森林固碳在现阶段陆地生态系统碳汇中起主导作用, 每年能抵消约26%的人为碳排放。随着应对全球气候变化的紧迫性逐渐增强, 多国政府宣布了在本世纪中叶前后实现“碳中和”的目标, 并且把提升森林碳汇作为实现“碳中和”的重要手段。得益于过去几十年间实施的一系列国土绿化和生态恢复工程, 中国森林面积与20世纪70年代末相比成倍增加, 森林碳汇能力得以大幅提升。近年来, 中国森林碳汇对“碳中和”战略的贡献受到了前所未有的关注。例如, 国家林草局提出了“力争在2030年前保护、恢复和种植700亿棵树”的行动目标。

然而, 需要注意的是, 森林由于其生命周期中固有的碳汇时间动态会形成明显的碳汇服务窗口期: 表现为森林幼龄和中龄时期碳汇能力较强, 老龄期碳汇能力较弱。从长时间尺度看, 森林的碳汇能力不可能持续增长, 而是在达到峰值后随林龄增加衰退明显。森林碳汇具有服务窗口期的这一本质特征要求在“碳中和”战略背景下考察森林碳汇的作用时,必须对碳汇服务窗口期予以高度关注, 对植树造林和森林碳汇的时间路径进行科学规划, 准确把握森林碳汇对“碳中和”战略的服务窗口。

森林生态系统固碳的本质是植物光合作用吸收的二氧化碳量大于生态系统呼吸作用的排放量, 碳因此得以积累在植被生物量碳库(地上和地下生物量)和土壤碳库中, 其中植被生物量碳库的积累占主导作用。当前中国森林生态系统碳汇的内部主导因素是近四十年来实施的植树造林、退耕还林、天然林保护等生态工程造就了大批处于幼龄林和中龄林的次生林, 使得中国森林的林龄整体偏低(平均林龄约42年), 处在快速生长时期, 每年能提供约3亿吨碳的碳汇(图1a), 抵消中国同期化石燃料燃烧碳排放的10.4%。然而未来随着林龄增加, 森林碳汇能力也将规律性下降。据估算, 仅考虑林龄变化因素, 到2060和2100年时, 中国当前森林碳汇将在目前水平上降低57%和75%(图1a黑色曲线)。

图1 未来不同时期造林情景下森林生物量碳储量潜力及碳汇功能变化预估

(a)和(c)中的柱状图代表森林生物量碳储量的变化, 同时考虑了林龄(黑色柱)、未来气候变化(绿色柱)和大气CO₂浓度(黄色柱)的影响以及造林前原有生态系统生物量碳储量(蓝色柱)。未来气候变化基于SSP1-2.6情景下CMIP6的31个模型模拟结果的集合平均, CO₂施肥效应计算自CMIP6的22个1%CO₂试验模拟结果的集合平均, 所有误差线对应多模型的标准差。(a)和(c)中的曲线图表示森林生物量碳汇功能的变化, 黑色曲线表示仅考虑林龄变化的结果, 绿色曲线表示基于SSP1-2.6情景下综合考虑林龄、气候变化和CO₂效应的碳汇功能。如图b所示, 假定了四个不同起步时间(2021年、2031年、2041年、2051年)的规划造林情景(S1~S4), 分别用20年时间以每年390万公顷的速率逐步完成全国7800万公顷的造林。组图(a)表示的是现有森林未来生物量碳储量及碳汇变化, 组图(c)分别对应四个不同时间段的规划造林情景(S1~S4)下未来新造森林的生物量碳储量及碳汇变化, 图(d)则表示现有森林和未来规划森林共同提供的总森林生物量碳汇变化, 不同颜色对应不同的规划造林情景。现有森林和规划造林的分布及森林类型数据、不同森林类型的生物量估算模型参考Xu等(2023)

中国森林碳汇形成的外部主导因素是受人为碳排放影响而逐渐升高的大气CO₂浓度, 因为CO₂是植物光合作用的原料, 其浓度越高越有利于植物的碳吸收。但未来随着各国“碳中和”战略的实施, 大气CO₂浓度上升的趋势将会减缓甚至停止。受此影响, 未来中国森林碳汇潜力可能由于CO₂施肥效应的减弱而进一步降低。在未来低CO₂排放情景(如SSP1-2.6)下, 气候变化和CO₂施肥效应在2060年前对森林碳汇为促进作用, 而在后“碳中和”时代, 气候变化和大气CO₂浓度对碳汇的促进作用将衰退, 进一步加剧森林碳汇功能的衰退(图1a绿色曲线)。

以上结果表明, 中国现有森林的碳汇功能将在“碳中和”目标实现前后大幅衰退, 碳汇服务窗口期将提前于“碳中和”战略目标结束, 与“碳中和”战略目标实现期存在明显错配, 如果缺乏进一步的规划和管理, 中国森林碳汇将无法满足“碳中和”目标的需求。

除却适当的森林管理措施, 增加未来森林碳汇的一个主要发力点是通过植树造林(包括造林和再造林)扩张森林面积。由于森林碳汇“窗口期”的存在, 对植树造林的时间路径进行合理规划就显得尤为重要。一个必须面对的事实是, 未来可供造林的土地面积是有限的。在有限的土地面积上, 越早开展大规模植树造林, 意味着越早对森林碳汇功能加以利用, 同时也意味着森林碳汇功能将越早衰退, 其碳汇服务窗口期也将越早结束(图1c)。为了说明这一结论, 我们假设大规模植树造林可以在二十年的时间跨度内完成。经初步测算, 除却当前已经分布有森林、农田和城市的土地以外, 当前气候条件下中国可供造林的潜在面积为7800万公顷, 约为中国当前森林面积的43%,主要分布在中国的南方、东北、西南地区以及少量分布在西北地区的天山山脉, 年降水量通常超过400mm(宜林区空间分布图参见Xu等, 2023)。中国森林资源清查数据表明森林面积从第五次清查(1994~1998年)的1.59亿公顷增加到第九次清查(2014~2018年)的2.21亿公顷, 20年间增加了6150万公顷, 相当于每年增加307万公顷。我们假设的20年内完成7800万公顷造林相当于每年390万公顷的森林面积增速, 具备一定现实合理性。此外, 为了最大化未来新增森林的碳汇潜力, 我们选择成熟林时生物量碳库最大且与当地气候环境相适应的树种进行种植。

如果在“碳中和”战略实施初期就尽早开展植树造林,例如图1中S1情景, 则新造森林的碳汇能力在21世纪40年代达到约每年3.8亿吨碳的峰值后迅速下降, 到2060年前后新造森林每年的碳汇将仅剩2.1亿吨碳左右(图1c)。其碳汇效应的时间变化主要由林龄变化主导, 在未来SSP1-2.6的排放情景下,气候变化和CO₂施肥效应总体上分别能提供+4.6%和+14.1%的增益(图1c)。在四个造林情境中, 气候变化和CO₂施肥效应对新增森林碳汇的促进作用均在峰值前后最明显; 到后碳中和时代, 其促进作用会快速衰减。但若延缓造林至“碳中和”战略实施的中后期, 例如图1中S2或S3情景, 则可在2060前后提供每年3.2~3.5亿吨碳的森林碳汇, 这样新增森林的碳汇服务窗口期将与“碳中和”战略目标实现和维持期大致匹配, 将显著缓解“碳中和”后期的减排压力, 充分保障“碳中和”目标的实现(图1c)。需要强调的是, “碳中和”目标的实现应该被视为中国可持续发展进程的一个里程碑而非终点: 这意味着在此之后需要继续维持“碳中和”状态。若将造林规划延缓至后“碳中和”时代, 如图1中S4情景, 虽然在实现“碳中和”目标的过程中新造森林碳汇贡献偏小, 但给后期维持“碳中和”留下了充裕的排放空间。

综合考虑现有森林和未来新增森林的总体碳汇功能(图1d), 我们认为, 从优化森林碳汇对“碳中和”战略的服务窗口期角度出发, 植树造林增汇不宜急于求成。得益于较年轻的森林年龄结构, 哪怕近期不进行大规模植树造林(例如S2~S4情景), 森林生态系统在2060年以前每年仍能提供2.1~5.5亿吨碳的生物量碳汇功能(图1d)。事实上, 应当注意到近期大规模造林情景下的新增森林碳汇窗口期与现有森林的碳汇窗口期高度重合, 二者叠加导致森林碳汇总体在“碳中和”战略前期快速增加, 到“碳中和”中后期则急速衰减, 这样新增森林对解决现有森林碳汇服务窗口期的错配问题没有任何实质性贡献。在这一造林情景下, 届时为了实现并维持“碳中和”目标, 必须进一步缩减残留的化石燃料和工业碳排放, 而这部分排放通常不易被取代, 对应的减排成本高昂。因此, 现阶段森林碳汇不一定是越大越好, 过早地消耗森林碳汇潜力反而会对最终实现并维持“碳中和”带来不利影响。相反, 应着眼于尽量使“碳中和”目标实现和维持期与森林碳汇服务窗口期大致重合, 在这一目标驱动下对植树造林和森林碳汇的时间路径开展科学规划, 确保“碳中和”目标实现。

以上分析表明, 森林碳汇功能在规模和持续时间上具有局限性, 这一局限性决定了林业碳汇最终只能作为实现“碳中和”的一种辅助手段。实现“碳达峰”、“碳中和”的目标, 最终必须依靠广泛而深刻的能源结构转型和社会经济变革以推动减排。在碳排放达峰之前, 中国碳排放预计还将持续增加, 在国内外经济环境发生深刻变化的背景下, 未来减排政策能否得到有效落实还尚未可知, 与碳排放情景相关的模型模拟结果也具有极大的不确定性。当前, 中国正处在“碳中和”战略实施初期, 此时启动大规模植树造林的确会带来短期可观的碳汇效益, 能够抵消相当比例的碳排放, 但其风险在于会分散减排端的资源投入、掩盖当前减排的紧迫性, 并且导致森林碳汇服务窗口期快速结束, 为之后实现和维持“碳中和”目标埋下了隐患。

因此, 现阶段不遗余力地推动能源结构转型才是首要任务, 应避免舍本逐末将实现“碳中和”的希望寄予生态系统碳汇。我们强调森林碳汇潜力不应被过早消耗, 而应该作为实现“碳中和”目标的“安全阀”, 作用于经济转型面临困境、减排压力大的关键时间点。从另一方面来看, 碳减排是逐步推进的, 随着减排对社会经济发展影响的广度和深度增加, 减排的难度和成本也会增加。当减排压力达到一定程度时, 再根据必要性适时启动造林增汇这一“安全阀”, 帮助释放减排压力, 为科技进步和产业转型争取宝贵的时间。总之, 造林增汇的最终目的是保证哪怕是在最悲观的减排情景下, 中国仍然能够确保履行承诺, 如期实现和长期维持“碳中和”目标。

为了充分发挥森林碳汇的“安全阀”功能, 延长碳汇服务窗口期, 需要根据“碳中和”战略实施阶段有针对性地部署林业工作重点。基于我们的估算结果, 中国现有森林在未来短期内还可以发挥可观的碳汇功能, 建议“碳中和”初期林业工作应着重于森林的保护和恢复, 通过更科学、更有效的森林管理提升现有森林质量, 缓解预期中林龄老化导致的碳汇减弱趋势(图1a), 为减排尽可能多地争取时间,同时也为中长期植树造林规划和森林管理积累实践经验。此外, 还应加强对现有森林生态系统碳汇动态的监测和模型模拟, 降低碳汇核算和预测的不确定性。

对于植树造林, 应在“碳中和”初期对大幅扩张森林面积持谨慎克制的态度; 到了“碳中和”战略的中后期, 特别是在减排政策得到广泛深入落实、碳排放大幅下降之后, 造林增汇的潜力才应被充分利用, 以抵消难以或不能削减的剩余碳排放, 助力“碳中和”目标如期实现。需要注意的是, 本文假定的不同时期造林情景是为了说明森林碳汇所固有的时间窗口特征及其长时间尺度上的局限性, 这些情景是示意性的。从现实决策出发, 需要统筹国家减排路径规划对森林碳汇路径开展科学和细致的规划, 确保“碳中和”实施过程中减排与增汇协调一致。鉴于可供造林面积和森林碳汇潜力的有限性, 我们呼吁发挥森林碳汇功能应着眼于优化其碳汇服务窗口期, 在“碳中和”战略初期避免急于求成, 应更多关注中长期尺度上森林碳汇对“碳中和”战略目标的支撑作用。

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中文版: 徐浩, 岳超, 朴世龙. 2023. 科学规划植树造林把握森林碳汇对“碳中和”战略的服务窗口期. 中国科学: 地球科学, 53(12): 3010-3014, doi: 10.1360/SSTe-2023-0203