林火碳排放研究蓝皮书（2023）

林火碳排放研究蓝皮书 （2023） 中国科学院 林火碳排放研究蓝皮书 （2023） 中国科学院 目录 摘要1 一、林火与碳排放3 （一）林火及发生条件3 （二）林火的生态效应5 （三）林火的气候效应5 （四）林火的环境效应6 （五）林火碳排放核算方法6 二、全球林火碳排放9 （一）全球森林分布与林火重点区9 1.全球森林面积与分布现状9 2.全球森林过火面积与重点区10 （二）林火碳排放的时空动态11 （三）主要国家林火碳排放特征13 （四）小结14 三、极端林火事件及其综合效应评估15 （一）2023年加拿大林火碳排放15 （二）2023年加拿大林火环境效应16 （三）其他极端林火事件碳排放18 1.2019年亚马逊林火18 2.2019~2020年澳大利亚林火19 3.2021年俄罗斯林火19 （四）小结21 四、中国林火碳排放23 （一）中国森林资源分布状况23 （二）中国林火基本状况23 （三）中国林火面积及碳排放23 1.热点和过火面积分布23 2.中国林火的碳排放24 （四）林火管理对碳汇的影响25 1.中国林火管理及投入25 2.中外林火管理政策比较26 （五）小结27 五、启示与建议29 （一）建立包括自然过程的全口径碳核算体系29 （二）加强极端林火防范与管理29 （三）深化林火碳排放的科学研究和国际合作30 摘要 林火是陆地生态系统中重要的干扰过程。2001~2022年间，全球年均森林过火面积为4695万公顷，是同期年均人工林增长面积的11倍。22年间，全球林火共排放339亿吨二氧化碳（CO2），可使大气CO2浓度增加4.35ppm（百万分之一），已成为当前重要的碳排放源。 全球林火CO2排放存在明显的空间差异。林火高发区分布在南纬5°~20°的热带雨林边缘区和北纬45°以上的高纬度针叶林区。近年来，北半球高纬度针叶林区的林火CO2排放量呈现快速增加趋势。 极端林火事件频发是造成全球林火碳排放增加的主要原因。如2023年加拿大极端林火直接排放CO2超过15亿吨，严重削弱生态系统碳汇功能。准确预测和防控极端林火事件，对于全球碳减排和应对全球气候变化具有重要意义。 中国一直采取积极的林火防控政策，取得良好效果。中国森林面积占全球的5.4%，但林火碳排放量仅占全球林火碳排放总量的0.65%，显著低于全球平均水平。2001~2022年间，中国林火年均CO2排放量为0.10亿吨，且森林过火面积和碳排放量呈现明显下降趋势。 鉴于林火碳排放对全球气候和环境的显著影响，建议将其纳入当前碳收支评估体系和国家减排责任机制，尽快建立包括林火等自然因素在内的全口径碳核算体系。 一、林火与碳排放 （一）林火及发生条件 林火，又称森林火灾，是森林生态系统中一种常见的干扰过程。林火会显著影响森林的组成、结构和演替特征，从而改变森林生态系统的物质循环和能量流动。重大林火还会产生显著的生态、气候和环境效应。 林火的发生需要同时具备三个条件，即可燃物、火源和气象条件（图1.1）。首先，可燃物是林火发生的基础，主要包括纤维素、半纤维素、木质素等有机物质。森林可燃物分为有焰燃烧和无焰燃烧两类。有焰燃烧可燃物如树枝、树皮、苔藓、森林凋落物等，能挥发出可燃性气体并产生火焰，占所有可燃物的85%~90%，其特点是蔓延速度快，燃烧面积大。无焰燃烧可燃物如泥炭、朽木等，无法分解产生足够的可燃性气体，燃烧时没有火焰，其特点是蔓延速度慢，持续时间长，在空气湿度较大的情况下仍可继续燃烧。 可燃物需要达到一定的温度才能燃烧，该温度称为“燃 点”。森林可燃物中，干枯杂草的燃点为150~200℃，木材的燃点为250~300℃。火源是引导森林可燃物达到燃点的关键，分为人为和自然两类。人为火源，包括生产性火源（如烧垦、烧荒、烧木炭、开山崩石等）和非生产性火源（如野外用火、吸烟、燃放烟花爆竹等），引起的林火次数占总数的80%以上。自然火源包括雷击、火山爆发、陨石坠落等，其中最常见的自然火源是雷击火，雷电产生的瞬间高温（2.5万摄氏度） 极易引燃森林可燃物。 图1.1林火发生三要素 在森林可燃物充足和火源具备的情况下，林火规模还取决于天气状况，高温、大风等气象条件显著影响林火的发生和扩散。高温促进可燃物水分蒸发，降低可燃物湿度，同时提高了可燃物温度，使可燃物加速达到燃点。大风对森林火灾的发生起到降低可燃物湿度和补充氧气的双重作用，使可燃物更易燃烧，并加速林火蔓延。 气候变暖对林火发生三要素均可产生重要影响。高温、 热浪和干旱频发，造成可燃物水分含量下降，增加林火发生的频率和蔓延速度。对于高纬度地区而言，气候变暖存在“北 极放大效应（” 即高纬度地区的气候变暖速率高于全球平均水 平），形成气候变暖-林火加剧-碳排放增加的正反馈机制。因此，气候变暖对高纬度地区森林火灾的影响尤为显著。 （二）林火的生态效应 林火通过地表火、树冠火等多种形式改变森林生态系统的树种组成、年龄结构和分布格局。地表火清除枯枝落叶堆积物、改良土壤表层的物理与化学性质、调节林分结构。树冠火烧除林木地上部分，加速树种演替。此外，林火还可以减少某些昆虫和病原体的数量，控制虫害和疾病的传播。 但是，近年来受气候变化和人类活动影响，极端林火事件频繁发生，不仅降低了森林调节气候、涵养水源、维持生物多样性的生态系统服务功能，还改变了生态系统的结构和过程，甚至将森林转变为灌木或草本等储碳能力较低的植被， 严重削弱生态系统碳汇功能。 （三）林火的气候效应 林火是温室气体排放的重要来源，产生的温室气体包括CO2、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）等，其中CO2约占总排放量的90%。2001~2022年间，全球林火共排放约339亿吨CO2，可使大气CO2浓度升高4.35ppm。 林火通过排放温室气体、改变下垫面反照率、释放气溶胶影响辐射平衡等生物地球物理过程，对地表能量的吸收和再分配产生复杂的影响。在热带稀树草原，火烧频繁，林火释放的灰分降低反照率，导致正辐射强迫，地表温度升高。然而，在高纬度地区，林火熄灭后，早期恢复以低矮植被（如草本或灌木）为主，反照率较高，负辐射强迫增强，导致地表温度降低。此外，植物通过蒸腾作用吸收土壤中的水分并释放到大气，从而降低环境温度。林火的发生会抑制该过程， 导致植被释放的潜热通量减少，近地表气温升高，空气湿度降低。 林火向大气释放大量的气溶胶，对太阳辐射起到散射和反射作用，导致地表吸收的太阳辐射减少，短期内会造成局部温度下降。这种降温效应在大气中通常只能持续一周左右的时间。然而，林火造成森林生态系统结构和物种组成的变化，可能会导致净辐射和感热通量大幅下降，其效应将持续数十年。 林火产生的颗粒物随着大气环流形成长距离传输，降落 到冰雪表面，促进冰雪融化，对全球气候变暖造成不可忽视的影响。发生在高纬度冻土区域的林火，将加速地下冻土层融化，存储在冻土中的大量甲烷得以释放，促进全球气候变暖。 （四）林火的环境效应 除排放大量温室气体外，林火还产生细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、挥发性有机物（VOC）、多环芳烃、重金属等污染物。NOx和VOC等气体进入大气后，通过一系列均相和非均相化学反应，进一步生成臭氧（O3）等二次大气污染物。林火污染物中最主要的是PM2.5，会诱发慢性支气管炎等人体呼吸系统和心血管系统疾病，导致哮喘加重、呼吸困难、心律失常等症状。 （五）林火碳排放核算方法 林火碳排放核算主要有“自上而下”和“自下而上”两种方法。 “自上而下”方法主要基于观测的大气温室气体浓度和气象场资料，结合大气化学物质输送模型，估算区域和全球林火碳排放，也被称为大气反演法。这种方法的本质是基于统计理论的非线性最优化算法，可以实现林火碳排放量的快速反演，但其准确性和空间分辨率较低，难以量化CO2排放的源汇关系。 “自下而上”方法主要基于火烧碳排放模型，通过观测得到的过火面积或辐射功率，结合生物量、燃烧系数、排放因子等参数计算不同温室气体的排放量，具有空间分辨率高、可明确碳排放源类型的优点，但对数据类型和质量有较高要求。 近期，中国科学院沈阳应用生态研究所专家基于“自下 而上”方法，提出了一种林火碳排放量快速计算方法，可实现近实时估算。 二、全球林火碳排放 （一）全球森林分布与林火重点区 1.全球森林面积与分布现状 根据联合国粮农组织数据，2020年全球森林总面积为 40.6亿公顷（图2.1）。其中，天然林占93%（37.7亿公顷）、人工林占7%（2.9亿公顷）。从分布区域看，亚洲（包括西伯利亚）分布最广，森林面积为12.3亿公顷，全球占比30%；其次是南美洲，森林面积为8.4亿公顷，全球占比21%，主要分布在巴西亚马逊热带雨林；北美洲森林面积为7.5亿公顷，全球占比19%，以美国和加拿大的温带和北方森林为主；非洲森林面积为6.4亿公顷，全球占比16%；欧洲森林面积为4.1亿公顷，全球占比10%；大洋洲森林面积为1.9亿公顷，全球占比5%，主要是澳大利亚和新西兰的温带森林；南极洲无森林分布。 图2.1全球森林覆盖度分布（空间分辨率0.25°） 根据联合国粮农组织数据，2000~2020年间，全球森林 面积净损失量为0.99亿公顷。其中，南美洲森林（主要为亚 马逊热带雨林地区）年均净损失面积最高，为392万公顷。非洲森林年均净损失率最高，年均减少面积为本区域森林面积的0.55%。亚洲森林面积净增长最高，为0.29%/年，增幅达176.4万公顷/年。欧洲森林面积年均净增长仅次于亚洲，增长率和增幅分别0.08%和76万公顷/年。 2.全球森林过火面积与重点区 2001~2022年间，全球森林过火面积为10.33亿公顷1，年均4695万公顷。年均森林过火面积相当于同期人工林年均增长面积的11倍。 南半球林火集中在热带地区，包括非洲南部和中部、大洋洲东南部（主要是澳大利亚）和南美洲亚马逊热带雨林区 域。北半球则主要集中于欧亚大陆与美洲大陆中高纬度区域。从纬度分布来看，林火高发区主要分布在南纬5°~20°（热带雨林边缘区），年均森林过火面积为45万公顷。此外，北纬 45°以上的针叶林区也是林火高发区（图2.2）。 2001~2022年间，非洲年均森林过火面积最高（图2.2），约为3332万公顷（其中，约52%的面积属于重复火烧），占全球年均森林过火面积的71%；其次为南美洲和亚洲，其年均森林过火面积分别为518万公顷和512万公顷；大洋洲和 北美洲年均森林过火面积分别为153万公顷和152万公顷； 欧洲年均森林过火面积为26万公顷。 1全球年均重复火烧面积为1926万公顷，其中，非洲约占90%，南美占3.7%，亚洲占4.9%，其他占1.4%。 图2.2全球2001~2022年间的年均森林过火面积 （空间分辨率0.25°） 除北美洲外，其他大洲森林过火面积均呈下降趋势（图2.3）。非洲最为显著（-21万公顷/年），其次为南美洲（-10万公顷/年）。亚洲森林过火面积也呈现下降趋势（-6.65万公顷 /年）。 图2.3全球2001~2022年间的森林过火面积变化 （空间分辨率0.25°） （二）林火碳排放的时空动态 2001~2022年间，全球林火CO2排放量为339亿吨，年 均为15.4亿吨（图2.4）。林火CO2排放量的热点区域分布在非洲南部和中部、南亚和东南亚、大洋洲东南部（主要是澳大利亚）和南美洲亚马逊热带雨林。北半球则集中于欧亚大陆与美洲大陆的中高纬度森林分布区，包括西伯利亚与美国、加拿大的寒温带针叶林区域，以及东南亚中南半岛等地区 （图2.4）。 图2.4全球2001~2022年间的年均林火CO2排放 （空间分辨率0.25°） 2001~2022年间，非洲和亚洲的林火CO2年均排放量分别为5.90亿吨和4.46亿吨，共占全球年均排放量的67%；南美洲和北美洲的林火CO2年均排放量分别为3.04亿吨和 1.59亿吨；大洋洲的林火CO2年