Jingyi Liu|Menghan Zhang|Yu Xia|Longfeng Wu|Chongxian Chen
华南农业大学林学与景观建筑设计学院，中国广州510642
摘要
为了有效缓解气候变化，土地生态系统的保护应重点关注碳汇的维护而非碳储量的保护。然而，土地生态系统的碳汇能力具有动态性和不确定性，其保护工作需要大量的管理投入，并可能对当地居民的生活产生影响。因此，我们需要更可靠的关于未来碳汇动态变化的证据以及可行的保护政策。本研究通过使用机器学习模型预测了2020年至20100年的碳汇能力，同时评估了管理与人口影响相关的潜在成本，从而确定了中国未来碳汇保护的空间优先区域。研究发现，加剧的气候变化可能会削弱许多地区的碳汇能力。在保守、中等和激进的保护目标下，优先保护的区域主要集中在中国的中部、南部和东北部，分别占全国面积的8%、21.3%和33.9%。碳汇保护与生物多样性保护的优先区域之间存在一定的协同效应，相关系数为0.515，空间重叠率为9.9%–42.6%，具体取决于保护目标的不同。对于可实施的政策，我们建议将重点管理措施集中在中国仅12.6%的土地上，这与现有的国家生态恢复项目相吻合。这些发现为资源有限的国家提供了基于证据的、可行的碳汇保护政策，对全球发展中国家也有借鉴意义。
引言
在过去十年中，陆地生态系统在基于自然的气候变化缓解中发挥了重要作用，每年可抵消约30%的人为二氧化碳排放（Friedlingstein等人，2023年）。国际议程，如联合国气候变化框架公约（UNFCCC）第28次缔约方大会（COP28）的决定（2023年）和昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架（UN CBD，2022年），都强调了保护和恢复生态系统以实现《巴黎协定》的气候目标，并增强生物多样性与气候变化缓解之间的协同作用。虽然保护区长期以来一直被认可为保护生物多样性的重要手段（Pimm等人，2018年），但它们在气候变化缓解方面的潜力直到最近才受到关注。最近的研究探讨了保护区在防止碳损失方面的有效性（Duncanson等人，2023年；Nagrath等人，2022年），以及陆地生态系统的生物多样性与碳储存之间的协同效益（Neugarten等人，2024年；Jung等人，2021年；Zhu等人，2021年；Soto-Navarro等人，2020年；Di Marco等人，2018年）。然而，目前仍缺乏足够的证据和可行性分析，这限制了对生态系统保护在气候变化缓解中的理解和实践。
以往的研究主要集中在基于生态系统生物量碳储量或密度的“碳保护”上。然而，对于气候变化缓解而言，生态系统的碳汇能力——即从大气中吸收二氧化碳的能力——可能比其碳储量更为重要。例如，虽然森林砍伐会导致碳储量减少，但它并不会直接将二氧化碳释放到大气中；相反，受干扰的森林再生可以有助于二氧化碳的吸收（Pugh等人，2019年）。尽管如此，在空间保护优先级的确定中很少考虑碳汇能力（Wang等人，2024年）。虽然碳密度通常被认为在土地利用变化之前是稳定的，但碳汇能力却高度动态，受到气候变化、大气组成（Bastos等人，2019年）和土地利用方式（Liu等人，2023年）等多种因素的影响。尽管已有通过各种观测和建模方法得出的过去碳汇能力动态数据（Upton等人，2024年），但为了未来的有效保护，预测具有足够时空分辨率的未来碳汇动态至关重要。然而，考虑碳汇保护的研究通常要么将碳汇能力视为静态的（Wang等人，2024年），要么以非常粗略的时间分辨率（如整个21世纪）来预测其变化（Melillo等人，2016年）。此外，还需要重新审视生物多样性与气候之间的协同效应，因为仅依赖碳储量可能会高估这种协同性——生物量丰富的地区不一定能够吸收更多的二氧化碳。
此外，科学研究经常提出扩大保护区的雄心勃勃的目标，例如保护地球面积的30%–70%甚至更多，其中50%作为中间目标（Allan等人，2022年；Yang等人，2020年；Woodley等人，2019年），以及到2030年实现30%的目标（Dinerstein等人，2019年）。然而，以往的研究很少考虑实际可行性，特别是在资源有限的发展中国家。对于碳汇保护来说，挑战可能比生物多样性保护更为严峻。虽然生物多样性保护通常需要尽量减少人类活动的影响，但碳汇保护则需要积极的干预措施，如植树造林、退耕还林、草地恢复和减少耕作（Yu等人，2022年；Sha等人，2022年；Lu等人，2018年）。这些干预措施可能成本高昂，并需要当地生活方式和生产方式的重大改变。在中国这样人口密集且耕作密集的国家，这些挑战尤为突出。因此，合理确定空间优先区域并制定相应的管理策略至关重要，以确保基于证据的保护目标能够转化为可实施的政策（Lu等人，2023年）。
为了解决现有证据和可行性方面的局限性，本研究旨在通过预测碳汇动态并考虑潜在成本，来确定中国土地碳汇保护的空间优先区域，为实际的保护规划和管理政策提供依据。具体的研究问题包括：（1）在不同情景下，中国未来的土地碳汇将如何变化？（2）应如何在成本效益最高的情况下确定碳保护区域，并使其与生物多样性保护相协同？（3）如何实际管理这些优先保护区域？为了回答这些问题，我们整合了八个数据集，通过互补的方法对历史碳汇能力进行了全面评估。利用50个动态环境和人为因素作为预测变量，并测试了四种机器学习模型，预测了2020年至20100年每十年间隔一次、5公里分辨率下的碳汇动态，涵盖了三种共享社会经济路径（SSP）情景。基于这些预测，我们确定了碳汇保护的空间优先区域，通过纳入管理与人口影响相关的潜在成本来确保其可行性，并评估了其与生物多样性保护的协同作用。为了弥合科学与实践之间的差距，我们制定了灵活的保护目标和相应的管理策略。我们的发现为在发展中国家条件下扩大和管理未来保护区以缓解气候变化提供了新的证据和实用策略，具有全球性的意义。
方法部分
我们收集了2001年至2015年的碳汇能力历史数据以及50个预测变量，并预测了2020年至20100年三种共享社会经济路径（SSP1–2.6、SSP2–4.5、SSP5–8.5）情景下这些变量的变化情况。为了探讨碳汇能力与预测变量之间的关系，我们测试了四种机器学习模型——人工神经网络（ANN）、随机森林（RF）、极端梯度提升（XGBoost）和轻量级梯度提升机（LightGBM）。
过去和预测的碳汇能力动态
我们通过结合八个NBP或调整后的NEP数据集，获得了2001年至2015年中国碳汇能力的5公里网格化数据集，时间分辨率为每月一次。尽管不同模型的估计结果存在差异，但总体趋势基本一致（补充图S5a）。在全国平均水平上，每月碳汇能力范围为-0.14至0.64克碳每平方米每天（补充图S5b）。然后，将每月碳汇能力平均值转换为年度数据。
讨论
我们的研究在理解和实践基于面积的保护措施以缓解气候变化方面做出了两项重要贡献。首先，我们揭示了土地碳汇能力的动态特性，并提供了关于其未来动态的新证据，从而能够更可靠地评估空间保护优先级和生物多样性与气候之间的协同作用。其次，考虑成本为制定关于扩大和管理保护区的政策提供了更实用的见解。
作者贡献声明
Jingyi Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件开发，方法论，资金获取，正式分析，数据整理，概念构建。Chongxian Chen：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构建。Longfeng Wu：撰写 – 审稿与编辑，方法论。Yu Xia：撰写 – 审稿与编辑，方法论。Menghan Zhang：撰写 – 原稿，可视化，方法论，正式分析，概念构建。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52108051）和广东省基础与应用基础研究基金的支持。我们感谢Stephen Sitch教授和Pierre Friedlingstein教授提供TRENDY v11数据集。
