青海省生態系統碳儲量、碳匯量預測及碳中和潛力評估*

韓良煜 周群星 李宏波 魏永瑜 穆衛鋒 張懿嘉

(1.國網青海省電力公司,青海 西寧 810008;2.國網青海省電力公司信息通信公司,青海 西寧 810000;3.浙江大學深圳研究院,廣東 深圳 518057;4.浙江大學環境與資源學院,浙江 杭州 310058)

人類活動對生態系統的改造,使得土地利用類型發生變化,由此導致原有生態系統的碳儲量變化,進而引起生態系統的碳匯量改變。

CA-Markov模型是生態系統土地利用類型變化的預測模型。近年,許多研究者將CA-Markov模型與碳排放計量模型結合,來探究區域內土地利用類型轉化引起的碳儲量和碳匯量變化。楊潔等[1]、史明杰等[2]、劉洋等[3]、WANG等[4]結合Invest模型分別對黃河流域、伊犁谷地、疏勒河流域、甘肅省的碳儲量時空變化進行了預測。利用克里金插值方法[5]和遙感方法[6-7]可以對結果進行更好地展示。結合GAINS模型則可得到土地利用類型變化引起的碳排放量,實現陸地生態系統碳中和的潛力評估。GAINS模型由RAINS模型發展而來,可以同時模擬常規空氣污染物(SO2、氮氧化物、揮發性有機物、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]。

青海省地處我國西北內陸地區,地形復雜多樣,是長江、黃河、瀾滄江的發源地,擁有大面積的天然草地、林地以及濕地,碳匯資源豐富,具有實現“雙碳”目標的優越基礎條件。GAO等[9]的研究結果表明,在“十三五”期間,青海省生態系統的碳儲量增加了 0.091 Pg(本研究的碳無特殊說明均以碳元素計),主要得益于草原大幅擴張,由此可見生態系統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系統恢復和管理良好的青海省地區,通過改變土地利用類型增加碳匯以實現碳中和具有一定的可行性。因此,本研究首先運用CA-Markov模型分別對2025、2030年青海省土地利用類型變化空間格局進行預測,結合不同土地利用類型的碳密度數據,對青海省2025、2030的生態系統碳儲量進行預測,并將相對于2020年的碳儲量變化量作為青海省未來的生態系統碳匯量,最后根據GAINS模型預測的青海省碳排放量評估青海省生態系統碳匯量的碳中和潛力。

1 方法與數據

1.1 CA-Markov模型

本研究利用IDRISI軟件進行CA-Markov模型模擬。模擬以青海省2013、2018年的土地利用類型轉變矩陣為未來演變的轉移概率矩陣,以2020年為基準年,逐步進行2025、2030年的土地利用類型變化預測。主要考慮了以下3種情景:

(1) 依據自然發展趨勢的自然演化情景。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演化。假設到2025、2030年,影響土地利用類型轉變的因素沒有發生變化,根據歷史轉移概率預測未來土地利用類型分布。

(2) 加強減速演化管理的生態保護情景。生態保護情景在自然演化情景基礎上增加了一些減速演化的人為約束,具體包括:①農田不能轉出;②林地和草地只能內部轉化,不能轉出;③濕地(包括河渠及水庫坑塘、湖泊、永久性冰川、灘涂灘地和沼澤)不能轉出與轉入;④建設用地不能轉出;⑤永久性冰川只能由未利用地轉入。同時,利用IDRISI軟件內設的“J”型變化模型計算農田、林地、草地和建設用地的發展適宜程度將生態系統和人類社會的發展規律考慮進去。

(3) 強化碳匯的可持續的低碳發展情景。低碳發展情景在保留生態保護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化的限制條件,并假設未來南部三江源區(果洛、海南和黃南)草地儲碳能力也將發展到海北和海東的林草業發展示范基地水平。

1.2 GAINS模型

本研究使用適合中國的GAINS在線模型中的Asia子模塊,模擬了聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的第六次評估報告(AR6)背景下能源CO2排放情景,對2025、2030年青海省碳排放量(以CO2計)進行預測。

1.3 數據來源

青海省土地利用和土地覆被數據來源于中科院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/)的全國土地利用類型遙感監測空間分布數據。本研究針對青海省的具體情況對土地利用類型進行了重新分類,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化設置限制條件,除農田、林地、草地以及建設用地外,將水域拆分為河渠及水庫坑塘、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個類型。道路、水路數據來自于地理空間數據云網站(http://www.gscloud.cn)。對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的碳密度進行了收集整理,如果相關數據缺失時用就近的數據代替,結果如表1所示,一般認為,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 青海省各區域不同土地利用類型碳密度數據1)Table 1 Carbon density data for different land use types in various regions of Qinghai Province t/hm2

2 結果分析與討論

2.1 青海省生態系統碳儲量預測

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資源和重要的生態區位優勢,“十三五”期間通過實施各種生態產業發展舉措,全省林草產業發展態勢良好,未來也將繼續堅持貫徹生態保護優先、推動高質量發展、創造高品質生活的“一優兩高”方案,因此自然演化情景不能真實反映未來的變化趨勢,下面不再考慮此情景。生態保護情景和低碳發展情景下,農田、林地和草地的面積均有所增長,但濕地面積在兩種情景下增減不一。在低碳發展情景下,湖泊面積減少,而灘涂灘地面積增加;生態保護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碳能力遠大于湖泊,因此在低碳發展情景下濕地面積傾向于向碳密度更大的灘涂灘地轉化。

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

青海省各地2025、2030年的生態系統碳儲量預測結果如圖1所示。生態保護情景和低碳發展情景

圖1 青海省生態系統碳儲量預測結果Fig.1 Predicted carbon storage of ecosystem for Qinghai Province

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

2.2 青海省生態系統碳匯量預測

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。在生態保護情景下,灘涂灘地碳匯量負值,表現為碳源作用;其他土地利用類型均表現為碳匯作用。在低碳發展情景下,湖泊和沙地也表現出輕微的碳源作用,其他土地利用類型表現為碳匯作用。

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計算了各土地利用類型對生態系統碳匯量的貢獻率。對比發現,生態保護情景下碳匯量主要來源于沼澤,貢獻率超過70%,此外,農田的貢獻率也超過10%;低碳發展情景下碳匯量主要來源于草地,貢獻率在70%左右,沼澤也貢獻了15.39%～25.63%,兩者合計貢獻達到約90%。兩種情景對比可知,低碳發展情景的碳匯總量大于生態保護情景,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保護情景的碳源作用轉變為低碳發展情景的碳匯作用,因此加強草地和灘涂灘地保護非常重要。

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

表5計算了青海省各區域的碳匯量貢獻率。生態保護情景下海西是最主要的碳匯貢獻者;低碳發展情景下果洛為最主要的碳匯貢獻者。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條件限制,人類活動相對較少,有巨大的碳匯潛力。果洛地處三江源區,擁有豐富的植被資源,也有巨大的碳匯潛力。

表5 青海省各區域碳匯量貢獻率Table 5 Carbon sink contribution rates of different regions in Qinghai Province %

2.3 青海省生態系統碳中和潛力評估

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價指標。結果發現,生態保護情景下,2025、2030年的碳匯量分別可中和27.18%、23.68%的碳排放量,此時仍有35.90、38.46 Mt剩余而未能被中和;低碳發展情景下,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,低碳發展情景相比生態保護情景優勢更加明顯。

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

為探究青海省各區域的碳中和潛力,本研究根據國網青海省電力公司發布的《基于電力高頻數據碳排放監測分析報告》中2021年第一季度青海省各區域碳排放量貢獻率計算2025、2030年各區域碳排放量,結果如表7所示。因該報告中格爾木沒有單獨的數據,因此將格爾木合并在海西中計算。

表7 青海省各區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

生態保護情景下,僅有海北能夠依靠自身生態系統碳匯基本實現碳中和,此外,海西碳匯可以中和70%以上的碳排放量,其他區域的碳中和潛力都比較低。低碳發展情景下,除海東和西寧外,其余6個區域2025年都能實現自身碳中和,海東和西寧主要是因為人口和產業過于集聚;2030年也有海北、海西、玉樹仍然能實現自身碳中和。由此來看,低碳發展情景下,2025年青海省基本上能夠實現碳匯量和碳排放量的“自給自足”,同時尚有碳排放余量可供未達標區域使用,因此青海省可形成一種兼顧社會經濟發展和生態環境保護的碳中和新模式。

3 結論與建議

3.1 結 論

(1) 低碳發展情景比生態保護情景能獲得更可觀的生態系統碳儲量增長,到2025、2030年青海省生態系統碳儲量分別能夠較2020年增加5.65%、6.94%。

(2) 生態保護情景下,沼澤是碳匯量的主要貢獻者,貢獻率超過70%。低碳發展情景下,草地是碳匯量的主要貢獻者,貢獻率也在70%左右。低碳發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。從區域角度看,生態保護情景下海西是最主要的碳匯貢獻者;低碳發展情景下果洛為最主要的碳匯貢獻者。

(3) 青海省的土地利用類型按生態保護情景進行演變,僅有海北能夠依靠自身生態系統碳匯基本實現碳中和,全省較難實現生態系統碳匯量與碳排放量的碳中和;按低碳發展情景進行演變,除海東和西寧外,2025年都能實現自身碳中和,2030年全省也能達到近50%的碳中和。

3.2 建 議

實現區域碳中和可以從減少排放和增加碳匯兩個方面入手。從減少碳排方面看,青海省憑借豐厚的可再生能源和生態資源有望實現碳中和,未來青海省可充分發揮清潔能源優勢,積極發展綠色電力產業;從增加碳匯方面看,除了控制不同土地利用類型轉化實現生態系統碳儲量增加以外,還可積極探索其他多種方式實現碳匯總量增長,例如可以實施REDD+機制,建設城市綠地,等等。