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文章信息

原文標題：

Cost-effectiveness of natural forest regeneration and plantations for climate mitigation

原文作者（通訊作者*）：

Jonah Busch 1* , Jacob J. Bukoski 1,2, Susan C. Cook-Patton 3

1國際生物多樣性保護中心，弗吉尼亞州阿靈頓市，美國

2俄勒岡州立大學森林生態(tài)系統(tǒng)與社會系,俄勒岡州科瓦利斯，美國

3大自然保護協(xié)會，弗吉尼亞州阿靈頓，美國

原文期刊：Nature Climate Change

發(fā)表年份：

2024年8月4日

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41558-024-02068-1

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摘要

要經濟有效地減緩氣候變化，就必須找到每噸溫室氣體減排成本最低的方法。在此，我們估算并繪制了兩種常見重新造林方法的溫室氣體減排成本圖：自然再生和人工造林。為此，我們繪制并整合了重新造林的實施成本和機會成本、可能的植樹造林屬以及通過自然再生和植樹造林進行碳積累的新地圖，并考慮了采伐木材產品中的碳儲存。我們發(fā)現(xiàn)，在138個中低收入國家中約一半地區(qū)適合重新造林，自然再生（46%）和人工造林（54%）的減排成本都較低。在每個地點使用更具成本效益的方法，低于每噸二氧化碳50美元的30年重新造林時間貼現(xiàn)減排潛力為31.4 GtCO2（低于CO2/t為20-100 美元的減排潛力為 24.2-34.3 GtCO2）--比單純的自然再生高出44%，比單純的人工種植高出39%。我們發(fā)現(xiàn)，在低于每噸二氧化碳20美元（CO2/t為50美元）的情況下，重新造林提供的減排量是IPCC最新估計值的10.3 (2.8) 倍。

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研究背景

重新造林，即在自然存在森林但因人為或自然干擾而被移除的地區(qū)恢復樹木覆蓋，通過清除大氣中的二氧化碳并將其儲存在生物質和土壤中，有助于減緩氣候變化。植樹造林被認為是一種極具潛力的減緩氣候變化的方法，盡管這種方法的大部分潛力是以每噸二氧化碳的高昂成本來實現(xiàn)的。然而，每噸重新造林的成本因重新造林方法和地點而異。

最常見的兩種重新造林方法是：利用現(xiàn)有樹木產生的種子或土壤中儲存的種子進行本地樹種的被動自然再生，以及種植本地或引進樹種的單一樹種以提供木材產品。被動的自然再生與輔助的自然再生不同，被動的自然再生除了保護場地不受抑制自然再生的因素影響外，幾乎不需要人工干預。人工林通常生產更多的木材產品，而自然再生林通常提供更高的生物多樣性、供給更多的水資源和更好地控制土壤侵蝕。

天然更新或人工林是否能以較低的每噸成本從大氣中清除二氧化碳，是一個復雜的計算過程。雖然在特定地點，兩種方法的重新造林機會成本相同，但減排成本的其他組成部分卻各不相同。在分子中，人工造林的實施成本高于天然更新 ，但這些較高的成本需要與生產和銷售木材產品的凈收入相權衡。在分母方面，人工林的碳積累速度有時會比天然更新林快，但并非總是如此。此外，人工林會定期采伐，屆時一部分碳會釋放到大氣中，其余部分則儲存在木制品中，隨著時間的推移釋放碳。這些因素在不同的空間都存在差異，這意味著在某一地點成本效益較高的重新造林方法，即減排成本較低的方法，在空間上也存在差異。

到目前為止，比較天然更新和人工造林在減緩氣候變化方面的相對成本效益的研究只考察了次國家區(qū)域。以前的研究沒有使用空間明確的碳或成本數(shù)據(jù)，也沒有考慮伐木產品的碳儲存和收入。最近在模擬自然再生林和人工林的碳積累方面取得的進展，以及本文在繪制再造林成本圖和可能的人工林種屬圖方面取得的進展，使得繪制大規(guī)模、空間明確的自然再生和人工林潛在減緩氣候變化的相對成本效益圖成為可能。

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研究框架

我們構建了自然再生和人工造林的成本曲線，以及每個1千米網格單元內成本效益更高的方法的成本曲線。另外，我們將潛在的重新造林限制在被認為可能適合陸地重新造林的10.1% 的土地面積內，排除了紅樹林、不能重新造林的區(qū)域（如現(xiàn)有森林、沙漠和高海拔生物群落）以及之前的研究人員認為不應重新造林的區(qū)域（如原生草地和耕地）。我們進一步將人工再造林限制在現(xiàn)有人工林附近的區(qū)域（因此也是采伐木材市場附近的區(qū)域）；將天然更新限制在現(xiàn)有天然林附近的區(qū)域（因此也是種子來源附近的區(qū)域）。最后，我們減去不太可能增加的重新造林部分，即在 “一切照舊 ”的情況下可能出現(xiàn)的重新造林部分。

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研究方法

5.1 減排成本

為了繪制再造林在減緩氣候變化方面的成本效益圖，我們在138個中低收入國家構建了六個分辨率為1千米的空間數(shù)據(jù)層，然后將其合并：自然再生的實施成本（每公頃1美元）；人工林的實施成本（每公頃1美元）；再造林的機會成本（每公頃1美元）；可能的人工林屬；自然再生的碳積累（每公頃1噸碳當量）；人工林的碳積累（每公頃1噸碳當量）。我們還計算了采伐并儲存在木制品中的碳量（噸碳/公頃）以及木制品銷售的凈收入。之后，我們匯總了成本效益信息，得出了邊際減排成本曲線。

一般來說，我們計算了每種再造林方法的減排成本（每噸二氧化碳美元），以及每個地點成本效益較高的方法（每噸二氧化碳美元），具體如下：

5.2 重新造林的機會成本

在我們的研究中，機會成本指的是如果不重新造林，土地的價值，即土地繼續(xù)用于當前用途的價值。我們假設這種替代用途是某種形式的農業(yè)，即耕地或牧場。兩種造林方法的造林機會成本是相同的，因為造林方法不會影響土地在作物或牲畜方面的價值。自然再生的機會成本不包括潛在的植樹造林，反之亦然。我們將機會成本定義為地租，即每年農業(yè)準地租（實質上是短期利潤）中可歸因于作為作物或牲畜飼養(yǎng)生產投入的土地的部分。

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研究結論

我們首先介紹了我們開發(fā)的中間空間數(shù)據(jù)層的結果。除非另有說明，本文所報告的結果是在138個中低收入國家中計算的適合重新造林的區(qū)域，以及可行的天然更新（天然林5公里范圍內）或人工重新造林（現(xiàn)有人工林40公里范圍內）區(qū)域。成本和碳積累按30年計算，并以每年5%的比率進行時間貼現(xiàn)，以考慮近期成本和效益的更高價值。

我們模擬的自然再生實施成本中位數(shù)為140美元/公頃（圖1a），使用最可能的樹種進行種植的實施成本中位數(shù)為3,729美元/公頃，包括收獲周期后的重新種植（圖1b）。機會成本一般高于實施成本，且變化較大（圖1c），包括在自然再生可行地區(qū)的4,770美元/公頃和在人工種植可行地區(qū)的5,054美元/公頃。根據(jù)我們的建模，在可以種植桉樹的地區(qū)，最有可能種植的樹屬是桉樹（占可種植面積的 45.5%），其次是杉屬（14.5%）、楊屬（11.9%）、金合歡屬（11.0%）、松屬（9.4%）、柚木屬（4.7%）和娑羅屬（1.7%）（圖 1d）。

我們的碳積累時空模型表明，自然再生30年的碳積累現(xiàn)值中位數(shù)為60.2噸碳/公頃，包括地上生物量、地下生物量和土壤（圖 1e）。相比之下，使用最可能的人工林屬進行周期性采伐的人工林再造林的平均碳積累中位數(shù)僅為44.6噸碳/公頃，儲存在地上生物量、地下生物量、土壤和采伐的木制品中（圖 1f）。

圖 1造林成本、可能的造林屬種和碳積累

6.1 成本效率

在綜合了與實施和機會成本、最有可能的種植屬和碳積累相關的中間空間層后，我們發(fā)現(xiàn)在可進行自然再生的區(qū)域內，通過自然再生減緩氣候影響的減排成本中位數(shù)為每噸CO2 23.80 美元（圖2a）。在可進行人工造林的地區(qū)，通過人工造林減緩氣候變化的減排成本（包括出售伐木制品的收入）與此類似（圖2b）。在28.3%的面積上，植樹造林的成本為負，即即使沒有碳付款也能盈利。在每個地點選擇一種或兩種造林方法都可行的更具成本效益的造林方法，將降低減排成本。

我們發(fā)現(xiàn)，在被認為適合重新造林的593兆公頃中，46%的自然再生比人工造林在減緩氣候變化方面更具成本效益（圖2c）。這包括在天然更新和人工造林均可行的468公頃中的 43%（天然更新可行的面積為535公頃，人工造林可行的面積為526公頃）。大多數(shù)國家都有每種重新造林方法都更具成本效益的地區(qū)（圖3）。

圖2  重新造林的成本效益

圖 3 在每個地點采用成本效益更高的重新造林方法，按國家分列出低于每噸二氧化碳50美元時的減排潛力

6.2 邊際減排成本曲線

我們估計，在每噸CO2的成本低于50美元的情況下，自然再生最多可減排21.8 GtCO2（圖4）。同樣，在考慮木制品中儲存的采伐碳和木制品銷售利潤后，植樹造林可在相同成本下減排 22.6 GtCO2。在每個地點采用成本效益更高的方法重新造林，比在所有地點采用其中任何一種方法的減排量都要高得多：低于每噸二氧化碳50美元的減排量為31.4千兆噸二氧化碳。拉丁美洲采用低于每噸CO2的成本低于 50 美元方案更具成本效益，重新造林的潛在減排量占56%，其次是亞洲（33%）和非洲（11%）。

圖 4 在適宜地區(qū)重新造林的邊際減排成本曲線

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原文摘要

Mitigating climate change cost-effectively requires identifying least-cost-per-ton GHG abatement methods. Here, we estimate and map GHG abatement cost (US$ per tCO2) for two common reforestation methods: natural regeneration and plantations. We do so by producing and integrating new maps of implementation costs and opportunity costs of reforestation, likely plantation genus and carbon accumulation by means of natural regeneration and plantations, accounting for storage in harvested wood products. We find natural regeneration (46%) and plantations (54%) would each have lower abatement cost across about half the area considered suitable for reforestation of 138 low- and middle-income countries. Using the more cost-effective method at each location, the 30 year, time-discounted abatement potential of reforestation below US$50 per tCO2 is 31.4 GtCO2 (24.2–34.3 GtCO2 below US$20–100 per tCO2)—44% more than natural regeneration alone or 39% more than plantations alone. We find that reforestation offers 10.3 (2.8) times more abatement below US$20 per tCO2 (US$50 per tCO2) than the most recent IPCC estimate.