電子報
若考量完整的碳循環系統，即使森林綠碳、海洋藍碳可以提供短暫的吸碳、儲碳能力，但其最終仍會隨自然循環，微生物分解與森林大火等路徑自然釋出，將原本吸收進生物體內的碳再度排放回大氣層中，形成完整的碳循環。而消耗化石燃料所釋出的二氧化碳是將原先封存於地底的碳，持續不斷的加入至地表上的碳循環系統中，且遺留千百年之久，導致溫室效應加劇。
本期電子報將介紹美國林務局將森林碳匯的交互作用與碳循環過程視覺化的影片，以及說明在淨零排碳的路徑上，無管理計畫的造林並非減碳的長期解方，尚須封存技術的配合，才得以真正實現減少空氣中溫室氣體的目標 (圖1)。並分享GEE上已有的樹冠高程資訊，可作為提供評估森林碳存量之參考，同時介紹水土保持局目前的淨零路徑規劃與作法。
密西根州立大學森林碳和氣候計畫 (Forest Carbon and Climate Program, FCCP) 與美國林務局 (US Forest Service) 的可持續發展與氣候辦公室攜手合作，以一系列圖說和影片 (影1) 探索森林與碳之間的複雜互動關係。這些圖片以單棵樹木和整個森林與大氣層的角度，解釋碳的相互作用以及碳匯和碳源隨時間的變化。
圖2說明森林生長過程中對空氣中的碳進行捕捉的過程。隨著森林的成熟，碳封存量逐漸達到頂峰而逐步下降。然而，森林也面臨著火災和自然死亡的威脅，這些事件導致森林中的植物死亡並被微生物分解，從而將碳釋放回大氣中，使整個森林的碳封存能力下降。接著，下一代植物進入森林，碳封存量逐步恢復，維持森林碳封存量的動態平衡。
若將地表上的生物圈視為一個控制系統，碳在系統內應保持其質量守恆。透過「真正」的碳循環系統示意圖 (圖3)，可以清楚了解其中的過程。當森林面臨人為使用 (綠色路徑)、生質能源利用 (黃色路徑) 和自然死亡 (深綠色路徑) 時，植物體內的碳會被釋放至大氣中，而隨著新森林的成長，它們將再次捕捉大氣中的碳，確保整個系統中碳的總量保持不變。
然而，圖3右側所示的化石燃料排放出來的碳則屬於系統外的碳排放，持續不斷地為該系統注入更多的碳，使得碳循環中的所有路徑變得更粗大。顯示了在工業發展和人為開發過程中，種植樹木和造林雖然能夠短暫地捕捉空氣中的碳，但無法將碳從碳循環系統中移除，從而無法有效減緩氣候變遷。
如前文所述，森林在碳封存方面扮演著重要的角色，但同時也面臨著火災、乾旱、疾病等自然災害以及人為森林砍伐活動的風險 (圖4)。這些因素使得森林和土壤中儲存的碳很容易地被釋放回大氣中，使人工造林難以成為碳封存的長期解決方案。此外，人工造林也不如天然森林穩定，容易受到外部衝擊而發生大面積的變遷，進一步加劇生態衝擊。
且植樹後期碳封存效率下降，也是以植樹減少碳排放方式的另一項挑戰。研究顯示，樹木在生長20至100年後，碳封存速度會逐漸減緩，最終趨於穩定 (圖5)。因此，若希望利用森林作為碳封存的途徑，
為將碳穩定地固定於生物體內，使其不逸散回到空氣中，許多研究針對如何將生長成熟的木材製成類似化石碳 (fossil carbon) 或化石燃料等產品，希望將封存下來的碳安定化，以減少整個碳循環系統內的碳量。如Zeng and Hausmann (2022) 提出了具體的
1) 主要以周邊地區的木材進行收集和儲存。
2) 保持厭氧狀態"半永久性"的封存木材。
3) Wood Vault封閉後，上方閒置土地用於農業或太陽能。
Wood Vault內儲存的木材來自可持續管理的次生林，透過將受到火災、風暴破壞前或人工砍伐後的木材保存於Wood Vault中，再讓該森林恢復生長，持續保有其應有的碳封存能力，繼續移除逸散於空氣中的二氧化碳，使被固定於地表的碳總量持續增加。
以圖7為例，森林開始成長後，碳封存速度會逐漸趨緩 (紅虛線)，此時若施以WHS，將成熟的木材砍伐後封存於Wood Vault後，再使原處的森林持續生長，繼續封存空氣中的碳。最後經歷了三次WHS後，由森林本身的固碳量再加上Wood Vault的碳封存量 (淺綠) 組成的「儲存於地表的總碳量 (綠線)」之碳封存量，可隨操作WHS的時間及次數持續增加，相對於沒有WHS的森林 (紅虛線)，能夠實質意義上增加碳封存效果。
透過Wood Vault的概念，能夠在森林碳循環系統中實現更長期、更持續的碳封存，不僅能保護受到損害的森林，還能促進森林的再生。因此，碳封存與永續管理的結合是實現碳中和目標的關鍵策略之一。
在更長的時間尺度下，封存的木材可用作建材或生質能源的儲備料源。意味著當未來的技術可行或環境需要時，封存的木材將可應用於建築或相關的碳源材料，以減少混凝土或其他高碳排產業的碳排放量。此外，當化石燃料逐漸耗盡且能源問題浮現時，透過WHS所儲存的木材可以提供生質能源，替代目前廣泛使用的化石燃料 (圖8)。透過有效的碳封存和可持續利用木材資源，推動更環保和永續的能源轉型，將有助於減少對有限化石燃料的依賴，同時降低溫室氣體的排放，為未來的能源需求提供可持續的解決方案。
利用監測森林之樹冠高度來分析森林退化和成長情形，對預估森林的碳封存量與碳排放量非常重要。Potapov et al. (2021) 利用Landsat衛星數據結合全球生態系統動力學調查 (Global Ecosystem Dynamics Investigation, GEDI) 的森林冠層高度，創建全球範圍2019年的30 m空間解析度的全球森林樹冠高度地圖，展示於GEE的APP上，透過點擊圖台或顯示之顏色，即可知道該處之樹冠高度與資料來源，進而分析該處的森林成熟度 (圖9)。
目前水土保持局配合農委會規劃於2040年前達到淨零排放，利用水保工程的碳盤查、工程混凝土減量及經費控管等方式，正逐步朝向低碳排、高碳匯的目標前進。惟目前尚屬起步階段，仍需時間來驗證設施生命週期各階段之碳排放量等統計數據，並滾動修正後續於規劃階段的碳排計算方式。詳細資訊可請前往水土保持局技術研究發展小組Youtube頻道觀賞Seminar影片
1. Pathways to Net Zero: The Impact of Clean Energy Research (資料來源：Elsevier)
2. Carbon Cycle: The Closed Loop of Forest Carbon in the Atmosphere (資料來源：FCCP)
3. GEDI官網 (資料來源：GEDI)
4. GEE APP (資料來源：Potapov et al., 2021)
5. 水土保持樹種固碳能力資料庫 (資料來源：技術研究發展平臺)
6. 水土保持樹種固碳能力資料庫 (資料來源：RTDT Tableau)
7. 水土保持工程減碳之路 (資料來源：RTDT)
8. 第27期電子報-生產氣泡水來固碳？ (資料來源：RTDT)
1. De Villiers, C., Chen, S., Jin, C., & Zhu, Y. (2014). Carbon sequestered in the trees on a university campus: a case study. Sustainability Accounting, Management and Policy Journal, 5(2), 149-171.
2. Osman, A. I., Fawzy, S., Lichtfouse, E., & Rooney, D. W. (2023). Planting trees to combat global warming. Environmental Chemistry Letters, 1-4.
3. Potapov, P., Li, X., Hernandez-Serna, A., Tyukavina, A., Hansen, M. C., Kommareddy, A., ... & Hofton, M. (2021). Mapping global forest canopy height through integration of GEDI and Landsat data. Remote Sensing of Environment, 253, 112165.
4. Unwin, G. L., & Kriedemann, P. E. (2000). Principles and processes of carbon sequestration by trees. Principles and processes of carbon sequestration by trees., (64).
5. Zeng, N., & Hausmann, H. (2022). Wood Vault: remove atmospheric CO2 with trees, store wood for carbon sequestration for now and as biomass, bioenergy and carbon reserve for the future. Carbon Balance and Management, 17(1), 2.
6. Zhang, X. M., Brandt, M., Yue, Y. M., Tong, X. W., Wang, K. L., & Fensholt, R. (2022). The carbon sink potential of southern China after two decades of afforestation. Earth's Future, e2022EF002674.
