青海省生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、碳匯量預(yù)測(cè)及碳中和潛力評(píng)估*

韓良煜 周群星 李宏波 魏永瑜 穆衛(wèi)鋒 張懿嘉

(1.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司,青海 西寧 810008;2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司信息通信公司,青海 西寧 810000;3.浙江大學(xué)深圳研究院,廣東 深圳 518057;4.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 310058)

人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的改造,使得土地利用類型發(fā)生變化,由此導(dǎo)致原有生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量變化,進(jìn)而引起生態(tài)系統(tǒng)的碳匯量改變。

CA-Markov模型是生態(tài)系統(tǒng)土地利用類型變化的預(yù)測(cè)模型。近年,許多研究者將CA-Markov模型與碳排放計(jì)量模型結(jié)合,來(lái)探究區(qū)域內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)化引起的碳儲(chǔ)量和碳匯量變化。楊潔等[1]、史明杰等[2]、劉洋等[3]、WANG等[4]結(jié)合Invest模型分別對(duì)黃河流域、伊犁谷地、疏勒河流域、甘肅省的碳儲(chǔ)量時(shí)空變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)。利用克里金插值方法[5]和遙感方法[6-7]可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行更好地展示。結(jié)合GAINS模型則可得到土地利用類型變化引起的碳排放量,實(shí)現(xiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳中和的潛力評(píng)估。GAINS模型由RAINS模型發(fā)展而來(lái),可以同時(shí)模擬常規(guī)空氣污染物(SO2、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物、顆粒物、NH3)和主要溫室氣體(CO2、CH4、N2O、氫氟碳化合物、全氟碳化物、SF6)[8]。

青海省地處我國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū),地形復(fù)雜多樣,是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地,擁有大面積的天然草地、林地以及濕地,碳匯資源豐富,具有實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的優(yōu)越基礎(chǔ)條件。GAO等[9]的研究結(jié)果表明,在“十三五”期間,青海省生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量增加了 0.091 Pg(本研究的碳無(wú)特殊說(shuō)明均以碳元素計(jì)),主要得益于草原大幅擴(kuò)張,由此可見生態(tài)系統(tǒng)碳匯在抵消人為碳排放方面的潛力,特別是在資源豐富且生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和管理良好的青海省地區(qū),通過(guò)改變土地利用類型增加碳匯以實(shí)現(xiàn)碳中和具有一定的可行性。因此,本研究首先運(yùn)用CA-Markov模型分別對(duì)2025、2030年青海省土地利用類型變化空間格局進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)合不同土地利用類型的碳密度數(shù)據(jù),對(duì)青海省2025、2030的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)行預(yù)測(cè),并將相對(duì)于2020年的碳儲(chǔ)量變化量作為青海省未來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)碳匯量,最后根據(jù)GAINS模型預(yù)測(cè)的青海省碳排放量評(píng)估青海省生態(tài)系統(tǒng)碳匯量的碳中和潛力。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 CA-Markov模型

本研究利用IDRISI軟件進(jìn)行CA-Markov模型模擬。模擬以青海省2013、2018年的土地利用類型轉(zhuǎn)變矩陣為未來(lái)演變的轉(zhuǎn)移概率矩陣,以2020年為基準(zhǔn)年,逐步進(jìn)行2025、2030年的土地利用類型變化預(yù)測(cè)。主要考慮了以下3種情景:

(1) 依據(jù)自然發(fā)展趨勢(shì)的自然演化情景。自然演化情景是指在不受人為約束的條件下,土地利用類型按照其原有的變化趨勢(shì)演化。假設(shè)到2025、2030年,影響土地利用類型轉(zhuǎn)變的因素沒有發(fā)生變化,根據(jù)歷史轉(zhuǎn)移概率預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用類型分布。

(2) 加強(qiáng)減速演化管理的生態(tài)保護(hù)情景。生態(tài)保護(hù)情景在自然演化情景基礎(chǔ)上增加了一些減速演化的人為約束,具體包括:①農(nóng)田不能轉(zhuǎn)出;②林地和草地只能內(nèi)部轉(zhuǎn)化,不能轉(zhuǎn)出;③濕地(包括河渠及水庫(kù)坑塘、湖泊、永久性冰川、灘涂灘地和沼澤)不能轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入;④建設(shè)用地不能轉(zhuǎn)出;⑤永久性冰川只能由未利用地轉(zhuǎn)入。同時(shí),利用IDRISI軟件內(nèi)設(shè)的“J”型變化模型計(jì)算農(nóng)田、林地、草地和建設(shè)用地的發(fā)展適宜程度將生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)的發(fā)展規(guī)律考慮進(jìn)去。

(3) 強(qiáng)化碳匯的可持續(xù)的低碳發(fā)展情景。低碳發(fā)展情景在保留生態(tài)保護(hù)情景中的限制條件外,增加每類土地利用類型不能向比自身碳密度低的土地利用類型轉(zhuǎn)化的限制條件,并假設(shè)未來(lái)南部三江源區(qū)(果洛、海南和黃南)草地儲(chǔ)碳能力也將發(fā)展到海北和海東的林草業(yè)發(fā)展示范基地水平。

1.2 GAINS模型

本研究使用適合中國(guó)的GAINS在線模型中的Asia子模塊,模擬了聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的第六次評(píng)估報(bào)告(AR6)背景下能源CO2排放情景,對(duì)2025、2030年青海省碳排放量(以CO2計(jì))進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

青海省土地利用和土地覆被數(shù)據(jù)來(lái)源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)的全國(guó)土地利用類型遙感監(jiān)測(cè)空間分布數(shù)據(jù)。本研究針對(duì)青海省的具體情況對(duì)土地利用類型進(jìn)行了重新分類,考慮到不同土地利用類型之間的相似性和碳密度差異性,并且便于為不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化設(shè)置限制條件,除農(nóng)田、林地、草地以及建設(shè)用地外,將水域拆分為河渠及水庫(kù)坑塘、湖泊、永久性冰川、灘涂灘地,將未利用地拆分為沙地、沼澤、其他未利用地。最終青海省土地利用類型分成了11個(gè)類型。道路、水路數(shù)據(jù)來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)。對(duì)青海省各類土地利用類型的地上、地下、土壤以及沉積物四大碳庫(kù)的碳密度進(jìn)行了收集整理,如果相關(guān)數(shù)據(jù)缺失時(shí)用就近的數(shù)據(jù)代替,結(jié)果如表1所示,一般認(rèn)為,永久性冰川和其他未利用地的碳密度為零,因此表1中未列出。

表1 青海省各區(qū)域不同土地利用類型碳密度數(shù)據(jù)1)Table 1 Carbon density data for different land use types in various regions of Qinghai Province t/hm2

2 結(jié)果分析與討論

2.1 青海省生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)

3種情景下2025、2030年各土地利用類型面積變化情況如表2所示。自然演化情景由于未加任何限制條件,各土地利用類型的面積均有較為劇烈的變化。青海省具有豐富的生態(tài)資源和重要的生態(tài)區(qū)位優(yōu)勢(shì),“十三五”期間通過(guò)實(shí)施各種生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展舉措,全省林草產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好,未來(lái)也將繼續(xù)堅(jiān)持貫徹生態(tài)保護(hù)優(yōu)先、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展、創(chuàng)造高品質(zhì)生活的“一優(yōu)兩高”方案,因此自然演化情景不能真實(shí)反映未來(lái)的變化趨勢(shì),下面不再考慮此情景。生態(tài)保護(hù)情景和低碳發(fā)展情景下,農(nóng)田、林地和草地的面積均有所增長(zhǎng),但濕地面積在兩種情景下增減不一。在低碳發(fā)展情景下,湖泊面積減少,而灘涂灘地面積增加;生態(tài)保護(hù)情景下以上兩類土地利用類型的變化正好相反。原因在于灘涂灘地的儲(chǔ)碳能力遠(yuǎn)大于湖泊,因此在低碳發(fā)展情景下濕地面積傾向于向碳密度更大的灘涂灘地轉(zhuǎn)化。

表2 不同情景下青海省各土地利用類型預(yù)測(cè)面積變化量Table 2 Predicted area variations of different land use types in Qinghai Province under different scenarios km2

青海省各地2025、2030年的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示。生態(tài)保護(hù)情景和低碳發(fā)展情景

圖1 青海省生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.1 Predicted carbon storage of ecosystem for Qinghai Province

下,從2020年到2025、2030年,青海省生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。生態(tài)保護(hù)情景下,2025、2030年青海省生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別相對(duì)于2020年增加了0.74%、1.40%;低碳發(fā)展情景下,2025、2030年青海省生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別相對(duì)于2020年增加了5.65%、6.94%。可見,低碳發(fā)展情景下碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)幅度更大。各地的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量基本上能夠保持穩(wěn)定或有所上升趨勢(shì)。但格爾木在生態(tài)保護(hù)情景下2025年碳儲(chǔ)量有略微降低,主要是由于灘涂灘地和其他未利用地的面積都下降,而農(nóng)田、草地、湖泊、沼澤的面積都增加。

2.2 青海省生態(tài)系統(tǒng)碳匯量預(yù)測(cè)

表3展示了青海省不同土地利用類型在兩種情景下的碳匯量。在生態(tài)保護(hù)情景下,灘涂灘地碳匯量負(fù)值,表現(xiàn)為碳源作用;其他土地利用類型均表現(xiàn)為碳匯作用。在低碳發(fā)展情景下,湖泊和沙地也表現(xiàn)出輕微的碳源作用,其他土地利用類型表現(xiàn)為碳匯作用。

表3 青海省各土地利用類型碳匯量Table 3 Carbon sink of different land use types in Qinghai Province Mt

表4計(jì)算了各土地利用類型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳匯量的貢獻(xiàn)率。對(duì)比發(fā)現(xiàn),生態(tài)保護(hù)情景下碳匯量主要來(lái)源于沼澤,貢獻(xiàn)率超過(guò)70%,此外,農(nóng)田的貢獻(xiàn)率也超過(guò)10%;低碳發(fā)展情景下碳匯量主要來(lái)源于草地,貢獻(xiàn)率在70%左右,沼澤也貢獻(xiàn)了15.39%～25.63%,兩者合計(jì)貢獻(xiàn)達(dá)到約90%。兩種情景對(duì)比可知,低碳發(fā)展情景的碳匯總量大于生態(tài)保護(hù)情景,這主要得益于草地和灘涂灘地碳匯量增加,其中灘涂灘地由生態(tài)保護(hù)情景的碳源作用轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞及l(fā)展情景的碳匯作用,因此加強(qiáng)草地和灘涂灘地保護(hù)非常重要。

表4 青海省各土地利用類型碳匯量貢獻(xiàn)率1)Table 4 Carbon sink contribution rates of different land use types in Qinghai Province %

表5計(jì)算了青海省各區(qū)域的碳匯量貢獻(xiàn)率。生態(tài)保護(hù)情景下海西是最主要的碳匯貢獻(xiàn)者;低碳發(fā)展情景下果洛為最主要的碳匯貢獻(xiàn)者。海西擁有廣闊的土地面積且多為沙地等未利用地,加上海拔高等自然地理?xiàng)l件限制,人類活動(dòng)相對(duì)較少,有巨大的碳匯潛力。果洛地處三江源區(qū),擁有豐富的植被資源,也有巨大的碳匯潛力。

表5 青海省各區(qū)域碳匯量貢獻(xiàn)率Table 5 Carbon sink contribution rates of different regions in Qinghai Province %

2.3 青海省生態(tài)系統(tǒng)碳中和潛力評(píng)估

由表6可見,2025、2030年青海省的碳排放量分別為49.30、50.40 Mt。將2020—2025、2025—2030年的碳匯量除以5并換算成以CO2計(jì)得到年均碳匯量,將碳匯量占碳排放量的百分比作為碳中和潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),生態(tài)保護(hù)情景下,2025、2030年的碳匯量分別可中和27.18%、23.68%的碳排放量,此時(shí)仍有35.90、38.46 Mt剩余而未能被中和;低碳發(fā)展情景下,2025年碳匯量能夠完全中和碳排放量,而2030年的碳中和潛力也有46.53%。由此可見,低碳發(fā)展情景相比生態(tài)保護(hù)情景優(yōu)勢(shì)更加明顯。

表6 青海省2025、2030年碳中和潛力預(yù)測(cè)Table 6 Prediction of the carbon neutrality potential of Qinghai Province in 2025 and 2030

為探究青海省各區(qū)域的碳中和潛力,本研究根據(jù)國(guó)網(wǎng)青海省電力公司發(fā)布的《基于電力高頻數(shù)據(jù)碳排放監(jiān)測(cè)分析報(bào)告》中2021年第一季度青海省各區(qū)域碳排放量貢獻(xiàn)率計(jì)算2025、2030年各區(qū)域碳排放量,結(jié)果如表7所示。因該報(bào)告中格爾木沒有單獨(dú)的數(shù)據(jù),因此將格爾木合并在海西中計(jì)算。

表7 青海省各區(qū)域碳排放量和碳中和潛力Table 7 Carbon emission and carbon neutrality potential of different regions in Qinghai Province

生態(tài)保護(hù)情景下,僅有海北能夠依靠自身生態(tài)系統(tǒng)碳匯基本實(shí)現(xiàn)碳中和,此外,海西碳匯可以中和70%以上的碳排放量,其他區(qū)域的碳中和潛力都比較低。低碳發(fā)展情景下,除海東和西寧外,其余6個(gè)區(qū)域2025年都能實(shí)現(xiàn)自身碳中和,海東和西寧主要是因?yàn)槿丝诤彤a(chǎn)業(yè)過(guò)于集聚;2030年也有海北、海西、玉樹仍然能實(shí)現(xiàn)自身碳中和。由此來(lái)看,低碳發(fā)展情景下,2025年青海省基本上能夠?qū)崿F(xiàn)碳匯量和碳排放量的“自給自足”,同時(shí)尚有碳排放余量可供未達(dá)標(biāo)區(qū)域使用,因此青海省可形成一種兼顧社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的碳中和新模式。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1) 低碳發(fā)展情景比生態(tài)保護(hù)情景能獲得更可觀的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量增長(zhǎng),到2025、2030年青海省生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別能夠較2020年增加5.65%、6.94%。

(2) 生態(tài)保護(hù)情景下,沼澤是碳匯量的主要貢獻(xiàn)者,貢獻(xiàn)率超過(guò)70%。低碳發(fā)展情景下,草地是碳匯量的主要貢獻(xiàn)者,貢獻(xiàn)率也在70%左右。低碳發(fā)展情景下的碳匯總量更大,主要得益于草地和灘涂灘地碳匯量增加。從區(qū)域角度看,生態(tài)保護(hù)情景下海西是最主要的碳匯貢獻(xiàn)者;低碳發(fā)展情景下果洛為最主要的碳匯貢獻(xiàn)者。

(3) 青海省的土地利用類型按生態(tài)保護(hù)情景進(jìn)行演變,僅有海北能夠依靠自身生態(tài)系統(tǒng)碳匯基本實(shí)現(xiàn)碳中和,全省較難實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)碳匯量與碳排放量的碳中和;按低碳發(fā)展情景進(jìn)行演變,除海東和西寧外,2025年都能實(shí)現(xiàn)自身碳中和,2030年全省也能達(dá)到近50%的碳中和。

3.2 建 議

實(shí)現(xiàn)區(qū)域碳中和可以從減少排放和增加碳匯兩個(gè)方面入手。從減少碳排方面看,青海省憑借豐厚的可再生能源和生態(tài)資源有望實(shí)現(xiàn)碳中和,未來(lái)青海省可充分發(fā)揮清潔能源優(yōu)勢(shì),積極發(fā)展綠色電力產(chǎn)業(yè);從增加碳匯方面看,除了控制不同土地利用類型轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量增加以外,還可積極探索其他多種方式實(shí)現(xiàn)碳匯總量增長(zhǎng),例如可以實(shí)施REDD+機(jī)制,建設(shè)城市綠地,等等。