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森林碳汇计量研究进展与展望

张子璇, 张颖, 孙剑锋, 孟娜

张子璇, 张颖, 孙剑锋, 孟娜. 森林碳汇计量研究进展与展望[J]. 北京林业大学学报(社会科学版), 2024, 23(4): 52-61. DOI: 10.13931/j.cnki.bjfuss.2023095
引用本文: 张子璇, 张颖, 孙剑锋, 孟娜. 森林碳汇计量研究进展与展望[J]. 北京林业大学学报(社会科学版), 2024, 23(4): 52-61. DOI: 10.13931/j.cnki.bjfuss.2023095
Zhang Zixuan, Zhang Ying, Sun Jianfeng, Meng Na. Research Progress and Prospect of Forest Carbon Sink Measurement[J]. Journal of Beijing Forestry University (Social Science), 2024, 23(4): 52-61. DOI: 10.13931/j.cnki.bjfuss.2023095
Citation: Zhang Zixuan, Zhang Ying, Sun Jianfeng, Meng Na. Research Progress and Prospect of Forest Carbon Sink Measurement[J]. Journal of Beijing Forestry University (Social Science), 2024, 23(4): 52-61. DOI: 10.13931/j.cnki.bjfuss.2023095

森林碳汇计量研究进展与展望

基金项目: 国家自然科学基金项目“林业碳中和多目标效益的计量开发及其耦合优化研究”(72173011)。
详细信息
    作者简介:

    张子璇,博士生。主要研究方向:生态产品价值实现研究。地址:100083 北京林业大学经济管理学院

    责任作者:

    张颖,博士,教授。主要研究方向:资源、环境评价与核算,区域经济学。地址:100083 北京林业大学经济管理学院。

  • 中图分类号: F326.2

Research Progress and Prospect of Forest Carbon Sink Measurement

  • 摘要:

    借助Citespace文献计量工具,对国内外森林碳汇计量研究进行全面、系统的统计和分析,梳理其研究脉络和发展阶段,归纳总结发展规律和特点,并对未来森林碳汇计量的发展方向进行展望,从而为今后森林碳汇计量和经济价值核算的相关研究提供参考。主要结论有:①我国持续关注和完善森林碳汇的估算体系和价值核算体系,丰富森林碳汇计量研究的内容。②国内外森林碳汇的估算方法在持续优化和改善中,我国需不断加快机器学习算法、遥感技术等先进方法在国内的应用和推广,推动森林碳汇计量方法的创新。③森林碳汇计量研究涉及多个学科,需要不断加快多个学科的方法交叉融合。④我国在森林碳汇计量研究中需加强与不同国家不同机构作者之间的密切合作,进一步推动森林碳汇计量研究的创新和发展。

    Abstract:

    With the help of the Citespace bibliometric tool, this study comprehensively and systematically analyzes the research on forest carbon sink measurement at home and abroad, compares its development and stages, summarizes the development rules and characteristics, and provides an outlook on the future development direction of forest carbon sink measurement, aming to provide reference for future research on forest carbon sink measurement and economic value accounting. The main conclusions are: ① We should continue to pay attention to and improve the estimation system and value accounting system of forest carbon sinks, and enrich the content of forest carbon sink measurement research. ② The estimation methods of forest carbon sinks at home and abroad are continuously optimized and improved, and China needs to accelerate the application and promotion of advanced methods such as machine learning algorithms and remote sensing technology, so as to promote the innovation of forest carbon sink measurement methods. ③ Research on forest carbon sink measurement involves many disciplines, and it is necessary to accelerate the cross-fertilization of methods from many disciplines. ④ China needs to strengthen the cooperation with scholars from different institutions in different countries to further promote the innovation and development of forest carbon sink measurement research.

  • 随着全球气候变化带来的负面影响不断加深,森林作为陆地生态系统的主体,为缓解全球气候变化做出了重要贡献。目前关于森林碳汇的研究成果逐渐丰富,并在近十年取得了较快的发展。对相关文献进行总结分析,能够进一步指引森林碳汇研究的方向,聚集不同学科背景的相关工作者共同推动森林碳汇交叉学科研究的发展。目前针对森林碳汇,学者们主要从森林碳汇功能[1]、森林碳汇估算方法[2-3]以及森林碳汇管理[4]等方面进行研究。就研究方向而言,学者们多集中于单一视角的统计分析,而森林碳汇是一个涉及多学科的研究领域,需要从多方面进行研究,尤其是森林碳汇价值的核算仍需进一步加强。本文基于Citespace文献计量软件对国内外森林碳汇(碳储量)估算以及价值核算相关研究进行全面系统的统计分析,以期更好地把握森林碳汇计量的研究进展和发展趋势。

    本文借助Citespace(6.1.R3)软件对Web of Science(WOS)和中国知网(CNKI)森林碳汇计量的相关文献进行统计分析,对高被引文献和作者、关键词、国家、机构和时间线进行可视化分析,进一步提取现阶段研究热点,挖掘当前研究趋势,进而深入剖析国内外森林碳汇计量研究的发展脉络和发展阶段,以及未来森林碳汇计量的发展方向,并对之后的研究提供指引和参考。

    森林碳汇的性质能够通过森林碳汇量和森林碳储量表现出来。森林碳汇量是流量,主要指植被通过光合作用吸收碳,并将其固定在森林生物和土壤中的过程或机制。森林碳储量是存量,表示在某一时间点上森林生态系统所有碳库中碳的储存量。

    国际森林碳汇计量文献分析主要选择WOS核心数据库作为文献来源。设置主题为“Forest carbon sink(森林碳汇)or Forest carbon stocks(森林碳储) and Estimation(估算) or Accounting(核算)”,文献类型设置为Article(文章)和Reviews(综述),主题不限,共检索到5 990篇文献。将其导出后在Citespace软件中进行预处理(去重)并进行统计分析,5 990篇文献时间节点为1998年至2022年 1

    统计各年份森林碳汇计量研究发文量后发现,该领域的研究总体上呈现波动式上升趋势。2003年为一个时间节点,在此之前国际上的森林碳汇计量研究处于起步阶段,发文量相对较少,在此之后相关研究开始迅猛发展,由2003年的128篇增长至2021年的550篇,年均增长率为8.44%。主要原因是随着欧盟及其成员国正式批准《京都议定书》,森林在自然生态系统中发挥的固碳效应引起社会各界的关注,相关研究也呈现逐年增长趋势。文献被引频次的增长速度较快,明显超过发文量,这表明森林碳汇计量的相关研究也得到了多个学科的关注。森林碳汇是一个涉及多学科、多种因素的复杂研究体系。从研究涉及的相关学科来看,环境科学背景的研究人员对森林碳汇计量研究的贡献最多,占研究总量的36.5%,这主要是因为增强森林碳汇能力是减缓和适应气候变化、改善生态环境的重要举措,其次是林学和生态学。

    共有133个国家和地区发表过森林碳汇计量文献,按照第一作者的国籍认定,美国和中国对森林碳汇计量的研究更加重视,分别贡献了1 963和1 351篇文献,合计占文献总量的55.33%,但是其中包括多个国家的相关机构共同合作而成的文献。大多数发展中国家的研究相对滞后,主要原因可能是欧美国家发展相对较早,环境保护和应对气候变化的意识也相对超前,而中国虽然是发展中国家,但作为一个负责任的大国,不断积极探索减少温室气体排放,提出在2030年达到“碳达峰”,2060年实现“碳中和”,相关学者对此进行了大量研究。

    从研究机构来看(见表1),中国科学院(Chinese Acad Sci)以819篇的发文量排名全球第一,且明显高于排名第二的美国林业局(US Forest Serv),这表明中国学者对森林碳汇计量表现出极大的关注。排名第三位的是赫尔辛基大学(Univ Helsinki),这可能是源于挪威丰富的森林资源,其森林覆盖率位居世界第三,人均森林资源世界第一,这为挪威森林碳汇的计量研究奠定了基础。发文量超过100篇的还有德国马克斯·普朗克生物化学研究所(MPIB)、北京大学(Peking Univ)以及瑞典隆德大学(Lund Univ)。

    表  1  国际森林碳汇计量研究发文量排名前10的机构
    排名 单位 发文量 排名 单位 发文量
    1 Chinese Acad Sci(中国科学院) 819 6 Lund Univ(瑞典隆德大学) 104
    2 US Forest Serv(美国林业局) 211 7 Swedish Univ Agr Sci(瑞典农业大学) 99
    3 Univ Helsinki(赫尔辛基大学) 167 8 Oregon State Univ(俄勒冈州立大学) 90
    4 MPIB(德国马克斯·普朗克生物化学研究所) 147 9 Univ Calif Berkeley(加利福尼亚大学伯克利分校) 87
    5 Peking Univ(北京大学) 120 10 Harvard Univ(哈佛大学) 83
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    总的来说,除中国外,森林资源丰富的欧美国家更加关注森林碳汇的计量。说明森林碳汇的研究区域呈现明显的空间集聚性,热点区域集中在北美、欧洲以及东亚区域,而非洲和除巴西的拉丁美洲则是研究的冷点区。

    关键词可以反映文章的核心内容,通过分析文献关键词,能够快速把握文献的研究热点和方向的演化趋势。通过Citespace对5 990篇文献中关键词的出现频率进行统计,并对其进行聚类分析,能够更好地归纳出重点主题。在此基础上进行关键词聚类时间线可视分析,可以清晰地表现出森林碳汇计量重要主题的时间演化趋势,为下一步的研究提供更好的参考。

    对关键词出现频率进行统计,提取出现频次100以上的关键词进行处理,融合相近或重复关键词。由于输入的主题是森林碳汇计量,因此碳固存和碳汇的相关词汇也一并隐去,出现频次较多的关键词如表2所示。

    表  2  森林碳汇计量文献出现频次较高的关键词
    关键词 出现频次 关键词 出现频次 关键词 出现频次
    climate change(气候变化) 1445 temperature(温度) 418 fluxe(不断变化) 324
    soil(土壤) 781 growth(生长) 397 productivity(生产力) 288
    land use(土地利用) 764 NPP(植被净初级生产力) 385 boreal forest(北方森林) 281
    ecosystem(生态系统) 757 variability(不稳定性) 384 organic matter(有机物) 266
    dynamics(动态变化) 662 nitrogen(氮元素) 368 aboveground(地上) 265
    soil carbon(土壤碳) 598 emission(排放) 360 soil organic carbon(土壤有机碳) 259
    bioma(生物量) 530 impact(影响) 351 balance(平衡) 257
    tropical forest(热带雨林) 435 eddy covariance(涡度协方差) 336 exchange(交换) 256
    model(计量模型) 433 vegetation(植被) 336 organic carbon(有机碳) 255
    management(森林管理) 422 respiration(呼吸) 329 pattern(模式) 227
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    森林碳汇计量研究的关键词基本可以分为5类:一是森林碳汇的构成。森林碳汇由四大碳库构成,即地上生物量(aboveground bioma)、土壤碳(soil carbon)、地下生物量(belowground biomass)和枯落物(litter)[5]。森林碳汇的研究主要集中在地上生物量和土壤方面。二是森林碳汇的影响因素,这决定着森林碳汇计量的准确性和动态性。涉及到的关键词有土地利用(land use)[6]、温度(temperature)[7]、植被净初级生产力(NPP)[8]、氮元素(nitrogen)[9]、土壤有机碳(soil organic carbon)[10]以及干旱(drought)[11]等。三是森林碳汇计量的效用,如应对气候变化(climate change)[12]、森林管理(management)[5]、碳平衡(balance)[13]等。四是不同森林生态系统类型,包括热带雨林(tropical forest)、陆地生态系统(terrestrial ecosystem)、温带森林(temperate forest)、挪威云杉(norway spruce)等[14-15]。五是森林碳汇计量的方法,如计量模型(model)、涡度协方差(eddy covariance)等[16-18]。值得注意的是,森林碳汇的动态变化(dynamics)和不稳定性(variability)也得到了较多关注[19-20],特别是在气候变化背景下,自然灾害和人类活动会影响森林生态系统,这给森林碳汇计量带来了诸多挑战。

    通过对关键词进行聚类分析(见图1),能够将含义相近的关键词凝结为一个主题,该主题也基本代表了某一研究热点。同时对关键词聚类进行时间线可视化分析,以此掌握研究热点的演化特征。经过聚类后根据聚类强度凝练出聚类较强的前11个主题(将carbon sink和carbon sinks视为一个),按照聚类强度排序为tree biomass(树木生物量)、carbon sink(碳汇)、random forest(机器学习算法)、net ecosystem production(净生态系统生产力)、genus-specific model(属种模型)、Africa(非洲)、uncertainty analysis(不确定性分析)、cropland expansion(耕地扩张)、tropical dry forest(热带干旱森林)、interferometric synthetic aperture radar(卫星观测技术)、land-use and cover change(土地利用和覆被变化)。

    图  1  森林碳汇计量研究文献关键词聚类

    结合关键词聚类图发现,不确定性分析(uncertainty analysis)是学者们在初期进行森林碳汇计量研究时关注的热点。森林碳汇计量存在大量不确定因素,想要提高碳汇计量的准确性就需要对其进行不确定分析,以此得出最佳的计量方案。森林碳汇的影响因素也是学者们关注的一大热点,受人口急剧增长和地区冲突的影响,刚果境内的热带雨林被大面积开发,据相关研究表明,2000—2010年的10年间,刚果盆地森林面积消失了371.1万hm2,由此学者们开始关注非洲热带雨林破坏对全球森林碳汇的影响[21-22]。随后学者们的目光更集中于单一因素对森林碳汇计量的影响,研究更加深入和具体,如耕地扩张(cropland expansion)对森林生态系统的胁迫,导致森林碳汇量的下降[23-24]。随着卫星观测技术(interferometric synthetic aperture radar)[25]和机器学习算法(random forest)[21]的迅速发展,大规模、实时的陆地碳汇计量成为了研究的重点。与此同时,将属种模型(genus-specific model)应用到碳汇计量也得到了学者们的关注。属种模型是部分-整体模型的一个版本,它将部分-整体关系映射到物种之间的关系上。森林生态系统植被类型复杂多样,其固碳能力也有较大差异,从较大规模的森林碳汇计量来看,需要采集较小样本区域内的植被固碳量来映射较大尺度的森林碳汇量计算。通过测定树木生物量(tree biomass)来计算植被碳密度的方法具有较大优势,如精度高、操作相对方便、成本较低,2015年后成为碳汇计量的主流方法。土地利用和覆被变化(land-use and cover change,LUCC)已经成为影响森林生态系统稳定的重要因素[26]。LUCC主要涉及人类活动对森林生态系统的胁迫,如建设用地扩张、耕地开发以及人工牧草地的建设等。LUCC不仅对森林碳汇能力产生直接影响,而且对生物多样性、水土保持、碳排放等方面也有不可逆的负面影响。总体而言,树木生物量法估算森林碳汇和森林碳汇对土地利用和覆被变化的动态响应是目前森林碳汇计量研究的热点。

    关键词凸显(Bursts)指的是在某一时段内关键词出现频数呈爆发式增长的现象,通过统计关键词凸显,能够看出某一时段某些高频关键词的出现强度,这也从侧面反映出相关研究的热点。从图2可以看出,2012年之前,关于森林碳汇计量的相关研究主要集中在森林碳汇的内部发生机理上,如水蒸气、二氧化碳、呼吸作用以及光合作用等关键词出现频率高。2018年后,学者们的关注点转移到森林碳汇与外部环境的胁迫、影响和响应以及生态系统服务价值方面的研究,更加注重气候变化背景下森林碳汇的演化以及与人类活动交互关系的分析和探讨,研究视角更加宏观。

    图  2  森林碳汇计量文献关键词凸显变化

    高被引期刊的特点主要是创新性、可读性强,结论具有高度的实用性等。阅读高被引期刊是快速了解相关领域研究进展和方向的重要手段。本文统计了5 990篇文献所涉及的高被引期刊,这里的被引用量是5 990篇样本文献内部之间的引用,被其他领域引用的次数未计算在内。

    Pan等[27]采用统计和过程模型,基于清单数据和长期实地观察结果,对世界森林的碳储量和通量进行了全面的估计,其结果表明森林总碳汇量为每年24 ± 0.4 Pg C,土地利用是影响全球碳汇量变化的主导因素,这一研究成果首次将森林碳汇计量的研究尺度拓展至全球。随后许多学者开始关注全球范围内森林碳汇的演化和碳循环,如全球人类足迹与森林碳汇的交互关系、全球热带雨林森林碳汇动态变化以及陆地生态系统与全球碳循环的互动等。Griscom等 [28]提出了自然气候解决方案,包括20项保护、恢复和改善土地管理行动的方案,这为全球各国提供了更加多样化的选择,为实现巴黎气候协定的相关承诺提供了支撑,同时还能够提高土壤生产力,维护生物多样性。与此同时,Hansen等[29]根据地球卫星监测数据绘制了30 m分辨率的2000—2012年期间全球树木覆盖范围、损失和收益的地图,并对森林总损失和收益进行了量化。这一数据集具有重要意义,为全球森林生态系统的相关研究提供了参考,目前该数据集已经更新到2021年。

    Global Change Biology是森林碳汇计量研究领域学者们关注度最高的期刊,相关文献的被引次数最高,超过了NatureScience(见表3)。林学领域顶刊Forest Ecology and Management也为国内外学者探讨森林碳汇计量中的热点问题提供了国际平台。总的来看,学者们更关注生态类和综合类的期刊,而这两类期刊被美国社会科学索引收录的较少,因此森林碳汇与社会科学的交叉融合仍需进一步发展。

    表  3  森林碳汇计量研究高被引期刊
    序号期刊被引量序号期刊被引量
    1Global Change Biology276511Oecologia1258
    2Nature248212Journal of Geophysical Research: Atmospheres1187
    3Science245813Canadian Journal of Forest Research1179
    4Forest Ecology and Management208314Ecosystems1156
    5Global Biogeochemical Cycles164315Biogeochemistry1136
    6Ecological Applications159116Plant and Soil1061
    7Pnas156217Soil Biology and Biochemistry1046
    8Ecology136818New Phytologist1031
    9Agricultural and Forest Meteorology136019Tree Physiology991
    10Biogeosciences129820Geophysical Research Letters983
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    截至2022年,森林碳汇计量方面发文量最多的是法国原子能中心的Philippe Ciais教授,共发表57篇相关文献,其次是中科院地理所于贵瑞院士,第三是魁北克大学教授彭长辉教授。发文量超过20篇的还有英国埃克塞特大学的Stephen Sitch以及北京大学方精云院士。同时,高发文量作者和高被引作者之间存在着较为密切的合作关系,不同国家、机构学者们的交流合作促进了森林碳汇计量研究的不断发展。

    国内森林碳汇计量研究分析以中国知网(CNKI)数据库为文献来源。考虑到研究的时效性,文献选取对象以期刊为主,选取主题范围设定为“森林碳汇量”和“森林碳储量”,共筛选出975篇文献,其中核心期刊(含北大核心、CSSCI、CSCD)506篇,占总发文量的51.9%。时间范围为1997年至2022年。总体来看,CNKI检索到的森林碳汇计量相关文献明显少于WOS数据库,主要有两方面的原因:其一是国外对森林碳汇计量的研究相对较早,研究更加深入;其二是国内学者更偏向于在SCI(Science Citation Index,科学引文索引)收录的期刊展示其森林碳汇计量的最新研究成果。CNKI的相关研究更侧重于和我国森林碳汇发展的实际需要相结合,研究尺度更加微观,研究视角更加细化。

    第一阶段为1997至2005年,这一阶段属于萌芽期,年发文量均低于5篇。这一时期的森林碳汇计量处在初期探索阶段,学者们集中于研究特定地区森林碳汇的形成机理、作用等[30],研究视角比较宏观,研究方法也主要集中在蓄积量法和碳密度法等。其中,王效科等[31]研究了不同森林各林龄生物量与蓄积量的关系,对生物量与蓄积量碳汇计量公式进行了创新,并估算了中国森林植物碳储量,引起了学者们的广泛关注。随后学者们纷纷在此基础上进行研究,并将其应用到具体地区的森林碳储量估算中[32-33]

    第二阶段是2006至2016年,这一阶段属于快速增长期。2007年,联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在西班牙瓦伦西亚召开第27次全体会议,会议通过了IPCC第四次全体决议,呼吁各国减少温室气体排放以应对气候变化,同年,中国政府也颁布了《中国应对气候变化国家方案》。这一阶段我国森林碳汇计量的相关研究快速推进。从研究视角来看,研究范围相比之前更加广泛,学者们逐步开始关注森林碳汇的价值核算[34-36]、动态演变[37-39]以及潜力分析[40-42]。同时,学者们也进一步研究了不同类型森林生态系统(如城市森林)的差异性及其管理方式的差异性[3,43-45]。从估算方法来看,也不再局限于生物量法、碳密度法和蓄积量法,而是更多关注到基于遥感的激光雷达估测,这一方法的发展为大尺度森林碳汇的实时监测提供了可能[46-48]

    第三阶段是2017年到2020年,这一阶段属于平稳发展期。这一时期的研究热度相比之前有所下降,发文量由2017年的74篇下降至2020年的46篇,核心期刊发文量也呈现连续下降的趋势,这主要是因为上一阶段森林碳汇计量的研究已经趋于成熟。这一阶段的研究框架基本与上一时期相同,不同之处是其研究内容更加细化和分散,研究范畴也逐步扩大,并将不同类型以及林龄的植被碳汇能力也加入其中[49-51]

    第四阶段是2021年至今,这一阶段属于“碳中和”研究新发展期。2020年9月,习近平总书记在75届联合国大会上提出“双碳”目标后,森林碳汇研究有了更长足的发展。随着国家“双碳”政策的日益完善,各地方政府也纷纷出台相关政策助力实现“双碳”目标。这一阶段的研究主要集中于各区域实现“双碳”战略目标的实践情况,因此更加关注碳汇量的具体核算结果能否与碳排放预期目标同步[2,52-53],以及森林碳汇动态变化和发展潜力是否能够满足“碳中和”目标的顺利实现[54-57]

    从关键词出现频率(见图3)和关键词聚类(见图4)来看,估算方法是森林碳汇计量研究的重点,主要采取碳密度法和生物量法。随着卫星观测技术的发展,遥感也成为区域森林碳汇估算的重要方法之一。当前的研究集中于对不同地区森林碳储量的影响因素、空间分布的研究,这可能是因为不同森林植被以及气候环境的差异会造成森林固碳能力的空间异质性。森林碳汇的发生机理、过程以及对气候变化的响应是森林碳汇计量研究的基础和前提,在我国 “双碳”目标的大背景下,森林碳汇与“碳中和”能否同步是学者们热议的话题,研究内容主要集中于森林碳汇的动态变化和潜力评估等。同时,随着全国碳交易市场的逐渐完善,森林碳汇交易也成为了研究热点。2010年后,森林碳汇价值核算研究开始进入学术界讨论范围[58-60]。中共中央办公厅、国务院办公厅发布了《关于建立健全生态产品价值实现机制的意见》,要求加快推动建立健全生态产品价值实现机制,森林碳汇作为重要的生态产品和服务,其价值核算问题也成为当前学术界关注的重点。除此之外,森林碳汇是森林生态系统的重要生态功能,涉及多个组成部分,其中土壤碳库不仅是森林碳储量的重要聚集区域[61-63],而且土壤理化性质直接影响着森林生态系统的生长和演化[64],这部分研究也成为今后森林碳汇计量需要关注的内容。

    图  3  森林碳汇计量研究文献关键词频率及相关关系
    图  4  森林碳汇计量研究文献关键词时间线

    从关键词时间线来看(见图4),目前国内关于森林碳汇计量的研究处于相对平稳阶段,研究范式与国外研究相比基本类似。与国外相比,国内碳汇计量会受到政策因素和国家需求的影响,其研究更加注重某一地区的具体实践,如空间差异性及产生的效益,也就是更偏向于结果和应用。目前来看,近两年国内森林碳汇计量研究的热点集中在碳汇价值分析以及“3S”技术应用等方面。

    截至2022年12月,森林碳汇计量相关研究中,北京林业大学贡献最大,其次是东北林业大学和南京林业大学。研究机构以农林类高校和科研院所为主,中科院系统由于综合研究能力较强,在森林碳汇计量领域贡献亦较大,如中科院地理所、沈阳生态所和水保所。

    从主要发文作者及合作关系来看,最具有代表性的是北京林业大学刘琪璟团队、国家林草局调查规划设计院曾伟生、中科院沈阳生态所代力民团队以及四川农大张健团队,在核心期刊发文的作者也较多集中于上述团队。单人发文量最多的是国家林草局调查规划设计院的曾伟生和王雪军,其次是南京林大肖文发,发文量均超过10篇。总体来看,不同单位学者之间合作关系较弱,研究的区域性特征明显。

    通过对国内外研究文献进行比较分析后发现,两者存在较为明显的异同点。厘清当前国内外研究的特点和差异将会对森林碳汇计量的后续研究有较大的指导和借鉴意义。

    1)从研究背景和发展阶段来看,国内外对森林碳汇计量的研究都起步于20世纪末,并在21世纪初进入快速发展阶段。两者的增长趋势比较类似,都经历了初期的缓慢发展后,逐步开始快速发展,并呈现出一定的波动性。同时,国内外研究都有明显的政策导向,差别在于国外研究受国际公约和国际组织倡议影响较为明显,如《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》《哥本哈根协议》等;国内研究受到政府相关政策的影响更为明显,如生态补偿、碳交易、“双碳”目标和生态系统服务价值实现机制等,尤其在国家森林清查数据公布后会迎来国内森林碳汇研究的小高潮期,其研究成果的波动性更为明显。

    2)从研究内容来看,国内外都比较重视对森林碳汇的影响因素和机理的研究,并在此基础上核算森林碳储量。同时,森林碳汇的动态变化和不稳定性对森林碳汇计量的准确性会产生较大影响,因此也得到了国内外学者的广泛关注。但国外对森林碳汇计量的研究更加注重气候变化大背景下人类活动与森林碳汇的互动关系,如土地利用和覆被变化、碳排放等,研究尺度相对较大,研究视角更为广泛。国内研究则更加侧重于某一具体地区森林碳汇估算及其经济价值核算的实践研究,应用性更强。

    3)从研究方法来看,生物量法和碳密度法是国内外学者在进行森林碳汇计量研究中应用最为广泛的方法。近年来,国内外森林碳汇的计量方法在持续优化和改善中,但与国外研究相比,国内存在明显的滞后性,如机器学习算法、遥感技术等较为先进的方法受制于多种因素并未在国内广泛应用。目前国内森林碳汇计量研究仍有较大的提升空间,需要我国不断加快多个研究学科的方法融合,弥补相关研究视角的缺失。

    4)从研究机构和作者来看,国内研究主要集中在林业高校和科研机构,而国外研究涉及多种研究机构,且综合类科研机构较多。同时,国外不同国家不同机构的作者之间存在更加密切的合作关系,这有利于进一步推动森林碳汇计量研究的创新和发展。

    森林碳汇为缓解全球气候变化做出了重要贡献,现已成为生态学、地理学、林学、大气科学、经济学和管理学等多种学科的重要研究领域。目前国内森林碳汇计量研究成果已经非常丰富,也形成了较为完整的研究体系,但是在未来趋势模拟、价值核算、森林碳汇量估算与森林碳汇价值核算的交叉融合等研究上仍有进一步发展的空间。当前碳定价成为资源环境经济学和农林经济学的重要前沿议题,是森林碳汇价值实现和交易的基础。总体来看,根据当前我国研究的特点和趋势,提出以下研究展望。

    1)森林碳汇计量研究相对完善,未来深化过程模拟有待加强。虽然计量方法的不同会导致适用性和结果的差异,但全球尺度、长时间陆地生态系统碳汇计量研究已有大量实践,这在很大程度上增加了我们对全球和区域碳汇水平的了解,为之后气候保护政策的落实提供参考,也为森林碳汇潜力评估奠定基础。当前我国森林碳汇潜力评估主要有两种模式:一是基于森林生态系统演化过程的模拟。这类研究主要是根据植被碳汇过程机制和单位时间碳汇量来计算未来森林的碳汇量,其优势是计算精度相对较高,但不足是会受到外部环境的干扰,预测时期相对较短,主要应用于生态学和大气科学等自然学科。二是基于结果的模拟。其预测方法是根据森林碳汇核算结果构建相应的数学模型从而进行估测,这种方法的优势是能够进行长期的森林碳汇量预测,但估算结果误差较大,主要应用于经济学和管理学等社会科学。森林碳汇量未来趋势模拟和评估研究的准确程度对顺利实现“碳中和”目标具有重要意义。

    2)森林碳汇价值核算研究有待进一步充实和完善。与森林碳汇计量研究相比,我国森林碳汇价值核算还需进一步完善和充实。碳汇价值核算的前提是碳定价,当前森林碳汇定价方法多样,由于参与主体的不同,使得价格差异很大,加之我国碳交易市场还不完善,碳汇市场的波动必然导致碳汇价格不确定性增加。特别是在未来气候变化和森林生态系统演化背景下,森林碳汇价值核算仍有较大的不确定性。此外,区域森林碳汇价值核算还须进一步考虑森林碳汇未来潜力评估的不确定性,从而满足我国“建立生态产品价值评价体系”的要求。

    3)森林碳汇量估算与森林碳汇价值核算需要交叉融合。森林碳汇量估算和森林碳汇价值核算相辅相成,森林碳汇量估算是森林碳汇价值核算的基础,而森林碳汇价值核算是森林碳汇量能够参与碳汇市场交易的前提。基于遥感卫星和生物过程的森林碳汇计量方法体系相比清单法,在估算结果精度、研究区域尺度以及时空动态监测方面都有显著优势。但是我国森林碳汇价值评估的相关研究主要集中在经济学及相关领域,而估算方法主要以森林清单法为主,因此,加强遥感卫星和生物过程的森林碳汇计量方法研究和应用就显得十分必要。只有完善的碳汇量估算体系和价值核算体系才能推动森林碳汇进入市场交易,这就给森林碳汇估算的自然科学方法与价值核算的社会科学方法交叉融合提出了更高要求。

    1由于本研究的检索范围为WOS核心数据库,因此,并不意味着森林碳汇计量研究开始于1998年。只是1998年前相关文献数量较少,研究数量较为分散和不显著,因此不作统计。
  • 图  1   森林碳汇计量研究文献关键词聚类

    图  2   森林碳汇计量文献关键词凸显变化

    图  3   森林碳汇计量研究文献关键词频率及相关关系

    图  4   森林碳汇计量研究文献关键词时间线

    表  1   国际森林碳汇计量研究发文量排名前10的机构

    排名 单位 发文量 排名 单位 发文量
    1 Chinese Acad Sci(中国科学院) 819 6 Lund Univ(瑞典隆德大学) 104
    2 US Forest Serv(美国林业局) 211 7 Swedish Univ Agr Sci(瑞典农业大学) 99
    3 Univ Helsinki(赫尔辛基大学) 167 8 Oregon State Univ(俄勒冈州立大学) 90
    4 MPIB(德国马克斯·普朗克生物化学研究所) 147 9 Univ Calif Berkeley(加利福尼亚大学伯克利分校) 87
    5 Peking Univ(北京大学) 120 10 Harvard Univ(哈佛大学) 83
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    表  2   森林碳汇计量文献出现频次较高的关键词

    关键词 出现频次 关键词 出现频次 关键词 出现频次
    climate change(气候变化) 1445 temperature(温度) 418 fluxe(不断变化) 324
    soil(土壤) 781 growth(生长) 397 productivity(生产力) 288
    land use(土地利用) 764 NPP(植被净初级生产力) 385 boreal forest(北方森林) 281
    ecosystem(生态系统) 757 variability(不稳定性) 384 organic matter(有机物) 266
    dynamics(动态变化) 662 nitrogen(氮元素) 368 aboveground(地上) 265
    soil carbon(土壤碳) 598 emission(排放) 360 soil organic carbon(土壤有机碳) 259
    bioma(生物量) 530 impact(影响) 351 balance(平衡) 257
    tropical forest(热带雨林) 435 eddy covariance(涡度协方差) 336 exchange(交换) 256
    model(计量模型) 433 vegetation(植被) 336 organic carbon(有机碳) 255
    management(森林管理) 422 respiration(呼吸) 329 pattern(模式) 227
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    表  3   森林碳汇计量研究高被引期刊

    序号期刊被引量序号期刊被引量
    1Global Change Biology276511Oecologia1258
    2Nature248212Journal of Geophysical Research: Atmospheres1187
    3Science245813Canadian Journal of Forest Research1179
    4Forest Ecology and Management208314Ecosystems1156
    5Global Biogeochemical Cycles164315Biogeochemistry1136
    6Ecological Applications159116Plant and Soil1061
    7Pnas156217Soil Biology and Biochemistry1046
    8Ecology136818New Phytologist1031
    9Agricultural and Forest Meteorology136019Tree Physiology991
    10Biogeosciences129820Geophysical Research Letters983
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图(4)  /  表(3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-19
  • 录用日期:  2024-06-16
  • 网络出版日期:  2024-11-18
  • 刊出日期:  2024-12-24

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