中国碳排放与森林植被碳吸收潜力研究

尹晶萍,张煜星,付 尧,王雪军

(1.国家林业和草原局林产工业规划设计院,北京 100010；2.国家林业和草原局调查规划设计院,北京 100714；3.国家林业和草原局驻北京森林资源监督专员办事处,北京 100018)

实现“CO2排放力争2030年前达到峰值,2060年前实现碳中和”战略任务,研究“碳达峰”和“碳中和”成为了广泛关注的热点[1-5]。但是研究碳中和必须精确地估测现实条件下中国的碳排放和森林植被碳吸收能力,并预估2030年、2060年碳排放和森林植被碳吸收潜力,以此制定碳减排技术突破、碳吸收能力提升的具体方案,以及政策和技术创新领域。森林是陆地生态系统中最大的碳库,森林的生长过程也是吸收CO2并固定碳的过程,在降低大气中温室气体浓度,减缓全球气候变暖中具有十分重要的作用。扩大森林覆盖面积、提高森林生产力是许多国家和国际组织在未来30～50年应对气候变化的重要措施[6-7],也是中国实现碳中和目标的最强有力行动,确定森林固碳潜力意义重大。

1 数据来源与数据处理

碳排放数据使用中国碳核算数据库公开数据中分省表观核算法计算值[8-13]及世界银行公开数据；国民生产总值(GDP)数据来源于国家统计局发布的分省年度数据；森林碳储量数据主要来源于全国森林清查数据[14]。本研究不包括西藏、香港、澳门、台湾等地区的碳排放。

2 结果与分析

2.1 碳排放状况

2.1.1CO2排放总量

据世界银行公布的世界各国碳排放数据(图1),1960—2016年,世界CO2排放总量由9.213Gt(1Gt=10亿t)增加到33.819Gt,增加2.67倍(2016年是1960年的3.67倍)。20世纪60—90年代,CO2排放主要集中在美苏2个超级大国,二者排放总量在60年代占全球排放总量的47.1%以上,90年代为36.5%以上(图2),其中,美国1960年的GDP占世界39.67%,CO2排放量占31.37%。美国在20世纪60年代碳排放一直占据全球碳排放的30%以上,1970—2005年碳排放在20%～30%之间,2006—2016年碳排放下降至20.65%～14.8%之间。

注：1992年以前俄罗斯CO2排放量为苏联时期CO2排放数据。

注：1992年以前俄罗斯CO2排放量为苏联时期CO2排放数据。

中国的CO2排放量在20世纪60—80年代不足全球CO2排放总量的10%,1987—2004年占10%～20%。2005年,中国CO2排放总量首次超过美国,中国和美国排放量分别占全球排放总量的21.03%和20.65%,到2016年中国排放量达到9.893Gt,占全球CO2排放总量的29.25%。

2.1.2碳排放强度

碳强度指生产1个单位GDP的CO2排放量。经济发展需要消耗化石燃料,这必然释放碳,改进减排技术、生产方式、经济增长模式能够减少碳排放；改进技术工艺、应用科技成果等也能提高能耗的效率,降低碳强度。

中国碳强度长期高于世界平均水平(图3)。1960年中国碳强度特别高,达到130.7万t/亿美元(相当于13.073 9kg/美元),是当时世界平均碳强度的1.94倍,是美国碳强度的2.46倍,是加拿大碳强度的2.74倍,当时几个主要碳排放国家的碳强度为法国<澳大利亚<加拿大<日本<美国<英国<中国。2005年中国碳排放总量首次超过美国成为全球最高时,与1996年相比,碳强度却降低5倍,能耗对GDP的贡献得到了较大的提高。然而,中国碳强度分别为世界平均、美国、加拿大的4.37,5.81,5.25倍,各主要碳排放国家的碳强度为法国<日本<英国<美国<加拿大<澳大利亚<中国。到2016年,中国碳强度分别为世界平均、美国、加拿大的1.99,3.29,2.47倍,各主要碳排放国家的碳强度为法国<日本<英国<美国<加拿大<澳大利亚<中国。中国碳强度逐年降低,说明单位能耗的GDP贡献率不断提升。

图3 世界主要国家碳强度

1997年全国碳强度为4.149 8万t/亿元(0.415 0 kg CO2/元),2005年为3.101 0万t/亿元(0.310 1 kg CO2/元),到2017年下降为1.388 6万t/亿元(0.138 7 kg CO2/元),2017年比1997年下降66.54%,比2005年下降55.22%(图4)。

图4 1997—2017年中国碳强度变化

与全国平均水平相比,2017年碳强度低于全国平均水平的有21个省(区、市),占70%,但CO2排放量仅占56.83%；高于全国平均水平的有山西、宁夏、内蒙古、新疆、贵州、甘肃、黑龙江和辽宁等8个省(区),其GDP总量占全国15.15%,CO2排放却占全国总量的43.17%。从CO2排放和GDP的关系分析,这8个省(区)也是CO2排放仍处于上升期的地区,其中山西、宁夏、内蒙古、新疆等4个省(区)碳强度分别为全国平均水平的5.04,3.38,2.45,2.14倍。

中国不同时期各省(区、市)碳强度下降比率如表1所示。根据中国的减排目标,到2030年,中国碳强度将比2005年下降65%以上[15],实现这一战略目标的任务仍然非常艰巨,特别是一些省(区)的减排压力巨大。北京、天津、上海、湖北、湖南、重庆、四川、云南、贵州等9个省(市)如果碳排放不再反弹,碳强度下降比率现已超过65%,已经达到2030年减排目标；吉林、江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东、河南、广东、陕西、甘肃和青海等12个省份碳强度下降超过全国平均数；另外9省(区)碳强度还没有达到全国平均数。同时在海南、山西、新疆等省(区),碳强度还不稳定,甚至出现了反弹上升的趋势。

表1 各时期各省(区、市)碳强度变化

2.1.3人均碳排放

中国人均碳排放量长期低于世界平均水平。1960—2016年,人均年CO2排放量美国一直最高,中国最低(图5)。1960年世界人均年CO2排放为0.304万t,美国为1.600万t,人均CO2排放量为美国>苏联>英国>加拿大>澳大利亚>法国>日本>中国,中国最低，只有0.117万t,是日本的1/2,美国的1/14。2005年中国人均年CO2排放量首次达到了世界平均水平,但仅为美国的23.09%,日本的46.57%,人均CO2排放量为美国>加拿大>澳大利亚>俄罗斯>日本>英国>法国>中国。到2016年,中国人均年CO2排放量分别为美国和日本的46.28%,80.23%,人均CO2排放量为澳大利亚>美国>加拿大>俄罗斯>日本>英国>法国>中国。碳排放权同时也是经济发展权,中国是最大的发展中国家的这一特性还没有改变。

注：1992年以前俄罗斯CO2排放量为苏联时期CO2排放数据。

2.1.4碳排放与GDP的关系

通过对全国及各省(区、市)GDP与CO2排放数据的分析,分别构建全国及不同省(区、市)的CO2排放与GDP模型,选择其(线性、对数、指数、幂函数及多项式)最优多项式模型(CO2-GDP模型)(图6)发现,全国和各省(区、市)的CO2-GDP模型有几种类型。

图6 全国CO2排放量与GDP关系图

从全国CO2排放与GDP来看,CO2排放与GDP同步增长,相关性非常高,当全国GDP总量在60万亿元区域内时,CO2排放与GDP几乎呈线性正相关,当GDP达到60万亿元时,CO2排放随GDP增长放缓。

从各省(区、市)的CO2排放与GDP的关系分析,基本可以分成3种类型(图7)。

图7 CO2排放与GDP变化图

一是CO2排放基本达到峰值,开始出现下降趋势,有北京、天津、上海、重庆、青海、吉林、河北、河南、湖北、四川等10个省(市),特别是北京、上海和四川的碳排放已经出现明显的减少趋势,经济发展转型取得成效。

二是CO2排放处于峰值期,正在达到或接近峰值期,有江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东、湖南、海南、贵州、云南等10省,主要分布在东南沿海和西南云贵高原。

三是CO2排放还处于上升时期,暂难以预见峰值,有山西、内蒙、宁夏、甘肃、陕西、新疆、辽宁、黑龙江、广东、广西等10省(区),主要分布中国西北部、东北和两广地区。

进一步分析CO2排放和GDP的年度增长率变化,在1997—2017年20年间,CO2排量和GDP总量不断增加的过程中,各年度的增长率波动较大,但二者的变化趋势却一致(图8),而且CO2排放增长率变化比GDP增长率变化提前一年，这说明CO2排放的增减对下一年GDP增长或减少有着重要的影响。前一年CO2排放增长率高,下一年经济增长率也高；前一年CO2排放增长率降低,下一年经济增长率也降低，但是CO2排放对GDP推动的力量在逐渐减弱。2000—2015年,“十五”“十一五”“十二五”期间,GDP分别增长86.8%,120.0%,67.15%,CO2排放增长分别为71.39%,52.94%,16.07%,这说明在中国GDP总量增长的过程中,对能耗的效率在不断提高,单位能耗对GDP的贡献能力提升。

图8 1997—2017年GDP和CO2排放年度变化

2.2 2030年碳达峰估测

2020年中国国内生产总值已经达到101.60万亿元。根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》,到2035年中国的GDP将在2020年的基础上翻一番,即达到203万亿元,需要在15年中维持4.7%的增速。其中到2030年GDP总量将达169万亿元。以此推算,中国2050年GDP总量将达338万亿元,2060年GDP总量将达到435万亿元。

2.2.1全国CO2-GDP模型估测碳排放

根据全国CO2-GDP模型,预测到2025年,中国CO2排放量将达到165亿t,2030年将达到173亿t,2035年将达到166亿t,中国CO2排放量如在2030年前后达到峰值,估测峰值大约在170～180亿t。

2.2.2碳强度估测CO2排放

根据中国减排目标,到2030年碳强度比2005年减少65%,即将由2005年的3.101 0万t/亿元下降为1.085 3万t/亿元,则中国2030年CO2排放总量约为183亿t。

综合2种方法的估测值,中国2030年CO2排放总量估计在170～190亿t。

自然边坡如按传统边坡治理，存在开挖支护范围大，对山体的扰动大，对环境的破坏大，施工难度大，安全风险大，费用投入高、治理工期长等特点。目前,自然边坡治理问题在国内提出的时间较短，无详尽的治理措施及治理深度、无明确的施工规范和验收标准。

2.3 2060年森林固碳潜力估测

到2060年实现碳中和,首先必须明确2060年我国碳吸收能力,作为我国碳排放的控制目标,根据这一目标制定减排的技术措施。

森林固碳能力与树种构成、平均年龄、蓄积量、自然气候条件、经营状况等有关,中国现阶段天然林已经全面禁止商业性采伐,每年新增人工林面积比例较低。因此,未来40年森林的树种结构不会发生巨大的变化,新造林面积在2035年以前年均基本与2014—2018年年度造林面积接近,2035—2060年间的造林较少,森林碳汇能力主要受森林平均年龄和总蓄积量的影响。

分析2014—2018年森林清查的森林年龄结构发现,森林幼、中、近、成、过熟林的面积比例分别为32.67%,31.27%,15.91%,13.72%,6.43%；蓄积比例分别为12.54%,28.26%,20.60%,23.51%,15.09%。幼龄林和中龄林的面积占63.94%,未来40年,现在的幼中龄林仍然会保持旺盛的生产力,蓄积和碳增长率波动较小。

第八次清查全国森林植被总碳储量为8.427 PgC,第九清查全国森林植被总碳库8.980PgC(林分碳占84.35%),森林植被年均固碳0.434PgC(约占总碳库的4.833%),可以得出,森林植被碳储量5年增长6.56%,年均增长1.31%。显然,森林植被的年均碳储量增加值远低于森林植被的实际固碳值,这是因为森林在5年里发生森林采伐、枯损等原因所致。因此,设定未来40年森林生长率保持现在生长率不变,森林的采伐和枯损也不发生大的变化,则现第九次清查和第八次清查的碳储量变化和年固碳比例不变,可以粗略测算出2060年的碳储量。

C=C0(1+5×t)(2060-2016)/5

(1)

Cy=C×p

(2)

式中:C为2060年的森林植被碳储量；C0为2016年(2014—2018年取中值)的森林植被碳储量；t为年增长率；Cy为年固碳量；p为森林植被当年固碳量占森林植被碳储量的比例。

2.4 2060年碳强度确定

2060年中国GDP总量将达到435万亿元,可以推算出届时的碳强度为640t/亿元,相当于中国2005年碳强度的2.06%,2017年的4.61%。如按森林植被计算2060年碳中和的碳强度,则到2060年，碳强度需要在2017年碳强度基础上降低

95.39%。

根据2060年我国陆生植被的固碳潜力,以及435万亿元的GDP总量,可以推算出届时的碳强度为1 152t/亿元,相当于2005年碳强度的3.71%,2017年碳强度的8.30%。因此,考虑整个陆生植被的固碳能力,2060年碳中和的碳强度目标需要在2017年碳强度基础上再降低91.70%。

3 实现碳中和建议

3.1 增强碳吸收的主要措施

1) 保障土地供给与造林需求。全国第九次森林资源清查数据显示,2014—2018年全国森林覆盖率为22.96%,森林蓄积为175.6亿m3。按我国林业发展目标,到2035年森林覆盖率将达到26%,森林蓄积达到210亿m3；从2030—2060年将保持森林面积不变,不断提高森林蓄积,到2050年森林蓄积将达到265亿m3。因此,2035年前必须保障造林总面积达到29.184万km2,即从2016—2035年,每年新增造林面积不少于1.510万km2。同时,选择速生的造林树种增强森林固碳能力。

2) 严控征用占用林地减少森林损失。据全国第九次森林资源清查,2014—2018年每年因林地转为建设用地减少森林面积约为28.6万hm2,相当于需求新增造林面积的18.94%,林地的征用占用造成的森林损失比较严重。

3) 严格森林采伐管理以保障森林固碳能力。据全国第九次森林资源清查,2014—2018年森林年均采伐蓄积3.85亿m3,其中,乔木林林分的年均采伐消耗量为3.23亿m3,皆伐比例占23.7%。如果未来中国森林仍保持同样的采伐消耗量,根据目前乔木林蓄积量为94.83m3/hm2计算,则每年采伐的森林面积为80.7万hm2,因此,采伐迹地的更新造林必须及时完成。

4) 加强森林经营能够促进森林生产力的提高。据研究[17-19],不同的间伐强度对森林蓄积生长率都有一定的促进作用,减少了森林的小径材的出材率,提高了大径材的出材率,降低了森林枯损率。根据张水松等[20]对杉木的长期研究,各种强度间伐不能有效提高林分伐后20年的总出材量,但伐后30年,与对照(生长率定为100%)相比,林分活立木生长率都有所提高,强度间伐为117.35%、中度间伐为112.00%、弱度间伐为110.90%。因此,适度开展森林经营是提高生长率,增强碳固定能力的重要措施。

3.2 降低碳排放的主要途径

促进减排的最根本的方法是提升工业现代化进程,改变能源利用结构,加快电气化、风电、光伏发电、以电代煤等新能源系统,促进零排放、低碳经济的发展。但是,根据我国现阶段能源消耗结构和碳排放特点分析,加快煤改气进程是减排的非常重要的途径。

1) 中国的碳排放结构中燃气排放占比太低。减排措施首先要调整中国的能耗结构,改变生产、生活能源利用方式,提高能源消耗的生产效能。中国的碳排放核算内容主要包括煤、石油、天然气燃烧释放和水泥生产的CO2排放,从1997—2017年,尽管中国的碳排放量巨增,20年增长3.5倍,但是碳排放的结构变化不大,煤炭排放CO2由78.63%下降到74.75%,取而代之的天然气排放量则由1.01%上升到4.02%,水泥生产排放量由4.49%上升到5.94%,石油碳排放所占比例基本没有变化。

在经济增长对能源消耗需求不断增加的条件下,达到减排目的的唯一途径是改变能耗结构,降低煤的消耗,增加天然气的使用,才能降低单位GDP的CO2排放。从全国和各省(区、市)碳强度与能耗的相关性分析,碳强度与天然气排放占总排放的比例相关性最好,天然气排放占比越高,碳强度越低,几乎呈直线相关。在碳排放总量不变的情况下,煤改气是比较有效的减排、降低碳强度、提升能耗效率的方法。

2) 发达国家的碳排放结构中燃气排放不断增加。从世界各国碳排放构成分析,经济发达国家的碳排放同样在逐渐降低固体燃料(主要为煤)的CO2排放,提高天然气的使用比例,而中国的燃煤CO2排放一直居高不下,燃气碳排放比又最低,是碳强度较高的根本原因。

世界主要碳排放国家的国民经济、碳排放、排放结构指标与中国相比较,1960年,美国的GDP是中国的9.1倍,CO2排放量是中国的3.7倍,碳强度是中国的0.4倍,碳排放中燃煤释放的碳占32.44%,燃烧天然气释放的碳占22.27%,而中国燃煤和燃气的碳排放分别占96.77%和0.26%。2016年,美国的GDP是中国的1.67倍,CO2排放量却是中国的0.51倍,碳强度是中国的0.3倍,碳排放中燃煤释放的碳占比进一步下降到26.74%,燃烧天然气释放的碳占比提高到30.28%,但中国燃煤的碳排放仍高达79.99%,燃天然气的碳排放占比仅为4.64%。

3) 北京市碳排放结构为中国碳排放调整提供范例。进一步分析各省(区、市)的碳排放结构发现,碳强度降低与燃气排放比例有着密切的关系。以北京市碳排放为例,北京市2017年GDP比1997年增加13.5倍,CO2排放总量仅增加15.55%,这主要是CO2排放结构得到了改善。燃煤排放占比由62.15%下降到12.77%,石油排放由33.9%增加到39.12%,天然气排放由0.59%增加到48.%。显然,排放结构变化使北京市的CO2排放量已经达到峰值并且开始减少,碳强度2017年比2005年降低81.72%,2017年为2 500t/亿元,成功实现了碳排放结构的转变,提前实现了2030年碳达峰和碳强度降低65%的目标。

4 结论

1) CO2排放与经济发展密切关联,特别是在经济和技术落后的时期,CO2排放对经济的推动作用明显。碳排放权实际上也是发展权,尤其对于最大的发展中国家来说,合理地确定碳达峰的时间和碳排放量非常关键。中国现在碳排放总量自2005年成为全球第一,占世界总排放量的20%以上,但人均年碳排放量仍较低；而发达国家的碳排放一直高于中国,特别是美国,在20世纪60年代CO2排放量一直占全球碳排放的30%以上,1970—2005年碳排放仍占20%～30%,2005—2016年占20%～15%。

2) 中国的碳强度较高,说明减排的技术能力较低,能耗的结构不合理,碳达峰需要一定的时间。到2030年我国碳达峰的CO2排放量约在170～190亿t。

3) 实现碳中和目标的重要措施是调整碳排放的结构,即调整能源消耗的结构,大力降低煤的燃烧排放,以天然气代替。目前,我国燃煤排放CO2的比例接近80%,燃气碳排放不足5%,应提升燃气CO2排放的比例到25%以上时,碳强度才可以达到美国现在的碳强度水平。

4) 实现碳中和,森林资源保护、管理、经营和新造林措施必须制定完善的方案。到2060年碳中和时,森林植被的年固碳能力为0.759 1PgC,年固定CO2的能力为2.783 5PgC。以森林植被年固碳能力控制碳排放,相当于中国在2017年碳强度基础上降低95.39%,达到640t CO2/亿元。到2060年森林生态系统的年固碳能力为1.380 3PgC,年固定CO2的能力为5.06 9PgC。以森林生态系统的年固碳能力控制碳排放,中国的碳强度要在2017的基础上降低91.70%,达到1 152t CO2/亿元,尚不足美国2017年碳强度的1/4,但对中国减排系列技术进步具有重大促进作用。

5) 森林资源的增长受管理政策、气候、森林经营等多种因素影响,预测一个具体的林分生长已经建立了大量的生长收获模型,但预测全国的森林生长,而且跨度40多年,还没有成熟的理论模型,因此,本研究预测结果只是现在条件下的一种方法。