地中海地区林牧系统碳汇权衡优化：基于帕累托前沿的气候政策路径分析

《Sustainability》：Agroforestry Optimisation for Climate Policy: Mapping Silvopastoral Carbon Sequestration Trade-Offs in the Mediterranean

本研究通过多目标情景分析（4064种情景）量化了欧盟27国地中海生物区林牧系统（Silvopastoralism）扩张的碳汇潜力，揭示了单位面积碳封存效率与总封存量之间的权衡关系（Pareto前沿）。研究识别了三种政策导向最优策略（保守型、平衡型、扩张型），发现西班牙和希腊是实施热点区域，且边际土地（如灌木地）的碳增益显著高于耕地。该框架为欧盟绿色新政（Green Deal）和LULUCF（Land Use, Land-Use Change and Forestry）战略提供了空间明确的决策支持工具。

　　

引言

气候危机加剧促使欧盟通过《欧洲绿色新政》和LULUCF（Land Use, Land-Use Change and Forestry）法规将基于土地的碳封存置于脱碳政策核心。然而，将高层承诺转化为具体土地利用策略仍面临挑战，需平衡气候、生物多样性和社会经济目标。林牧复合系统（Silvopastoralism）作为一种自然解决方案（Nature-Based Solution, NbS），在提升碳储量、土壤健康和生物多样性方面具有突出潜力，但在欧洲景观和政策中代表性不足。现有决策支持工具多关注单一目标（如重新造林），缺乏对多目标权衡的透明量化，且未能提供反映不同政策优先级的替代方案。地中海生物区因其气候梯度显著、土地退化严重和传统林牧实践（如西班牙dehesa系统）而成为理想研究区域。本研究旨在解决三个核心问题：林牧扩张的空间权衡前沿是什么？如何划分政策相关战略区间？哪些环境和管理阈值定义区间过渡？

材料与方法

研究区域覆盖欧盟27国地中海生物区约817,680 km2，空间分辨率为1 km2。基线土地覆盖数据源自CORINE Land Cover 2018，筛选出16类适宜林牧系统的土地类型（如牧场、复合耕地、自然草地等）。通过MaxEnt物种分布模型（SDM）构建林牧适宜性图，使用LUCAS（Land Use and Cover Area frame Survey）调查的4426个现地观测点及14类环境与社会经济预测变量（如气候、地形、土壤属性、人口密度）。土地覆盖转换规则基于20年规划期设定，如非灌溉耕地、草地转为农林业用地，灌木地转为过渡性林地。碳封存潜力估算涵盖三个组分：植被生物量、土壤有机碳（SOC）和牲畜粪便碳输入，均转换为CO₂当量（转换因子3.67）。植被和SOC基线数据分别来自全球植被碳储量数据集和SoilGrids 2.0，投影值通过k最近邻（k-NN）插值法估算。牲畜碳模型基于IPCC Tier 2方法，计算净粪便碳输入及土壤固定效率（牛15%，羊/山羊30%）。情景分析框架通过系统调整5个筛选阈值（最小坡度、最小适宜性、最大树木覆盖度、最大牲畜密度、土地保护制度）生成4064种情景，识别高潜力区域（AOI）。采用帕累托前沿分析过滤非支配解，通过最小-最大归一化效率得分确定最优“膝点”，并使用k均值聚类划分政策区间。

结果

碳储量变化显示，从基线到投影期，植被碳储量均值从约100 Mg CO₂ha^?1升至200 Mg CO₂ha^?1，SOC和牲畜碳输入也显著增加。帕累托前沿清晰表明单位面积碳封存效率（最高2.5 Mg CO₂ha^?1year^?1）与总封存量（近10⁷Mg CO₂year^?1）间的反向关系。最优平衡情景（效率得分41.25%）位于帕累托前沿第26位，对应土地面积约1.5万km2。聚类分析将前沿划分为三个政策区间：保守型（高均值、小面积）、平衡型（中等均值与面积）、扩张型（低均值、大面积）。驱动因素分析表明，随着策略从保守向扩张过渡，筛选阈值逐步放宽（如最小坡度从>10°降至<5°），主导土地类型由灌木地转向草地和混合农系统。西班牙（安达卢西亚、卡斯蒂利亚-拉曼查）和希腊（伯罗奔尼撒）是碳汇热点区域，且边际土地（灌木地、稀疏植被）的碳增益贡献显著高于耕地。NUTS2区域分析显示，高潜力区空间连续性在西班牙和希腊较高，而在意大利和法国则较为破碎。

讨论

本研究估算的年均碳封存速率（0.5–2.5 Mg CO₂ha^?1year^?1）与地中海地区实证研究一致，但低于温带系统，反映了水资源限制等气候约束。政策意义方面，框架为欧盟绿色新政和CAP（Common Agricultural Policy）生态计划提供了可操作工具：保守策略适合预算有限项目，扩张策略有助于实现大规模LULUCF目标。强调边际土地优先而非耕地转换，可避免与粮食安全冲突。局限性包括静态模型未模拟碳积累动态、牲畜参数泛化、未整合社会经济因素（如农民采纳意愿）。未来研究可引入动态生态系统模型（如CENTURY）、经济成本数据和多目标优化（如生物多样性协同）。

结论

本研究通过空间显式权衡分析，证实林牧系统是地中海地区实现气候中和目标的关键自然解决方案。帕累托前沿框架使决策者能够依据具体目标（效率优先或规模优先）选择差异化实施路径。结果强调需结合地方社会经济背景制定参与式政策，以提升实施可行性。该方法论为全球多功能土地利用规划提供了可复制范例。