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Yao L.ψ,Liu,T.ψ,Qin,J.*,Jiang H.,Yang L.,Smith P.,Chen X.*,Zhou C. H.,Piao S. L.*. Carbon sequestration potential of tree planting in China. Nature Communications 15,8398 (2024).https://doi.org/10.1038/s41467-024-52785-6陆地碳循环是地球生物化学循环的重要组成部分, 与人类福祉和可持续发展息息相关, 但其模拟和观测都具有高度不确定性. 融合模型和观测数据以减少陆地碳循环估计的不确定性、提高其可预测性, 已成为陆地碳循环研究前沿. 文章综述了陆地碳循环模型与观测各自不确定性的来源和特征, 介绍了数据同化和参数估计这两类模型-数据融合方法的数学原理, 其实质都是在考虑模型和观测各自误差的基础上, 实现模型和观测信息的最优融合. 文章进一步分析了陆地碳循环模型-数据融合的挑战和研究热点, 重点讨论了真实和虚假的模型“异参同效”及其可识别性, 地面通量观测与遥感观测代表性误差的估计, 敏感性分析得到的参数后验概率分布对于确定模型误差矩阵的潜在作用, 对日光诱导叶绿素荧光等新型遥感观测的同化, 并指出把多源观测整合到一个协调一致的碳数据同化系统中绝非易事, 然而这方面的突破是发展新一代全球碳数据同化系统的前提. 论文最后指出, 应用陆地碳循环数据同化, 产出更高分辨率、更长时间序列、更可靠和一致的陆地碳循环再分析数据产品, 对于准确估计全球和区域碳循环、实现碳管理和碳中和具有重要意义.森林是陆地生态系统中最大碳库，提升森林碳汇增量是实现我国双碳目标的重要路径。自上世纪70年代以来，我国过去几十年的规模化造林取得了举世瞩目的成就，但也因缺乏有效规划存在诸多失败的案例。我国当前面临着强烈的人地矛盾和耕林博弈问题，能够用来大规模造林增汇的剩余空间极其有限。此外，我国乔木林整体较为稀疏，低密度与低郁闭度稀疏森林占比过高影响了森林实际碳汇规模。现有的造林潜力评估方法主要强调规模化造林的潜力，忽略了提升了现有森林质量的可能性，因此，如何定位这些森林并评估其加密潜力是进一步提升森林碳汇能力的关键。作者基于近二十年（2001-2021）遥感大数据显示的森林变化情况，结合与树木生长相关的环境、土壤和地形因子，定量化评估了我国树木生长的网格适宜性。通过建立其与树木数量之间的统计关系，以1公里的空间分辨率绘制了我国精细的植树潜力空间格局，并估算了其可能导致的碳增益与碳流失。研究提出的造林主要包括两种场景（新增造林与加密造林），其中，新增造林（Afforestation）是在生境条件适合树木生长但目前尚未被任何树木覆盖的区域植树，加密造林（Densification）是指在已经存在树木的区域进一步增加树木的株数。结果表明，与在空地上新增造林相比，对现有森林进行加密可以种植更多的树木，从而提供更高的碳收益。研究结合中国现行生态功能区划方案设计了一种可操作的植树场景，结果显示我国共还可以种植447亿棵树，会带来40亿立方米森林蓄积量增量，捕获5.9±0.5 PgC的碳，约是中国2020年工业二氧化碳排放量的两倍。其中，新增造林可种植树木183亿株，占地面积约为5580万公顷，长成之后蓄积量约为31亿立方米，可带来1.95±0.16 PgC的生物质碳增量；加密造林共可种植树木264亿株，蓄积量可增加约67亿立方米，平均每公顷森林的蓄积量可至少增加44.7立方米，可带来3.98±0.30 PgC的生物质碳增量。森林定义的差异可能会影响二者比例的变化，但对总体估算结果不会产生影响。若能尽快落实该方案，到2060年中国将至少拥有1.35亿公顷的幼龄和中龄林，且这些新种植树木的碳汇能力可以达到峰值（约0.2 PgC/yr），使得中国森林碳汇能力仍可以维持在高于其当前能力的水平，从而延长森林碳汇的寿命，为工业部门提供更长的时间窗口。参考过去中国在各项造林工程的投入，在自然条件优越的地区（川渝地区、长江中下游地区和华南地区）植树或者加密森林的固碳经济成本比在西北地区植树低8倍以上，从固碳角度考虑是更加经济有效的选择。面对当今气候变化和土地资源稀缺带来的挑战，该研究团队深入探究了通过现有森林加密提升森林碳汇能力的潜力，丰富了现有研究对如何通过提高森林质量应对双碳目标的理解，并提出了基于生态功能区划的可操作植树方案。这一研究不仅揭示了现有森林加密相比新增造林在固碳方面的更大效益，还为未来生态恢复与碳汇管理提供了重要参考，对实现中国碳中和目标提供了坚实的科学支撑。图1. 研究提出的植树和碳汇潜力评估框架。（a）“森林”可能并未被树木完全覆盖；（b）树木生长适宜性评价模型示意图；（c）森林生长适宜性与数目数量的关系统计模型，相似的生境条件可能存在相似的环境承载力；（d）造林策略可视化示意：相似的环境承载力与理想植树场景；（e）结合现行政策的场景设计与碳汇潜力估算。图2. 树木生长适宜性（TGS）空间分布情况及其与树木的数量的定量关系。（a）TGS的空间分布模式及验证点分布情况；（b）不同类别林地的TGS验证情况；（c）TGS与树木密度之间的统计关系；（d）不同森林类型树木密度与TGS的统计关系。图3. 考虑现行生态政策的新增造林和加密造林的空间分布情况。（a）新增造林；（b）加密造林；（c）新增造林与加密造林的比例与森林定义阈值的关系。图4. 考虑现行生态政策的新增造林和加密造林的固碳潜力空间分布及其不确定性。（a-b）新增造林的固碳潜力空间分布及其不确定；（b）加密造林的固碳潜力空间分布及其不确定。研究成果以“Carbon sequestration potential of tree planting in China”为题，于2024年9月27日在线发表在Nature子刊《Nature Communications》。中国科学院地理资源所姚凌副研究员和刘唐博士后为共同第一作者，中国科学院地理资源所秦军研究员、中国科学院新疆生态与地理研究所陈曦研究员、北京大学朴世龙院士为共同通讯作者。合作者包括英国阿伯丁大学Pete Smith教授，中国科学院地理资源所周成虎院士、姜侯副研究员以及南京大学杨琳教授等。研究得到了中国科学院B类战略性先导科技专项“数据-模型驱动地理智能系统与典型场景应用”和国家自然科学基金等项目资助。
来源：中国科学院地理科学与资源研究所
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