超兽武装合体:香山科学会议——会议简况

陆地生态系统固碳潜力不确定性的科学问题

——香山科学会议第372次学术讨论会综述

全球和区域碳循环及碳收支的动态变化研究已经成为全球变化研究的核心内容之一，不仅是因为它的微小变化就能导致大气CO₂浓度的明显波动从而进一步影响全球气候的稳定，而且由于它与“京都议定书”有着紧密联系。我国是当今最大的工业源CO₂排放国家之一，因此阐明中国陆地生态系统在全球碳循环中碳汇/碳源的作用是中国科学家乃至国际社会普遍关注的重大环境问题。《巴厘岛路线图》为2012年《京都议定书》第一承诺期到期后发展中国家控制其温室气体排放增长之要求，对发展中大国持续发展形成巨大压力，我国面对履约严峻形势，迫切需要掌握现实陆地生态系统碳储量和未来全球变化影响下的增碳潜力。近年来，尽管我国陆续开展了陆地生态系统碳循环的过程与机制研究，大都以分散点上研究为主，数据密度明显不足，且大都以地上部分研究为主（包括土地利用和生态系统管理在内）。具有可比性的，按照一致性的研究方法开展的国家尺度土壤固碳功能及潜力的研究尚属空白。全球变化和生态系统管理双重影响的陆地生态系统土壤碳截获过程与机理的科学作用，亟待给与充分的关注。

为及时分析陆地生态系统固碳潜力的不确定性，了解我国陆地生态系统固碳潜力，并与发达国家特别是对手国相比我国陆地生态系统总体固碳能力的优势与不足，并提出可能的应对措施，以保障我国核心利益的实现，香山科学会议于2010年4月20~22日在北京召开了以“陆地生态系统固碳潜力不确定性的科学问题”为主题的学术讨论会。会议由韩兴国研究员、孙鸿烈研究员、张新时教授、李文华研究员、刘世荣研究员担任执行主席，来自科研院所、高等院校、和管理部门的40余位专家学者应邀参加了讨论会。与会专家围绕（1）自然系统固碳潜力的理论探讨；（2）全球变化与生态系统管理影响土壤碳截获的关键科学问题；（3）陆地生态系统固碳潜力情景分析着重解决的科学问题；（4）陆地生态系统碳通量监测的新技术探讨等中心议题进行了交流和深入讨论，并提出了建议。

 一、   主题评述报告

 中科院沈阳应用生态研究所韩兴国研究员作了题为“开展我国陆地生态系统固碳潜力关键科学问题讨论的必要性”主题评述报告，他首先对国际上土壤固碳功能和固碳潜力、气候变化影响土壤碳截获的过程与潜力、生态系统管理的土壤碳截获过程及增碳模式进行了评述，指出我国在陆地生态系统土壤碳库潜力及未来变化情景，以及其土壤碳截获机制方面相对滞后，需要进一步集中精力进行研究，以期望重点突破，为国家气候谈判以及政治履约提供必要科学数据支撑。他认为，国际上尚未形成统一的方法体系，为我国研究提供了机遇和挑战，具体应该重点研究几个不确定（Uncertainty）相关的问题：包括潜力的确定 （Definition）；谁来做（Who does it）；怎样做（How it can be done）；做到什么程度（To what extent）； 不确定性中的不确定性（Uncertainty of the uncertainty），以及产生这些不确定的可能：方法（Methods）、数据来源（Data source）、模型 （Modeling）、情景（Scenario）和尺度（scale）等。生态系统管理如何影响土壤碳截获，应是今后研究的重点，大规模植被建设需要相应匹配的水资源支持，水资源的有效性与时空变化的异质性影响陆地生态系统的固碳潜力，产生固碳能力的不确定性。区域植被建设的水、碳平衡及其调控将成为关注的核心问题。

在讨论中，与会专家认为，在研究陆地生态系统碳汇功能不确定性时，应该充分考虑未来50~100年时间尺度上区域气候模式和全球气候模式所隐含的大量不确定问题。陆地生态系统生命体生物固碳合成过程是游离态分子碳团聚成集合过程，表现为生物量碳的积累。而其解聚过程表现为碳源过程，主要表现在微生物异养分解过程。土壤作为陆地最大碳库，其碳截获过程实质是有机碳、无机碳与土壤颗粒团聚的过程，形成更加复杂多样的土壤团聚体，则意味着更大的碳截获，反之，则意味着土壤碳的释放。今后应加强土壤碳在土壤颗粒团聚、土壤胶体形成中的纳观、微观分子过程理论研究，对于土壤固碳潜力评价、土壤碳截获机制具有重要科学意义。关于其它环境变化，包括氮沉降、生态系统管理、灌溉和土地利用和覆盖变化等，目前国际上还没有通用的未来情景可用，但是这些对于未来生态系统固碳潜力的估算也具有重要影响。

 二、   自然系统固碳潜力的理论探讨

 与会专家在报告中，指出尽管很多国内外学者对自然生态系统的碳循环过程及其潜力进行了多方面的研究，但由于不同环境要素及格局的改变所导致的主要生物地球化学过程了解的欠缺，对自然生态系统碳收支的许多物理、化学和生理生态过程的理解也较少，很多过程的机理及其耦合还不完全清楚，研究的结果具有很大的不确定性。森林生态系统是地球上除海洋之外最大的碳库，占全球陆地总碳贮量的46%，由于诸多因素的影响，对于森林生态系统的碳汇、时空变化及其形成机制的研究具有很大的不确定性。

森林和草地土壤碳截获潜力的计算，是国际履约和碳外交谈判对陆地生态系统碳截获的功能需求，量化生态系统的最大固碳空间将成为满足上述需求的前瞻性和基础性的重要科学问题，其中固碳潜力评估中需要科学的参照系。当前，全球陆地碳储量的估算数字不断增加，提高陆地土壤的固碳潜力，已成为体现话语权的潜在知识，但是量化固碳潜力的理论研究处在酝酿阶段。Science和PNAS等期刊的观点，间或提出老龄林、历史森林和最大土壤固碳容量等，已显露量化潜力的理论需求，开展具有普适性的固碳潜力参照系理论研究具有必要性和迫切性。

 三、             全球变化与生态系统管理影响土壤碳截获的关键科学问题

       与会专家在报告中，指出目前国际上关于生态系统碳固持潜力及其维持机制认识明显不足，尤其是对土壤系统的关键碳过程及其稳定性变化，导致陆地生态系统碳汇潜力的评估结果存在着极大的不确定性。迫切需要深入开展陆地生态系统碳循环机制、关键过程和碳源汇格局及其驱动力机制的研究，藉以增强对全球气候变化和生态系统管理对陆地生态系统固碳潜力及其不确定性的科学认识。经典生态学理论认为与非成熟森林相比，成熟森林作为碳汇的功能较弱，甚至接近于零，“成熟森林碳循环趋于平衡”是现今大量生态学模型的基础。但是，我国中高纬度的北方地区并不是陆地碳汇，而陆地碳汇却发现主要分布在南部，主要缘于大规模造林和灌丛植被的恢复重建形成的碳汇。这一结论与国际社会普遍认为北半球中高纬度地区是陆地生态系统的碳汇的结论并不一致，再次表明了陆地生态系统碳汇的时空变异性及不确定性。在林业措施成为中国自主减少温室气体排放的国际承诺目标的背景下，如何科学计量和估算中国森林储量和碳汇潜力以及动态变化，为国家林业主管部门制定规划提供科学依据。中国即将大规模开展的森林经营工作，土壤碳的问题尤其突出。因为在森林经营的抚育间伐过程中，扰动了森林土壤，是否造成了碳排放？排放了多少？什么样的经营措施不会造成土壤碳排放？是目前林业建设急需解决的问题。

 四、             陆地生态系统固碳潜力情景分析着重解决的科学问题

 与会专家在报告中，指出全球变化系统是一个不确定的混沌系统，是由全球气候系统，全球生态系统和人类社会经济系统相互作用所构成，具有高度的复杂性、正负反馈作用，和多时空尺度，这个系统的不确定性是必然的，确定性不是必然的。我们进行研究的目的是，要从全球变化的不确定性中，找出其中的某些确定性，以达到一定程度（灰色）的理解。我国森林的平均碳密度（40吨/公顷）仍远低于世界的平均水平，固碳潜力还很大。中国森林覆盖率的极限是26.5%，造林的潜力为1.29×10⁸ hm²，按照人工造林的固碳率1.4tC/hm²计算，中国造林的固碳潜力可达到1.81×10⁸tC。选用优良品种，将显著增强固碳潜能。中国是世界第二大草地大国，天然草地面积约4×10⁸hm²，占国土的42%，是林地的两倍，耕地的三倍，北方温带草原面积约占总草地面积48％。中国草地碳库蓄碳11.5×10⁸tC，其中地下部分10×10⁸tC；碳密度3.46tc/hm²，其中地下部分3tc/hm²。上世纪90年代，中国森林为一个碳汇，强度为189 Tg C a^-1，主要是由于森林恢复所造成。在未来，即使气候和大气CO₂浓度不发生变化，由于森林年龄结构的改变，中国森林碳汇的强度将在2020年左右达到峰值，以后逐步减小，森林和草地作为我国陆地生态系统的主体，加强其碳截获功能在不同全球变化情景下的变化，应该是今后研究的重点。

五、             陆地生态系统碳通量监测的新技术 

与会专家在报告中，指出全球气候变化与陆地生态系统碳循环之间的反馈关系一直是模拟和预测未来气候变化的主要不确定性来源之一。到目前为止，我国还没有一例在自然生态系统的长期二氧化碳控制实验，严重限制了对于我国陆地生态系统响应和适应全球气候变化的理解，因此在典型自然生态系统开展包括二氧化碳富集处理的全球变化多因子实验应该是我国未来全球变化研究的重点方向。由于全球变暖促进土壤有机物的分解，目前做为碳汇的陆地生态系统（大约10亿吨碳/年）在2050年之后有可能转变为碳源。但是，这种未来预测还缺乏长期的野外观测数据做以验证，后京都议定书（COP15）没有涉及到土壤有机碳排放对大气升温的反馈效应问题。日本环境省针对京都议定书而资助的东亚地区森林碳汇潜力的研究项目大多采用国立环境研究所研发的多通道大型自动开闭箱系统对土壤有机碳的排放过程进行连续测定。在我国森林土壤碳截获功能研究中应该重点关注土壤有机碳排放测定的新技术的应用。森林生态系统地上固碳潜力还存在：森林地上最大固碳量估测的不确定性、森林地上固碳潜力时间外推的不确定性、森林地上固碳潜力空间外推存的不确定性、森林景观过程的不确定性。

 六、             几点建议 

在经过广泛交流和深入讨论后，针对我国陆地生态系统固碳潜力不确定性，与会专家一致认为：

1．土壤碳截获的生物学机制的深入研究能够为情景分析、模型模拟提供重要参数系统。而地下土壤碳过程的不确定性较地上生物量的不确定性更大，是今后研究的重点。

2．我国陆地生态系统固碳的主体是森林和草原，农业土壤管理增加碳累积效果显著。因此应加强生态系统管理影响其碳汇功能的研究，这对于我国履约和气候变化谈判意义重大。

3．我国陆续开展了典型陆地生态系统固碳潜力的研究，与国际同类研究相似，但就不同生态系统类型的固碳潜力评估缺少普适性的科学理论方法的支持，导致现有的各种关于陆地生态系统碳汇潜力的评估结果存在着极大的不确定性，应大力加强自然系统固碳潜力的理论探讨。

4．大规模植被建设需要相应匹配的水资源支持，水资源的有效性与时空变化的异质性影响陆地生态系统的固碳潜力，产生固碳能力的不确定性。区域植被建设的水、碳平衡及其调控应成为关注的核心问题。生态系统管理如何影响土壤碳截获，是今后研究的重点。

5．国际上陆地生态系统固碳潜力情景分析中尚未就氮沉降、生态系统管理、灌溉和土地利用和覆盖变化等如何影响未来情景进行系统研究。关于固碳潜力与环境变化情景的关系，最重要的应是根据不同IPCC 气候变化情景，给出固碳潜力的变化情景，进而根据其它环境变化，对上述固碳潜力变化情景进行修正。

6．应进一步加强陆地生态系统碳通量监测的新技术，包括长期控制野外控制实验，为模型模拟提供必要参数体系。