森林碳汇四维时空动态与区域不平衡性研究——以黑龙江省为例

《Journal of Plant Ecology》：Changes in four-dimensional carbon sinks in forest ecosystems: Evidence from the Heilongjiang Province of China

　　本研究针对森林碳汇评估中空间、时间、组分和社会经济维度耦合机制不明确的问题，构建了四维碳汇(4-D carbon sink)分析框架。通过森林固碳模型(FCS)模拟三种气候情景(SSP119/SSP245/SSP585)下2020-2060年黑龙江省森林碳汇变化，发现全省年均固碳速率达23.25±1.14 Tg C yr-1，但存在显著空间异质性（大兴安岭等四市贡献75%）。研究首次揭示了碳汇峰值出现在2035-2040年，植被和土壤为主要碳库组分，且单位GDP碳汇效率呈现北高南低格局。该成果为碳中和目标下区域碳管理提供了多维度调控策略。

　　

随着全球气温持续突破《巴黎协定》设定的1.5℃阈值，森林生态系统作为最有效的自然固碳解决方案备受关注。尽管过去三十年科学家已在不同时空尺度实现森林固碳速率(CSR)的精准预测，但生态系统各组分（植被、土壤、枯落物）固碳能力的动态差异及其与社会经济发展的耦合关系仍属空白。这种认知缺口直接影响长期碳汇提升策略的制定——若忽视组分间协同规律，成熟林植被固碳衰减可能削弱整体碳汇功能；若未考量社会经济维度，碳汇富集区可能陷入"生态富裕-经济贫困"的发展困境。

为破解这一多维难题，周子轩等研究人员在《Journal of Plant Ecology》发表研究，创新性地构建了融合空间维度(SD)、时间维度(TD)、组分维度(CD)和社会经济维度(SED)的四维森林碳汇(4-D carbon sink)评估框架。以中国东北林业大省黑龙江为研究对象，采用森林固碳模型(FCS)模拟三种共享社会经济路径（SSP119、SSP245、SSP585）下2020-2060年的碳汇演变，并将研究期划分为碳达峰关键期（2020-2030）与碳中和冲刺期（2030-2060）。

研究团队通过整合多源数据与生态过程模型，建立了系统的技术路线。首先基于科学数据银行(https://www.scidb.cn/en)获取植被生物量数据，结合生态网络云平台(https://www.nesdc.org.cn)的林龄信息、国家土壤信息网格的基础属性数据以及国家气候中心的气候资料，构建了覆盖全省22.35万平方公里森林的初始参数库。采用森林碳 sequestration 模型(FCS)的耦合碳库动态机制，通过逻辑斯蒂增长方程计算植被生物量(B_t = B_max/(1+(B_max/B_t0-1)e^{-V₀(t-t₀)}))，结合土壤有机碳密度变化模型(C_t = I_t/k₂-(I_t/k₂-C_t0)exp(-k₂(t-t₀)))和枯落物积累方程(L_t = LP_t/k₁-(LP_t/k₁-L_t0)exp(-k₁(t-t₀)))，实现了生态系统碳通量的精细化模拟。最终通过ArcGIS Pro进行空间制图，采用SPSS和Excel进行统计检验，并引入气候情景间变异作为不确定性评估依据。

空间维度碳汇变化

研究显示黑龙江省森林生态系统在2020-2060年间持续保持强碳汇功能，年均固碳23.25±1.14 Tg C yr^-1。但空间分异显著：大兴安岭地区以6.62±0.95 Tg C yr^-1的固碳速率居首，而大庆市仅0.02±0.00 Tg C yr^-1。单位面积碳汇波动范围达0.43-1.23 Mg C ha^-1 yr^-1，人均碳汇差异更跨越三个数量级（0.01-18.64 Mg C人^-1 yr^-1）。地理分布上，大兴安岭、黑河、伊春和牡丹江四大区域贡献了全省75%的碳汇增量，这种格局与森林面积、林分结构及水热条件的空间耦合密切相关。

时间维度动态规律

在固定森林面积前提下，全省碳汇速率呈现先增后降的单峰曲线，预计2035-2040年达到峰值。典型如大兴安岭地区，其生态系统固碳速率(CSR_eco)从2020-2030期的7.77 Tg C yr^-1降至2050-2060期的5.40 Tg C yr^-1，这种衰减趋势与林龄结构演化直接相关。模拟结果表明，当全省平均林龄从2020年的约50年增长至2030-2040期的65年后，多数区域植被碳汇(CSR_veg)开始下降，而土壤碳汇(CSR_soil)则呈现持续上升的互补特征。

组分维度贡献特征

植被、土壤和枯落物三大组分的固碳贡献呈现显著时空异质性。植被碳汇(CSR_veg)占比最高（年均16.53 Tg C），但随时间推移从18.32 Tg C（2020-2030）下降至14.07 Tg C（2050-2060）；土壤碳汇(CSR_soil)则从4.40 Tg C稳步增长至7.13 Tg C；枯落物碳汇(CSR_Litt)始终低于1 Tg C。组分间此消彼长的关系在大兴安岭表现尤为典型：植被碳汇占比从期初的80.4%降至期末的58.1%，而土壤碳汇占比则从16.6%升至35.4%。

社会经济维度失衡

研究首次量化了碳汇与经济发展的空间错位：北部生态功能区（大兴安岭、黑河、伊春）以超过80%的单位GDP碳汇效率成为"生态盈余区"，而南部经济发达地区碳汇贡献微弱。这种失衡若持续存在，将导致碳交易市场中"穷省卖碳、富省排碳"的极化现象，既挫伤生态保护区积极性，又延缓排放区的实质性减排。

该研究通过四维视角系统揭示了森林碳汇的多尺度不平衡规律。在讨论部分，作者强调这种失衡既源于自然因素（地理位置、水热条件），更受长期产业发展政策影响。为破解困局，研究提出双轨调控策略：在生态维度，需实施近自然森林经营模式，建立碳汇监测网络，推广生态碳捕集利用封存技术(eco-CCUS)；在社会经济维度，应构建基于碳汇实绩的横向补偿机制，同步提升发达地区碳排放管控强度。这项研究不仅为黑龙江省实现2060碳中和目标提供了精准的碳汇底图，其四维分析框架更可推广至全国乃至全球尺度，为协调生态保护与区域发展提供了新范式。