城市森林碳汇研究进展_毛沂新.pdf

辽 宁 林 业 科 技Liaoning Forestry Science&Technology2023年第3期2023No3城市森林碳汇研究进展毛沂新1，2，张慧东1，2*（1.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳110032；2.辽宁冰砬山森林生态系统定位研究站，辽宁 铁岭112404）摘要：城市森林碳汇是一个重要的可持续发展问题，它关乎区域甚至是全球的气候变化以及人类未来的生存与发展。该文对城市森林碳汇认识与现状进行了概括，对城市森林碳吸收主要计量方法与原理进行介绍，对测量手段与应用现状进行归纳，并对增强城市森林碳汇潜力等措施的可行性进行了探讨。关键词：城市森林；碳汇计量；碳汇中图分类号：S719文献标识码：A文章编号：1001-1714（2023）03-0051-04收稿日期：2023-02-25基金资助：沈阳市中青年科技创新人才支持项目（RC210294）；辽宁省农业科学院基本科研业务费计划项目（2021HQ1910）；辽宁省林业和草原局依托国家林草局科技创新平台研发项目（LLC 2022 8、LLC 2022 13）。作者简介：毛沂新，高级工程师，主要从事森林生态系统定位观测与研究，E-mail：。*通讯作者：张慧东，正高级工程师，主要从事森林生态系统定位观测与研究，E-mail：。城市森林是一种重要的城市绿地类型，可以为城市环境提供多种生态系统服务1。在全球变暖的大背景下，利用具有光合固碳能力的绿色植物作为“天然碳吸附剂”以减少大气中 CO2浓度已成为当前的重要共识。城市森林为减少局地空气污染、增加生物多样性以及为当地社区提供娱乐和经济利益提供了可行的自然解决方案2，包括改善空气质量、保护土壤和水资源以及提升园林休憩功能3，提升城市居民生活幸福感。此外，城市森林中的树木和植被对于城市碳排放的减缓有着重要作用。目前已证明：通过维护管理好公园、郊外园地、农田及其周边的绿色植物和其他生物多样性资产（Biodiversity Assets）来实现对温室气体的拦截与固定效果显著。如何通过创造优质、多功能性森林生物多样性来促进城市森林中 CO2吸收已成为当前应考虑的问题之一。因此，本文通过概述城市森林碳汇现状、碳吸收主要计量方法，提出科学利用城市森林资源措施，从而提高城市森林的碳汇能力，旨在为我国早日实现碳达峰和碳中和提供理论与实践依据。1城市森林碳汇现状近年来，城市森林在消减温室气体排放方面的作用逐渐得到重视。根据联合国粮食及农业组织（FAO）发布的 2020 年全球森林资源评估报告 估算，城市森林每年吸收二氧化碳量相当于全球二氧化碳排放量的 0.75%。其中，亚洲城市森林每年的吸收量约占全球城市森林总吸收量的 48%。美国环境保护署（EPA）估算，美国城市森林每年吸收的二氧化碳约为 2.30107t，相当于大约 50 万辆汽车每年的排放量。伦敦森林的碳汇能力在 20102014 年期间估算为每年吸收 2.00106t 二氧化碳，其中城市森林约占碳汇总量的 75%4。北京城市园林树木在 19952002 年间的碳汇量约 4.60103t。王祖华等5运用生物量-蓄积量方程结合土壤背景调查对南京森林生态系统碳储量进行了评估。不同林龄碳储量特点表现为：中龄林幼龄林近熟林成熟林过熟林。主要林型表现为：针叶林最高，其次为阔叶林和针阔混交林；人工林碳储量显著高于天然林。大量研究发现城市森林在削减温室气体的作用被低估，城市森林碳吸收速率高于预期，城市森林在全球碳循环中的作用可能比以往认为的更加重要。如，研究人员通过使用气象塔等设备对芝加 51第 3 期2023 年辽 宁 林 业 科 技哥城市森林的碳吸收情况的监测结果表明，芝加哥的城市森林每年可以吸收碳约 1.65105t，这个数字比之前的估算高出了 50%以上。城市森林碳吸收能力受多种因素影响6，主要包括城市所在位置、城市森林的类型、结构、覆盖率等。例如，不同植被类型对城市森林碳吸收的影响存在差异：森林的碳吸收效率最高，其次是绿化带，草地的碳吸收效率最低。森林碳吸收时空变化规律受到气候、土壤、植物种类等因素的影响7-8。例如，城市热岛效应会导致城市内部的温度升高，降低了树木和植被的生长能力，抑制城市森林的碳吸收能力。说明合理的城市规划和管理可以缓解城市热岛效应对城市森林的影响，提高城市森林的碳吸收效率。目前，城市森林碳吸收研究主要聚焦于区域城市化和气候变化的趋势，并探讨如何有效提升城市森林的碳吸收潜力。2城市森林碳汇计量城市森林中植被碳吸收（固定）总量可以衡量城市森林的碳汇能力，为城市森林的管理和保护提供科学依据。碳汇计算是评估城市生态系统碳储量和减缓气候变化的重要手段。主要的计量方法概括如下。2 2.1 1生物量法生物量法生物量法是最常用的城市森林碳汇计算方法之一，通过对森林生物量的测量，根据碳的元素组成，计算出森林所储存的碳量。生物量法有直接测量法和间接测量法两种。直接测量法是通过树木、枝干、树皮等部分的质量来计算生物量，进而计算碳储量。间接测量法则是利用树高、胸径等指标，结合生物量指数模型，通过某一指征性生物指标反演森林的生物量和碳储量。李晓曼等9通过森林资源清查结合抽样点位实测数据，运用生物量法分析了广州市城市森林生态系统碳固定，结果表明：广州市城市森林生态系统净固定 CO2量为 7.49106t。2 2.2 2遥感技术遥感技术遥感技术通过高空或低空对地观测来获取森林覆盖面积和目标生物生长状况等信息，进而计算出森林生态系统中的碳储量或碳吸收量。该技术具有大范围、高时空分辨率等优点，但需要进行大量的图像处理和数据校正。其中，作为低空遥感技术主要手段，通过无人机搭载不同遥感与图像传感器以快速、准确获取空间信息10，高效地获取大面积城市森林的碳储量和碳吸收量数据，同时还可以实现高精度的空间分辨率和时间分辨率。高空卫星遥感监测能更准确地评估城市森林的生态系统服务和管理。王淑君等11利用广州不同时期 TM光谱响应数据建立逐步回归模型，明确了森林碳密度分布。2 2.3 3激光雷达技术激光雷达技术激光雷达技术（LiDAR）具有高精度、高效率和非接触式等优点，可以快速地获取大面积城市森林的结构信息12。通过扫描激光束对森林进行三维测量，得到高精度的城市森林大小与空间分布情况等森林结构信息，从而可以计算出其生物量和固碳量。其中，雷达光谱波段的选择、回波波形分析与高程数据的提取等关键环节，决定了树种个体与森林结构整体信息的准确性。Morsdorf 等13利用多波长数据模拟和验证森林生物量后表明，多波长激光雷达能够较为精准地估测探测区域内的森林生物量。Andrew Trlica 等14认为城市社区受人为干扰程度的影响在碳汇计量中表现出较高的不确定性，基于 LiDAR 的结果更可能受到景观斑块连通性的影响，而基于航空光学（NAIP）的结果受到斑块形状复杂性的影响明显。2 2.4 4涡度相关涡度相关涡度相关方法是一种用于测量生态系统中碳交换的方法，它基于气体分子的扩散和涡旋流动的原理。通过高精度气象监测站和涡度协方差仪等观测仪器，对森林生态系统中的三维风速、气体浓度和水分脉动数据进行实时监测，进而得出二氧化碳、热水交换量反映城市森林对大气中碳的吸收和释放情况。Hong 等15采用涡度协方差对韩国首尔、清州、全罗南道、济州岛 4 个城市森林植被碳通量分析结果表明，以上城市的森林植被碳汇状况都受季风影响显著，呈明显的季节性变化。2 2.5 5模型模拟模型模拟模型模拟是一种基于生态过程模拟城市森林碳汇计算方法。通过建立相关模型，模拟绿色植被个体或森林整体碳循环的生态过程，从而计算森林碳储量和吸收能力。模型模拟法可以考虑森林生态系统的复杂性和非线性关系，其主要涵盖：（1）生态系统模型，是一种通过数学方程描述生态系统内 52第 3 期2023 年物质和能量流动过程的方法，可以利用生态系统模型模拟城市森林的生长和 CO2吸收过程，从而评估城市森林的碳汇能力。（2）森林动态模型，是一种利用计算机模拟森林生长、林分结构和物质循环过程的方法。（3）气候模型，是一种模拟大气环流、能量和水分平衡过程的方法。（4）土壤模型，是一种模拟土壤水分和养分循环过程的方法，可以利用土壤模型模拟城市森林的土壤水分和养分状况，从而评估城市森林的生长和 CO2吸收过程。模型模拟的难点在于模型参数因子需要结合实测数据进行验证和校正，以提高模拟结果的可信度和精度，从而确保模拟结果的可靠性和适用性。生物量法计算精度较高，但传统的基于抽样方法计算大规模城市地区的时空碳汇数据是劳动密集型且成本高昂。利用遥感手段可快速、高效获得地面植被状态参数，实现估算大尺度森林生态系统的碳储量以及土地利用变化对碳储量的影响。微气象学法对下垫面植被和周围环境干扰较少，获得的通量监测数据准确。但遥感技术和微气象学法也存在着较多的不确定性，例如，当研究区域土地覆盖、树种、胸径等生物性指标差异较大时，会影响城市森林碳汇整体计算结果的准确性，这对相关技术的图像处理和相关参数调整提出更高的要求。因此，通过区域大范围的数据采集并与实地测量相结合的方式来估算城市森林固碳量是目前较为可行的方式。Ren 等16通过遥感、GIS 和森林资源数据结合的方式研究城市化进程对厦门城市森林碳汇和植被碳密度动态（1972-2006 年）的影响表明，在城市化过程中，城市核心区和郊区阔叶林的碳储量增加，而针叶林碳储量降低。尽管选择性砍伐阻碍了封闭森林斑块的再生，但自然过程仍然对碳密度的变化起着主导作用。3提高城市森林碳吸收措施发展林业碳汇已被上升到国家战略之一，相对于国家城市化的快速发展导致城市森林、绿地质量与功能问题的日益突出，城市绿化理念相对滞后的客观现实下，要求全社会因地制宜探索多元化城市森林建设方式，以保持和提升我国城市森林和绿地碳汇潜力。3.1种植适宜的树种种植适宜的树种选择适宜树种种植，可以提高城市森林的生长速率和生物量，进而增加城市森林的碳汇能力，如枫树、榆树、柳树、杨树、银杏、欧洲白蜡。另外，种植常绿针叶树种在冬季同时起到滞尘降噪的作用。3.2提高城市森林绿地覆盖率和垂直绿化面积提高城市森林绿地覆盖率和垂直绿化面积增加城市森林的面积可以扩大碳汇能力，提高城市森林对 CO2的吸收能力。可以通过城市绿化规划、森林退化地的恢复等方式增加森林面积。另外，在城市建筑物立面、屋顶等空间上增加绿化植被，增加城市垂直绿化面积，进一步提高城市的碳吸收能力。加强城市绿化建设不仅能够直接增加碳吸收能力，还能有效遮荫降温、减少热辐射、释放水分，调节城市内部温湿度，有效缓解城市热岛效应，从而提高城市森林中绿色植被光合作用效率，间接提高城市整体碳吸收能力。3.3加强城市森林和绿地养护管理加强城市森林和绿地养护管理健康的生长状态，可以提高森林的生物量和碳汇能力。例如，定期修剪、施肥和防治病虫害等措施，可提高城市森林和绿地的生长速率，改善健康状况，进而提高绿地固碳潜力。3.4加强政府引导加强政府引导，提高公众意识提高公众意识当地政府和居民必须共同努力，通过实施有效的土地利用战略，促进公众教育和提高公众对城市森林碳汇的认识和重视，鼓励公众参与城市森林的管理和保护，推动城市森林碳汇能力的提高。参 考 文 献：1吴后建，但新球，程红，等.中国国家森林城市发展现状存在问题和发展对策J.林业资源管理，2017（5）：14-19，119.2Liu Y C，Yu G R，Wang Q F，et al.Carbon carry capacityand carbon sequestration potential in China based on an integrated analysis of mature forest biomassJ.Science China（Life Sciences），2014，57（12）：1218-1229.3毛沂新，张慧东，于秀杰，等.抚顺市公益林生态效益评价研究J.辽宁林业科技，2016（3）：9-11.4Pittau F，Lumia G，Heeren N，et al.Retrofit as a carbon sink：The carbon storage potentials of the EU housing stockJ.Journal of Cleaner Production，2019，214：365-376.5王祖华，刘红梅，关庆伟，等.南京城市森林生态系统的碳储量和碳密度J.南京林业大学学报（自然科学版），2011，35（4）：18-22.6钱争鸣，刘晓晨.中国绿色经济效率的区域差异与影响因毛沂新等：城市森林碳汇研究进展 53第 3 期2023 年辽 宁 林 业 科 技素分析J.中国人口资源与环境，2013，23（7）：104-109.7Glaeser E L，Kahn M E.The greenness of cities：Carbon dioxide emissions and urban developmentJ.Journal of Urban Economics，2010，67（3）：404-418.8陈文婧.城市绿地生态系统碳水通量研究D.北京：北京林业大学，2013.9李晓曼，康文星.广州市城市森林生态系统碳汇功能研究J.中南林业科技大学学报，2008（1）：8-13.10毛沂新.无人机遥感在林业调查领域的应用J.吉林林业科技，2018，47（3）：38-40.11王淑君，管东生，黎夏，等.广州森林碳储量时空演变及异质性分析J.环境科学学报，2008（4）：778-785.12曹林，佘光辉，代劲松，等.激光雷达技术估测森林生物量的研究现状及展望J.南京林业大学学报（自然科学版），2013，37（3）：163-169.13Morsdorf F，Nichol C，Malthus T，et al.Assessing foreststructural and physiological information content of multi-spectral LiDAR waveforms by radiative transfer modellingJ.Remote Sensing of Environment，2009，113（10）：2152-2163.14Andrew T，Lucy R H，Luca L M，et al.Current and future biomass carbon uptake in Bostons urban forestJ.Science of The Total Environment，2020，709：1-10.15Hong J W，Hong Jinkyu，Chun Junghwa，et al.Comparativeassessment of net CO2exchange across an urbanization gradient in Korea based on eddy covariance measurementsJ.Carbon Balance and Management，2019，14（1）：1-18.16Ren Y，Yan J，Wei X H，.Effects of rapid urban sprawl onurban forest carbon stocks：integrating remotely sensed，GIS and forest inventory dataJ.Journal of EnvironmentManagement，2012，113：447-455.（责任编辑：王月婵）（上接第29页）如图 3 所示，随干旱胁迫程度逐渐增加，菊芋幼苗叶片的 CAT 活性、POD 活性和 SOD 活性逐渐上升，上升幅度逐渐增大。CAT 分别上升了 23%、162%和 365%，POD 分 别 上 升 了 94%、111%和261%，SOD 分别上升了 75%、130%和 230%。除10%PEG-6000 处理的 CAT 和 POD 活性与对照差异显著（P0.05）外，其余处理的幼苗叶片酶活性均与对照差异极显著（P0.0001）。3结论分子量超过 6000 的 PEG 分子较大，不能进入细胞，且 PEG 亲水性好，加入水中可降低溶液水势，进而抑制植物根系吸水而造成干旱胁迫5-6。本试验使用 PEG-6000 溶液处理菊芋幼苗来模拟干旱胁迫，研究干旱胁迫对菊芋幼苗的生理影响。结果表明，随 PEG-6000 质量分数增加，幼苗叶片叶绿素含量逐渐降低，脯氨酸含量和抗氧化酶活性逐渐增加。除 10%PEG-6000 处理的过氧化氢酶活性、过氧化物酶活性和超氧化物歧化酶活性与对照差异显著（P0.05）外，其余 PEG-6000 处理的生理指标均与对照差异极显著（P0.0001）。由此可见 PEG-6000 干旱胁迫对菊芋幼苗产生了显著影响。参 考 文 献：1王赞，李源，吴欣明，等.PEG渗透胁迫下鸭茅种子萌发特性及抗旱性鉴定J.中国草地学报，2008，30（1）：50-55.2Sugden A，Fahrenkamp-Uppenbrink J，Malakoff D，et al.Forest health in a changing worldJ.Science，2015，349（6250）：800-801.3康宏樟.沙地樟子松水分生理生态特征及其适应性以科尔沁沙地东南缘为例D.北京：中国科学院，2007.4宗莉，甘霖，康玉茹，等.盐分、干旱及其交互胁迫对黑果枸杞发芽的影响J.干旱区研究，2015，32（3）：499-503.5程波，胡生荣，高永，等.PEG模拟干旱胁迫下5种紫花苜蓿萌发期抗旱性的评估J.西北农林科技大学学报（自然科学版），2019，47（1）：53-59.6李志萍，张文辉，崔豫川.PEG模拟干旱胁迫对栓皮栎种子萌发及生长生理的影响J.西北植物学报，2013，33（10）：2043-2049.（责任编辑：张素清）54