杭州市三江汇地区森林植被固碳抵消能源排放能力评估及情景预测研究
摘要：森林植被固碳服务是生态系统服务评估的重要内容之一，在区域碳中和发挥着重要的碳汇作用。以生物量法和CASA模型法相结合，评估杭州市三江汇地区森林植被固碳能力；采用CEADs县级碳排放清单估算三江汇地区的能源碳排放量；综合碳汇和碳排评估该地区森林植被固碳对能源碳排放量的抵消率。从碳减排和增汇2个方面，对森林植被抵消能源碳排放的能力进行未来情景预测。研究结果表明：
1)2017年三江汇地区森林植被固碳量为4.98×104t，能源碳排放量为2.07×106t，森林植被能源碳排放的抵消率为2.41%，三江汇森林植被能源碳抵消率呈现出“东低西高、北低南高”的空间格局；
2)研究设置9个情景对2030年森林植被碳抵消率进行定量预测，预测结果显示研究区森林植被面积增加有利于提升森林植被对能源碳排放量的抵消能力森林面积每增加5%，森林植被对能源碳排放量抵消率可提高0.12%~0.29%；减少人均能源碳排放对提高森林植被碳抵消能力的效果更为显著，人均能源碳排由2.77t/人降低为0.90和0.72t/人，森林植被碳抵消率可分别提高2.21%~2.43%和3.36%~3.94%。定量评估区域森林植被固碳能力对能源碳排放量的抵消作用及其预测研究，能为未来杭州市三江汇地区及其他地区的“碳中和”目标实现和区域可持续发展提供科学依据和案例参考。
自工业革命以来，随着温室气体排放量急剧上升，全球温度上升约1.09℃[1]。为积极应对全球气候变化，实现可持续发展，中国作为能源消费大国，同时也是CO2的排放大国[2]，中国制定2030年达到碳排放峰值，2060年达到“碳中和”目标。要实现“碳中和”目标，需同时考虑碳排和碳汇2个方面。在减少碳排放的同时，增加固碳能力。森林植被作为天然的碳汇体，在陆地生态系统中发挥着不可替代的作用，维持着生物圈的动态平衡[3-5]。森林植被利用光合作用将大气中的CO2转化为有机质，在吸收和固定CO2方面发挥着重要作用，森林固碳量可抵消全球每年25%化石燃料燃烧产生的CO2.。
相关研究发现，自1985年以来，中国化石能源碳排放量年平均增幅为15%[7]，随着碳排放量的急剧增加，中国陆地生态系统碳汇对工业碳排放和化石燃料碳排放的抵消能力从20世纪80—90年代的30%降为2010年的7%~15%[8]。全球气候变化由区域变化构成[9]，加强区域固碳/碳排放研究，有助于实现区域的可持续发展。近年来，森林植被固碳能力及对碳排放的抵消能力受到国内外学者的重视。Wear等[10]发现美国的森林固碳量可以抵消9.7%的交通和能源碳排放；Smith等[11]研究发现亚马逊次生林碳储量可抵消9.37%自1985年来的所有碳排放量；Alessio等[12]的研究结果表明意大利博尔扎诺的街道行道树固碳量可抵消0.08%的交通运输碳排放量。此外，国内学者也开展了相关研究。
Fang等[13]发现2001—2010年中国陆地生态系统固碳量可抵消同时期14.1%的化石能源排放量；李帅帅等[14]研究表明2013年中国西部地区森林碳汇可抵消4.45%能源的碳排放量；周健等[15]发现广州市森林碳抵消效果约为2.27%；张彪等[16]发现上海城市森林植被对能源碳排放量的抵消率为0.5%；Zhao等[17]发现2014年北京市街道行道树可抵消0.2%能源的碳排放量。也有学者对森林固碳能力或能源消费量进行单方面预测研究，比如Prakash等[18]对2010—2060年森林的固碳能力进行情景预测；熊慧敏[19]设置情景对长三角地区2017—2035年的能源使用量进行预测研究。总体来说，目前研究多关注森林固碳能力和碳抵消能力的评估，以及未来固碳能力或能源碳排放量的单方面预测，对未来森林碳抵消能力的预测研究较少。
Fang等[13]发现2001—2010年中国陆地生态系统固碳量可抵消同时期14.1%的化石能源排放量；李帅帅等[14]研究表明2013年中国西部地区森林碳汇可抵消4.45%能源的碳排放量；周健等[15]发现广州市森林碳抵消效果约为2.27%；张彪等[16]发现上海城市森林植被对能源碳排放量的抵消率为0.5%；Zhao等[17]发现2014年北京市街道行道树可抵消0.2%能源的碳排放量。也有学者对森林固碳能力或能源消费量进行单方面预测研究，比如Prakash等[18]对2010—2060年森林的固碳能力进行情景预测；熊慧敏[19]设置情景对长三角地区2017—2035年的能源使用量进行预测研究。总体来说，目前研究多关注森林固碳能力和碳抵消能力的评估，以及未来固碳能力或能源碳排放量的单方面预测，对未来森林碳抵消能力的预测研究较少。
目前，森林固碳能力的评估是研究的热点，其估算方法主要包括清查法、涡度相关法、生态系统过程模型模拟法和大气反演法等[8]。清查法主要基于林业资源清查数据评估固碳量，其中生物量法是利用植被的生物量间接计算森林植被固碳量，方法直接简单，精度较高，是目前计算森林固碳量常用的方法之一[20-21]。涡度相关法主要根据微气象学原理，对CO2浓度进行长期连续定位监测，该方法主要用于解释生态系统尺度上碳循环对气候变化的响应过程，较少用于估算区域固碳量[22]。
生态系统过程模型模拟法主要通过模拟生态系统碳循环过程进行固碳能力评估，是全球和区域固碳量评估的重要工具，包括TRENDY、MsTMIP、CASA等多种模型，其中，CASA模型计算结果精度较高，数据获取难度小，常用于估算森林固碳量[23-24]。大气反演法主要基于大气传输模型和大气CO2浓度观测数据，结合人为源CO2排放清单，估算固碳量，大气反演法的数据空间分辨率较低，大气传输模型越具有不确定性，评估区域越小，大气反演结果的不确定性越大[8]。
生态系统过程模型模拟法主要通过模拟生态系统碳循环过程进行固碳能力评估，是全球和区域固碳量评估的重要工具，包括TRENDY、MsTMIP、CASA等多种模型，其中，CASA模型计算结果精度较高，数据获取难度小，常用于估算森林固碳量[23-24]。大气反演法主要基于大气传输模型和大气CO2浓度观测数据，结合人为源CO2排放清单，估算固碳量，大气反演法的数据空间分辨率较低，大气传输模型越具有不确定性，评估区域越小，大气反演结果的不确定性越大[8]。
综上所述，鉴于数据可得性、评估尺度的适用性及评估方法准确性，本研究使用生物量法和CASA模型2种方法综合评估杭州三江汇地区森林植被的固碳量，基于CEADs县级碳排放清单和统计年鉴人口数据估算能源碳排放量，测算森林植被对能源碳排放量的抵消情况。通过减排和增汇2个方面设置未来情景，对三江汇地区2030年碳抵消能力进行定量预测，研究结果有助于为森林管理和区域可持续发展提供科学依据，可为区域生态系统管理和“碳中和”相关政策的制定提供依据。