文献阅读 | 1961-2017年全球和区域土地使用排放量的驱动因素

题目

Global and regional drivers of land-use emissions in 1961–2017

作者

Chaopeng Hong, Jennifer A. Burney, Julia Pongratz, Julia E. M. S. Nabe, Nathaniel D. Mueller, Robert B. Jackson & Steven J. Davis

期刊

Nature

时间

2021年1月

一作

单位

Department of Earth System Science, University ofCalifornia, Irvine, Irvine, CA, USA.

链接

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03138-y

研究内容

       与化石燃料碳排放相比，土地利用的排放很难评估：它们是空间扩散的和时间分布的，并且需要大量更多的数据和学科知识来估计。土地利用的排放也可能相对难以避免：大规模粮食生产的无排放（或净零排放）替代品目前并不存在。此外，除了土地利用是一个排放源之外，土地管理可能是今后消除二氧化碳（即负排放）的一个重要机制。为此，本研究列出了1961至2017年全球土地利用特定国家、过程、温室气体和产品的排放清单，分解了排放的人口、经济和技术关键驱动因素，并评估了不确定性和结果对不同核算假设的敏感性。

        具体而言，研究利用人口、作物和牲畜生产、土地收获面积和农业排放的年度时间序列数据，以及土地利用变化排放的空间数据，估算了229个国家或地区、169种农产品和13个来源或过程的全球土地利用排放，并将其归因。研究将排放量分配到实际生产它们的国家（即以生产为基础的核算）。本文还将与饲养牲畜的作物相关的排放与饲料作物本身相联系，将土地利用变化排放与它们可能发生的年份对应，以能量含量（千卡）为单位评估农业生产，并以二氧化碳当量（CO₂-eq）为单位估算CH₄和N₂O的排放量。最后，研究利用Kaya因素分解方法分析了人均农产品产量、农业生产的土地利用强度、土地利用的排放强度和农业生产的排放强度四个因素对土地利用排放的贡献。研究认为通过这种分解，不仅强调了可以避免排放的产品和地点，还强调了相关的社会经济和技术的杠杆点。

研究结果

全球排放趋势和驱动因素

       图1展示了本研究对1961 - 2017年全球土地利用排放量的基本估计，并按区域、过程、产品类别和温室气体进行了分类。其中，57年的净累积排放量为657 GtCO₂-eq。1970 - 2017年间，土地利用排放占全球人为温室气体排放总量的27%（在68%不确定范围下，22% - 29%，下同），年际人为温室气体排放占比从1970年的35%（28% - 36%）到2011年的22%（17% - 24%）。拉丁美洲、撒哈拉以南非洲和东南亚一直是土地利用排放的最大区域，共占该时期的净累积排放的53%（45% - 58%），尽管这些地区通过轮作使得森林吸收了大量碳（图1a）。土地利用对农田的改变和肠道发酵合计占这一时期全球净排放量的95%（77% - 109%），农业废弃几乎代表了所有的碳吸收（图1b）。同样，谷物是全球排放最多的产品，其次是牛肉，这两种产品加起来占全球净排放的71%（68% - 77%）（图1c）。最后，CO₂净排放量占所有温室气体排放量的54%（39% - 61%），反映了土地利用变化的重要性（图1 d）。

图1. 1961—2017年期间土地利用变化和土地管理（利用）的估计排放量

        图2a展示了相对于1961年全球土地利用排放驱动因素的百分比变化。1961 - 2017年，全球排放量增加了24%（19% - 37%）（图2a），反映了人口和人均农业产量的增长（+58%；52% - 64%），以及农业生产的土地集约度稳步大幅下降（-70%；-69%到-72%）。土地利用的排放强度增加（+8%；3% - 20%），在抑制排放方面所起的作用较小，但是这种强度的突然和实质性的变化仍然通过打破产量增加和单产提高之间的粗略平衡而主导着全球排放的年际变化。2001年以后土地使用排放的增长也反映了最近土地使用排放强度的增加。

图2. 1961 - 2017年全球和区域土地使用排放量的驱动因素

区域排放趋势和驱动因素

每个区域的土地利用排放驱动因素的百分比变化显示出了一贯的特点和深刻的差异（图2）。例如，1961 - 2017年期间，所有地区的人口都增加了，其中撒哈拉以南非洲（+352%）、中东（+298%）、东南亚（+194%）和南亚（+192%）的人口增幅最大。同样，在此期间，几乎所有国家的人均农业产量都在增长，从中东的温和增长7%到东南亚的惊人增长279%。唯一的例外是撒哈拉以南非洲，那里的农业生产跟不上人口的快速增长（人均产量下降了10%；图2d）。        农业生产的土地集约度在所有地区都有所下降，其中东南亚（-81%）和拉丁美洲（-81%）的进步最大，北美（-67%）、欧洲和俄罗斯（-49%）等工业化地区的进步稍小（图2）。相比之下，土地利用排放强度的区域趋势因区域而异，且往往随时间而波动（图2），并主要受土地利用变化的区域差异所驱动。       反过来看，土地利用变化和排放强度的差异可以转化为区域土地利用排放的相对差异。1961 - 2017年，欧洲和俄罗斯的土地利用排放量平均每年下降0.7%（0.3% - 0.9%）（图2h），而同期东南亚的土地利用排放量平均每年上升1.2%（1.1% - 1.5%）（图2c）。土地使用变化对排放趋势的重要性可以从土地使用的排放变化百分比和排放强度的不同看出：农业用地的面积相对稳定几乎没有区别（例如，北美、欧洲和俄罗斯），但是，对于哪些发生农业用地扩张的地点和时段，排放的趋势主要反映的是使用土地面积的变化，而不是集约化和非二氧化碳排放的增加（例如，东南亚，拉丁美洲和东亚）。

有针对性的减排机会

        图3展现了2017年关键驱动因素的地理分布格局。人均农业生产作为关键驱动因素主要集中在美国、欧洲、巴西、阿根廷、俄罗斯、印度尼西亚和大洋洲等大型工业化国家和新兴市场国家，而非洲、南亚和中东国家的生产率较低（图3a）。相比之下，土地利用的排放强度则集中在拉丁美洲、撒哈拉以南非洲和东南亚国家，这些地区的农业土地则是由碳密度高、且仍处于原始状态、未退化的自然系统转化而来，从而推动了最高水平的土地利用排放（图3b、1a）。农业生产的土地利用强度在非洲和中亚中较贫穷和/或自然贫瘠的地区最大（图3c）。总的来说，拉丁美洲、非洲、东南亚和中亚的森林和/或土地密集型国家的农业生产排放强度最大（图3d）。

图3.  2017年全球关键驱动因素分布

        图4更详细地探讨了国家和产品一级的差异，以便确定排放或排放强度异常高、因此可能是有吸引力的“缓解目标”的具体国家和产品。在30个总体土地利用排放量最大的国家中，本文为每一个驱动因子绘制了2017年排名前10的国家（图4a-f）。图4a中的十个国家是最大的农产品生产国（以生产的卡路里为核算单位），2017年共生产了全球64%的卡路里。而最大的排放国则往往是较不富裕的国家，它们获得农业投入较少，对生物能源的依赖更大，如坦桑尼亚、埃塞俄比亚和越南（图4b）。然而，澳大利亚和美国等富裕国家的高排放与非常高的人均农业产量有关（图4c），并伴有较大比例作物用以饲养牲畜、粮食损失和大量的国际出口。相比之下，土地利用排放强度最大的10个国家包括东南亚许多热带碳密集国家，其土地利用变化速率特别高，如老挝、印度尼西亚、越南和泰国（图4d）。因此，农业生产排放强度最高的国家是热带地区和土地集约系统的混合，这些地区普遍贫穷，且易于农业扩张（图4f）。这10个国家的生产排放强度是全球平均水平的3-10倍（图4f）。

图4.  按国家和按产品分列的主要驱动因素的强度

尽管谷物是卡路里和排放的最大来源（图4g，h），牛肉和其他肉类（水牛、绵羊和山羊）的每卡路里排放比其他产品的平均强度高30倍（图4l）。尽管这些红肉仅提供全球总热量的1%（图4g），但它们占土地使用总排放量的25%（20— 37%）（图4h；表1）。1961至2017年间，牛肉产量的增长（+144%）远远低于鸡肉和猪肉产量的增长（+483%；图4g），反映了肉类消费类型的广泛转变，2017年人均肉类排放减少了44%。结合1961至2017年热量生产结构的其他变化，人均土地利用排放量下降了14%。

讨论和结论

本研究结果表明全球地区可分为三类：（1）土地利用变化所导致排放显著且不断增加的贫困地区（拉丁美洲、撒哈拉以南非洲和东南亚）；（2）土地利用变化所产生排放较小但农业排放强劲增长的新兴市场（东亚、南亚和中东）；（3）相对富裕的地区（北美、欧洲和大洋洲），这些地区土地利用变化所产生的排放往往是负的，但农业排放是大量且平稳的。

       每一类的排放驱动因素和排放源都指向了减排机会和可能不可避免的排放。对第一类国家来说，最大的缓解机会几乎肯定在于限制土地利用的变化，特别是碳密集的热带森林的农业开发。对第二类和第三类国家来说，减少农业生产的排放强度是至关重要的，可通过提高投入效率、改善土壤和牲畜废物管理、减少粮食浪费或由行为和政策驱动的农业需求变化来实现。然而，土地利用的总排放量并没有在任何地区令人信服地减少（图2）。考虑到全球人口持续增长，人均排放量不低于0.5 t CO₂-eq yr^-1，且大多数国家的人均排放量都远超于此（图5）。因此，在农业生产和/或农业耕作方式不发生相对剧烈的变化的情况下，很难大幅度减少土地使用的排放量（图5）。

图5. 人均土地利用排放趋势

        半个多世纪以来，不断增长的全球人口和人均农业产量增加了土地利用的排放量。未来人口和收入的增长可能进一步推动粮食需求，阻碍减少土地利用排放的努力。此外，尽管人们认识到当前的气候目标可能取决于农业排放的大幅减少，但相关的技术和政策挑战可能与净零排放能源系统相匹敌；农业可能总是产生大量的温室气体排放。因此，即使在人均土地使用排放量目前最低的区域，仍然需要对粮食的需求和生产做出重大改变；当前的气候目标要求各地的土地利用政策、方式和效率都需得到改善。

编辑：白明皓

排版：白明皓 江琴

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