劉志華 賀紅士 徐文茹 梁宇 朱教君* 王高峰 魏偉 王自發(fā) 韓永明

1 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽(yáng) 110016

2 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 長(zhǎng)春 130024

3 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院 上海 201210

4 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 北京 100029

5 中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 西安 710061

政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）最新評(píng)估顯示，自工業(yè)革命以來(lái)，由化石燃料使用和毀林等人為活動(dòng)引起的碳排放，使大氣二氧化碳（CO2）濃度由工業(yè)革命前285 ppm 增加至2022 年的417 ppm，導(dǎo)致全球平均溫度增加了約1.1℃[1]。為了減緩以CO2為主要溫室氣體濃度增加導(dǎo)致的氣候變暖，國(guó)際社會(huì)先后制定了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》（1992 年）、《京都議定書(shū)》（1997 年）、《哥本哈根協(xié)定》（2009 年）、《巴黎協(xié)定》（2015 年）、《格拉斯哥氣候協(xié)議》（2021年）、《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》（2022 年）等國(guó)際公約，確定了在21 世紀(jì)末將氣溫升高控制在1.5℃的目標(biāo)。作為碳減排的全球性重大行動(dòng)，世界主要經(jīng)濟(jì)體先后公布了“雙碳”（碳達(dá)峰、碳中和）減排目標(biāo)。

中國(guó)是“雙碳”行動(dòng)的積極推進(jìn)者，中國(guó)政府于2020 年9 月宣布，將爭(zhēng)取在2030 年“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”（即CO2凈排放為0）。像中國(guó)這樣一個(gè)正處在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程中的大國(guó)，“碳達(dá)峰”與“碳中和”僅有30 年間隔，必然面臨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、技術(shù)升級(jí)和生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯等方面的巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)“碳中和”的主要路徑包括減少化石燃料使用及土地利用變化導(dǎo)致的碳排放量（減排）、增加陸海生態(tài)系統(tǒng)碳吸收（增匯）及廣泛使用碳捕捉與碳封存（CCUS）技術(shù)[2]。

增加生態(tài)系統(tǒng)碳匯是實(shí)現(xiàn)“碳中和”最綠色、經(jīng)濟(jì)和可行的途徑。2012—2021年，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯約為110 億噸CO2/年，抵消約32%人類化石燃料碳排放，在實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)中起著不可替代的作用[3]。然而，生態(tài)系統(tǒng)碳匯是脆弱的，除受到生態(tài)系統(tǒng)類型、土壤和氣候因素的影響，還受到人為干擾的影響。

野火是全球生態(tài)系統(tǒng)中最重要的自然干擾過(guò)程之一，也是森林和草地面臨的主要自然干擾類型，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著重要作用[4-7]?；馃茐牡乇碇脖?，釋放大量溫室氣體、顆粒物和其他痕量氣體，加劇水土流失和空氣污染，是影響全球環(huán)境和氣候安全的重要驅(qū)動(dòng)因子之一[8,9]。2002—2020年，全球野火年均排放（73.2±7.32）億噸CO2，約為化石燃料釋放CO2的18.5%，對(duì)大氣CO2濃度升高的貢獻(xiàn)顯著[10,11]。同時(shí)，野火碳排放量受氣候變化的影響存在巨大的年際變化。例如，1997—1998厄爾尼諾年，野火的排放量高達(dá)117.12 億噸CO2，而在2001—2009 年，年均野火的排放量為58.6 億噸CO2，因此野火碳排放是導(dǎo)致陸地碳匯變化的主要因素之一[12,13]。盡管火后植被恢復(fù)可以抵消一部分野火的直接碳排放，但在氣候變暖、火燒輪回期變短，以及強(qiáng)度增加的背景下，植被需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能抵消碳釋放。特別是在北方森林和熱帶雨林區(qū)，氣候暖干化和人類活動(dòng)導(dǎo)致森林火災(zāi)頻率、面積和強(qiáng)度增加，林火碳釋放量急劇上升，導(dǎo)致森林植被恢復(fù)需要上百年以上才能抵消林火導(dǎo)致的碳釋放，滯后于氣溫升高控制在1.5℃的目標(biāo)所設(shè)定的時(shí)間框架[14,15]。因此，在“雙碳”的背景下評(píng)估碳核算體系，野火碳排放不容忽視。

1 林火碳排放在全球碳循環(huán)中的作用

1.1 全球森林火燒面積及碳排放趨勢(shì)

野火主要發(fā)生在草原、稀樹(shù)草原和森林三大生態(tài)系統(tǒng)中，而非洲大陸野火面積占全球火燒面積的3/4以上。衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明，2000年以來(lái)全球野火發(fā)生面積總體呈下降趨勢(shì)，主要是農(nóng)田管理導(dǎo)致非洲草原和稀樹(shù)草原火燒面積降低。然而，全球林火呈上升趨勢(shì)，特別是北美西部、澳大利亞等地區(qū)災(zāi)難性火災(zāi)頻率增加[15]。林火占全球火燒面積約5%，但由于森林生物量高，林火碳排放占全球野火CO2排放的20%，年均排放量約為15億噸CO2[16]。近年來(lái)，受氣候變暖和人類活動(dòng)的影響，林火排放的CO2約以每年1%（約1 500萬(wàn)噸CO2）的速度增長(zhǎng)[16]，已成為不可忽視的碳排放源。

特別是北方針葉林①北緯50°以北，主要包括西伯利亞落葉松林、加拿大亞寒帶針葉林。，隨著氣候變暖和干旱的加劇，林火發(fā)生頻率呈顯著增加趨勢(shì)。2000—2020 年，北方森林火災(zāi)碳排放為全球野火CO2排放量的10%；由于氣候變暖，2021年占比達(dá)23%，釋放了17.6億噸CO2[17]。而且較少發(fā)生野火的高緯度苔原帶地區(qū)也開(kāi)始頻繁火燒，導(dǎo)致凍土融化，加劇甲烷、氮氧化物等強(qiáng)溫室氣體排放。

1.2 林火發(fā)生的影響因素

林火的發(fā)生受到氣象條件、可燃物特征和火源的影響[18,19]。氣候變暖導(dǎo)致高溫、熱浪和干旱，造成可燃物水分含量下降，并增加大氣雷暴頻率，林火發(fā)生的頻率、蔓延速度和能量釋放也隨之增加[20]。同時(shí)，溫度升高有利于高緯度植物生長(zhǎng)，增加了可燃物的載量，進(jìn)一步增加林火強(qiáng)度。由于氣候變暖存在“北極放大效應(yīng)”（即高緯度地區(qū)的氣候變暖速率高于全球平均），因此未來(lái)北半球高緯度地區(qū)的高溫?zé)崂撕透珊凳录赡軙?huì)更頻繁，極端野火發(fā)生的頻率和強(qiáng)度可能持續(xù)增加[20,21]。氣候變暖與野火碳排放之間的正反饋機(jī)制，可能使高緯度地區(qū)成為火燒碳排放的高發(fā)區(qū)域。

2 加拿大2023 年極端林火碳排放估算及其影響

林火是北方森林中不可或缺的自然干擾過(guò)程，是維持森林生態(tài)系統(tǒng)多樣性和健康的重要因子，它以從地面火到樹(shù)冠火的多種形態(tài)調(diào)節(jié)森林生態(tài)系統(tǒng)的樹(shù)種組成、年齡結(jié)構(gòu)和空間（景觀）格局。每年5—10 月為加拿大林火活躍期。全球氣候變化導(dǎo)致北美天氣持續(xù)高溫，2023年春季加拿大部分省份氣溫較往年同期高，異常炎熱干燥的氣候增加了林火發(fā)生頻率和強(qiáng)度。據(jù)加拿大森林消防中心數(shù)據(jù)②Canadian Interagency Forest Fire Centre. [2023-09-04]. https://ciffc.net/.，截至當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月29 日，2023 年該國(guó)累計(jì)發(fā)生5 900 處火災(zāi)，過(guò)火面積累計(jì)約15萬(wàn)平方公里。如此大規(guī)模、高烈度的林火可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞和生物多樣性的喪失，造成生態(tài)系統(tǒng)不可逆的退化。

火燒釋放大量的顆粒物，隨西風(fēng)環(huán)流輸送到美國(guó)及歐洲，造成嚴(yán)重的空氣污染，危害美國(guó)、加拿大、歐洲甚至整個(gè)北半球人群健康。同時(shí)，林火釋放大量的溫室氣體（CO2、甲烷和氮氧化物），進(jìn)一步增加大氣溫室氣體濃度，加劇全球氣候變暖，對(duì)國(guó)際氣候治理和“雙碳”減排目標(biāo)造成困難。

2.1 林火碳釋放估算的方法

計(jì)算林火碳排放量的方法主要有排放因子法、遙感觀測(cè)法、模型模擬法、監(jiān)測(cè)反演法等[12,22-24]。排放因子法、遙感觀測(cè)法、模型模擬法等屬于“自下而上”方法，主要通過(guò)火燒面積或輻射功率，結(jié)合生物量、燃燒系數(shù)、排放因子等參數(shù)計(jì)算消耗的可燃物生物量產(chǎn)生的不同溫室氣體的排放量，具有空間分辨率高（100 m2—1 km2）等優(yōu)點(diǎn)，但是需要精確的火燒面積、生物量、排放因子等數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)反演法屬于“自上而下”方法，主要基于大氣觀測(cè)的溫室氣體濃度和氣象場(chǎng)資料，結(jié)合大氣化學(xué)輸送模型，通過(guò)數(shù)據(jù)同化方法，可以較快速地反演獲得林火的排放量。然而，該方法空間分辨率低（＞ 0.25°）、受大氣邊界層影響難以量化CO2排放的源匯變化。由于目前尚不能準(zhǔn)確掌握加拿大過(guò)火區(qū)域的森林結(jié)構(gòu)、林分密度、燃燒比例等信息，不同方法進(jìn)行估算存在一定差異。

遙感數(shù)據(jù)是目前估算大尺度林火碳排放的有效手段[25]。本研究基于火燒碳釋放強(qiáng)度的方法，可快速準(zhǔn)確進(jìn)行林火碳釋放的初步評(píng)估。該方法首先通過(guò)全球林火碳釋放數(shù)據(jù)庫(kù)（GFED）③Global Fire Emissions Database. [2023-09-04]. https://www.globalfiredata.org/.計(jì)算獲得加拿大區(qū)域火燒碳排放強(qiáng)度圖（圖1）。GFED 數(shù)據(jù)庫(kù)是精度高、國(guó)際通用的林火碳排放數(shù)據(jù)集，是IPCC 估算火燒碳釋放的主要數(shù)據(jù)源；然后，結(jié)合遙感觀測(cè)和加拿大國(guó)家發(fā)布的火燒數(shù)據(jù)，近實(shí)時(shí)估算火燒的累積碳釋放量（圖2）。林火碳釋放的計(jì)算公式如下：

圖1 加拿大林火碳釋放量強(qiáng)度Figure 1 Intensity of carbon emission from forest fire in Canada

圖2 2003—2023年加拿大火燒年累計(jì)CO2排放曲線Figure 2 Yearly cumulative CO2 emission curve for fires in Canada from 2003 to 2023

其中，EFireC為火燒碳釋放（碳當(dāng)量）；EFireCO2為火燒CO2釋放（CO2當(dāng)量）；Eintensity為加拿大區(qū)域火燒碳排放強(qiáng)度（圖1）；S為火燒面積。

本研究利用哥白尼大氣監(jiān)測(cè)服務(wù)（CAMS）“全球火災(zāi)同化系統(tǒng)”（GFAS）④The Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS). [2023-09-04]. https://atmosphere.copernicus.eu/.提供的火燒碳釋放數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證。GFAS是基于中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測(cè)到的火災(zāi)輻射功率（FRP）數(shù)據(jù)，利用排放因子法將FRP轉(zhuǎn)換為火災(zāi)消耗的干物質(zhì)（DM），再結(jié)合發(fā)表數(shù)據(jù)，計(jì)算火燒碳排放量。GFAS 已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)火燒碳排放、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)及大氣化學(xué)模擬，是國(guó)際權(quán)威火燒碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)之一[26]。

本研究估算，截至8月29日，2023年加拿大火燒已累計(jì)排放CO2約12.68 億噸，低于CAMS 的測(cè)算值（13.94 億噸）約9%，是2002—2022 年同期CO2平均排放量的5 倍以上（圖2）；該排放量已超過(guò)加拿大、德國(guó)2021年各自全年能源相關(guān)的CO2排放量（據(jù)國(guó)際碳計(jì)劃2022 年的數(shù)據(jù)，加拿大、德國(guó)2021 全年能源相關(guān)的CO2排放量分別為5.46億噸和6.74億噸；其中，德國(guó)居全球第7位）。

2.2 加拿大林火對(duì)空氣質(zhì)量的影響

加拿大林火除釋放CO2、甲烷等溫室氣體，還產(chǎn)生大量顆粒物，包括細(xì)顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、黑碳（BC），以及揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等空氣污染物；這些空氣污染物對(duì)當(dāng)?shù)睾拖掠蔚貐^(qū)空氣質(zhì)量的影響非常顯著，直接影響人體健康?；诘厍蛳到y(tǒng)模式（IAP-AACM），本研究模擬了加拿大林火空氣污染物對(duì)全球PM2.5濃度的影響。結(jié)果顯示，加拿大林火釋放的PM2.5受西風(fēng)環(huán)流及天氣動(dòng)力作用，造成了長(zhǎng)距離跨境傳輸，不僅影響美國(guó)東部，并跨過(guò)大西洋向西歐和歐亞大陸等人口密集區(qū)擴(kuò)散，導(dǎo)致了大范圍空氣污染。影響較大的跨境傳輸過(guò)程主要有4 次，分別為2023年5月17—26日、6月6—19日、6月23—30 日、7 月15—20 日（圖3）。這4 次過(guò)程均顯著影響到美國(guó)地區(qū)空氣質(zhì)量（PM2.5濃度可達(dá)50 微克/立方米以上），其中6 月27—30 日林火釋放的高濃度PM2.5顯著影響歐洲地區(qū)（5微克/立方米以上）。加拿大林火對(duì)北非和亞洲地區(qū)PM2.5濃度也有影響，且影響到我國(guó)西部地區(qū)，濃度貢獻(xiàn)小于5 微克/立方米。截至2023 年7月20日，加拿大林火已造成超過(guò)300萬(wàn)平方公里陸地的PM2.5超標(biāo)，影響超過(guò)8 000多萬(wàn)人。

圖3 基于地球系統(tǒng)模式模擬的加拿大林火對(duì)全球大氣PM2.5濃度的影響Figure 3 Impact of Canadian forest fires on global atmospheric PM2.5 concentrations based on Earth system model simulations

3 中國(guó)森林火災(zāi)碳排放現(xiàn)狀

我國(guó)持續(xù)不懈的植樹(shù)造林、森林保護(hù)等生態(tài)治理措施，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)30 多年森林面積和蓄積量“雙增長(zhǎng)”。根據(jù)第九次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)[27]，我國(guó)天然林面積1.4億公頃，人工林面積0.8億公頃，森林覆蓋率約為23%。在2000—2017 年全球新增綠化面積中，約1/4 來(lái)自中國(guó)，貢獻(xiàn)比例居全球首位[28]，為增匯貢獻(xiàn)巨大?！吨腥A人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，“十四五”時(shí)期，森林覆蓋率提高到24.1%。

森林面積和蓄積量的不斷增長(zhǎng)，為固碳增匯、改善生態(tài)環(huán)境作出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)也對(duì)森林防火帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。盡管面臨自然因素和社會(huì)因素疊加的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在多方共同努力下，我國(guó)森林草原防火工作仍取得長(zhǎng)足發(fā)展，火災(zāi)綜合防控能力顯著提升。2000—2021 年，我國(guó)年均森林火災(zāi)次數(shù)為6 088±3 948 次，其中95%以上為面積小于100 公頃的火災(zāi)，森林受災(zāi)面積為（7.2±12.0）萬(wàn)公頃。特別是2010 年以來(lái)，森林火災(zāi)次數(shù)和面積顯著下降（圖4）。森林火災(zāi)面積的降低，顯著降低了林火碳排放的量。我國(guó)每年森林火災(zāi)碳排放量為（1 500±160）萬(wàn)噸CO2。因此，我國(guó)實(shí)行的“增綠固碳”森林生態(tài)工程措施和“預(yù)防為主、防救結(jié)合”防火方針，為全球環(huán)境治理、增加碳匯和減少林火碳排放作出了巨大貢獻(xiàn)。

圖4 2000—2021年中國(guó)森林火災(zāi)次數(shù)（a）與森林受災(zāi)面積（b）Figure 4 Numbers (a) and areas (b) of forest fire in China from 2000 to 2021

4 加強(qiáng)林火碳研究，減少自然過(guò)程碳排放

林火已成為不容忽視的碳排放源，特別是近年來(lái)極端森林火災(zāi)事件頻發(fā)（如2019年亞馬孫林火、2019—2020年澳大利亞林火、2022年西伯利亞林火和2023年加拿大林火），直接排放大量溫室氣體。同時(shí)，林火通過(guò)加速凍土融化，也大量釋放甲烷和氧化亞氮等強(qiáng)溫室氣體，其他火山、活動(dòng)斷裂也是溫室氣體排放源。因此，加強(qiáng)林火碳排放研究，減少自然過(guò)程碳排放刻不容緩。對(duì)此提出3點(diǎn)建議。

（1）將林火碳排放納入國(guó)家排放清單。建立全面、客觀、公正的碳排放監(jiān)測(cè)與計(jì)量系統(tǒng)，同時(shí)兼顧人類活動(dòng)（化石燃料排放、工業(yè)排放）和自然過(guò)程碳排放，將包括林火在內(nèi)的自然過(guò)程所排放溫室氣體納入國(guó)家排放清單，共同建立公平合理、合作共贏的全球氣候治理體系。

（2）采取有效手段降低自然過(guò)程碳排放。雖然森林火災(zāi)的預(yù)測(cè)和控制是學(xué)術(shù)界和林業(yè)部門(mén)的難題，但是可以采取科學(xué)有效手段預(yù)防林火發(fā)生。例如，在森林中實(shí)施可燃物處理，降低可燃物載量，其處理方式包括計(jì)劃火燒、機(jī)械清除、林分疏透和自然火利用、增加防火林帶[29]。同時(shí)可以考慮調(diào)整森林的樹(shù)種組成，形成具有抵抗林火的森林帶，構(gòu)筑天然的“綠色防火道”。2023年5月，我國(guó)出臺(tái)的《關(guān)于全面加強(qiáng)新形勢(shì)下森林草原防滅火工作的意見(jiàn)》體現(xiàn)了黨中央、國(guó)務(wù)院化解重大森林草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、全力維護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)安全的決心。

（3）加強(qiáng)國(guó)際合作。極端林火的影響范圍不局限于某一區(qū)域，已成為影響全球環(huán)境和氣候治理的突發(fā)性事件，亟待各國(guó)高度重視；通過(guò)加強(qiáng)合作，共同應(yīng)對(duì)，實(shí)施切實(shí)可行的措施，消減自然因素帶來(lái)的碳排放。針對(duì)極端林火預(yù)測(cè)和防控的世界性難題，應(yīng)組織科研人員進(jìn)一步研究構(gòu)建森林林火風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、預(yù)警預(yù)測(cè)和防控技術(shù)體系，并加強(qiáng)林火過(guò)程碳排放研究，建立更加科學(xué)、全面、自主可控的碳核算體系。