劉博杰，逯　非，王效科，劉魏魏，王莉雁，饒恩明，張　路，鄭　華

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心　城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100085　　2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　 100049　　3 全球變化研究協(xié)同創(chuàng)新中心，北京　100875

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中國天然林資源保護(hù)工程溫室氣體排放及凈固碳能力

劉博杰1,2，逯非1,3,*，王效科1,3，劉魏魏1,2，王莉雁1,2，饒恩明1，張路1，鄭華1

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京1000852 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 1000493 全球變化研究協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100875

基于天然林資源保護(hù)工程(簡稱天保工程)一期(2000—2010年)營造林過程工程邊界內(nèi)碳排放和邊界外碳泄漏的計算，分析了天保工程及各區(qū)域碳排放和碳泄漏年際變化及影響因素，對比了天保工程及各區(qū)域碳排放和碳泄漏的組成特征，研究了天保工程及各區(qū)域凈固碳量的變化特征。結(jié)果表明：天保工程一期西北、中西部地區(qū)、南部地區(qū)、東北地區(qū)和天保工程的碳排放分別為0.89、1.47、0.09、2.45 TgC；碳泄漏分別為3.17、3.11、6.50、12.78 TgC。工程措施和碳排放強(qiáng)度的區(qū)域性差異導(dǎo)致各區(qū)域碳排放組成特征不同。造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)最大的工程措施碳排放；新造林及森林管護(hù)是東北地區(qū)最大的工程措施碳排放。相應(yīng)地，各種物資消耗中，建材是西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)最大的物資碳排放；燃油是東北地區(qū)最大的物資碳排放。天保工程在工程邊界內(nèi)外引起的額外溫室氣體排放量達(dá)到15.23 TgC,抵消了工程固碳效益的9.82%；在西北、中西部地區(qū)、南部地區(qū)和東北地區(qū)的抵消作用分別為10.08%、8.16%和11.24%。天保工程一期凈固碳量為139.77 TgC,年均凈固碳量為12.71 TgC/a。因此，碳排放和碳泄漏對天保工程固碳的抵消較小，工程一期在我國溫室氣體減排和減緩全球氣候變暖上做出了巨大貢獻(xiàn)。避免工程基礎(chǔ)設(shè)施的盲目建設(shè)和對工程進(jìn)行合理規(guī)劃是減少溫室氣體排放的可能途徑。

天然林資源保護(hù)工程；碳排放；碳泄漏；凈固碳量；溫室氣體

工業(yè)革命以來，由于人類化石燃料燃燒和土地利用變化導(dǎo)致CO2排放480 PgC[1]。近十年，全球平均CO2濃度年增加量為(2.0±0.1) μL/L[2]。森林在全球和區(qū)域碳循環(huán)中具有重要作用。目前全球森林生物量碳儲量為(363±28) PgC，東亞地區(qū)和中國生物量碳儲量分別占全球的2.46%和1.69%[3-4]。同時，在森林的固碳方面，全球每年森林的總固碳量為(2.4±0.4) PgC/a[3]。東亞季風(fēng)區(qū)亞熱帶森林凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)占全球森林NEP的8%[5]。我國目前森林的固碳能力為78.8 TgC/a并將持續(xù)到本世紀(jì)中葉[6]。通過林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)固定CO2以減緩全球氣候變化已成為國際社會的基本共識[7]。林業(yè)碳匯是《京都議定書》規(guī)定的溫室氣體減排途徑之一[8-9]。在《京都議定書》規(guī)定的清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)下，發(fā)達(dá)國家可通過林業(yè)碳匯項(xiàng)目獲得碳信用額度用于抵減溫室氣體排放量[10]。人口密度與森林碳密度之間具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[11]。全球每年由于人類毀林產(chǎn)生的碳排放高達(dá)(2.9±0.5) PgC/a，是僅次于化石燃料燃燒的碳排放源[3]。為減少發(fā)展中國家因毀林和森林退化造成的碳排放，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》2005年第11屆締約方大會上正式提出了“減少毀林及退化造成的碳排放”(Reducing Emissions from Deforestation and Degradation, REDD)項(xiàng)目，REDD+是REDD的延伸，其中“+”指增加碳儲量[12]。明確CDM林業(yè)碳匯項(xiàng)目和REDD+項(xiàng)目對溫室氣體減排的貢獻(xiàn)要求項(xiàng)目的固碳能力具有可測量性、可報告性和可核實(shí)性[13-14]。

目前，國內(nèi)外已有學(xué)者對林業(yè)碳匯項(xiàng)目的固碳能力展開研究，認(rèn)為項(xiàng)目的開展具有可觀的固碳效益[15-18]。然而，林業(yè)碳匯項(xiàng)目固碳的有效性要求將項(xiàng)目隱藏的碳排放和碳泄漏剔除以保證固碳的額外性[19]。林業(yè)碳匯項(xiàng)目邊界內(nèi)的造林成本來源于種植(清理整地、定植、施肥)、撫育(幼林除草、施肥)和運(yùn)輸[20]。以上過程所需物資如燃油、灌溉、肥料、藥劑和建材在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程會導(dǎo)致林業(yè)碳匯項(xiàng)目邊界內(nèi)產(chǎn)生“碳排放”[21-22]。另外，林業(yè)碳匯項(xiàng)目可通過活動轉(zhuǎn)移、市場影響、排放轉(zhuǎn)移和生態(tài)泄漏直接或間接導(dǎo)致項(xiàng)目邊界外溫室氣體排放增加，即“碳泄漏”[23]。林業(yè)碳匯項(xiàng)目中的造林再造林和森林保護(hù)都可能通過活動轉(zhuǎn)移和市場影響產(chǎn)生碳泄漏[24]。碳泄漏可在區(qū)域乃至全球尺度上產(chǎn)生，部分甚至能夠全部抵消項(xiàng)目的固碳效益[25]。目前針對林業(yè)碳匯項(xiàng)目碳泄漏的研究主要集中于森林保護(hù)項(xiàng)目邊界內(nèi)木材產(chǎn)量調(diào)減所導(dǎo)致的邊界外木材采伐量增加產(chǎn)生的溫室氣體排放，研究結(jié)果表明，碳泄漏抵消森林保護(hù)固碳效益的比例可高達(dá)90%左右，政策保障和加強(qiáng)區(qū)域間森林保護(hù)合作有助于減少碳泄漏[26-28]。Henders等[29]總結(jié)了計算REDD項(xiàng)目碳泄漏的34種方法并將其分為9組，其中6組用于計算活動轉(zhuǎn)移碳泄漏，3組用于計算市場影響產(chǎn)生的碳泄漏。碳排放和碳泄漏或多或少抵消了林業(yè)碳匯項(xiàng)目的固碳效益。林業(yè)碳匯項(xiàng)目對溫室氣體減排的實(shí)際貢獻(xiàn)應(yīng)體現(xiàn)為凈固碳能力或凈減排潛力，即項(xiàng)目實(shí)測固碳量扣除碳排放和碳泄漏等折扣因素[30]。目前國內(nèi)外已有學(xué)者對造林項(xiàng)目的凈固碳能力展開研究并依據(jù)凈固碳能力的結(jié)果對項(xiàng)目的減排有效性給出了評價，然而上述研究均在較小尺度上展開，對項(xiàng)目碳排放和碳泄漏的計算也有待完善[16-18]。

20世紀(jì)70年代以來，我國相繼實(shí)施了天然林資源保護(hù)工程、退耕還林工程、“三北”防護(hù)林工程、京津風(fēng)沙源工程等重大生態(tài)工程。這些工程的實(shí)施，極大促進(jìn)了我國森林資源的固碳功能[31-35]。同時也為我國實(shí)現(xiàn)2020年碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%—45%的目標(biāo)和2030年左右溫室氣體排放有望達(dá)到峰值的承諾提供了有力保障[36]。天保工程是一項(xiàng)以促進(jìn)我國天然林資源的恢復(fù)和發(fā)展為主旨的生態(tài)建設(shè)及重建工程[31]。該工程自1998年試點(diǎn)啟動，于2000年正式全面啟動，一期工程時間為2000—2010年。天保工程的主要內(nèi)容包括森林分類區(qū)劃、調(diào)減和停止天然林采伐、生態(tài)公益林和商品林建設(shè)和基礎(chǔ)保障體系建設(shè)[37]。目前已有關(guān)于天保工程新增人工林固碳量的研究，結(jié)果表明天保工程一期人工林固碳量為33.67 TgC，至2020年工程二期結(jié)束可達(dá)96.03 TgC[35]。除此之外，調(diào)減木材產(chǎn)量也是天保工程固碳的主要途徑，占固碳總量的比例可達(dá)51.62%[31]。然而上述研究對工程的碳排放和碳泄漏尚未評估，溫室氣體排放對工程固碳抵消的不確定性還需要進(jìn)一步明確。本研究以天保工程為研究對象，從大尺度上計算了天保工程及各區(qū)域的碳排放、碳泄漏和凈固碳量，對揭示天保工程在減緩全球氣候變化和溫室氣體減排的凈貢獻(xiàn)方面具有重要意義。

1 　研究方法

1.1研究區(qū)域

本研究所涉及的范圍包括天保工程實(shí)施的17個省(自治區(qū)、直轄市)。基于計算參數(shù)的空間異質(zhì)性和天保工程實(shí)施方案，本研究將工程劃分為3個研究區(qū)域(表1和圖1)。西北、中西部地區(qū)主要包括位于黃河上中游地區(qū)的8個省(自治區(qū))；南部地區(qū)主要包括位于長江上游地區(qū)的7個省(自治區(qū)、直轄市)；東北地區(qū)包括2個省。由于內(nèi)蒙古地區(qū)造林活動主要在黃河上中游地區(qū)而調(diào)減木材產(chǎn)量主要在東北地區(qū)，因此本研究在計算碳排放和新造林固碳量時將內(nèi)蒙古劃歸為西北、中西部地區(qū)，計算調(diào)減木材產(chǎn)量固碳量和碳泄漏時劃歸為東北地區(qū)。

表1　天保工程研究區(qū)域劃分

圖1　天保工程研究區(qū)域圖Fig.1　Research zoning of Natural Forest Protection Program

1.2天保工程邊界內(nèi)碳排放和邊界外碳泄漏計算

本研究計算了天保工程一期2000—2010年每年工程邊界內(nèi)造林、營林產(chǎn)生的碳排放以及工程實(shí)施導(dǎo)致邊界外產(chǎn)生的碳泄漏。邊界內(nèi)碳排放指天保工程造林、營林過程物資使用和能源消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放。邊界外碳泄漏指由天保工程引起的，工程措施外的人類活動溫室氣體排放?！斑吔纭钡膭澏ㄊ腔诠こ痰膬?nèi)容和措施，而非地域邊界。因此碳泄漏可能發(fā)生在工程區(qū)域內(nèi)也可能發(fā)生在工程區(qū)域外。本研究碳泄漏指天保工程木材產(chǎn)量調(diào)減導(dǎo)致邊界外溫室氣體排放的增加量。

1.2.1碳排放計算

本研究基于《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計指標(biāo)將天保工程分為森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、造林、新造林及森林管護(hù)和跡地更新四項(xiàng)主要工程措施。其中，森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括護(hù)林宣傳牌、圍欄和林區(qū)道路建設(shè)；造林包括耕整地、造林地除草、種植、施肥、灌溉和飛播；新造林及森林管護(hù)包括巡視、病蟲害防治和新造林撫育。將每項(xiàng)工程措施下各項(xiàng)營造林活動的碳排放求和得到各項(xiàng)工程措施碳排放。每項(xiàng)營造林活動碳排放的計算：

Eit=EFi×Mit

(1)

式中，Eit為第i種物資于第t年碳排放(tC)；EFi為第i種物資的碳排放參數(shù)(tC/t)；Mit為第i種物資于第t年的消耗量(t)。表2列出了工程消耗的物資種類、物資名稱及相應(yīng)的碳排放參數(shù)。Mit依據(jù)各項(xiàng)營造林活動每年的實(shí)施面積和單位面積需要投入的物資量確定。各項(xiàng)營造林活動每年的實(shí)施面積參考《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》[45]，單位面積物資投入量參考相關(guān)造林技術(shù)規(guī)程。本研究以陜西、四川和吉林分別作為西北、中西部地區(qū)、南部地區(qū)和東北地區(qū)的典型工程省份，計算典型工程省份每年碳排放并分別推算至3個區(qū)域:

Ejt=Ekt×Sjt/Skt

(2)

式中，Ejt為第j區(qū)域于第t年碳排放(tC)；Ekt為第k典型工程省份于第t年碳排放(tC)；Sjt為第j區(qū)域于第t年工程實(shí)施面積(hm2)；Skt為第k典型工程省份于第t年工程實(shí)施面積(hm2)。

表2　工程消耗的物資種類、物資名稱及碳排放參數(shù)

①復(fù)合肥指N，P，K純養(yǎng)分質(zhì)量各占肥料質(zhì)量的15%; ②殺蟲劑的碳排放參數(shù)指常見林業(yè)殺蟲劑甲氰菊酯、敵敵畏、阿維菌素、吡蟲啉和達(dá)螨靈的平均值

1.2.2碳泄漏計算

調(diào)減木材產(chǎn)量是天保工程的主要內(nèi)容之一。然而，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對能源和木材的需求并沒有減少。長期以來，薪材一直是工程區(qū)重要的能源類別。工程實(shí)施前的幾年，每年全國薪材產(chǎn)量在400萬m3左右，大約折合煤炭200萬t[45]。工程實(shí)施期間每年全國木材產(chǎn)量(原木和薪材)也呈上升趨勢[45]?；诖耍狙芯刻毂９こ烫夹孤┑挠嬎惆ㄒ韵聝刹糠謨?nèi)容。

(1)工程區(qū)薪材產(chǎn)量調(diào)減導(dǎo)致工程邊界外煤炭使用量增加而產(chǎn)生的溫室氣體排放。工程區(qū)各區(qū)域薪材調(diào)減量:

W1jt= (Yjt-Yj0) ×Pjt

(3)

式中，W1jt為第j區(qū)域于第t年薪材調(diào)減量(m3)；Yjt為第j區(qū)域于第t年木材產(chǎn)量(m3)；Yj0為第j區(qū)域于1997年木材產(chǎn)量(m3)；Pjt為第j區(qū)域于第t年薪材產(chǎn)量占工程區(qū)木材總產(chǎn)量的比例(%)。由于缺乏工程區(qū)薪材調(diào)減量的直接數(shù)據(jù)，本研究假設(shè)工程區(qū)調(diào)減采伐量中的薪材比例和全國木材產(chǎn)量中的薪材比例是一樣的。各區(qū)域每年木材和薪材產(chǎn)量的數(shù)據(jù)來源為《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》[45]。

工程區(qū)薪材調(diào)減導(dǎo)致煤炭使用的增加量:

Cjt=W1jt/ 2

(4)

式中，Cjt為第j區(qū)域于第t年煤炭使用的增加量(t)；每噸煤炭可替代薪材2m3[46]。

煤炭使用量的增加產(chǎn)生的碳泄漏：

L1jt=Cjt×EFc

(5)

式中，L1jt為第j區(qū)域于第t年工程邊界外煤炭使用量增加產(chǎn)生的碳泄漏(tC)；EFc為煤炭的碳排放參數(shù)(0.469 tC/t)[30]。

(2)工程區(qū)原木產(chǎn)量調(diào)減導(dǎo)致工程邊界外用材林造林面積增加而產(chǎn)生的溫室氣體排放。工程區(qū)各區(qū)域原木調(diào)減量：

W2jt= (Yjt-Yj0) -W1jt

(6)

式中，W2jt為第j區(qū)域于第t年原木調(diào)減量(m3)。

工程區(qū)原木產(chǎn)量減少導(dǎo)致工程邊界外新造用材林面積：

Ajt= (W2jt/ 0.59) /Vj

(7)

式中，Ajt為第j區(qū)域于第t年工程邊界外新造用材林面積(hm2)；0.59為商品材出材率[31]；Vj為第七次全國森林資源清查第j區(qū)域森林平均單位面積蓄積量(m3hm-2)。

工程邊界外新造用材林產(chǎn)生的碳泄漏：

L2jt=Ajt×EFaj

(8)

式中，L2jt為第j區(qū)域于第t年工程邊界外新造用材林產(chǎn)生的碳泄漏(tC)；EFaj為第j區(qū)域單位面積用材林造林碳排放量(tC/hm2)。

1.3凈固碳量計算

基于2000—2010年各工程區(qū)域每年碳排放和碳泄漏的計算結(jié)果，結(jié)合工程新造林和調(diào)減木材產(chǎn)量兩項(xiàng)固碳量，計算了天保工程一期各區(qū)域每年凈固碳量：

NCSjt=CSajt+CSbjt-Ejt-L1jt-L2jt

(9)

式中，NCSjt為第j區(qū)域于第t年工程凈固碳量(tC)；CSajt為第j區(qū)域于第t年工程新造林固碳量(tC)；CSbjt為第j區(qū)域于第t年調(diào)減木材產(chǎn)量固碳量(tC)；Ejt為第j區(qū)域于第t年工程邊界內(nèi)碳排放(tC)。本研究基于天保工程各工程省份每年累積新造林面積和各工程省份人工幼齡林固碳率計算各工程省份每年新造林固碳量，計算如(10)所示。根據(jù)各工程省份每年新造林固碳量，計算各工程區(qū)域每年新造林固碳量CSajt:

CSakt=CSRk×Skt

(10)

式中，CSakt為第k省于第t年工程新造林固碳量(tC)；CSRk為第k省人工幼齡林固碳率(t C hm-2a-1)[47]；Skt為第k省于第t年累計新造林面積(hm2)。以天保工程實(shí)施前的1997年為基準(zhǔn)，計算各工程區(qū)域每年調(diào)減木材產(chǎn)量固碳量CSbjt:

CSbjt= (Yjt-Yj0) ×CSRY

(11)

式中,CSRY為調(diào)減單位體積木材產(chǎn)量固碳量0.68 tC/m3[31]。

2　結(jié)果與分析

2.1天保工程及各區(qū)域碳排放

2.1.1碳排放年際變化

圖2　天保工程及各區(qū)域碳排放變化　Fig.2　Variance of carbon emissions in Natural Forest Protection Program and respective regions

基于天保工程及各區(qū)域2000—2010年每年各項(xiàng)營造林活動物資消耗量的計算及各種物資的碳排放參數(shù)，計算了天保工程及各區(qū)域碳排放的年際變化(圖2)。天保工程一期營造林活動共產(chǎn)生碳排放2.45 TgC。不同區(qū)域碳排放存在明顯差異。其中，南部地區(qū)>西北、中西部地區(qū)>東北地區(qū)。整個工程期內(nèi)，上述3個區(qū)域的碳排放分別為1470.82 GgC，885.70 GgC和91.72 GgC。各區(qū)域年際碳排放變化與造林面積的變化具有明顯的一致性。各區(qū)域碳排放的變化主要取決于造林面積的變化，由造林面積變化導(dǎo)致的燃油、灌溉、肥料、建材和藥劑消耗的變化是碳排放發(fā)生改變的主要原因。南部地區(qū)和西北、中西部地區(qū)碳排放變化趨勢較為接近。2000—2001年，兩個區(qū)域的碳排放隨著造林面積的增加而上升，西北、中西部地區(qū)碳排放于2002年達(dá)到峰值129.10 GgC。2002—2007年，兩個區(qū)域的碳排放隨造林面積的減少而下降。2008年開始，兩個區(qū)域碳排放又隨造林面積的增加而上升，南部地區(qū)碳排放于2009年達(dá)到峰值188.79 GgC。東北地區(qū)只有2000—2002年有新造林，2002年后碳排放基本保持穩(wěn)定，主要由新造林和森林管護(hù)所產(chǎn)生。由于南部地區(qū)和西北、中西部地區(qū)是天保工程碳排放的主要貢獻(xiàn)區(qū)域，因此天保工程碳排放的變化趨勢與這兩個區(qū)域也基本一致。

2.1.2各工程措施碳排放組成特征

本研究將各項(xiàng)營造林活動劃分為4項(xiàng)主要工程措施：森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、造林、新造林及森林管護(hù)和跡地更新[45]，明確了天保工程一期整個工程及各區(qū)域工程措施碳排放的組成特征(圖3)。

圖3　天保工程及各區(qū)域工程措施碳排放　Fig.3　Carbon emissions of program measures in Natural Forest Protection Program and respective regionsN：西北、中西部地區(qū) northwest and mid-west regions，S：南部地區(qū) south region，E：東北地區(qū) northeast region，NFPP：天保工程 Natural Forest Protection Program

森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是西北、中西部地區(qū)最大的碳排放，占碳排放總量的57.88%，其次是造林，占碳排放總量的22.06%，這兩項(xiàng)工程措施占碳排放總量的79.94%(圖3)。因而造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是西北、中西部地區(qū)主要的碳排放。造林是南部地區(qū)最大的碳排放，占碳排放總量的52.18%，其次是森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，占碳排放總量的34.94%，這兩項(xiàng)工程措施占碳排放總量的87.12%。因而造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是南部地區(qū)的主要碳排放。然而，東北地區(qū)新造林及森林管護(hù)是主要的碳排放，占碳排放總量的68.72%，造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)占碳排放總量的31.28%。

各區(qū)域工程措施碳排放組成的不同與天保工程實(shí)施任務(wù)的區(qū)域性差異有關(guān)。人工造林是西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)天保工程的主要工程措施，兩個區(qū)域造林面積之和占天保工程一期造林總面積的98.54%，因而由造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)產(chǎn)生的碳排放是這兩個區(qū)域的主要碳排放。南部地區(qū)造林碳排放是西北、中西部地區(qū)的3.93倍，高出的碳排放中95.83%是由南部地區(qū)經(jīng)濟(jì)林施肥碳排放大于西北、中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)林施肥引起的。天保工程一期南部地區(qū)經(jīng)濟(jì)林造林面積占整個工程一期經(jīng)濟(jì)林造林總面積的78.46%，是西北、中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)林造林面積的3.64倍。由于經(jīng)濟(jì)林需要每年施加基肥并追肥，因而肥料消耗、運(yùn)輸和造林地氧化亞氮直接排放是南部地區(qū)造林碳排放明顯高于西北、中西部地區(qū)的主要原因。東北地區(qū)天保工程主要以天然林資源保護(hù)和森林植被恢復(fù)為主，因而森林巡視、撫育和防火是主要的碳排放[48]。對于天保工程，造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是主要的工程措施碳排放，二者合計占碳排放總量的82.43%，其中森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)占43.04%，造林占39.39%。

2.1.3各工程措施碳排放強(qiáng)度

為了解各工程措施在不同區(qū)域的單位面積平均碳排放(碳排放強(qiáng)度)，本研究匯總了新造林及森林管護(hù)、造林兩項(xiàng)工程措施及措施下各項(xiàng)目的碳排放強(qiáng)度(表3)。造林的碳排放強(qiáng)度包含了配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的碳排放強(qiáng)度。相同工程措施的碳排放強(qiáng)度在不同區(qū)域存在差異，這主要是由于計算不同區(qū)域各工程措施碳排放時參數(shù)選取的空間異質(zhì)性所致。由于東北地區(qū)天保工程沒有經(jīng)濟(jì)林造林和飛播造林，因此這兩項(xiàng)措施未計入該區(qū)域的碳排放。

表3　天保工程及各區(qū)域各工程措施碳排放強(qiáng)度

造林措施下各項(xiàng)目的碳排放強(qiáng)度大于新造林及森林管護(hù)措施下各項(xiàng)目的碳排放強(qiáng)度(表3)，這與2.1.2中造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是西北、中西部地區(qū)、南部地區(qū)和天保工程主要碳排放的結(jié)果相一致。在造林措施下各項(xiàng)目中，經(jīng)濟(jì)林人工造林的碳排放強(qiáng)度是生態(tài)林的17.74—23.09倍，是飛播造林的18.47—24.09倍。相比于生態(tài)林的粗放型管理，經(jīng)濟(jì)林營造過程中化肥的施用是導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)林碳排放強(qiáng)度高于生態(tài)林的主要原因。由于工程區(qū)調(diào)減木材產(chǎn)量導(dǎo)致工程邊界外額外新造林主要以速生豐產(chǎn)林為主，培育模式相比生態(tài)林更加精細(xì)化，因此本研究采用經(jīng)濟(jì)林的碳排放強(qiáng)度參數(shù)作為公式(8)的EFaj[49]。東北地區(qū)的EFaj由西北、中西部地區(qū)替代。

2.1.4各種物資消耗碳排放組成特征

為了進(jìn)一步明確天保工程碳排放的組成特征，本研究將各項(xiàng)營造林活動消耗的物資劃分為5類：燃油、灌溉、建材、肥料和藥劑，對天保工程一期整個工程及各區(qū)域各類物資消耗的碳排放組成特征進(jìn)行了研究(圖4)。

圖4　天保工程及各區(qū)域各種物資消耗碳排放構(gòu)成Fig.4　Carbon emission proportion of different categories of materials consumed in Natural Forest Protection Program and respective regions

對于西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)，建材是最大的碳排放，其次是燃油與肥料(圖4)。肥料占南部地區(qū)碳排放總量的比例高于西北、中西部地區(qū)，這與2.1.2中分析的南部地區(qū)經(jīng)濟(jì)林造林碳排放大于西北、中西部地區(qū)相一致。東北地區(qū)主要以森林管護(hù)為主，相關(guān)管護(hù)措施包括摩托車巡視和航空巡視消耗的燃料是該區(qū)域主要的碳排放。藥劑和灌溉產(chǎn)生的碳排放占各區(qū)域碳排放總量的比例不到10%。對于天保工程，建材是最大的碳排放，其次是肥料和燃油，藥劑和灌溉在碳排放總量中所占比例僅為6.35%。

2.2天保工程及各區(qū)域碳泄漏

基于天保工程區(qū)木材產(chǎn)量調(diào)減導(dǎo)致工程邊界外煤炭使用量增加和新造用材林面積增加，計算了煤炭替代和新造用材林面積增加造成的碳泄漏。天保工程一期碳泄漏總量為12.78 TgC，其中煤炭替代碳泄漏2.88 TgC，新造用材林碳泄漏9.90 TgC。西北、中西部地區(qū)、南部地區(qū)和東北地區(qū)碳泄漏分別為3.17、3.11 TgC 和6.50 TgC，其中煤炭替代碳泄漏分別為1.34、1.03 TgC和0.51 TgC；新造用材林碳泄漏分別為1.83、2.08 TgC和5.99 TgC?？梢钥闯?，西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)煤炭替代碳泄漏和新造用材林碳泄漏結(jié)果較為接近，而東北地區(qū)新造用材林碳泄漏明顯大于其他兩個區(qū)域。東北地區(qū)原木調(diào)減量分別是西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)的3.46和2.89倍，相應(yīng)地工程邊界外新造用材林面積和由此造成的碳泄漏也大于西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)。各區(qū)域新造用材林碳泄漏均大于煤炭替代碳泄漏，這主要是由于各區(qū)域原木調(diào)減量均大于薪材調(diào)減量。

2.3天保工程及各區(qū)域凈固碳量

由于各區(qū)域工程實(shí)施內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)和完成情況有所不同，因此3個區(qū)域固碳量、碳排放、碳泄漏和凈固碳量的年際變化和結(jié)果具有明顯差異(圖5,表4)。隨著新造林面積的累積，西北、中西部地區(qū)、南部地區(qū)和整個天保工程新造林固碳量自2000年至2010年逐年增加，占固碳總量的比例也逐年提高(圖5)。東北地區(qū)自2002年以后沒有新造林，因此該區(qū)域新造林固碳量自2002年后呈穩(wěn)定變化。西北、中西部地區(qū)、南部地區(qū)和天保工程每年碳排放和碳泄漏總量抵消當(dāng)年固碳總量的比例隨固碳總量的增加而逐年減少。然而東北地區(qū)由于固碳總量的變化比較穩(wěn)定，因此每年碳排放和碳泄漏總量抵消當(dāng)年固碳總量的比例也較為穩(wěn)定。天保工程及3個區(qū)域凈固碳量的變化與固碳總量的變化相一致，說明碳排放和碳泄漏對固碳總量具有抵消作用，但并沒有影響凈固碳量的變化趨勢，對凈固碳量變化起主導(dǎo)作用的還是固碳總量。

通過各個區(qū)域固碳量、碳排放、碳泄漏的對比得出(表4)：西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)新造林固碳量大于調(diào)減木材產(chǎn)量固碳量，而東北地區(qū)調(diào)減木材產(chǎn)量固碳是主要的固碳組成部分。碳泄漏是天保工程及3個區(qū)域的主要溫室氣體排放組成，占溫室氣體排放總量的67.91%—98.61%。不同區(qū)域碳排放和碳泄漏對固碳效益的抵消強(qiáng)度不同，表現(xiàn)為東北地區(qū)>西北、中西部地區(qū)>南部地區(qū)。從整個天保工程來看：調(diào)減木材產(chǎn)量固碳量大于新造林固碳量，碳泄漏大于碳排放。天保工程在工程邊界內(nèi)外引起的額外溫室氣體排放量達(dá)15.23 TgC，抵消了工程固碳效益的9.82%。因此，碳排放和碳泄漏對天保工程固碳的抵消較小。天保工程一期凈固碳量為139.77 TgC，年均凈固碳量為 12.71 TgC/a。

圖5天保工程及各區(qū)域固碳量、碳排放、碳泄漏和凈固碳量變化Fig.5　Variance of carbon sequestration, carbon emissions, carbon leakage and net carbon sequestration in Natural Forest Protection Program and respective regions2008年南部地區(qū)木材產(chǎn)量大于1997年木材產(chǎn)量，因此調(diào)減木材產(chǎn)量固碳量為負(fù)值；相應(yīng)地，調(diào)減木材產(chǎn)量引起的工程邊界外碳泄漏為0

3　討論

天保工程不同區(qū)域碳排放及其組成特征、碳泄漏和凈固碳量存在差異。這主要是由工程實(shí)施目標(biāo)和側(cè)重點(diǎn)的區(qū)域性差異導(dǎo)致的。西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)以大力增加和恢復(fù)林草植被為中心，相應(yīng)地造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是最大的工程措施碳排放，建材是最大的物資碳排放；東北地區(qū)以保護(hù)現(xiàn)有天然林資源為目標(biāo)，相應(yīng)地新造林及森林管護(hù)是最大的工程措施碳排放，燃油是最大的物資碳排放[48]。從整個天保工程看，建材是最大的物資碳排放，占碳排放總量的比例接近50%。天保工程建材碳排放總量的91%來自林區(qū)道路建設(shè)。Gaboury等[50]也發(fā)現(xiàn)道路建設(shè)和維護(hù)是造林最大的溫室氣體排放措施，占造林各措施溫室氣體排放總量的46%。因此，造林工程實(shí)施前應(yīng)對林區(qū)道路進(jìn)行合理規(guī)劃，避免盲目建設(shè)造成建材的浪費(fèi)和相應(yīng)溫室氣體排放的增加。

表4天保工程及各區(qū)域固碳量、碳排放、碳泄漏及凈固碳量

Table 4Carbon sequestration, carbon emissions, carbon leakage and net carbon sequestration in Natural Forest Protection Program and respective regions

地區(qū)Regions新造林固碳量/TgCCarbonsequestrationofafforestation占固碳總量比例/%Fractionintotalcarbonsequestration調(diào)減木材產(chǎn)量固碳量/TgCCarbonsequestrationofwoodproductionreduction占固碳總量比例/%Fractionintotalcarbonsequestration碳排放/TgCCarbonemissions占溫室氣體排放總量比例/%Fractioningreenhousegasemissions碳泄漏/TgCCarbonleakage占溫室氣體排放總量比例/%Fractioningreenhousegasemissions凈固碳量/TgCNetcarbonsequestration溫室氣體排放抵消固碳量/%Fractionofgreenhousegasemissionsincarbonsequestration西北、中西部地區(qū)northwestandmid-westregions20.3150.4519.9549.550.8921.823.1778.1836.2010.08南部地區(qū)southregion33.9860.5022.1939.501.4732.093.1167.9151.598.16東北地區(qū)northeastregion1.652.8156.9197.190.091.396.5098.6151.9811.24天保工程N(yùn)aturalforestprotectionprogram55.9436.0999.0563.912.4516.0812.7883.92139.779.82

天保工程各區(qū)域由于調(diào)減木材產(chǎn)量導(dǎo)致工程邊界外的碳泄漏大于邊界內(nèi)營造林的碳排放。武曙紅等[51]和Schwarze等[24]為減少碳泄漏風(fēng)險提出了應(yīng)對策略。從項(xiàng)目層面上，有必要在造林項(xiàng)目實(shí)施前的設(shè)計階段將可能的泄漏因素考慮在內(nèi)并采取相應(yīng)的措施如合理選址、泄漏監(jiān)測、開發(fā)具有社會、經(jīng)濟(jì)等多方面效益的項(xiàng)目[24,51]；從宏觀層面上，可以通過對林業(yè)碳匯項(xiàng)目碳信用額度上限、項(xiàng)目類型和規(guī)模進(jìn)行控制以降低碳泄漏的風(fēng)險[24]。

本研究碳排放和碳泄漏對天保工程固碳的抵消較小，說明天保工程在溫室氣體減排和減緩全球氣候變暖上具有巨大潛力。也有類似研究表明造林碳匯項(xiàng)目凈固碳效果明顯。然而不同研究針對不同的造林碳匯項(xiàng)目展開，碳排放、碳泄漏計入邊界的不同導(dǎo)致溫室氣體排放對固碳量的抵消存在差異。國內(nèi)已有學(xué)者對生態(tài)林造林碳匯項(xiàng)目的溫室氣體排放和凈固碳能力展開研究，結(jié)果表明，在計入期內(nèi)生態(tài)林造林溫室氣體排放對固碳的抵消作用僅為0.01%—0.24%[16-17,52-53]。以上研究主要考慮造林過程機(jī)械設(shè)備和運(yùn)輸工具化石燃料燃燒造成的溫室氣體排放，且溫室氣體排放主要在造林當(dāng)年產(chǎn)生。因此，相比于本研究溫室氣體排放對固碳的抵消作用較小。對于經(jīng)濟(jì)林造林碳匯項(xiàng)目，已有學(xué)者計量了膏桐林碳匯項(xiàng)目的凈固碳量。營造林溫室氣體排放主要來自造林基肥和撫育管理追肥中含氮肥料的施用引起的N2O排放以及造林、補(bǔ)植補(bǔ)造和撫育過程苗木和化肥的運(yùn)輸。結(jié)果表明，該項(xiàng)目于造林后前10年均為碳源，自第11年起開始有固碳效益。在20年的計入期內(nèi)營造林溫室氣體排放對固碳的抵消作用為17.26%[18]。天保工程造林主要以生態(tài)林為主，經(jīng)濟(jì)林造林的碳排放強(qiáng)度大于生態(tài)林造林的碳排放強(qiáng)度是上述研究溫室氣體排放抵消作用高于本研究的主要原因(表3)。國外學(xué)者對造林碳匯項(xiàng)目的溫室氣體排放和凈固碳能力也有研究，這些研究主要基于對造林全過程“搖籃到門”溫室氣體排放的評價，從初期種子生產(chǎn)至最終木材運(yùn)輸。研究結(jié)果表明：造林全程產(chǎn)生的溫室氣體排放僅占森林固碳量的0.4%—2.3%，占本國化石燃料燃燒溫室氣體排放總量的比例也很小[50,54-55]。Sathaye等[56]綜述了國外學(xué)者對造林項(xiàng)目邊界外碳泄漏的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)碳泄漏對固碳的抵消作用為0.02%—41%。以上研究結(jié)果都表明造林碳匯項(xiàng)目具有顯著的固碳效益。寧可等[57]研究表明通過優(yōu)化碳匯林的經(jīng)營管理可以進(jìn)一步提高森林的碳收益。除了造林碳匯項(xiàng)目，也有學(xué)者就其他固碳措施對溫室氣體減排的有效性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)目前較受重視的農(nóng)田措施都會因溫室氣體的排放抵消部分甚至全部土壤固碳效益[58]。與之相比，重大林業(yè)生態(tài)工程具有固碳效果可觀，工程碳排放和碳泄漏對工程固碳抵消小，凈固碳顯著等優(yōu)勢。森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、造林、新造林及森林管護(hù)、跡地更新等林業(yè)活動產(chǎn)生的碳排放僅可持續(xù)短暫的幾年，本研究僅計算了天保工程一期內(nèi)的凈固碳量和年均凈固碳量，然而隨著林齡的增加，林分固碳速率還會繼續(xù)提高[59]。因此，從林分生長的整個過程看，未來天保工程的凈固碳量和年均凈固碳量還會進(jìn)一步提高。由于中國森林總面積和平均生物量碳密度的增加，到本世紀(jì)中葉中國森林將保持較大的固碳潛力[6]。因此，造林碳匯項(xiàng)目，特別是類似天保工程同時具備造林和調(diào)減木材產(chǎn)量兩項(xiàng)固碳效益的林業(yè)工程，從溫室氣體減排角度上值得推廣。基于國際能源署公布的數(shù)據(jù)，天保工程一期凈固碳量相當(dāng)于2000—2010年我國化石燃料燃燒溫室氣體排放總量的0.89%，年均凈固碳量相當(dāng)于2005年(我國2020年減排目標(biāo)基準(zhǔn)年)我國化石燃料燃燒溫室氣體排放總量的0.86%[60]。因此，作為一個單項(xiàng)生態(tài)工程，天保工程的實(shí)施對我國溫室氣體減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不容忽視。

本研究在天保工程碳排放、碳泄漏和凈固碳量的計算上存在一定的不確定性。有研究表明，天保工程2000—2010年工程區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量增加了9.24億t[61]。相應(yīng)地，增加的土壤有機(jī)碳保持量也是天保工程的固碳效益[62]。除此之外，增加的土壤養(yǎng)分保持量可以減少化肥的施用量，由此可能減少溫室氣體排放對固碳的抵消作用[63]。森林管護(hù)是天保工程的主要措施之一，森林防火、病蟲害防治和制止破壞森林資源活動的措施進(jìn)一步增加了森林固碳量[48]。然而，造林工程可能對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在的環(huán)境風(fēng)險。Smith等[21]估算了熱帶桉樹林年固碳1 PgC/a可導(dǎo)致土地蒸騰量在原有基礎(chǔ)上增加50%，影響了當(dāng)?shù)厮难h(huán)并對當(dāng)?shù)厣锒鄻有詷?gòu)成了威脅。Gao等[64]也提出我國主要造林工程項(xiàng)目集中在干旱、半干旱地區(qū)的低生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率和低植物水分利用效率的區(qū)域，導(dǎo)致植被固碳的水資源消耗成本較高，對生態(tài)環(huán)境造成不利影響。以上研究提到的造林對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成負(fù)面影響的“生態(tài)碳泄漏”可能會增加溫室氣體排放對天保工程固碳的抵消作用?；跀?shù)據(jù)的可獲得性和研究方法的有待完善，本研究未計算上述天保工程額外的固碳效益和可能存在的生態(tài)碳泄漏。

4　結(jié)論

(1)天保工程一期邊界內(nèi)營造林碳排放總量為2.45 TgC，其中西北、中西部地區(qū)0.89 TgC，南部地區(qū)1.47 TgC，東北地區(qū)0.09 TgC；邊界外碳泄漏總量為12.78 TgC，其中西北、中西部地區(qū)3.17 TgC，南部地區(qū)3.11 TgC，東北地區(qū)6.50 TgC。

(2)天保工程不同區(qū)域碳排放組成特征不同。造林及配套森林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是西北、中西部地區(qū)和南部地區(qū)主要的工程措施碳排放，建材是主要的物資碳排放；新造林及森林管護(hù)是東北地區(qū)主要的工程措施碳排放，燃油是主要的物資碳排放。

(3)天保工程一期碳排放和碳泄漏對固碳的抵消作用為9.82%，凈固碳量為139.77 TgC，相當(dāng)于同期我國化石燃料燃燒溫室氣體排放總量的0.89%。因此，天保工程一期建設(shè)在我國溫室氣體減排和減緩全球氣候變暖上做出了巨大貢獻(xiàn)。

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Greenhouse gas emissions and net carbon sequestration of the natural forest protection program in China

LIU Bojie1,2, LU Fei1,3,*, WANG Xiaoke1,3, LIU Weiwei1,2, WANG Liyan1,2,RAO Enming1, ZHANG Lu1, ZHENG Hua1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3JointCenterforGlobalChangeStudies,Beijing100875,China

Annual variance of carbon emissions and carbon leakage in the Natural Forest Protection Program (NFPP) was analyzed based on the calculation of carbon emissions from afforestation within the project boundary and carbon leakage out of the boundary in the first-stage (2000—2010) of the NFPP. Carbon emissions and carbon leakage were compared among the NFPP and its component regions, and variance of net carbon sequestration was characterized. The results showed that carbon emissions of the NFPP in the combined northwest and mid-west regions, the south region, the northeast region, and the whole NFPP region were 0.89, 1.47, 0.09, 2.45 Tg C, respectively. Meanwhile, carbon leakage from the above regions was 3.17, 3.11, 6.50, 12.78 Tg C, respectively. Spatial differences in program measures and carbon emission intensity were responsible for the differences in carbon emissions between various regions. Program measures showed that afforestation and corresponding forestry infrastructure construction were most prominent for the northwest/mid-west regions and the south region, while protection of young and mature forests was important in the northeast region. Accordingly, production and consumption of building materials were the main sources of carbon emissions for the former two regions, and consumption of fossil fuels was the main source for the latter region. Overall, in the first-stage of the NFPP, additional greenhouse gas emissions resulting from carbon emissions and carbon leakage totaled 15.23 Tg C, which counteracted 9.82% of the sequestered carbon in the program. Greenhouse gas emissions from the northwest/mid-west regions, the south region, and the northeast region could countervail 10.08%, 8.16%, and 11.24% of their carbon sequestration, respectively. Net carbon sequestration in the first-stage of the NFPP was 139.77 Tg C with an annual average of 12.71 Tg C/a. Therefore, carbon emissions and carbon leakage only played a minor role in neutralizing carbon benefits, and the first-stage of the NFPP contributed significantly to greenhouse gas emission reduction in China as well as global climate warming mitigation. Potential routes of greenhouse gas emission reduction include reasonable planning and avoidance of impulsive or reckless construction.

Natural Forest Protection Program (NFPP); carbon emissions; carbon leakage; net carbon sequestration; greenhouse gas

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)子課題(XDA05060102, XDA05050602); 中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會

2015-09-01;

2016-01-04

Corresponding author.E-mail: feilu@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201509011808

劉博杰，逯非，王效科，劉魏魏，王莉雁, 饒恩明，張路，鄭華.中國天然林資源保護(hù)工程溫室氣體排放及凈固碳能力.生態(tài)學(xué)報,2016,36(14):4266-4278.

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