少化石燃料燃烧的排放量，而土地利用变化和林业措施则是减缓气候变化的最有效手段。由于毁林直接导致森林生态系统数年的碳贮排放到大气中，因此相对造林和再造林而言，降低毁林速率是减缓大气CO₂浓度上升的更直接手段，因为从长远看，在某一土地上造林的碳吸收量与毁林碳排放量是相当的。

通过森林保护措施来保护碳贮存的潜力取决于基线情景或照常情景(business as usual，BAU)。如果完全停止毁林，全球每年可保护1.2~2.2 Gt的碳不被排放(Dixon et al., 1993)。到2050年，减少热带地区毁林可保护碳贮量20 Gt (0.2~0.4 Gt·a^-1)(Brown et al.，1996)。

减少采伐影响是保护现有森林碳贮存的重要手段。传统的采伐作业对林分的破坏很大，对保留木的破坏率可高达50%(Kurpick et al.，1997)。通过减少采伐影响的措施可使保留木的破坏率降低50%(Sist et al.，1998)，从而降低采伐引起的碳排放。对我国连栽杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林的研究表明，由于不合理的采伐作业和更新措施，2代杉木人工林生物量和土壤碳贮量分别比1代下降了(24±3)% (n=28)和(9.5±5.1)% (n=9)，3代比2代分别下降了(40±4)% (n=15)和(15.3±4.8)% (n=8)(Zhang et al.，2004)。据估计(Nabuurs et al.，1993)，对热带雨林采取减少采伐影响的措施，可保护碳贮存73~90 t·hm^-2。在20世纪80和90年代，热带森林年采伐面积分别达1 500万hm²和1 100万hm² (FAO，2001a；Singh，1993)，按此规模估计，改进采伐作业方式保护碳贮存的潜力是巨大的。

此外，通过提高木材利用率，可降低分解和碳排放速率；增加木质林产品寿命，可减缓其贮存的碳向大气排放；废旧木产品垃圾填埋，可延缓其碳排放，部分甚至可永久保存。

4.3 碳替代

所谓碳替代指以耐用木质林产品替代能源密集型材料，采用生物能源(如能源人工林)及采伐剩余物的回收利用(如用作燃料)。由于水泥、钢材、塑料、砖瓦等属能源密集型材料，且生产这些材料消耗的能源以化石燃料为主，而化石燃料是不可再生的。如果以耐用木质林产品替代这些材料，不但可增加陆地碳贮存，还可减少在生产这些材料过程中化石燃料燃烧的温室气体排放。虽然木产品中的碳最终将被分解返回大气，但由于森林是可再生的，森林的重新生长可将这部分碳吸收回来，避免由于化石燃料燃烧引起的净排放。

而生物燃料不会产生向大气的净CO₂排放，因为生物燃料燃烧排放的CO₂可通过植物的重新生长从大气中吸收回来，而化石燃料的燃烧则产生向大气的净碳排放，因此用生物能源替代化石燃料可降低人类活动碳排放量。目前，生物燃料占能源供应量的14%，在发展中国家占1/3。如果这些燃料用化石燃料代替，每年将增加碳排放1.1 GtC (Brown et al.，2000)。预计到2025年和2050年，生物能源的贡献将达59×10¹⁸~145×10¹⁸ J和94×10¹⁸~280×10¹⁸ J (Bass et al.，2000)，很大程度上取决于诸如木质材料汽化等相关技术的发展情况。IPCC估计，2000—2050年，全球能源作物替代可达20~73 GtC (Watson et al.，1996)。