北京市森林植被固碳與能源碳排放時(shí)空變化及潛力預(yù)測(cè)*

曾贊青 宋涵晴 高俊宏 王淼淼,3 武耀星 漆良華

（1.國(guó)際竹藤中心 北京 100102；2.北京薊城山水投資管理集團(tuán)有限公司 北京 100054；3.北京薊城智造科技有限公司 北京 100120）

人類(lèi)對(duì)能源的需求和消耗導(dǎo)致的CO2等溫室氣體排放持續(xù)增加，已成為全球面臨的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題（Xuet al.， 2021；劉魏魏等，2015）?！禝PCC 2006 年國(guó)家溫室氣體清單指南》指出，過(guò)去20 年間78%的碳排放增長(zhǎng)量來(lái)自工業(yè)過(guò)程排放和化石燃料。我國(guó)2020年9 月提出“CO2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”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其保護(hù)與恢復(fù)是最經(jīng)濟(jì)、安全、有效的碳中和途徑，對(duì)減緩全球溫室效應(yīng)和調(diào)節(jié)碳平衡具有重要作用。2000—2010 年，我國(guó)森林、農(nóng)田、灌叢、草地4 類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)可固定201.1 Tg·a-1，其中森林貢獻(xiàn)最大（163.4 Tg·a-1，占80%），其次為農(nóng)田(24.0 Tg·a-1，占12%) 和灌木林(17.3 Tg·a-1，占8%)（Fanget al.，2018）。Hayes 等（2012）根據(jù)大氣反演模型和陸地生物量模型估計(jì)北美森林固碳能力為248 Tg·a-1，其中美國(guó)、加拿大、墨西哥森林固碳能力分別為244、31 和27 Tg·a-1；FAO 估計(jì)南美洲森林植被總碳儲(chǔ)量為187.7 Pg，其中森林碳儲(chǔ)量為112.2 Pg（https://www.fao.org/home/en/）；Keenan 等（2015）采用過(guò)程模型模擬估算東亞森林固碳能力為98.8 Tg·a-1。關(guān)于森林植被固碳對(duì)能源CO2排放的抵消效應(yīng)也有一些研究報(bào)道，但碳抵消效應(yīng)等研究結(jié)果因區(qū)域、氣候、植被類(lèi)型等差異較大而具有不確定性（周健等，2013；李帥帥等，2019；溫宥越等，2020）。

北京市作為我國(guó)首都，人口規(guī)模大，產(chǎn)業(yè)集聚程度高，快速城市化進(jìn)程導(dǎo)致大氣CO2濃度急劇升高。研究表明，北京市森林資源碳儲(chǔ)量為15.39 Tg，1997—2007 年化石燃料燃燒CO2排放量年均增長(zhǎng)率約4.6%（張峰等，2021）。然而，目前研究大多數(shù)集中于森林碳儲(chǔ)存或碳排放，對(duì)碳排放的抵消效應(yīng)報(bào)道較少。鑒于此，本研究以北京市森林植被為研究對(duì)象，基于森林資源清查數(shù)據(jù)，結(jié)合光合速率法和IPCC 清單指南方法分析2000—2020 年植被CO2固定量、能源CO2排放量及強(qiáng)度的時(shí)空動(dòng)態(tài)，評(píng)價(jià)森林植被固碳對(duì)CO2排放的抵消效應(yīng)，運(yùn)用GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來(lái)至碳中和年份的碳抵消潛力，以期為制定北京市森林植被固碳、節(jié)能減排及碳中和路徑提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市（地理位置115.7°—117.4°E，39.4°—41.6°N）面積16 410.54 km2，地形西北高、東南低，北部和東北部屬燕山山脈，西部屬太行山脈，平均海拔43.5 m。屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥，1 月平均氣溫4.7 ℃，7 月平均氣溫26.3 ℃，平均降水量600 mm。土壤屬褐土、棕壤、潮土，呈垂直地帶性（王亞飛等，2017）。林地主要分布在西北部以及西南部山區(qū)，地帶性植被類(lèi)型為暖溫帶落葉闊葉林和溫性針葉林，主要樹(shù)種有云杉（Picea asperata）、華山松（Pinus armandii）、 柏木（Cupressus funebris）、 櫟類(lèi)（Quercusspp.)、榆樹(shù)（Ulmus pumila）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、 楊樹(shù)（Populusspp.） 、 柳樹(shù)（Salix matsudama）、泡桐（Paulownia fortunei）、核桃（Juglans regia）、板栗（Castanea mollissima）、杜仲（Eucommia ulmoides）、銀杏（Ginkgo biloba）、白蠟樹(shù)（Fraxinus chinensis）和興安落葉松（Larix gmelinii）等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2000、2010 和2020 年3 個(gè)時(shí)期北京市森林植被數(shù)據(jù)分別來(lái)源于第六次（1999—2003 年）、第八次（2009—2013 年）和第九次（2014—2018 年）全國(guó)森林資源清查，森林植被按優(yōu)勢(shì)樹(shù)種劃分為常綠針葉林、落葉闊葉林、落葉針葉林和灌木4 類(lèi)。能源數(shù)據(jù)源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》（2021）和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2021），包括煤炭、焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油、天然氣、電力和液化石油，不含低熱值燃料、生物質(zhì)能和太陽(yáng)能等。國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP）、人口等經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)司（2021）。

2.2 森林植被碳固定量計(jì)算

采用光合速率法計(jì)算北京市森林植被CO2固定量，根據(jù)各行政區(qū)域森林面積占比計(jì)算各區(qū)森林植被固碳量。通過(guò)植物葉片水分和CO2濃度，將日同化量換算為日單位葉面積固碳量，利用葉面積指數(shù)（leaf area index, LAI）計(jì)算日單位面積森林植被固定CO2量，采用面積、樹(shù)葉覆蓋計(jì)算CO2固定量（吳婕等，2010；Fuet al.，2019；Adrianet al.，2018），計(jì)算公式為：

式中：WCO2為單位葉面積日固定CO2量（t）；P為植物日同化量（mmol·m-2d-1），取不同植被類(lèi)型均值（薛海麗等，2018；謝軍飛等，2007；楊超等，2016；熊向艷等，2014；張青云等，2021），日凈同化量按植物夜晚暗呼吸消耗量約占白天同化量的20% 獲得（張嬌等，2013）；44 為CO2分子量；QCO2為單位面積植物日固定CO2量（t）；LAI 通過(guò)構(gòu)建LAI-NDVI 植被有效葉面積指數(shù)模型進(jìn)行反演（趙傳燕等，2009），其中2000、2010 和2020 年NDVI 數(shù)據(jù)基于Google Engine 云計(jì)算平臺(tái)，利用全年Landsat 7 遙感數(shù)據(jù)獲得；A為北京森林植被面積（hm2）；TCO2為研究時(shí)段內(nèi)植被固定CO2量（t）；T為有效光合天數(shù)，取春、夏、秋三季，日降雨量大于5 mm 時(shí)，植物光合作用積累量與呼吸作用消耗量相抵（張艷麗等，2013），2000、2010 和2020 年北京市日降雨量小于5 mm 的天數(shù)分別為346、338 和339 天，其中冬季天數(shù)分別為161、132 和142 天，因而確定植被有效光合天數(shù)分別為185、206 和197 天；FPC 為樹(shù)葉覆蓋度，表示單位面積上樹(shù)葉投影覆蓋的比例，利用LAI 估算模型反演FPC（Armstonet al.，2007；Adrianet al.，2018），計(jì)算公式如下：

式中：G(0)為葉傾角的函數(shù)，取0.5。

2.3 能源CO2 排放量及強(qiáng)度計(jì)算

采用《IPCC 2006 年國(guó)家溫室氣體清單指南》計(jì)算能源產(chǎn)生的CO2排放量，即各種化石燃料消費(fèi)量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤消費(fèi)量乘以碳排放系數(shù)。計(jì)算公式（Changeet al.，2006；Lüet al.，2020）如下：

式中：MCO2為北京城市能源消費(fèi)CO2排放總量( t·a-1)；i為能源種類(lèi)；Ei為北京市能源i的消費(fèi)量，參考《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》（2021）和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2021），按標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算；Ki為能源i的碳排放系數(shù)（表1）。

表1 能源碳排放因子①Tab.1 Energy carbon emission factor

北京市能源CO2排放量的空間區(qū)域分布根據(jù)人口密度與能源CO2排放量的正相關(guān)關(guān)系計(jì)算（蘇泳嫻等，2013）。

碳排放強(qiáng)度（D）指一個(gè)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）所造成的能源消耗量，即能源消耗量與GDP 的比值，反映國(guó)家的綜合能源利用效率，計(jì)算公式如下：式中：D為碳排放強(qiáng)度[t·(104yuan)-1]；EiCO2為第i個(gè)行政區(qū)能源CO2碳排放量（t），根據(jù)人口密度與能源碳排放量的正相關(guān)關(guān)系計(jì)算（蘇泳嫻等，2013）；G為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（萬(wàn)元）。

2.4 森林植被碳抵消效應(yīng)與潛力預(yù)測(cè)分析

森林植被碳抵消效應(yīng)為年植被CO2固定量占年能源CO2排放量的比例，計(jì)算公式如下：

式中：R為森林植被碳抵消效應(yīng)（%）；PCO2為森林年植被CO2固定量（t·a-1）；MCO2為能源CO2年排放量（t ·a-1）。

運(yùn)用GM(1，1)灰色預(yù)測(cè)模型（鄧聚龍，2002）預(yù)測(cè)北京市2060 年森林植被碳固定量、能源CO2排放量和碳抵消效應(yīng)。灰色模型是通過(guò)少量的、不完全的信和碳抵消效應(yīng)?；疑Ｐ椭竿ㄟ^(guò)少量的、不完全的信息，建立灰色微分預(yù)測(cè)模型，可對(duì)事物發(fā)展規(guī)律作出模糊性的長(zhǎng)期描述。將x(0)= {x(0)(i)=1,2,…,n}定為原始數(shù)據(jù)序列，x(1)= {x(1)(t)=1,2,…,n}為一次累加生成數(shù)據(jù)序列，則GM(1，1)模型的一階線性常系數(shù)微分方程標(biāo)準(zhǔn)型公式為：

GM(1，1)模型對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)型解為：

式中：a、u為待確定的未知參數(shù)；t為研究時(shí)段。

為提高GM(1，1)模型預(yù)測(cè)的精度和可靠性，采用后驗(yàn)差方法進(jìn)行模型精度檢驗(yàn)。后驗(yàn)差比值C與小誤差頻率p定義為：

式中：S1為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差；S2為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差；εk為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)誤差； εˉ為預(yù)測(cè)誤差均值。C的大小反映模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之差的離散程度。

2.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 和SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，ArcGIS軟件對(duì)北京市各行政區(qū)森林植被碳抵消效應(yīng)進(jìn)行自然裂點(diǎn)分級(jí)，Origin 軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林植被固碳時(shí)空變化特征

北京市不同時(shí)期森林植被碳固定量與固碳能力統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2 所示。2000—2020 年，北京市森林植被面積增加2.19×105hm2，增長(zhǎng)率為45.76%。2000、2010 和2020 年森林植被CO2固定量分別為1.84×106、2.13×106和2.78×106t·a-1，2000—2020 年森林植被CO2固定量累計(jì)增加9.41×105t·a-1，年均增長(zhǎng)4.71×104t·a-1，增長(zhǎng)率為51.23%。

表2 不同時(shí)期北京市森林植被碳固定量與固碳能力①Tab.2 Carbon fixation and carbon fixation capacity of vegetation in Beijing in different periods

常綠針葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林和灌木等不同森林類(lèi)型植被CO2固定量隨著森林植被面積增加而增加（表2）。2000、2010 和2020 年，灌木CO2固定量最高，分別為1.02×106、1.42×106和1.58×106t·a-1，占全市植被總固定量的55.74%、66.73%和56.71%；落葉闊葉林CO2固定量其次，分別為6.94×105、5.16×105和9.87×105t·a-1， 占比分別為37.75% 、24.28%和35.52%；常綠針葉林CO2固定量分別為1.11×105、1.82×105和2.03×105t·a-1，占比分別為6.05%、8.56%和7.32%；落葉針葉林CO2固定量分別為8.5×104、9.1×104和1.24×105t·a-1，占比分別為0.46%、0.43%和0.43%。北京市不同類(lèi)型森林植被單位面積固碳量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，但不同類(lèi)型森林植被之間存在較大差異。落葉闊葉林單位面積固碳量最高，2000、2010 和2020 年分別為4.34×104、4.84×104和4.62×104t·hm-2a-1； 其次為灌木， 分別為4.01×104、4.46×104、4.26×104t·hm-2a-1；再次為落葉針葉林，分別為1.84×104、2.06×104和1.96×104t ·hm-2a-1；常綠針葉林單位面積固碳量最低，分別為1.59×104、1.77×104和1.69×104t·hm-2a-1。

北京市各行政區(qū)森林植被CO2固定量整體呈上升趨勢(shì)（表3）。密云區(qū)森林植被CO2固定增長(zhǎng)量最高，2000、2010 和2020 年分別為2.91×105、3.29×105和5.18×105t·a-1，累計(jì)增加2.27×105t·a-1，增長(zhǎng)率為77.52%；西城區(qū)森林植被CO2固定增長(zhǎng)量最低，2000、2010 和2020 年分別為7.57×102、8.42×102和1.54×103t·a-1，累計(jì)增加7.86×102t·a-1，增長(zhǎng)率為103.79%；通州區(qū)森林植被CO2固定量增長(zhǎng)幅度最快，2000、2010 和2020 年分別為3.36×104、5.82×104和9.83×104t·a-1，累計(jì)增加6.47×104t·a-1，為2000 年的2.92 倍；門(mén)頭溝區(qū)增長(zhǎng)幅度最慢，2000、2010 和2020 年分別為2.39×105、2.63×105和2.42×105t·a-1，累計(jì)增加3.06×103t·a-1，增長(zhǎng)率僅為1.28%。

表3 北京市各行政區(qū)森林植被碳固定量與貢獻(xiàn)率Tab.3 Carbon fixation and contribution rate of carbon fixation of forest vegetation in each administrative region of Beijing

懷柔區(qū)碳固定量貢獻(xiàn)率最高，2000、2010 和2020年分別貢獻(xiàn)北京市森林植被固碳量的17.49%、16.78%和15.81%；其次為密云區(qū)，3 個(gè)時(shí)期貢獻(xiàn)率分別為15.89%、15.52%和18.65%，平均貢獻(xiàn)率稍低于懷柔區(qū)；延慶區(qū)、懷柔區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)、房山區(qū)、通州區(qū)、順義區(qū)、昌平區(qū)、大興區(qū)、平谷區(qū)和密云區(qū)10 個(gè)郊區(qū)森林植被固碳量平均累計(jì)占全市固碳總量的95.77%，而西城區(qū)、東城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、石景山區(qū)和海淀區(qū)6 個(gè)中心城區(qū)碳固定量平均僅占全市的4.23%。

3.2 能源CO2 排放量及強(qiáng)度變化

北京市不同時(shí)期能源CO2排放量如表4 所示，2000、2010 和2020 年全市能源CO2總排放量分別為9.14×107、1.36×108和1.11×108t·a-1，表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)。2010 年能源CO2排放是2000 年的1.49 倍，增加4.45×107t·a-1。2020 年能源CO2排放較2010 年減少2.47×107t·a-1，減少18.17%，表明隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，節(jié)能減排成效明顯。2020 年能源CO2排放總量較2000 年增加1.98×107t·a-1，是2000 年的1.22 倍，能源CO2排放總體呈上升趨勢(shì)。

表4 2000—2020 年北京市能源CO2 排放量Tab.4 Energy carbon emissions in Beijing from 2000 to 2020104t·a-1

在能源結(jié)構(gòu)上，煤改氣是北京市當(dāng)前主要的減排手段，全市能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出煤炭退出、煤油消費(fèi)占比小幅增加、天然氣較快增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2020 年市煤炭排放量較2010 年減少3.46×107t·a-1，減少93.68%，僅占能源消耗量的2.09%，消費(fèi)總量持續(xù)壓減為0，平原地區(qū)基本實(shí)現(xiàn)無(wú)煤化。煤油排放量較2010 年增加2.57×107t·a-1，是2010 年的5.91 倍，占能源消耗的27.77%，天然氣排放量增加7.07×106t·a-1，是2010 年的17.21 倍，占能源消耗的6.75%。

近20 年北京市能源CO2排放的空間格局表現(xiàn)為西城、東城、石景山、平谷、密云和延慶6 個(gè)區(qū)CO2排放量呈降低趨勢(shì)，朝陽(yáng)、豐臺(tái)、海淀、門(mén)頭溝、房山、通州、順義、昌平、大興和懷柔10 個(gè)區(qū)CO2排放量呈上升趨勢(shì)（表5）。朝陽(yáng)區(qū)碳排量最高，2000、2010 和2020 年分別為1.54×107、2.46×107和1.76×107t·a-1，占北京市能源CO2排放的16.88%、18.08%和15.80%。延慶區(qū)碳排量最低，2000、2010 和2020 年分別為1.86×106、2.20×106和1.78×106t·a-1，占北京市能源CO2排放的2.03%、1.62%和1.60%。

表5 北京市各行政區(qū)能源CO2 排放量Tab.5 Energy carbon emissions of Beijing administrative regions104 t·a-1

西城區(qū)能源減排量最大，2000、2010 和2020 年分別為8.30×106、8.61×106和5.67×106t·a-1，累計(jì)減少CO2排放2.64×106t·a-1，減少31.69%。東城區(qū)能源減排率最高，分別為5.94×106、6.37×106和3.56×106t·a-1，累計(jì)減少2.38×106t·a-1，減少40.11%。昌平區(qū)能源CO2排放增長(zhǎng)幅度最大，2000、2010 和2020 年分別為4.14×106、1.15×107和1.16×107t·a-1，累計(jì)增加CO2排放7.42×106t·a-1，增加1.79%。

碳排放強(qiáng)度是表征一個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)能源利用效率的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。北京市2000、2010 和2020 年碳排放強(qiáng)度分別為每萬(wàn)元2.79、0.91 和0.32 t，表明北京市在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，單位國(guó)民生產(chǎn)總值所排放的CO2量呈顯著下降的低碳發(fā)展趨勢(shì)（圖1）。密云區(qū)碳排放強(qiáng)度最高，2000、2010 和2020 年分別為每萬(wàn)元9.76、2.30 和0.79 t ；西城區(qū)碳排放強(qiáng)度最低，2000、2010 和2020 年分別為每萬(wàn)元2.08、0.42 和0.11 t。近20 年北京市各行政區(qū)碳排放強(qiáng)度降低幅度顯著，變化范圍為84.93%～95.42%，且以東城區(qū)最大。

圖1 北京市碳排放強(qiáng)度Fig.1 Carbon emission intensity in Beijing

森林植被通過(guò)光合作用固碳釋氧，具有良好的固碳減排能力。2000、2010 和2020 年北京市森林植被碳抵消效應(yīng)分別為2.01%、1.56% 和2.5%（圖2）。灌木在不同時(shí)期固碳減排效應(yīng)均最高，為1.04%～1.42%，平均1.19%；其次為落葉闊葉林，為0.38%～0.89%，平均0.67%；常綠針葉林為0.12%～0.18%，平均0.15%；落葉針葉林固碳減排效應(yīng)最低，不足0.01%。

圖2 不同森林植被類(lèi)型碳抵消效應(yīng)Fig.2 Carbon offset effect of different forest types

近20 年北京市森林植被固碳減排效應(yīng)總體呈上升趨勢(shì)，且以延慶區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)等遠(yuǎn)郊區(qū)縣效果最好。延慶區(qū)固碳減排效應(yīng)最高，2000、2010 和2020 年森林植被碳抵消效應(yīng)分別為9.71%、14.29%和23.74%；其次為懷柔區(qū)，2000、2010 和2020年森林植被碳抵消效應(yīng)分別為10.62%、13.79%和19.75%；西城區(qū)森林植被碳抵消效應(yīng)最低，3 個(gè)時(shí)期僅為0.01%～0.03%。3 個(gè)時(shí)期各區(qū)森林植被碳抵消效應(yīng)平均值以延慶區(qū)最高，以西城區(qū)最低（0.02%），排序?yàn)檠討c區(qū)（15.91%）＞懷柔區(qū)（14.72%）＞密云區(qū)（12.14%）＞門(mén)頭溝區(qū)（11.30%）＞平谷區(qū)（5.86%）＞房山區(qū)（3.57%）＞昌平區(qū)（1.95%）＞順義區(qū)（1.24%）＞大興區(qū)（0.81%）＞通州區(qū)（0.75%）＞海淀區(qū)（0.21%）＞石景山區(qū)（0.18%）＞豐臺(tái)區(qū)（0.17%）＞朝陽(yáng)區(qū)（0.13%）＞東城區(qū)（0.03%）＞西城區(qū)（0.02%）（圖3）。

圖3 2000—2020 年森林植被碳抵消及分級(jí)Fig.3 Carbon offset and classification of forest vegetation from 2000 to 2020

將各行政區(qū)植被碳抵消效應(yīng)劃分為5 級(jí)，如圖3所示，延慶區(qū)、密云區(qū)、懷柔區(qū)和門(mén)頭溝區(qū)是碳抵消效應(yīng)最高的區(qū)域，為五級(jí)（5.86%～15.91%）；平谷區(qū)碳抵消效應(yīng)較高，為四級(jí)（3.57%～5.86%）；昌平區(qū)、房山區(qū)碳抵消效應(yīng)中等，為三級(jí)（1.95%～3.57%）；順義區(qū)、通州區(qū)和大興區(qū)碳抵消效應(yīng)較低，為二級(jí)（0.21%～1.95%）；東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)和石景山區(qū)碳抵消效應(yīng)最低，為一級(jí)（0.02%～0.21%)?？傮w來(lái)看，北京森林植被碳抵消效應(yīng)主要表現(xiàn)在遠(yuǎn)郊區(qū)，中心城區(qū)碳抵消效應(yīng)較差。

3.3 森林植被碳抵消潛力預(yù)測(cè)分析

到2060 年，北京市森林植被碳固定量、能源CO2排放量和森林植被碳抵消效應(yīng)的GM(1，1)模型預(yù)測(cè)結(jié)果（圖4、5）表明，森林植被CO2固定量將在2020 年基礎(chǔ)上從5.23×106t·a-1增加到8.01×106t ·a-1，增加53.15%，年均增加6.95×105t·a-1，增加13.29%；能源CO2排放量由2020 年的11.12×107t·a-1減少到2060 年的4.99×107t·a-1，減少55.13%，年均減少3.07×106t·a-1，減少2.76%；碳抵消效應(yīng)由2020 年的2.5% 增加到2060 年的15.44%，增長(zhǎng)5.18%，年均增長(zhǎng)1.30%。對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，森林植被碳固定量、能源CO2排放量和森林植被碳抵消效應(yīng)平均相對(duì)誤差均小于2%，分別為0.51%、0.18%和1.78%，后驗(yàn)差檢驗(yàn)C值均小于0.35，分別為0.001、0.000 1 和0.007，表明擬合效果良好，預(yù)測(cè)結(jié)果可反映北京市森林植被固碳與能源CO2排放的變化趨勢(shì)。

圖4 北京森林植被碳固定量與能源CO2 排放量實(shí)際值與預(yù)測(cè)值Fig.4 Actual and predicted values of carbon fixation by forest vegetation and energy carbon emissions in Beijing

圖5 北京能源碳抵消效應(yīng)實(shí)際值與預(yù)測(cè)值Fig.5 Actual and predicted value of energy carbon effect in Beijing

4 討論

森林植被具有重要的固碳能力和碳排放抵消效應(yīng)。US Environmental Protection Agency 等（2014）利用森林清單數(shù)據(jù)估算的夏威夷和阿拉斯加地區(qū)碳儲(chǔ)量為43.1 Pg，固碳能力為162～244 Tg·a-1，可抵消北美CO2排放的25%；Liski 等（2012）預(yù)計(jì)西歐植被碳儲(chǔ)量將由1990 年的4.8 Pg 增長(zhǎng)到2040 年的8 Pg，可吸收7%～12%的CO2排放；張彪等（2021）采用光合速率法和生物量法測(cè)算的上海城市森林植被固碳量可抵消能源CO2排放量的0.5%；周健等（2013）研究發(fā)現(xiàn)廣州城市森林固碳量可抵消化石能源消耗CO2排放量的2.27%；李帥帥等（2019）通過(guò)構(gòu)建森林碳匯發(fā)展?jié)摿υu(píng)價(jià)模型，發(fā)現(xiàn)我國(guó)西部地區(qū)森林固碳量可抵消4.55%的CO2排放。北京2000—2020 年森林植被碳固定量和碳抵消效應(yīng)平均值分別為2.25×108t·a-1和2.02%，從分布上看，北京市森林植被多分布于延慶區(qū)、密云區(qū)、懷柔區(qū)和門(mén)頭溝區(qū)等郊區(qū)，植被覆蓋率高，碳抵消效應(yīng)平均為10.88%，東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)和石景山區(qū)等中心城區(qū)由于其產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，建筑面積大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高，CO2排放量大，綠化面積相對(duì)不足，碳抵消效應(yīng)總體較低，平均為0.12%。北京市森林植被碳抵消與廣州相近，較上海高1.52%，與西歐尤其北美地區(qū)差距較大，這與氣候、植被類(lèi)型及樹(shù)種組成等因素有關(guān)。北京市能源結(jié)構(gòu)基本已形成多源多向、清潔高效、覆蓋城鄉(xiāng)的綜合體系，能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，清潔能源比重持續(xù)提高，有利于2060 年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2000—2020 年北京市森林植被固碳量增加主要源于森林面積增加，而不同森林植被類(lèi)型單位面積固碳量貢獻(xiàn)較小（表2），森林面積因受限于北京市國(guó)土空間規(guī)劃導(dǎo)致GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果在一定程度上具有不確定性，未來(lái)應(yīng)更多側(cè)重于提高單位面積森林植被固碳量。第九次森林資源清查報(bào)告表明，北京市88%的森林為非成熟林，其中57%為幼齡林，而成熟林和過(guò)熟林不足30%，北京森林植被固碳潛力較大，GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型表明碳達(dá)峰、碳中和年份植被CO2固定量和碳抵消效應(yīng)分別為3.60×106t·a-1和3.85%、8.01×106t·a-1和15.44%。隨著能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，北京市2060 年能源CO2排放將減少到4.99×107t·a-1，碳抵消效應(yīng)將達(dá)15.44%。北京市未來(lái)中齡林比重將不斷增加，再輔之以林分樹(shù)種組成的調(diào)整，可進(jìn)一步發(fā)揮固碳減排作用（朱萬(wàn)澤，2020）。

本研究采用NPP 并結(jié)合森林面積占比來(lái)表征北京市及各行政區(qū)的森林植被固碳能力，碳固定量可能較NBP 估算結(jié)果略高。

5 結(jié)論

2000—2020 年北京市森林植被CO2固定量由1.84×106t·a-1增長(zhǎng)到2.78×106t·a-1，年均增長(zhǎng)9.41×104t·a-1；不同植被類(lèi)型碳固定量以灌木最高，其次為落葉闊葉林、常綠針葉林，落葉針葉林最低；能源CO2排放量先增加后降低，達(dá)1.11×108t·a-1；碳排放強(qiáng)度顯著下降，由每萬(wàn)元27.8 t 降到每萬(wàn)元3.18 t；森林植被碳抵消效應(yīng)為1.56%～2.5%，整體呈上升趨勢(shì)。

森林植被碳固定量、碳抵消效應(yīng)及能源CO2排放量在不同區(qū)域存在差異。近20 年，密云區(qū)植被碳固定增長(zhǎng)量最高，西城區(qū)最低，分別累計(jì)增加2.27×105和7.86×102t·a-1。朝陽(yáng)區(qū)CO2排放量最高，延慶區(qū)最低；東西兩城區(qū)能源減排最顯著，昌平區(qū)能源CO2排放量增長(zhǎng)最大；昌平區(qū)碳排放強(qiáng)度最高，西城區(qū)最低。植被固碳減排效應(yīng)以延慶區(qū)最高、西城區(qū)最低，總體呈上升趨勢(shì)。

到2060 年，北京市植被CO2固定量和碳抵消效應(yīng)將分別增加到8.01×106t·a-1和15.44%，能源CO2排放量將減少到4.99×107t·a-1，年均減少2.76%。應(yīng)加強(qiáng)北京市森林植被樹(shù)種組成、林分結(jié)構(gòu)調(diào)整，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，以提高固碳減排作用。