全球变暖与温室气体排放管理研究

1、全球变暖与温室气体排放管理研究本世纪50年代以来，人类活动造成的大气中温室气体浓度的急剧增加以及由此引起的全球气候变化，已成为全球变化中最主要和最直接的变化。为保护全球气候，1992年6月联合国第二次环境与发展大会在巴西里约热内卢召开，全世界166个国家签署了联合国气候变化框架公约(UNFCCC，我国也是缔约国之一；此外，1997年12月发表的京都议定书规定了各附件1国家(15个工业化程度较高的发达国家的温室气体限排减排任务和时间表。UNFCCC将温室气体“源”定义为向大气中释放温室气体的过程或活动；温室气体“汇”定义为从大气中清除温室气体、气溶胶或温室气体前体的过程、活动或机制。为减缓因大气

2、中温室气体浓度的增加而引起的一系列全球变化问题，同温室气体排放过程一样，温室气体的吸收过程及吸收汇的概念也越来越为人们所关注：最近国际社会特别关注“汇”的问题，关心是否有一些“人为汇”并且可使其得到增强，以部分抵销温室气体的排放。京都会议对此问题进行了讨论，并对温室气体“汇”的概念、范围及计算方法等多方面的问题广泛征求了各国的意见，政府间气候变化专门委员会(IPCC也将着手编写一个有关土地利用和土地利用变化与森林的特别报告，以详细规范其中的一些科学问题。国际社会关注温室气体“汇”，一是因为有关的一些科学问题还不十分清楚，如温室气体汇的定义、类型及范围等；二是因为这还与减缓气候变化的技术措施有密

3、切关系，也直接影响到各国新的温室气体清单的准确编制，并对附件1国家在20082012年承诺期期间温室气体限排减排目标的完成会有重要影响。正是由于在温室气体汇的研究方面还存在诸多疑问和不统一，并存在很大的不确定性，这使其成为科学上亟待明确的问题。本文就这几方面的国内外研究进展及热点问题作一综述。1温室气体汇的定义、种类及方法学问题UNFCCC认为陆地和海洋生态系统中的温室气体汇很重要，并对其做了定义。但各国对“汇”的意见都不一致，有的国家认为，“汇”与“人为汇”相同；一些国家则建议遵照IPCC指南中的定义；另外一些国家则认为应由议定书或公约成员国会议(COP作出规定。而且关于“人为汇”的定义也意

4、见不一，有的认为其仅特指与管理森林有关的所有活动，如造林、再造林和毁林等；另外一些国家则认为，其仅指一些直接的活动，如植树造林、林地施肥、放牧等。关于人为汇的种类，政府间气候变化专门委员会(IPCC在1996年修正指南中将“土地利用变化和森林”分为5类，即：森林和其他木本生物量的变化、森林和草地的转化、管理土地的废弃、矿质土壤碳贮量的变化及其他。京都议定书中所讲的源排放和汇清除主要是指造林、再造林和毁林这3种活动，但并未对对此作出定义。IPCC对“造林”和“再造林”进行了定义，但还很不完善；而“毁林”则未有过正式定义，且各个国家对此还很难达成一致意见。土地利用变化和森林(LUCF的问题较复杂，

5、议定书中将碳贮存的可核查的变化用于抵销承诺期间的排放削减指标，但这还存在很多方法学问题：如何确定和核查各国1990年以来由造林、再造林和毁林活动产生的碳贮存变化，又如何核查这些变化；哪些活动与造林、再造林和毁林有关；如何确定土地利用变化和森林源汇的长期时间尺度要求；哪些其它人类活动可以计算在内，又如何计算。所有这些问题都有待进一步的研究和明确规定，以增强计算的科学性。2土地利用变化和森林及农业土壤在全球碳平衡中的作用温室气体汇包括植被、海洋和土壤对温室气体的吸收、贮存及大气中对温室气体起分解转化的光化学清除机制等几方面，这里主要讨论大气CO2的汇，即碳汇。贮存在全球植被和土壤中的碳数量相当大，

6、很多研究者分别从植被类型、土壤类型及利用模型等不同的角度对全球土壤中的碳贮量作了估计110，但由于还具有很大的不确定性，各研究者的数据都不尽相同，其中被引用较多的是，全球土壤碳库的量为1 395 Gt和1 576 Gt1,11。另据WBGU(1998的估计，全球贮存在植被及土壤中的碳量分别为466 Gt和2 011 Gt，按照生态类型来划分，全球陆地生态系统中的碳有46贮存在森林中，23贮存在热带及温带草原中，其余的碳贮存在耕地、湿地、冻原、高山草地及沙漠半沙漠中12。人类活动对自然生态系统源汇状况的影响是否计算在议定书中还

7、没有确定，但无论如何，这些活动对自然生态系统源汇状况的影响是不可低估的。毫无疑问，在将来可能的新的减排限排许诺期期间，这部分内容要考虑在内。因此，一些计算方面的问题亟需解决。下面分别讨论与土地利用变化和森林“汇”有关的森林、草原和耕地生态系统中的碳贮量及碳通量变化。2.1森林生态系统的碳贮量及变化全球森林面积为41.61亿 hm2,其中热带、温带、寒带分别占32.9、24.9和42.112。全球森林生态系统中贮存的碳量为1 146 Mt,其中有一半在寒冷地区的北部森林中，热带森林和温带森林中的碳只各自占到碳贮量总量的37和13.8，因此，北部森林的保护也与热带森林

8、的保护同样重要。不同之处是北部森林中84的碳贮存在土壤中（有机层、泥炭及土壤有机碳）；而在热带森林中，土壤中贮存的碳仅占其总碳量的一半，另外一半则贮存在森林生物量中；温带森林土壤中的碳占到其碳贮存总量的62.9。按全球平均值计算，森林土壤及其有机层贮存了森林生态系统39的碳，其余碳素贮存在植被中13。热带地区目前正进行着大规模的毁林活动，但原始森林转化为次级森林或林用种植园则不仅在热带，而且在寒带落叶森林、北美洲的太平洋西北部等地区都有发生。热带地区种植园的地上部生物量比自然森林低20%50%12。另据报道，次级森林及不定期砍伐的森林其木本生物量比自然森林低30%80%14,15。温带地区生产

9、性森林的生物量也比同区的自然森林低40%50%12。这显然是由于管理森林收获早，达不到自然森林的生长年龄，在温带和热带，树木分别生长到2050年和60120年即被砍伐，而在温带地区，次级森林需150250年的无干扰生长才可累积到初级森林的碳贮量16；即使在热带地区也需150年以上的时间17。平均而言，在经过数个“生长收获”的周期之后，管理森林的碳贮量仅是未干扰立地或初级森林的30%18。由于幼年立地的生长率很快，初级森林及较老的立地被皆伐之后地上部生物量的恢复很快；但由于皆伐使得温度及水分条件发生了变化，因之而引起的土壤呼吸消耗在很多年内都超过幼年树木同化吸收的碳量。要将碳再收汇回来需要205

10、0年的时间19,20。森林收获后的20年间土壤碳含量一直呈降低状态，20年之后才开始逐渐增加21,22。但经过数个“收获种植”的长期经营森林，其土壤碳贮量在长时期内如何变化，还没有足够的研究数据可以说明。森林向农田的转化也属IPCC指南的“毁林”范畴。据Lal等23估计，到目前为止已有750 Mhm2的森林转化为农田，占“土地利用变化”子类的45。19801995年的15年间在热带每年有13 Mhm2的森林转化为农田，其中有41%48%是由于当地人口增长而先后被皆伐的24，而且在此过程中80%90%的地上部生物量是被直接燃烧或用作薪材。森林转化为农业用地后，不但地上部生物量

11、被砍伐掉，同时还伴随着土壤碳的损失，损失量依气候条件及管理措施的不同而不同，其1 m土层内的碳一般损失25%30%25,26。1996年的IPCC指南认为，土壤碳的损失量为25%40。耕作层 (020 cm 的损失最大，可达到40%26。此外，损失碳的绝对量还取决于原来土壤的初始碳含量。按全球平均值计算，热带森林转化为农田使土壤碳损失24.5 t C/hm227。一般的文献报道(包括IPCC指南都只计算30或40 cm的表层土壤；但有研究表明，底层土壤中的碳占到1 m土壤碳损失数量的1028，其损失的碳量也较大29

12、,30。森林被转化为农田的开始20年内碳的损失较严重，尤其是开始的5年内；在2050年之后便可建立起新的平衡31。另外一个值得注意的问题是森林的退化。IPCC指南及京都议定书都未将森林退化计入“毁林”的概念中，但不合理的伐木、砍伐及火灾同样对全球碳平衡造成巨大破坏，其结果与“毁林”是一样的30。这是因为这些活动使立地的结构、微气候及土壤都发生了变化。热带森林的一些人为因素使得森林结构及各种生态功能如生物多样性、养分状况等都退化，如圭亚那、澳大利亚、新西兰及印尼等地。据FAO32统计，世界范围内森林退化的速度比毁林的速度高几倍，因此，森林退化应引起足够的重视。2.2草原生态系统的碳贮量及变化全球

13、热带草原、温带草原、冻原及高山草原的面积共为44.5亿hm2，所贮存碳量为761 Gt ，其中89.4贮存在土壤中，另外10.6贮存在植被中10。单位面积的温带草原所贮存的碳是热带草原的24倍10,25。温带草原大规模转为耕地已使020 cm土壤中的碳损失了约50%33。可以预计，在不久的将来许多湿润的热带森林仍会被继续转化为草原。京都议定书中未将草地向森林的转化计入人类活动对温室气体源汇状况的影响中。但同“毁林”一样，草地向农田转化也同样引起了贮存碳的损失。就全球平均值而言，草地转化为农田使1 m土层中的碳损失了20%30%12。据Lal等23估计，全

14、球范围内已有660 Mhm2的草地转化为农田，在此转化过程中原有碳贮量的76.5 Gt已减少了19 Gt，即从草地的116 t C/hm2减少到农田形式下的87 t C/hm2；同时，地上部生物量损失了7.7 Gt C(也即11.4 t C/hm2。2.3农业土壤中的碳全球耕地面积为14亿hm2，占无冰陆地的11%，其地上部生物量中的碳不足地球生态系统碳总量的1%，其土壤中贮存的碳占全球土壤碳贮量的8%10%。全球耕地面积中有一半在温带，另一半在热带和亚热带。在本世纪90年代期间，由于

15、人口数量的增大不断增加对粮食的需要，每年有1 200万hm2林地转化为耕地，250万hm2林地转为草地34；至1990年，全球耕地面积已增至15亿hm2。据估计，到2025年再增加的耕地中60%在热带地区，5%在温带地区；这样，在1990到2025年间不到40年的时间中，全球耕地面积将增加36%，即达到20亿hm2 35；而且，耕地面积增加到今天的14亿hm2已使地上部生物量碳损失了93 Gt23。自然生态系统转化为耕地还使1 m土壤剖面中的碳含量降低了25%30%3638。自然生态系统转化为耕地使土壤碳贮量减少了38 Gt；不过，若管理得当的

16、话，在转化后的50100年时间内可形成2040 Gt的碳潜力39。在IPCC更新的1996年指南中，将“土地利用变化和森林”中增加了一个新的子类“矿质土壤碳贮量的变化”，这又是一次较大的变化，使汇的概念逐渐演变为“碳贮量变化”。由于土壤汇的周期长、不确定性较大，这将给将来的计算带来更大的复杂性。由于不断的收获及耕作，使得耕地的碳贮量低于自然生态系统。发展中国家耕地的净初级生产量（NPP）仅为自然植被的10%20%，只有少数发达国家的耕地净初级生产量接近或超过自然植被40。NPP降低意味着植物生物量降低，因而植物残留物相应降低，进入土壤的残渣腐殖质也降低。美国农业土壤的碳贮量从1907

17、年大肆开垦和拓荒以来不断下降，到50年代下降了47%，之后的20年间呈持平状态；70年代以后由于免耕及减少耕作的保护性耕作措施被广泛采用以来便逐渐上升，其耕地年吸收CO2的潜在能力为120270 Mt (其中土壤吸收75208 Mt；到2030年和2050年，其耕地土壤碳吸收量将分别增至3 500 Gt和4 000 Mt41；我国耕地土壤1995年的碳固定量为137.4 Mt,占吸收碳总量的12.6%；到2000年，我国耕地土壤的碳清除量将呈降低的趋势42。据Buringh43估计，全球农业土壤中的碳贮量为142&

18、#160;Gt。农业土壤的有机质含量取决于其年生成量和年分解量的相对大小，并受各种自然成土因素的制约。在自然植被下，土壤所处的气候、母质、地形、植被及成土时间决定着土壤有机质的年分解量，同时还通过植被凋落物及死亡的根系等进入土壤的有机物质的数量而决定土壤有机质的年形成量。农业土壤中决定有机质的分解量和生成量的因素主要是人们所采取的利用方式和各种措施。综合起来，影响土壤有机质分解和形成的因素主要有：土壤所处气候区的温度、水分、耕作措施、作物残渣管理方式、施肥制度、轮作方式、灌溉制度等，以及土壤本身的一些性质如质地、pH、CaCO3含量和有机物料的组成如C/N比、木质素含量等。一般来讲，温度较低的

19、地区土壤有机质的年矿化量较低；耕作频繁的土壤，其矿化量较高；质地较粘重或粘粒含量较高的土壤，有机物质分解较慢；游离CaCO3的存在会提高有机物质的分解速率；水田的有机物质腐殖化系数较旱地高；木质素含量高的有机残体，其腐殖化系数高。不但土壤所处的环境条件、土壤本身的性质和管理措施影响土壤有机质的年形成量和年分解量；而且，土壤有机碳的不同组分，其降解速率从几个月到几百年不等。研究者们按有机质周转时间的快慢及难易程度不同，将土壤有机质分为几个不同的组分4447，即土壤微生物量碳（microbial biomass）、分解较慢的有机碳(slow SOC和难分解有机碳(passive

20、 carbon这几部分。其中，土壤微生物量碳包括代谢库和结构库部分的活性和非活性微生物量，这部分碳占到土壤有机质总量的3%7，其周转时间为几个月到几年；分解较慢的有机碳包括一些较难分解的结构物质及微生物代谢产品，占到有机质总量的50%左右，其周转时间在2050年之间；难分解有机碳的抗分解能力较强，这部分有机碳占到有机质组分的43%47%，其周转时间在4002 000年之间47。在全球气候变化条件下，温度、水分等状况的变化还会对计算农业土壤的碳降解产生反馈作用，这些都将是计算农业土壤碳汇中很复杂的问题。3碳汇计算过程中目前存在的一些问题IPCC温室气体清单及京都议定书中计算温

21、室气体汇的方法还有诸多不足之处，有的是由于定义不明确；还有一些计算会鼓励某些不利于减少温室气体排放的短期行为发生，这都有待于将来作进一步的修改和完善。现列举如下。3.1对一些活动应重新定义(1 应对“造林”、“再造林”及“毁林”等活动重新定义，防止由此造成的破坏贮存和减少生物多样性的行为发生，并减少因不确定性造成无法计算等问题。如明确定义“再造林”，以将皆伐后立即种植的这种森林管理活动排除在“再造林”之外。(2 目前，初级森林向次级森林的转化以及森林退化都未在IPCC指南中有明确规定，但在此过程中释放的碳是应该计算在“毁林”的碳排放量之中的，其定义也应该更明确。3.11计算

22、尚待改进(1 IPCC指南中，森林转化为农田只考虑30 cm土壤内的碳变化，但这对大多数植被类型是不够的。文献中一般仅提到土壤碳的浓度而不指出单位面积的碳量。而土地利用方式改变后土壤的容重会发生变化，这一点还未受到重视。(2 植物残枝及枯枝落叶层都应包括在碳源及汇的计算范围内并尽快降低其不确定性。(3 初级森林向次级森林转化是除毁林和森林退化外的另外一个主要碳源，应将此计算到释放的范围内，并将由此造成的土壤碳的释放也计算在内。3.111应有助于防止一些短期行为发生(1 一个许诺期到期后如果不紧接着另外一个新的许诺期的话，在此过渡期间将会有不计算

23、在内的大量释放温室气体的活动发生；而且，这样的预谈判应在许诺期实行的7年以前便开始进行，即第二个许诺期应在2005年便开始进行，以防过渡期间的砍伐。(2 由于发展中国家目前只有建立温室气体清单的义务，发达国家通过为发展中国家提供造林资金或技术等可将其排放数额通过排放贸易而减轻或转移，这也是目前应注意的一个方面。4温室气体清单及汇的不确定性 温室气体清单中各种温室气体的排放源及汇清除的各种活动、过程和类型都存在相当大的不确定性，如：对一些活动的定义及种类还不很明确；对源和汇的基本过程如“再造林”与“砍伐后很快再重新种植”这一常见的森林管理活动区别不明确。初级森林转化为次级森林

24、或管理森林，以及森林的逐渐退化等活动都会使碳的释放增加，若不明确定义的话，这些释放的碳会被忽略。此外，不同的假设条件，使用排放吸收系数的不同及科学性、可靠性及代表性，估算方法及模式的不同，测量方法不恰当；选定参数的合理性及代表性等，都会造成清单的不确定性。其中，土地利用变化和森林汇的不确定性主要取决于排放因子的选取是否合适以及所获数据的可靠性。参考各国国家履约信息通报、IPCC指南及一些文献报道，温室气体源汇的不确定性如表1。从中可以看出，化石燃料燃烧的排放温室气体的不确定性低于非燃料排放气体，其中土地利用变化和森林的不确定性较大(约为50%，不过“森林和其他木本生物量的变化”子类的不确定性又

25、较其他子类小，因此包括这类汇不会增加清单的整体不确定性。目前，造林、再造林和毁林的内容基本属于“森林和其他木本生物量的变化”子类，其不确定性较低；对农业土壤来讲，由于剖面研究的数量较少、缺乏不同类型土壤中碳数量的科学数据、土壤碳空间变异性大等原因，其不确定性目前还相当大，因此很需要进行广泛深入的研究。参考文献1 Post W M, Emanuel W R, Zinke P J, et al. Soil carbon pools and 

26、world life zonesJ. Nature,1982, 298:156159.2 Bohn H L. Estimates of organic carbon in world soilsJ. Soil Sci Soc Am J, 1976, 46: 468470.3 Bohn H L. Estimates of 

27、;organic carbon in world soilsJ. Soil Sci Soc Am J, 1982, 46: 1 1181 119.4 Brown S, Lugo A E. The storage and production of organic matter in tropical fore

28、sts and their role in the global carbon cycleJ. Biotropica, 1982,14: 161187.5 Bouwman A F ed. Soils and the Greenhouse EffectM. Chichester： John Wiley & Sons, 1990.&#

29、160;575.6 Esser G. Modelling global terrestrial sources and sinks of carbon dioxide with special reference to soil organic matterA. In: Bouwman A F ed. Soils and the Greenhouse EffectC. Chichester: John Wiley & Sons, 1990. 247261.7 Kimble J M, Eswaran H,