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学术速递 | 平衡自然保护、农业和可再生能源的土地利用

2026-05-12 10:19:49

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论文标题：Balancing land use for conservation, agriculture, and renewable energy

论文译名：平衡自然保护、农业和可再生能源的土地利用

作者信息：Cameryn Brock, Patrick R. Roehrdanz, Tim Beringer, Rebecca Chaplin-Kramer, Brian J. Enquist 等

期刊信息：Nature Communications

发表时间：2026年3月7日

DOI：10.1038/s41467-026-69952-6

Abstract

随着对食物的需求不断增长，加之减少排放的气候承诺，未来将有更多的土地被开发用于农业和可再生能源。同时，为保护生物多样性和自然对人类的贡献（NCP）而保留土地，对于实现国际气候、可持续发展和生物多样性目标至关重要。满足这些相互交织的目标需要跨部门的高效土地分配。该研究提出了一个灵活的、多目标的框架，用于在气候变化背景下战略性地分配土地，以减轻对生物多样性和NCP的威胁，同时支持社会经济发展。在全球范围内通过国家级目标应用该框架的结果表明，如果在规划未来发展时不考虑自然因素，对土地的需求可能会影响近100万平方公里的高优先级保护区。多部门联合规划可以缓解潜在的冲突，显著减少碳流失和物种暴露风险。该研究的发现强调了保护关键自然区域、减少食物和能源的土地需求以及有意识地跨部门协调土地利用的迫切需要。

Introduction

气候变化带来了紧迫的挑战，实现净零排放的未来需要在土地利用和各部门能源开发方面立即做出战略性转变。应对气候变化的解决方案应当兼顾生物多样性保护，然而如果不进行协调规划，诸如可再生能源开发等热门减排措施可能会进一步加剧当前的生物多样性危机。尽管国际社会已通过《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》和《巴黎协定》认识到加大自然保护投资的紧迫性，并承诺保护地球上30%的重要自然区域，但随着人口增长和人均消费上升，全球对食物和能源的需求与日俱增，使得高效的土地利用规划变得越发紧迫。在此背景下，该研究开发并提出了一个多维度的战略框架，在气候变化不断演进的条件下统筹分配土地，以期在支持农业和可再生能源发展的同时，减轻对生物多样性、碳储量及其他自然属性的威胁。该研究的方法克服了以往单一部门研究的局限性，提供了一种综合评估的工具，使得决策者能够更加明确地处理空间分配中相互冲突的目标并权衡利弊。

Results

该研究通过设定三种不同的规划情景（“生产优先”、“自然优先”和“多部门统筹”），深入评估了不同优先事项如何影响保护区、农业和可再生能源的最佳土地分配。结果表明，如果不进行跨部门统筹规划并优化空间布局，单独的开发部门将难以实现各国的保护和发展目标，且可能对重要生态区域造成巨大破坏。核心发现总结如下：

土地转化需求庞大：在设定国家层面保护30%土地的多部门规划情景下，到2050年全球将有200万平方公里的未开发土地转化为农业用地（其中56%用于粮食作物，44%用于生物燃料作物），另有450万平方公里的土地分配给可再生能源发电（绝大部分为风能和太阳能）。
规划情景直接决定目标达成率：“自然优先”情景在实现保护目标方面最为有效，而“生产优先”情景更能满足发展需求，“多部门统筹”情景则在两者之间取得了最佳的综合平衡。
孤立扩张加剧土地冲突：如果在满足未来发展需求时仅依赖新增的土地转化而不考虑跨领域协作与空间共享，将无法同时兼顾国家级的生态保护和发展硬性需求。
多部门规划显著降低生态足迹：在“生产优先”情景下，开发活动导致大量濒危物种栖息地受到影响并增加了碳暴露，而“自然优先”和“多部门统筹”情景成功将这些负面生态影响降至最低。
开发部门的生态影响各异：尽管水电项目占用的总土地面积相对较小，但其与自然保护区分配土地发生重叠的可能性最高。通过多部门统筹规划，可以最有效地减少太阳能等开发项目与生态保护优先区之间的空间冲突。

图1 | 用于评估不同优先事项如何影响土地分配的三种规划情景以及每种情景中空间优化方法的简化工作流程：（左）生产优先，（中）多部门统筹，和（右）自然优先。方形插图是一个示例地理位置的放大地图，说明了三种情景的不同结果。开发包括粮食作物（橙色）、能源作物（黄色）、太阳能（粉色）、风能（紫色）、水电（蓝色），保护包括现有保护区（浅绿色）和优先保护区（深绿色）。未考虑在一个像素内扩展多个部门。

图2 | 多部门统筹规划情景下额外分配给自然保护和开发的土地。开发包括粮食作物（橙色）、能源作物（黄色）、太阳能（粉色）、风能（紫色）和水电（蓝色），保护包括现有保护区（浅绿色）和优先保护区（深绿色）。每个国家都有30%的土地分配给保护区，包括现有的保护区。30%的面积阈值基于全球承诺，并不一定反映实现保护目标所需的实际面积。需求基于2050年的预测。现有保护区包括保护区和其他有效的区域保护措施。国家边界数据来自Natural Earth。

图3 | 每种情景下达成目标、额外使用的土地以及物种和碳暴露的评估。A 保护和开发特征达成目标的百分比。所有土地分配均在国家层面进行，并在国家层面评估NCP和开发的达成情况，在物种层面评估生物多样性目标的达成情况。实线反映了将每个国家30%的土地分配给保护区，虚线反映了没有30%限制的保护区分配。B 每单位开发分配的土地（水电[蓝色]、太阳能[粉色]和风能[紫色]为千兆瓦；能源作物[黄色]和粮食作物[橙色]为吨干物质）。C 每单位开发中暴露于开发活动的物种。物种暴露是指其分布范围至少有10%与开发足迹相交。颜色反映了每个物种的IUCN红色名录类别：近危（绿色）、易危（黄色）、濒危（橙色）和极度濒危（红色）。D 每单位开发中暴露于开发活动的碳，以兆吨为单位报告。由于单位不同，（B-D）分为左列的水电、太阳能和风能，以及右列的能源和粮食作物。需求基于2050年的预测。

图4 | 在自然优先规划情景下额外分配给保护区的土地与在生产优先情景下额外分配给开发的土地之间的潜在冲突区域。对于自然保护而言，浅蓝色反映了尽可能接近满足所有国家层面自然目标所需的面积。相比之下，深蓝色是限制在30%土地时的最佳保护面积。黄色反映了分配给开发的土地。分配给开发和保护的土地的任何重叠部分都在棕色和黑色类别中，具体取决于开发是否与尽可能接近满足自然目标所需的保护区（棕色）或限制在30%土地内的保护区（黑色）重叠。开发与当前保护区（PAs）的重叠也包含在黑色类别中。需求基于2050年的预测。现有保护区（灰色）包括保护区和其他有效的区域保护措施。国家边界数据来自Natural Earth。

图5 | 额外分配给开发的土地及其与分配给保护区的区域的重叠比例。顶部面板显示了在生产优先规划情景中，每个地区额外土地分配用于粮食作物（橙色）、能源作物（黄色）、太阳能（粉色）、风能（紫色）和水电（蓝色）的总面积。底部面板显示了额外分配用于开发的土地总面积中，与自然优先规划情景下额外分配的保护区面积或保护与开发之间的潜在冲突区域重叠的百分比，包括生产优先（较浅颜色）和多部门统筹（较深颜色）规划情景。区域划分与共享社会经济路径（SSP）框架一致，包括亚洲（ASIA）、拉丁美洲（LAM）、中东和非洲（MAF）、经济合作与发展组织国家（OECD）以及东欧和前苏联改革经济体国家（REF）。需求基于2050年的预测。

Implications

必须改进生产性景观的选址和管理策略，以避免自然栖息地的进一步破坏，否则未来的能源和粮食安全将以沉重牺牲生物多样性、碳储量和自然对人类的贡献为代价。应对生物多样性框架和气候协定中雄心勃勃的宏伟目标，意味着自然保护区和可再生能源生产都将在未来几年内迅速扩张，这势必引发对有限土地资源的冲突需求。该研究所提出的多部门空间规划框架凸显了寻找跨部门协同效应的重要性，强调了可再生能源选址（相较于传统化石能源）所具有的内在灵活性，能够通过精心的规划与合作有效规避对自然生态的破坏。整体而言，面对迫在眉睫的气候与生态危机，决策者亟需跳出传统的孤立决策模式，综合采用提高农业及能源土地利用效率、推动景观多功能化（如农光互补）、主动缩减不必要需求等前瞻性干预手段，方能在确保人类社会持续发展的同时，稳妥守护地球的生态红线。

方法总结

该研究创新性地采用了整数线性规划（ILP）方法，结合R语言的空间保护优先级求解包（prioritizr）以及Gurobi高级优化软件，战略性地对自然保护和六个主要开发部门（光伏太阳能、聚光太阳能、陆上风能、水电、能源作物和粮食作物）的土地进行了全球范围的分配评估。研究者在5公里空间分辨率下处理了所有空间光栅数据，剔除了人类活动高度密集的已改造土地以确保评估的现实可行性。通过精确的数学算法，模型在满足各部门未来发展需求、以及保护物种多样性、碳储量及各项自然生态系统服务目标之间寻找最优解。具体分析中，该研究巧妙设计了“生产优先”、“自然优先”和“多部门统筹”三种土地优先级分配情景进行横向对比。自然保护维度的评估特别整合了7199种濒危或近危脊椎动物在未来气候变化模型（SSP 3，RCP 7.0）下的适宜栖息地分布动态变化、以及脆弱陆地碳储量分布等前沿数据。为紧贴全球政策执行的实际情况，所有的空间优先级计算及目标考核均锚定在国家空间尺度上执行，并分别详尽评估了“强制保护30%土地面积”与“无面积上限约束”两种边界条件下的总体政策效益。