秦云，肖風(fēng)勁，於琍，陸波，劉秋鋒

( 1.國(guó)家氣候中心，北京 100081；2.中國(guó)氣象局氣候預(yù)測(cè)研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 )

引言

工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)排放了大量的溫室氣體，造成了大氣中的溫室氣體濃度增加，溫室效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致全球氣候變暖，對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)造成了多種不利影響[1–4]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告指出，每1 萬億t CO2的排放約引起0.45℃的溫升[1]。如果控制溫升不超過1.5℃，剩余排放空間則不到4200 億t CO2；如果維持當(dāng)前的排放速率，碳排放空間將在10年之內(nèi)用盡[5]。為了減緩全球氣候變暖，截至2023年1月，全球已有198個(gè)國(guó)家或國(guó)家集團(tuán)提出或考慮提出碳中和目標(biāo)①數(shù)據(jù)來源：https://zerotracker.net。；多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家提出的碳中和目標(biāo)年是2050年，英國(guó)、法國(guó)、加拿大、美國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)和日本等均承諾2050年前實(shí)現(xiàn)碳中和，發(fā)展中國(guó)家則相對(duì)較晚，印度的目標(biāo)年是2070年[6–9]。2020年，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出中國(guó)“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的氣候承諾[10,11]。張雅欣等[12]通過對(duì)國(guó)際碳中和行動(dòng)的趨勢(shì)分析和評(píng)述，認(rèn)為碳中和正在成為全球氣候行動(dòng)關(guān)注的重要內(nèi)容，對(duì)于推進(jìn)全球應(yīng)對(duì)氣候變化具有積極意義。

碳中和（carbon neutrality）概念具有廣義和狹義之分，廣義理解為溫室氣體中和等相關(guān)概念的統(tǒng)稱，狹義理解則僅指CO2中和[13]?？紤]到目前非CO2溫室氣體的排放源與排放機(jī)制、檢測(cè)手段、溫室氣體效應(yīng)等存在很大的不確定性，方精云[14]建議使用狹義的碳中和概念。IPCC 第六次評(píng)估報(bào)告給出的碳中和定義是，化石燃料使用、土地利用改變等人類活動(dòng)向大氣中排放的CO2（稱為碳源）與植樹造林，碳捕獲、利用與封存（CCUS）等人為方式從大氣中去除的CO2（稱為碳匯）達(dá)到平衡[1,5,15]。在全球尺度，碳中和等同于CO2凈零排放；在次全球尺度（包括區(qū)域、國(guó)家和次國(guó)家尺度等），CO2凈零排放指領(lǐng)土或管轄范圍內(nèi)的直接碳排放全部被去除，而碳中和一般還包括間接碳排放[1,7,16]。

無論廣義概念還是狹義概念，碳中和均強(qiáng)調(diào)碳源碳匯是通過人類作用產(chǎn)生的。人類活動(dòng)碳排放主要來源于化石能源燃燒活動(dòng)排放CO2，化石能源開采過程中的煤礦坑氣、天然氣泄漏排放CO2和CH4，水泥、石灰、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程排放CO2、N2O、HFCs、PFCs 和SF6等，水稻田、牛羊等反芻動(dòng)物消化過程排放CH4，廢棄物處理排放CH4和N2O 以及森林砍伐、退耕還林、農(nóng)田管理等土地利用/覆被變化造成的碳排放等[2,17,18]。人為方式的碳去除（carbon removal）主要有三種途徑，即基于自然的解決方案、增強(qiáng)自然過程的措施和基于技術(shù)的解決方案[19]?；谧匀坏慕鉀Q方案主要包括植樹造林和再造林（afforestation and reforestation）、恢復(fù)沿海植被生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)環(huán)境等，該途徑成本相對(duì)較低，并且能帶來多重效益，但會(huì)受到土地利用的限制而不能無限固碳[20]；增強(qiáng)自然過程的措施主要包括生物炭、增強(qiáng)風(fēng)化、海洋堿化和海洋施肥，目前這些技術(shù)仍需要進(jìn)一步調(diào)查和研究，以了解其碳去除潛力、成本和風(fēng)險(xiǎn)等[21]；基于技術(shù)的解決方案一般指CCUS 技術(shù)，主要包括直接空氣捕獲和生物質(zhì)能碳捕獲與封存，通過CCUS 技術(shù)大規(guī)模地固碳目前在實(shí)際應(yīng)用中還存在較大困難，短期內(nèi)不會(huì)成為碳去除的主要方式[14,22]。

對(duì)碳排放量和碳去除量進(jìn)行準(zhǔn)確的估算，有助于摸清碳排放現(xiàn)狀和碳匯能力，為決策者制定減排和增匯政策提供科學(xué)指導(dǎo)，便于采取有效的措施和行動(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變化；對(duì)碳排放量和碳去除量進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)預(yù)估，有助于掌握碳排放可能的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)碳達(dá)峰的時(shí)間，促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于碳排放量的估算，國(guó)內(nèi)外已有多種方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。目前，在碳排放量核算的研究中，由于數(shù)據(jù)來源、統(tǒng)計(jì)口徑、排放因子和核算范圍不同，核算結(jié)果存在較大差異，這使得碳排放量在不同程度上被高估或低估[23]。對(duì)于碳去除量的估算，目前一般考慮的是海陸生態(tài)系統(tǒng)碳匯，并且不同方法估算的生態(tài)系統(tǒng)碳匯結(jié)果存在較大差異[24]。在預(yù)測(cè)預(yù)估方面，一般采用情景分析法，但情景設(shè)置沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏可比性[25,26]。國(guó)內(nèi)外已有大量的關(guān)于碳排放量或碳去除量單方面的預(yù)測(cè)預(yù)估研究，近些年來，隨著碳中和目標(biāo)的提出，越來越多的研究關(guān)注碳中和的預(yù)測(cè)預(yù)估。

本文分別對(duì)碳排放量和碳去除量的估算與預(yù)測(cè)預(yù)估方法進(jìn)行梳理，闡述方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，對(duì)于復(fù)雜模型采用舉例的方式闡述其方法特點(diǎn)，以期為準(zhǔn)確評(píng)估碳中和現(xiàn)狀以及預(yù)測(cè)預(yù)估未來情景下實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的可能性和路徑提供方法論參考。

1 碳中和評(píng)估方法

1.1 碳中和評(píng)估基本流程

在進(jìn)行碳中和評(píng)估時(shí)，首先應(yīng)明確碳源和碳匯的估算范圍。碳排放可以分為直接碳排放和間接碳排放；前者是指核算邊界內(nèi)的全部碳排放，后者是指從核算邊界外部輸入但在內(nèi)部產(chǎn)生的碳排放[17,27]。溫室氣體核算體系提出了三種碳排放核算范圍，即范圍1：邊界內(nèi)的所有直接碳排放，主要包括邊界內(nèi)部能源活動(dòng)（工業(yè)、交通和建筑等）、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、土地利用變化和林業(yè)、廢棄物處理等產(chǎn)生的排放；范圍2：發(fā)生在邊界外的與能源相關(guān)的間接碳排放，主要包括為滿足邊界內(nèi)消費(fèi)而外購(gòu)的電力、供熱和制冷等二次能源生產(chǎn)所產(chǎn)生的排放；范圍3：發(fā)生在邊界外的但未被范圍2 包括的其他間接碳排放，主要包括從邊界外購(gòu)買的所有物品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和廢棄物處理環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的排放[27–30]。理論上，碳排放應(yīng)涵蓋范圍1、范圍2 和范圍3，但目前國(guó)際上還沒有明確的估算范圍，研究中一般是根據(jù)需要自行規(guī)定。

其次，應(yīng)明確碳中和評(píng)估對(duì)象。如果將評(píng)估對(duì)象限定為CO2，即狹義上的碳中和，則估算時(shí)只需考慮人類活動(dòng)中排放CO2的環(huán)節(jié)；如果將非CO2溫室氣體也作為評(píng)估對(duì)象，即廣義上的碳中和，則需將人類活動(dòng)排放的非CO2溫室氣體折算成CO2當(dāng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。與此同時(shí)，碳匯的估算對(duì)象應(yīng)與碳源的保持一致。依據(jù)IPCC 第六次評(píng)估報(bào)告對(duì)碳中和的定義，評(píng)估對(duì)象則僅為CO2，但考慮到非CO2溫室氣體對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)較大，不少研究納入了CH4和N2O 等溫室氣體。例如，胡歡等[31]對(duì)河北省碳源碳匯進(jìn)行估算時(shí)，同時(shí)考慮能源和工業(yè)領(lǐng)域排放的CO2以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域牲畜腸道發(fā)酵等排放的CH4。

最后，分別梳理碳源和碳匯途徑，估算各種途徑的碳排放量或碳去除量，并進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，比較兩者是否處于平衡狀態(tài)（圖1）。值得注意的是，碳中和評(píng)估一般以年為時(shí)間單位，如果人為碳排放量等于人為碳去除量，并且此后不再出現(xiàn)凈排放，則表明被評(píng)估區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了碳中和[7]。

圖1 碳中和評(píng)估基本流程

由于目前的CCUS 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在較大困難，在人為碳去除量的估算階段，可僅考慮基于自然的解決方案，即通過人工植樹造林和再造林、恢復(fù)沿海植被生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)環(huán)境等形成的海陸生態(tài)系統(tǒng)碳匯。其中，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯在不考慮生態(tài)系統(tǒng)干擾情況下等于凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP），即凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）減去土壤異養(yǎng)呼吸消耗的碳（Rh）[32–34]。

1.2 碳排放量的估算

碳排放量的估算方法可以分為三大類：用于支撐碳交易市場(chǎng)的碳排放核算方法，面向消費(fèi)側(cè)碳排放的估算方法，基于因素分解法的碳排放計(jì)量方法[35]（表1）。第一類方法源于《2006年IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》，主要包括排放系數(shù)法、實(shí)測(cè)法和質(zhì)量平衡法三種核算方法[36]；第二類方法用于計(jì)算消費(fèi)側(cè)碳排放，主要有投入產(chǎn)出法[17,37]；第三類方法是將碳排放的變化分解為幾個(gè)因素變化的疊加作用，通過構(gòu)建各種模型來對(duì)碳排放量進(jìn)行估算，主要包括Kaya 模型、IPAT 模型、

表1 幾種常見的碳排放量估算方法

STIRPAT （Stochastic Impact by Regression on Population，Affluence and Technology）模型等結(jié)構(gòu)分解法和對(duì)數(shù)平均權(quán)重Divisia 指數(shù)（LMDI）模型、Laspeyres 模型等指數(shù)分解法，該類方法可以對(duì)影響碳排放量變化的核心因素進(jìn)行分解研究，解析不同因素對(duì)碳排放量的持續(xù)性及貢獻(xiàn)度，為促進(jìn)階段性的低碳政策的制定提供理論基礎(chǔ)[17,35,38]。

排放系數(shù)法是國(guó)內(nèi)外溫室氣體清單編制的主要依據(jù)，覆蓋了能源活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、土地利用變化和林業(yè)、廢棄物處理等各個(gè)領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最為廣泛的碳排放核算方法[17]。實(shí)測(cè)法對(duì)采集樣品的代表性要求較高，為了得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，常常需測(cè)量多次再取平均值，需要投入大量的人力物力，成本較高。目前，采用實(shí)測(cè)法對(duì)碳排放量進(jìn)行估算的案例較少，主要用于鍋爐燃燒過程廢氣污染物和生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的估算[42,43]。質(zhì)量平衡法主要用于土地利用變化和林業(yè)領(lǐng)域，通過活體生物量碳貯量和死亡有機(jī)物庫(kù)中碳含量的差異來估算碳排放量[44,45]。投入產(chǎn)出法是國(guó)際貿(mào)易中碳排放研究的主要方法，又可以細(xì)分為單區(qū)域投入產(chǎn)出模型和多區(qū)域投入產(chǎn)出模型，前者適合分析碳排放對(duì)一個(gè)國(guó)家或區(qū)域產(chǎn)生的影響，后者適合分析碳排放對(duì)多個(gè)國(guó)家或區(qū)域產(chǎn)生的影響[17,37]。Kaya 模型屬于動(dòng)態(tài)變化分析模型，應(yīng)用時(shí)間早，使用范圍廣，計(jì)算簡(jiǎn)單，是目前分析碳排放量影響因素的主流分析方法；它的變形IPAT 模型、STIRPAT 模型和LMDI 模型等同樣具有廣泛的應(yīng)用[35]。盡管估算方法較多，但缺乏不同方法之間的對(duì)比驗(yàn)證，在未來研究中有待利用同一套數(shù)據(jù)對(duì)不同方法估算的結(jié)果進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。

1.3 碳去除量的估算

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算方法按植被生產(chǎn)力與氣候的關(guān)系可以分為統(tǒng)計(jì)模型法、機(jī)理模型法和遙感模型法三大類（表2）。統(tǒng)計(jì)模型法是利用溫度、降水等氣候因子與植被生產(chǎn)力的相關(guān)關(guān)系來估算碳匯，提出時(shí)間較早，具有簡(jiǎn)單易操作等特點(diǎn)，但因其模型參數(shù)屬于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，因此在應(yīng)用方面受到了限制。機(jī)理模型法是基于已有的一些描述生態(tài)系統(tǒng)碳過程模型或耦合氣候模式，來模擬生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況，從而估算碳匯，具有理論框架完整、過程機(jī)理清晰等優(yōu)點(diǎn)，但模擬結(jié)果還存在較大的不確定性[1,46]。遙感模型法是基于光能利用率原理，借助于遙感信息或結(jié)合氣象觀測(cè)來估算碳匯，具有空間上觀測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)受到天氣因素等影響而出現(xiàn)成片的缺失，光能利用率等參數(shù)取值的不確定性會(huì)對(duì)估算結(jié)果造成較大影響，并且不具備對(duì)未來碳去除量進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)估的能力[47]。當(dāng)模型不能直接估算NEP 時(shí)，可結(jié)合土壤呼吸估算模型，從估算的NPP 中扣除Rh，間接計(jì)算出NEP[48]。

表2 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳去除量估算方法

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算方法按結(jié)構(gòu)方向可以分為“自下而上”（bottom-up）和“自上而下”（top-down）兩大類?！白韵露稀狈椒ㄊ侵笇狱c(diǎn)或網(wǎng)格尺度的地面觀測(cè)、模擬結(jié)果推廣至區(qū)域尺度，主要包括清查法、渦度相關(guān)法和機(jī)理模型法等；“自上而下”方法主要是指基于大氣CO2濃度反演陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯，即大氣反演法[24,38]。清查法是通過調(diào)查樣地植被和土壤的平均碳密度來估算陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，雖然精度高，但應(yīng)用成本也高，一般被用于其他方法的驗(yàn)證[45]。渦度相關(guān)法是利用微氣象學(xué)原理，直接測(cè)定固定覆蓋范圍內(nèi)陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的凈CO2交換量，據(jù)此通過尺度上演（upscaling）估算區(qū)域尺度的NEP，從而估算碳吸收量[61,62]。渦度相關(guān)法可實(shí)現(xiàn)精細(xì)時(shí)間尺度生態(tài)系統(tǒng)碳通量的長(zhǎng)期連續(xù)定位觀測(cè)，但因其在區(qū)域尺度上易受到人為因素影響，通常很少用于直接估算區(qū)域尺度上的碳匯大小，主要用于理解生態(tài)系統(tǒng)尺度上碳循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)過程[24]。大氣反演法是利用大氣傳輸模型，由全球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的大氣CO2濃度的時(shí)空變化梯度反推區(qū)域碳收支，可以估算大尺度的碳匯實(shí)時(shí)變化，但受到空間分辨率低、精度受大氣CO2觀測(cè)站的分布密度等因素限制[24,63]。

海洋生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算相關(guān)的研究較少，方法上存在指標(biāo)體系不完善、邊界不明晰等問題，缺乏定量分析、系統(tǒng)研究和宏觀評(píng)估[64,65]。

對(duì)于碳去除量的估算，越來越多的研究采用兩種或多種方法的結(jié)合，這樣可以充分利用各自的優(yōu)點(diǎn)，提高估算的準(zhǔn)確性。例如，劉璐璐等[66]利用GLOPEM-CEVSA 耦合模型估算并分析了長(zhǎng)江源區(qū)1997—2012年NPP 的時(shí)空變化特征。

2 碳中和預(yù)測(cè)預(yù)估方法

2.1 碳排放量的預(yù)測(cè)預(yù)估

碳排放量的預(yù)測(cè)預(yù)估，一般采用情景分析法，在對(duì)各種相關(guān)因素判斷的情況下，預(yù)測(cè)未來短期的碳排放量，或?qū)Σ煌鐣?huì)發(fā)展情景下的中長(zhǎng)期碳排放變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)估。針對(duì)不同的領(lǐng)域，碳排放預(yù)測(cè)預(yù)估模型可分為能源系統(tǒng)分析模型和土地利用排放分析模型兩大類別，前者主要有動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)模型、一般均衡（CGE）模型或部分均衡模型以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型等[23]，后者主要有CLUE-S (Conversion of Land Use and its Effects at Small region extent)模型等[67]（表3）。其中，動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)模型可參照碳排放量估算方法中的第三類方法，常用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型有LEAP（Low Emissions Analysis Platform）、TIMES （The Integrated MARKAL-EFOM System）和AIM/End-Use（AsiaPacific Integrated Model/End-Use）模型等。近些年來，越來越多復(fù)雜的綜合評(píng)估模型用于對(duì)未來碳排放的預(yù)測(cè)預(yù)估，具有代表性的有IMAGE （Integrated Model to Assess the Greenhouse Effect）模型、GCAM（Global Change Analysis Model）模型、AIM/CGE（Asia-Pacific Integrated Model/Computable General Equilibrium）模型、MESSAGE-GLOBIOM （Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impact/Global Biosphere Management）模型、REMIND-MAgPIE （Regional Model of Investmentsand Development/Model for Agricultural Production and its Impact on the Environment）模型、WITCHGLOBIOM （World Induced Technical Change Hybrid/Global Biosphere Management）模型和IMED （Integrated Model of Energy，Environment and Economy for Sustainable Development）模型等[23,68]。

表3 幾種常見的碳排放量預(yù)測(cè)預(yù)估方法

STIRPAT 模型是一種因素分解模型，通過預(yù)測(cè)各個(gè)因素未來的變化來預(yù)測(cè)碳排放，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用最早，也最為廣泛。CGE 模型、LEAP 模型和TIMES 模型均是以政策制定為導(dǎo)向的，CGE 模型主要針對(duì)碳稅、碳交易等以碳定價(jià)政策，LEAP模型和TIMES 模型則面向能源領(lǐng)域的節(jié)能減排政策。CLUE-S 模型是通過模擬未來情景下土地利用格局變化來進(jìn)一步模擬碳排放變化，行業(yè)針對(duì)性較強(qiáng)。GCAM 模型覆蓋所有排放源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，可用于探索氣候變化減緩政策，包括碳稅、碳交易和能源技術(shù)的加速部署等。IMED 模型是中國(guó)自主研發(fā)的綜合評(píng)估模型，具備從多個(gè)角度分析評(píng)估多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)問題的能力，可用于中國(guó)、區(qū)域和全球的綠色低碳轉(zhuǎn)型研究。

以上碳排放量預(yù)測(cè)預(yù)估模型已有不少應(yīng)用。張帆等[70]基于STIRPAT 模型，在五種共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑（SSPs）情景下，評(píng)估了人口、經(jīng)濟(jì)和受教育程度對(duì)碳排放的影響，預(yù)估了我國(guó)2020—2100年的碳排放變化特征。王勇等[71]通過構(gòu)建包含七個(gè)部門的CGE模型，根據(jù)投入產(chǎn)出表編制社會(huì)核算矩陣，通過直接交叉熵法對(duì)矩陣進(jìn)行平衡，模擬評(píng)估了我國(guó)在2025年、2030年和2035年實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰的經(jīng)濟(jì)影響。李新等[72]通過構(gòu)建LEAP 模型，分析了京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)在單一政策情景（分別為規(guī)模減排、結(jié)構(gòu)減排、技術(shù)減排和末端治理）和組合政策情景下2015—2030年的主要污染物和CO2排放量及相應(yīng)的減排影響；黃瑩等[73]基于LEAP 模型，模擬了政策情景、低碳情景和綠色低碳情景下廣州交通領(lǐng)域2016—2050年的能源消費(fèi)需求和CO2排放趨勢(shì)。馬丁和陳文穎[26]利用TIMES 模型，模擬了參考情景和三個(gè)達(dá)峰情景下我國(guó)2010—2050年的CO2排放量及其在各部門所占的比例，并評(píng)估了CO2減排的關(guān)鍵部門和關(guān)鍵措施的減排貢獻(xiàn)。顧漢龍等[74]利用CLUE-S 模型對(duì)法庫(kù)縣2019年土地利用變化格局進(jìn)行模擬與驗(yàn)證，并設(shè)置基線情景、農(nóng)業(yè)發(fā)展、建設(shè)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化五種情景對(duì)2030年的碳排放量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。從上述應(yīng)用案例可以看出，碳排放量預(yù)測(cè)預(yù)估的情景設(shè)計(jì)較為多樣，具有一定程度的主觀性，不同模型之間缺乏可比性。目前，這類模型大部分是以政策制定為導(dǎo)向，鮮有針對(duì)碳中和的預(yù)測(cè)預(yù)估，情景設(shè)計(jì)上與碳去除量預(yù)測(cè)預(yù)估相匹配的較少。

2.2 碳去除量的預(yù)測(cè)預(yù)估

在進(jìn)行碳去除量的預(yù)測(cè)預(yù)估時(shí)，除了考慮基于自然的解決方案的碳匯，還應(yīng)考慮增強(qiáng)自然過程的措施以及基于技術(shù)的解決方案固定的碳[75]。第一種途徑主要是在未來情景下預(yù)測(cè)預(yù)估NPP 和NEP 等生態(tài)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，不僅要考慮已經(jīng)存在的陸地植被等的固碳量，而且要考慮新造林面積的變化[76]。后兩種途徑主要考慮未來技術(shù)的突破及規(guī)模化應(yīng)用的可能性，分析不同社會(huì)發(fā)展情景下潛在固碳水平，預(yù)測(cè)預(yù)估碳去除量的變化趨勢(shì)。目前，有關(guān)NPP 預(yù)測(cè)預(yù)估方面的研究大部分采用的是第一種途徑[77]，后兩種途徑由于還存在很多不確定性，相關(guān)研究較少。

在眾多生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算方法類別中，統(tǒng)計(jì)模型法和機(jī)理模型法可用于碳去除量的預(yù)測(cè)預(yù)估，其中，Miami 模型、周廣勝模型等統(tǒng)計(jì)模型與AVIM 模型、CEVSA 模型、PnET 模型等機(jī)理模型較為常見。周秉榮等[78]采用周廣勝模型建立了三江源區(qū)植被NPP 估算模型，并模擬了IPCC 排放情景特別報(bào)告（SRES）A1B 排放情景下2011—2100年該區(qū)域植被NPP 的空間分布和變化趨勢(shì)。何勇等[56]用HadCM3 模式數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)AVIM 模型，分別模擬了區(qū)域資源情景和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展情景下中國(guó)未來（2001—2050年）陸地植被年平均NPP 的變化趨勢(shì)。Wang 等[79]基于森林生態(tài)系統(tǒng)模型PnET-II，對(duì)美國(guó)路易斯安那州亞熱帶地區(qū)在SRES A1B、A2 和B1 三種排放情景下2000—2050年的NPP年值進(jìn)行了預(yù)估。Gu 等[80]利用CEVSA 模型，預(yù)估了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶在RCP4.5 和RCP8.5 兩種溫室氣體排放情景下2021—2099年植被碳和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化。這些模型大部分是根據(jù)IPCC 提供的情景進(jìn)行的預(yù)測(cè)預(yù)估，但是情景的設(shè)計(jì)和名稱會(huì)隨著IPCC評(píng)估報(bào)告的更新而出現(xiàn)差異（表4）。

表4 歷次IPCC評(píng)估報(bào)告情景設(shè)計(jì)[1,81,82]

近些年來，越來越多的研究利用生態(tài)系統(tǒng)機(jī)理模型與大氣環(huán)流模式等其他系統(tǒng)模型耦合在一起的地球系統(tǒng)模式來對(duì)植被NPP 或NEP 進(jìn)行估算，如HadGEM2-ES 模式、CESM1-BGC 模式、CanESM2模式和BCC-CSM1.1 模式等[83]，適合研究變化復(fù)雜、時(shí)間尺度長(zhǎng)、空間范圍大的植被NPP 或NEP 的變化趨勢(shì)。朱再春等[84]利用耦合模式比較計(jì)劃第五階段（CMIP5）中的15 個(gè)地球系統(tǒng)模式在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5 三種溫室氣體排放情景下的模擬結(jié)果，分析了未來陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP 總量的變化特征。這類模式相比于單一的生態(tài)系統(tǒng)機(jī)理模型具有明顯的優(yōu)勢(shì)，成為未來應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

3 討論、結(jié)論與展望

碳中和評(píng)估與預(yù)測(cè)預(yù)估是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)碳排放量和碳去除量進(jìn)行準(zhǔn)確的估算，可以幫助決策者制定減排和增匯政策，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。本文首先闡述了碳中和評(píng)估基本流程，然后分別從碳排放量的估算、碳去除量的估算、碳排放量的預(yù)測(cè)預(yù)估以及碳去除量的預(yù)測(cè)預(yù)估四個(gè)方面進(jìn)行方法上的梳理，闡述了各種方法的原理，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，為研究者提供方法上的參考。

碳中和評(píng)估與預(yù)測(cè)預(yù)估過程中存在估算范圍不明確、評(píng)估對(duì)象存在爭(zhēng)議、人為碳去除的界定比較模糊、碳排放量和碳去除量的預(yù)測(cè)預(yù)估在情景設(shè)計(jì)上二者不匹配等問題。目前，國(guó)際上對(duì)于碳中和評(píng)估沒有明確的估算范圍，既可以是直接碳排放，也可以包含間接碳排放，導(dǎo)致即使研究區(qū)相同估算的結(jié)果也可能存在差異。狹義上的碳中和評(píng)估對(duì)象僅指CO2，而廣義上則包含其他非CO2溫室氣體，研究中應(yīng)選擇狹義概念還是廣義概念仍然存在爭(zhēng)議。雖然在能源和工業(yè)領(lǐng)域CO2排放占主導(dǎo)地位，其他溫室氣體由于比例較小可以忽略，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可能主要的碳排放來源是CH4和N2O 等[85,86]，這些非CO2溫室氣體具有較大的全球變暖潛勢(shì)，對(duì)全球升溫具有較大的貢獻(xiàn)，而如果采用狹義概念，它們帶來的影響難以得到重視，不利于減緩和適應(yīng)氣候變化。碳的人為去除和自然去除界線比較模糊，難以區(qū)分。一方面，天然林由于被劃定成了保護(hù)區(qū)，在一定程度上耗費(fèi)了人力物力，其固碳量是否應(yīng)算作人為去除存在爭(zhēng)議；另一方面，人工林如果長(zhǎng)時(shí)間缺乏管理，隨著生態(tài)系統(tǒng)的自然演替，若干年后將和天然林無異，此時(shí)的固碳量是否仍算作人為去除也存在爭(zhēng)議。碳排放的情景設(shè)計(jì)和碳去除的不匹配，而這兩方面情景很可能存在某種內(nèi)在聯(lián)系，因此不能直接進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，這阻礙了碳中和預(yù)測(cè)預(yù)估工作的進(jìn)行。上述問題會(huì)給研究結(jié)果帶來較大的不確定性，在未來的研究中需要明確估算范圍和評(píng)估對(duì)象，厘清人為碳去除的邊界，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有利于碳減排政策的實(shí)施和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

在預(yù)測(cè)預(yù)估方面，碳排放量一般采用情景分析法進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)估，主要的情景包括與減排相關(guān)的政策情景和社會(huì)發(fā)展情景，其本質(zhì)均是碳排放的控制情景，目的側(cè)重于通過比較不同碳排放情景來研究其對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)等的影響，從而制定出最優(yōu)的發(fā)展政策；而反過來，也可以結(jié)合已出臺(tái)的規(guī)劃和政策以及確定的發(fā)展目標(biāo)等對(duì)近期碳排放量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，如我國(guó)出臺(tái)的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中確定了“到2025年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右，單位GDP 能源消耗比2020年下降13.5%，單位GDP CO2排放比2020年下降18%”“到2030年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，單位GDP CO2排放比2005年下降65%以上”等目標(biāo)[87]。碳去除量的預(yù)測(cè)預(yù)估情景主要包括未來碳排放情景和社會(huì)發(fā)展情景，而未來碳排放又依賴于社會(huì)發(fā)展路徑，在IPCC 最新評(píng)估報(bào)告中預(yù)估采用的是SSPs 情景[1]，因此，結(jié)合碳排放量和碳去除量的預(yù)測(cè)預(yù)估情景設(shè)計(jì)，建議采用如SSPs 的社會(huì)發(fā)展情景，來實(shí)現(xiàn)對(duì)碳中和的預(yù)測(cè)預(yù)估。

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新一代信息技術(shù)的不斷深入發(fā)展，為碳中和評(píng)估與預(yù)測(cè)預(yù)估賦予了新的力量。建立CO2排放總量控制體系是最終實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的核心問題，其涉及大量數(shù)據(jù)的收集、計(jì)算和管理，并且要求能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)更新；未來有望通過將碳排放量和碳去除量的評(píng)估和預(yù)測(cè)預(yù)估方法進(jìn)行集成，采用多種方法得到的平均值作為評(píng)估和預(yù)測(cè)預(yù)估結(jié)果，彌補(bǔ)單一方法估算的不足，通過構(gòu)建碳中和數(shù)字孿生模型，研發(fā)智能決策系統(tǒng)，促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。