美国主要天然气区天然气开发导致的森林碳损失核算

《Environmental Science & Technology》：Accounting for Forest Carbon Loss from Natural Gas Development in a Major U.S. Gas Region

　　

摘要翻译：

在森林景观中进行天然气开发可导致严重的森林扰动，但其对森林碳的影响仍缺乏定量评估。在美国阿巴拉契亚盆地（Appalachian Basin），天然气产量预计将在未来几十年持续增长，理解这些影响对于评估能源生产与森林生态系统服务之间的权衡至关重要。本研究将全国森林清查（national forest inventory）数据与遥感数据相结合，在贝叶斯时空建模框架（Bayesian spatiotemporal modeling framework）内，量化了2008年至2021年间与天然气开发相关的森林扰动、碳损失和机会成本。研究人员利用俄亥俄州（Ohio）、宾夕法尼亚州（Pennsylvania）和西弗吉尼亚州（West Virginia）的许可井位数据，生成了像元尺度（pixel-level）估算值及其相关不确定性，并汇总结果以表征区域格局。研究人员估算共有10 854公顷林地受到扰动，导致542 675（±4 275）Mg森林碳损失，以及575 246（±30 774）Mg碳的机会成本（分别相当于约464 000辆和492 000辆汽油动力乘用车的年排放量）。扰动率在西弗吉尼亚州北部最高，而机会成本在宾夕法尼亚州东北部最高。据研究人员所知，本研究首次对阿巴拉契亚盆地天然气开发相关的森林碳损失进行了区域尺度量化。研究结果表明，在评估能源开发时考虑森林碳影响的重要性，并为未来减缓、规划和优化工作提供了必要的信息支撑。

**论文解读：美国主要天然气区森林碳损失核算的空间统计框架**

**一、研究背景与科学问题**

近年来，美国为满足日益增长的能源需求，加快了天然气开采步伐。俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州地处阿巴拉契亚盆地（Appalachian Basin）核心区，其马塞勒斯（Marcellus）和尤蒂卡（Utica）页岩地层的天然气产量在2021年已达到全美干天然气产量的约三分之一，且预计未来数十年仍将持续增长。然而，该区域同时也是美国重要的森林覆盖区，森林生态系统提供了不可或缺的环境与经济服务。天然气开发需要建设大量配套基础设施，包括井场（well pad）、道路、压气站和集输管道等，这在森林景观中会造成直接的土地转换与生境破碎化。

已有大量研究记录了该区域天然气开发导致的森林丧失、栖息地破碎化与冠层扰动现象，也提出了诸如将井场布设于核心林区边缘、管道与现有基础设施共廊道等减缓策略，并发展了优化框架以权衡基础设施成本与环境影响。然而，此前研究多聚焦于土地覆被变化与景观格局指标，尚未有研究对阿巴拉契亚盆地天然气开发造成的区域尺度森林碳损失进行量化。森林碳作为美国最大的陆地碳汇之一，其动态变化对气候减缓至关重要。在缺乏定量评估的情况下，能源开发与森林碳储量之间的权衡关系无法被有效纳入规划、减缓与优化决策。因此，开展这一量化研究具有迫切的科学必要性与管理意义。

**二、研究目标与方法概述**

针对上述科学空白，研究人员开发了一套贝叶斯时空小区域估计（small area estimation, SAE）框架，整合了美国森林清查与分析（Forest Inventory and Analysis, FIA）项目的样地实测数据、美国农业部林务局国家土地覆被数据库（National Land Cover Database, NLCD）的遥感树冠覆盖度（tree canopy cover, TCC）数据，以及俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州环境保护部门提供的2008—2021年全部公开许可天然气井位数据。研究区域被定义为井点聚集区凸包外扩10 km的范围，共包含19 111个经过缓冲区合并处理的"井聚集区"（well aggregate）。在模型中，研究人员采用潜高斯模型（latent Gaussian model, LGM）架构，通过伯努利过程刻画森林存在与否的二元状态，并以高斯过程刻画森林碳密度的空间与时间依赖性；模型同时包含短程和长程两个尺度分量的协方差结构，以实现对时空依赖性的多层次表征。森林扰动识别依据后验预测概率设置阈值判据，机会成本（opportunity cost）则通过自回归移动平均（autoregressive moving average, ARMA）模型预测无反事实情景下的碳累积量来计算。

本研究的样本队列来源为FIA计划在2008—2021年间研究区内的99 345个样地观测（用于构建森林存在与否的伯努利模型），其中56 881个森林样地观测用于估计森林碳密度；遥感数据为同期年度30 m分辨率TCC栅格影像。

**三、主要研究结果**

**3.1 区域尺度森林扰动与碳损失总量**

基于扰动阈值判据，研究人员估算2009—2021年间共有10 854公顷林地受到扰动，造成542 675 Mg（95%置信区间：534 296—551 054）森林碳损失，约占俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州三州总森林面积的0.07%。这一数值低于Grushecky等人报告的2007—2017年间该区域油气开发相关受影响土地约23 000公顷的估计值，但二者并不直接可比：Grushecky等人的分析基于缓冲区内所有土地覆被类型的变化，而本研究估算的是基于FIA数据和TCC概率的森林结构变化，且对扰动阈值的选择较为保守。

**3.2 扰动空间分布格局**

像元尺度估算值汇总至县级尺度后发现，森林扰动率最高的区域集中在西弗吉尼亚州北部（如多德里奇县，约0.7%、521公顷的县级森林面积受到扰动）、俄亥俄州东部和宾夕法尼亚州东北部。这些区域同时具备高森林覆盖率和密集的天然气开发活动，表明基线森林条件与开发强度的交互作用是决定森林扰动空间分布的重要因素。这一发现强调了在制定区域能源开发规划时，需要同时考虑生态基底与开发密度的叠加效应。

**3.3 县级机会成本差异**

机会成本在宾夕法尼亚州东北部大面积高森林覆盖率的县最高，其中萨斯奎汉纳县（Susquehanna County）的总机会成本最大，达49 255 Mg碳（95%置信区间：46 193—52 317）。即使直接的扰动足迹相对较小，开发造成的碳累积损失（即机会成本的"未获得"部分）也可能相当可观，这凸显了在评估开发影响时同时考虑即时损失与长期累积损失的计量重要性。

**四、讨论与结论**

本研究的核心贡献在于首次提供了阿巴拉契亚盆地天然气开发所致森林碳损失的区域尺度、空间显式量化结果，填补了该领域的重要知识空白，并将扰动面积与景观破碎化等传统生态指标扩展到了碳循环与气候减缓层面。研究结果中约542 675 Mg的森林碳直接损失和575 246 Mg的机会成本，按照美国环保署（EPA）的折算标准，分别约等于全美464 133辆和491 990辆汽油动力乘用车的年温室气体排放量，这一能源开发的环境代价在空间上集中于基础设施直接影响的区域。

在方法论层面，该研究展示了将国家森林清查数据、遥感观测与贝叶斯统计建模相整合的通用路径，为在不同空间尺度上权衡能源开发与森林生态系统服务提供了可复制的分析范式。研究提出的像元尺度估算值及其不确定性信息，可直接纳入未来的减缓政策制定、基础设施空间优化和土地利用规划框架。此外，该框架也可推广至其他国家和地区的类似能源-森林冲突区域，服务于全球尺度的碳核算与环境决策。

关于研究限制，研究人员明确指出：其一，分析依赖于许可井位及推算缓冲区，而非实测基础设施足迹，因此估算结果应解释为许可井聚集区相关的影响，不能单纯归因于井场建设本身；其二，扰动判据仅识别森林丧失区域，尚未明确估算单个扰动事件的具体发生时间；其三，机会成本估算使用了相对简洁的自回归模型来表征未扰动情景下的森林状态，引入更复杂的森林生长与演替模型有望进一步优化长期机会成本的估计精度。