全球森林碳汇的持久性及其变化趋势：一项基于地面数据的三十年综合评估

作者及发表信息
本研究由Yude Pan（美国农业部林业局）领衔，联合Richard A. Birdsey（伍德威尔气候研究中心）、Oliver L. Phillips（利兹大学）等来自15个机构的学者共同完成，于2024年7月18日发表于《Nature》第631卷。研究团队整合了全球 boreal（寒带）、temperate（温带）和 tropical（热带）森林的实地观测数据，首次提供了基于地面测量的长期森林碳汇评估。

学术背景
陆地生态系统对二氧化碳（CO₂）的吸收是缓解气候变化的关键机制，而森林作为陆地碳汇的主导组分，其动态变化直接影响全球碳预算。尽管遥感与模型技术快速发展，但长期基线数据的缺乏导致对森林碳汇的时空格局认知不足。本研究旨在解决以下问题：(1) 全球森林碳汇的长期趋势如何？(2) 不同生物群落的碳汇变化是否存在差异？(3) 人类活动与气候变化如何影响碳汇稳定性？研究基于IPCC（政府间气候变化专门委员会）的碳核算框架，结合森林资源评估（FRA）定义，填补了地面数据与模型预测间的鸿沟。

研究方法与流程
1. 数据来源与区域划分
- 数据覆盖：整合1990–2019年间全球森林资源清查、生态监测站点及遥感数据，涵盖95%的全球森林面积（4.0×10⁹公顷），按boreal、temperate和tropical biome（生物群落）划分，其中热带森林进一步区分为intact forest（原始林）和regrowth forest（再生林）。
- 碳库定义：包括活体生物量（living biomass）、枯木（dead wood）、凋落物（litter）、土壤有机碳（soil organic matter）及木材产品（harvested wood products, HWP）。

1. 碳汇估算方法

   • 寒带与温带森林：采用“存量变化法”（stock-change approach），基于国家森林清查的重复测量数据，量化碳储量随时间变化。例如，中国通过植树造林面积增长数据结合样地生物量模型计算碳汇。
     
   • 热带森林：
     
     • 原始林：使用永久样地网络测量碳密度变化，结合区域面积加权（如亚马逊370个样地、非洲120个样地）。
       
     • 再生林：采用“簿记模型”（book-keeping model），基于土地利用变化历史与文献中的再生速率（如东南亚湿润区再生速率5.2 Mg C ha⁻¹ yr⁻¹）。
       
   • 不确定性分析：通过蒙特卡洛模拟和误差传播法量化不确定性，全球碳汇误差范围为±0.4 Pg C yr⁻¹。
     

2. 创新方法

   • 跨尺度数据融合：将高分辨率遥感森林面积数据（如FAO FRA 2020）与地面样地生物量数据结合，解决热带地区样本偏差问题。
     
   • 碳命运追踪：针对热带毁林碳排放，区分碳的最终去向（大气排放45%、农业土壤保留36%、木材产品2%等）。
     

主要结果
1. 全球碳汇稳定性与区域分异
- 全球森林碳汇在1990–2019年间保持稳定（3.6±0.4 Pg C yr⁻¹），但生物群落尺度变化显著：
- 温带森林：碳汇增长30±5%，主要归因于中国造林计划（2000–2019年新增森林贡献86 Tg C yr⁻¹）。
- 热带再生林：碳汇增加29±8%，面积扩张194 Mha（+56%）。
- 寒带森林：碳汇下降36±6%，因亚洲俄罗斯野火与虫害加剧（活体生物量从碳汇转为碳源）。
- 热带原始林：碳汇减少31±7%，主因东南亚油棕扩张导致53%面积损失。

1. 碳库动态

   • 碳密度提升：所有生物群落单位面积碳储量上升（如寒带土壤碳增加64%），但全球均值因高碳密度原始林损失而持平。
     
   • 热带净碳汇接近中和：尽管原始林与再生林吸收2.5±0.4 Pg C yr⁻¹，但毁林排放（2.2±0.5 Pg C yr⁻¹）抵消了三分之二效益。
     

2. 与全球碳预算（GCB）的关联

   • 森林碳汇占陆地总碳汇的65–75%，但非森林土地碳汇增长显著（如草地与农田管理改善）。
     
   • 模型对比显示，动态全球植被模型（DGVMs）可能高估未来森林碳汇潜力。
     

结论与意义
1. 科学价值
- 首次通过地面数据验证全球森林碳汇的长期稳定性，为IPCC碳预算评估提供实证基准。
- 揭示区域异质性背后的驱动机制：温带造林的正效应、热带毁林的负效应及气候变化对寒带干扰机制的放大。

1. 应用价值
   
   • 政策建议：
     
     • 优先遏制热带毁林（如通过REDD+计划），保护原始林碳储量（870±61 Pg C）。
       
     • 推广气候智能型林业（climate-smart forestry），如寒带减少火灾风险、温带优化采伐策略。
       
   • 技术路径：延长木材产品寿命（当前仅10%碳被长期封存），发展循环经济。
     

研究亮点
1. 方法创新：融合多源数据构建三十年全球森林碳通量数据集，弥补遥感与模型的不确定性。
2. 关键发现：
- 热带再生林的碳汇增长无法弥补原始林损失，凸显保护优先性。
- 寒带土壤碳库（207±10 Pg C）因变暖与火灾面临重大流失风险。
3. 跨学科影响：为生态学、气候政策及碳交易市场提供数据支撑，例如证明森林碳汇可抵消46%化石燃料排放。

补充价值
研究呼吁加强热带土壤碳监测、优化森林定义一致性，并投资长期地面观测网络以降低不确定性（如非洲干旱林数据缺口）。这些发现直接响应《巴黎协定》的碳中和目标，强调森林管理在“负排放”技术中的核心地位。