![]()
图1 自下而上的能源-食品-水-空气质量综合框架，以评估净零转型的协同效益和权衡
全球应对气候变化的净零排放转型使得能源-食品-水-空气质量系统的相互联系日益紧密。随着间歇性可再生能源和生物能源的大规模使用，不协调的政策可能会加剧碳减排对能源安全和粮食安全的威胁。因此，在实现净零排放（碳中和）进程中，迫切需要采用综合方法，考虑能源供需之间的相互作用以及不同系统之间的协同，制定具有成本效益的政策转型路径，以实现更广泛的可持续发展目标（SDGs）。![]()
本研究涵盖了从可持续发展目标的目标空间中得出的与环境相关的可持续发展目标的37个官方指标或替代指标。设计了三个核心场景，“NDC”（基于2030之前国家确定的能源相关二氧化碳排放峰值情景）、“CN60”（2060年二氧化碳中和的NDC情景）和“CN60-SDG”（附加可持续性措施的CN60情景）。同时，建立了一套多模型集成框架，实现了国家级能源模型China -TIMES-2.0、省区级能源模型China-TIMES-30PE与土地利用模型GLOBIOM-G4M、水资源管理模型CWatM、空气质量模型GAINS-Asia的连接，综合考虑了气候和能源政策、可持续发展措施和气候反馈，探究了与环境相关的可持续发展目标的路径。
本工作以能源系统模型China-TIMES-2.0 为中心，与土地利用模型 GLOBIOM-G4M进行双向软链接，并与水模型CWatM进行模型数据交互。 China-TIMES-2.0模型将减排路径传入China-TIMES-30PE模型，从而缩减到省一级，然后连接到GAINS-Asia空气质量模型。通过将可持续发展约束条件与气候减缓目标相结合，设置的三种情景充分模拟反映了气候行动的协同效应，也为中国能源-食品-水-空气质量系统的可持续转型提供了解决方案。
![]()
实现净零排放的缓解途径。在长期社会经济发展目标的推动下，中国经济有望实现增长，到2035年人均国内生产总值（GDP）将超过 22500 美元，到2050年工业增加值占GDP的比重将保持在30%以上（图3a）。在 COVID-19大流行之后，中国的二氧化碳排放量结束波动并继续上升，预计在2025年左右达到约11 GtCO2的峰值。在达到峰值后，基于到2060年实现二氧化碳净零排放和到2070年实现温室气体净零排放的情景假设，CN60和 CN60-SDG情景具有相似的减排路径（图3b,c）。实现净零排放目标需要广泛使用碳捕获与封存（CCS）和碳移除（CDR）技术。2060年，CCS技术需要捕获150亿吨CO2，CDR技术需要捕获110亿吨CO2。通过直接空气捕集与封存(DACS)将封存多达1.5亿吨CO2，而具有碳捕获与碳储存的生物能源(BECCS)被用于发电和制氢将产生大部分负的碳排放（图3d）。加速能源系统脱碳需要在短期内进行产业升级和提高能效。模型结果显示，到2035年，中国需要将能源强度减半（图3e）。尽管可再生能源发展迅速，煤炭仍将在2035年前占据主要地位。到2060年，可再生能源占一次能源供应的约66%，终端部门的燃料替代将推动电力使用的增加，并显著减少油气燃料使用，巩固了能源供应安全。高比例的可再生能源并入电网带来灵活性挑战。通过推广V2G、户用储能上网、负荷时移等需求侧管理措施，能够抑制电价大幅波动和周期性的电力短缺。
土地系统提质增效确保粮食安全。土地利用系统与基于自然的解决方案（森林碳汇）和基于技术的解决方案（BECCS）的碳中和转型方案密切相关。研究结果发现，由于持续的森林保护和植树造林，中国的森林面积稳步增长。2050年以前，农林剩余基本能够满足生物质能需求，2050年以后，能源作物大规模种植，到2100年，能源作物种植面积约占全国土地面积3%。对生物质的需求将在2060年后对粮食系统造成压力，产生粮食安全与碳减排之间的权衡。CN60-SDG情景显示，通过减少食物浪费和降低膳食中动物性食物能量占比，能够在保持能量摄入充足的情况下弱化碳中和转型对粮食安全的冲击。
图4 中国农业、林业及其他土地利用行业（AFOLU）的可持续发展。a. 植树造林和重新造林以及能源耕地的使用。b. 土地利用变化。c. 2019-2100年期间的膳食结构变化。d. 能源作物、非能源作物和畜牧业生产与需求。垂直堆积条形图旁边的垂直黑条表示净值。e.按来源分列的生物质能源供应。水资源状况有所缓解但依然紧张。中国长期面临水资源时空分布不均、水资源利用效率低下、水污染严重等问题。通过推动气候行动和水管理政策，中国的水资源供应挑战将趋于缓解。农业和电力部门是中国最大的用水部门，推行高效灌溉、减少食物浪费、调节膳食结构将显著减少灌溉水需求。近年来，中国的年供水量约为600km3。密集的经济增长将导致取水量在2025年左右达到峰值（比现在增加0.5%），并在2030年之前保持高位，但此后，由于灌溉效率的提高和能源向净零过渡，取水量将呈现明显的下降趋势（图5）。在CN60-SDG情景中，减少食物浪费和建设高标准农田政策将导致2030年灌溉取水量下降大于30%，而在CN60情景中下降小于10%。到2060年和 2100年，CN60-SDG方案预计将比CN60方案分别节水20%和5%。这主要归功于膳食结构的改变、工业用水效率的提高以及高标准农田的建设。图5c、d显示，不同季节的供水比例变化不大，但大部分用于生态恢复的人工补水都发生在冬季，以最大限度地发挥生态效益。到2060年，碳中和使得能源系统取水量较2019年下降38%，主要源于火电退役和空冷机组比例增加带来的冷却取水减少。碳中和转型使得地下水超采问题得以解决，可持续发展情景，地下水超采问题提前5年得到解决。
图5 中国的供水与取水。a. 按水源分列的供水情况。b. 按部门分列的取水量。c. 2060年分季节供水。d. 2060年分季节取水量。空气质量协同效应正在显现，需要采取进一步措施。零转型预计将减少70%的空气污染物排放，显著改善空气质量，并带来大量的健康效益。然而，单靠气候行动的协同效益无法确保实现空气质量目标，需要进一步采取严格的空气污染控制措施。采用不同的预设控制策略来模拟空气污染政策：NDC情景和CN60情景采用现行立法（CLE），而CN60-SDG情景采用最大可行减排量（MFR）。鉴于大多数燃煤发电机组正在进行全面的超低排放改造，电力行业未来进一步减排的潜力有限。工业部门目前是二氧化硫的最大排放源，其末端治理的应用率较低，这表明其共同效益的空间较大。氮氧化物主要由交通部门排放，但由于日益严格的排放标准和替代能源汽车的使用，氮氧化物排放量在所有情景中都将大幅下降。到2040年，由于运输业的结构性变化，净零情景可进一步加快氮氧化物的减排。目前，PM2.5的排放几乎有一半来自建筑行业的煤炭和生物质燃烧。在CN60情景中，与NDC相比，用电替代固体燃料将大幅减少PM2.5排放。其他措施，如在电力和工业部门用高效除尘技术取代传统静电除尘器，可在2050年将PM2.5排放量进一步减少80%。CN60-SDG情景下，通过强有力的空气污染物控制，空气质量大幅改善，2030年所有省份的PM2.5浓度都将低于50μg·m-3。2050年，全国所有省区能够达到空气质量二级标准，77%的省区达到一级标准。尽管碳中和转型健康效益显著，但因空气污染造成的过早死亡人数因为人口老龄化而继续上升。由于老龄化人口的脆弱性增加，过早死亡的上升趋势无法逆转。2020年，每年因空气污染导致的过早死亡人数为140万。在CN60情景中，尽管化石燃料迅速减少，PM2.5排放量和浓度下降，但到2050年，这一数字预计将上升到每年180万。相比之下，在CN60-SDG情景中，由于采取了强有力的空气污染物控制，污染导致的过早死亡率将显著下降到每年70万。在强有力的空气污染物控制情景下，过早死亡人数能够明显下降。图6 中国空气质量改善与健康效益。a. SO2、NOx、PM10和PM2.5排放路径。b. 2050年人为源PM2.5浓度图。c. 2050年人口加权平均省域PM2.5浓度。d. 2050年各省PM2.5导致的过早死亡。实现零净排放和可持续发展的成本与效益。净零转型将带动超过10万亿美元的能源系统投资，电力、氢能、储能和负排放技术是投资的重点。2060年后，直接从空气中捕获碳排放（DACS）的部署预计需要超过1000亿美元的投资，从而提供了巨大的市场机会。由于化石燃料的逐步淘汰和需求的减少，交通、工业等部门的投资将会较参考情景有所下降。图7a显示，在追求净零目标时，边际二氧化碳减排成本可能会大幅增加，2060年二氧化碳边际减排成本超过100美元/吨CO2。提升可持续性的措施小幅增加边际减排成本（约10%）。图7b显示，可再生能源的普及将降低边际电力成本，同时增加储能需求，从而导致不同时间的价格差异。从2040年开始，随着可再生能源在电力系统中所占比例的增加，发电成本和电网平衡成本的日间差异将开始显现，这种差异将在2050年变得明显。电力系统可能会在晚间出现供应短缺，从而推高峰值电价。CN60-SDG情景将通过需求管理措施减少负荷，从而缓解电力失衡。随着可再生能源的发展，氢的边际成本预计会降低，特别是在太阳能输出较高的白天，氢的生产成本将低于2.5美元/千克。图7c和d 展示了生物质和粮食价格的变化。与2020年相比，到2060年，可持续发展措施将稳定粮食价格，并防止粮食价格指数上涨超过10%。图7e、f表明，整体来看，2020-2050年碳减排带来的空气质量改善健康效益货币化累计收益为2.05万亿元，净零排放对空气质量改善的协同效应因地区而异。近期的协同效应主要集中在发展中省份，而到2050年，发达省份和人口稠密地区的协同效应将显著增加（图7e）。到2025年，加强污染物控制措施将具有成本效益，效益成本比约为1.65。此后，该比率将显著上升，分别达到当年污染物控制支出的4.5倍（2030年）、9.4倍（2040年）和22.4倍（2050年）。与CN60情景相比，2020-2050年控制措施的净效益预计将再增加5.4万亿美元（贴现）。南方省份的短期成本效益比可能更好。2035年后，经济发达地区的成本效益比将显著提高（图7f）。研究还发现，在人口稠密地区，实施控制措施的人均净效益和总净效益最大。![]()
图7 中国能源-食品-水-空气质量系统转型的经济学分析。a.边际减排成本。b. 边际电力和氢气成本。c. 农产品价格指数。d. 生物质价格。e. 净零过渡带来的空气质量改善对健康的好处。f. 严格的空气污染治理措施的成本效益分析。![]()
个人评价
应对气候变化所需的全球净零转型可能会对能源-食品-水-空气质量关系产生深远影响。本研究提出了一个多模型连接的综合评估框架，以探索和量化中国在实现碳中和目标过程中，对SDGs的协同效益和潜在权衡。所提出的综合评估框架整合了能源-食品-水-空气质量系统，涵盖了相关可持续发展目标的许多方面，在评估国家层面的可持续情景和长期转型路径方面迈出了重要一步。但本研究也存在一定的局限不足，主要是对可持续发展目标的社会层面考虑不足，如性别差距、不平等、对不同人群的影响和治理能力等方面，且由于受模型输出限制，对一些指标进行了简化或替代。同时，由于建模方法和数据来源的不同，不能保证各模型的假设完全一致。
Targeting net-zero emissions while advancing other sustainable
development goals in ChinaAbstract：
The global net-zero transition needed to combat climate change may have
profound effects on the energy-food-water-air quality nexus. Accomplishing the
net-zero target while addressing other environmental challenges to achieve
sustainable development is a policy pursuit for all. Here we develop a
multi-model interconnection assessment framework to explore and quantify the
co-benefits and trade-offs of climate action for environment-related
sustainable development goals in China. We find that China is making progress
towards many of the sustainable development goals, but still insufficiently.
The net-zero transition leads to substantial sustainability improvements,
particularly in energy and water systems. However, the co-benefits alone cannot
ensure a sustainable energy-food-water-air quality system. Moreover,
uncoordinated policies may exacerbate threats to energy security and food
security as variable renewables and bioenergy expand. We urge the
implementation of pragmatic measures to increase incentives for demand
management, improve food system efficiency, promote advanced irrigation
technology and further strengthen air pollutant control measures.
Citation：
Zhang, S., Chen, W., Zhang, Q. et al.
Targeting net-zero emissions while advancing other sustainable development
goals in China. Nat Sustain (2024).
https://doi.org/10.1038/s41893-024-01400-z
