加速实现碳中和加剧了中国能源-水资源-粮食之间的权衡

《Resources, Conservation and Recycling》：Accelerating carbon neutrality intensifies trade-offs in China’s energy-water-food nexus

碳中和目标下能源水食物纽带系统协调性研究，通过动态评估框架发现提前至2050年碳中和可减少累计排放但降低全国EWF系统协调度13.1%，加剧粮食安全与区域成本失衡。

　　

作者：唐忠实、王涛、Sandylove Afrane、Nihed Benani、颜如芳、杨平建

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京100012

摘要

中国提出的2060年碳中和目标被认为对于实现1.5°C温控目标而言力度不足。通过加快碳中和进程可能会在能源-水-食物（EWF）系统之间引发显著的权衡。为了解决缺乏省级层面评估的问题，我们通过将GCAM-China模型与省级EWF指标框架相结合，定量评估了不同碳中和时间表对EWF系统的影响。研究发现，与2023年水平相比，2060年的目标通过提升落后地区的能源系统效率，使全国EWF系统的协调性提高了13.1%；但将目标提前至2050年虽然减少了累计排放量，却削弱了系统的整体协调性。具体而言，由于生物能源扩张与农业用地的竞争，食品系统的平均得分下降了3.5%。此外，加速碳中和进程使得2060年的减排成本增加了34.6%，且北方省份的减排成本尤为高昂。这些发现突显了气候目标与EWF系统安全之间的权衡，强调了需要制定针对不同地区的协调减排策略。

引言

中国的气候承诺基于《巴黎协定》，该协定要求中国在不迟于2030年达到碳排放峰值，并在2060年实现碳中和（中国政府，2021年）。然而，最新评估表明，这一时间表仍不足以将全球变暖控制在1.5°C以内。气候行动追踪机构（Climate Action Tracker）认为中国的气候计划“严重不足”，意味着其国家自主贡献（NDC）目标与实现1.5°C温控目标所需的国内路径不匹配。如果所有国家都采取类似措施，全球变暖幅度将超过3°C，甚至可能达到4°C（气候行动追踪机构，2025年）。鉴于剩余的1.5°C温控碳预算（235 GtCO2）可能在2030年前被耗尽（Friedlingstein等人，2025年），迫切需要考虑提前实现碳中和的目标。中国可再生能源行业的最新发展表明，提前实现碳排放峰值和碳中和是可行的（国际能源署，2021年；You，2024年）。

加速气候减排需要深入的结构性变革，这些变革会波及整个能源-水-食物（EWF）系统，因为这些领域之间存在内在的物理依赖关系（Hasegawa等人，2018年；Li等人，2024年；Zhang等人，2024年）。EWF系统的能源、水和食物子系统是相互关联的（Jin等人，2019年；联合国，2024年；Karri等人，2026年）；因此，低碳能源转型不仅会重塑能源系统（Capros等人，2019年；DeAngelo等人，2021年；Zhang和Chen，2022年），还会影响水和食物子系统（X. Liu等人，2022年；Parkinson等人，2019年；Peng等人，2023年；Stenzel等人，2021年；Wallis等人，2014年；Webster等人，2013年；Fujimori等人，2022a；Hasegawa等人，2020年）。同时，基于土地的减排措施（如生物能源作物种植和植树造林）可能会因与粮食作物争夺土地而限制粮食生产能力（D’Odorico等人，2018年；Fujimori等人，2022b）。

碳中和对EWF子系统的影响凸显了在加强气候目标与协调EWF系统发展之间取得平衡的必要性，这需要建立能够考虑空间异质性和长期演变的综合评估框架（Hoff，2011年；Kurian，2017年；Scott等人，2016年）。然而，目前使用的方法尚不足以支持这种综合视角。相关研究已加深了对空间能源-水-食物流动的理解，例如通过投入产出模型量化省级供应链联系（Liang等人，2020年）和城市结构路径（Feng等人，2019年）。但这些方法主要揭示了静态的结构联系，并未捕捉到评估脱碳路径所需的EWF子系统的动态协同演化。此外，现有研究主要依赖于基于可持续发展目标（SDG）的指标体系（Li和Zhang，2020年；Schl?r等人，2018年；Xu等人，2020年）和部门性方法（Webster等人，2013年；DeAngelo等人，2021年；Fujimori等人，2022b），往往忽略了能源、水和食物子系统之间的相互联系及其动态演化。此外，很少有研究探讨不同碳中和时间表对EWF系统协调性的影响，尤其是在省级层面（Yu等人，2022年；Kang等人，2020年；Wei等人，2022年；Yu等人，2021年）。最后，很少有研究考察不同的净零目标如何影响EWF系统（Ampah等人，2024年；Ma等人，2023年），且目前尚未有省级层面的评估。因此，亟需研究加速脱碳时间表对区域差异性和经济影响的认知缺口，本研究旨在填补这一空白。通过提供首次省级层面的动态比较，本研究对比了按计划（2060年）与加速（2050年）实现的碳中和路径，从而揭示了国家级分析常常忽略的中国区域差异性。这一新视角至关重要，因为国家级平均值可能掩盖了省级层面的重要脆弱性和机会，导致政策建议不完整或有偏见。

量化额外的经济成本也是评估加速碳中和影响的关键组成部分。在减排成本分析的地理范围方面，现有研究主要采用国家级、区域组级或全球级分析（Capros等人，2019年；Duan等人，2021年；Glynn等人，2019年；Williams等人，2021年），针对次国家级层面的研究较少。比较不同情景下的减排成本发现，在相同时间框架内采取更有力的减排措施会导致更高的成本（Capros等人，2019年；Williams等人，2021年），但加速碳中和目标的额外成本尚未得到充分研究。除了能源子系统外，碳中和对水和食物子系统的潜在不确定影响也需要更多关注，包括商品价格的波动和趋势。

为填补这些研究空白，我们开发了一个综合评估框架，将全球变化评估模型-China（GCAM-China）与经过严格筛选的省级EWF指标体系相结合。我们使用包含15个指标的框架来评估EWF影响，包括能源自给率、人均水资源可用性和人均粮食产量等指标。本研究在三个方面具有创新性：首先，在方法论上，它超越了静态的国家级分析，构建了一个动态框架，将GCAM的成果细化到省级层面，捕捉了在汇总数据中常被掩盖的EWF子系统协同演化的空间异质性；其次，在情景设计方面，它通过明确比较标准的2060年碳中和目标（CN60）与符合1.5°C目标的加速2050年路径（CN50），提供了对“加速权衡”的新量化评估；最后，在实证层面，它揭示了气候加速带来的区域差异性风险，特别是强调了激进减排措施可能对中国发达省份的粮食安全造成的负面影响以及资源丰富省份成本的增加。这些发现强调了政策制定者在设定碳中和目标时，需要将EWF系统影响的评估纳入其中，确保碳中和路径在技术上可行且社会公平。

部分摘录

省级EWF评估框架

我们通过建立一套完善的指标体系，对中国省级EWF系统进行了全面评估，该体系既考虑了各种利益相关者的关切，又符合全球可持续发展原则，同时反映了中国的实际情况，并确保了数据的高可用性。

该框架遵循了经合组织（OECD）的指导原则（OECD、欧盟、联合研究中心，2008年），并结合了其他成熟的指标开发方法（Cinelli等人，2014年；Dincer和Acar，

能源-水-食物系统的变化

在参考（REF）情景下，全国平均EWF系统协调度（CCD）持续增长，预计到2060年相比2023年将增加7.6%（图1a）。到2060年实现碳中和（CN60）将使CCD提升幅度进一步增加13.1%。相比之下，将目标提前至2050年（CN50）会减缓这一增长速度，增幅为11.3%。

不同情景和年份间CCD的空间差异仍然存在（图1c-f）。

讨论

我们的分析表明，碳中和目标对EWF系统具有多方面的积极影响（图1a）。到2060年实现碳中和（CN60）将为全国范围内的EWF系统带来广泛的协同效益，尤其是对能源和水子系统。从区域来看，依赖煤炭较多的省份在碳中和政策下表现出更有效的能源系统优化，这与一些实证研究发现的“资源诅咒”效应形成鲜明对比。

结论

我们的研究揭示了按计划实现碳中和与提前实现碳中和之间的差异性影响，特别是在省级EWF系统的协调发展和子系统性能方面。应优先制定针对不同地区的碳减排策略和措施，以保护EWF系统，同时考虑到碳中和对各省的差异化影响。鉴于中国的地理多样性，增强气候目标的协同效应和权衡至关重要。

作者贡献声明

唐忠实：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、数据分析。王涛：撰写——审稿与编辑、验证、方法论设计、数据分析、概念化。Sandylove Afrane：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据分析、可视化。Nihed Benani：撰写——审稿与编辑、验证。颜如芳：撰写——审稿与编辑、可视化、项目监督。

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

我们感谢中国国家重点研发计划对本研究的资助（项目编号：2023YFE0113100）。本研究是欧盟“地平线欧洲”合作项目“蓝色生态系统中的碳封存”（C-BLUES；项目编号：101137844）的一部分，该项目属于欧盟-中国气候变化与生物多样性联合旗舰计划。