植树造林是最实用的二氧化碳清除方法之一，但受到适当土地和充足水资源的限制。芬兰拉彭兰塔工业大学Caldera与Breyer教授基于低成本可再生电力（RE）和海水淡化的现有概念，以确定2030–2100年期间，如果使用可再生能源发电的海水淡化厂灌溉干旱土地上的森林，全球CO2封存潜力。结果表明，累积CO2封存潜力为730期间的GtCO2。预计2030年全球平均成本为457欧元/吨二氧化碳，但到2100年，由于可再生能源成本的降低和森林CO2封存率的提高，全球平均成本将降至100欧元/吨。靠近海岸、太阳能资源丰富、气候凉爽的地区的成本最低，到2070年，成本低至50欧元/吨二氧化碳。结果表明，在气候变化缓解组合中，以可再生能源为基础的脱盐灌溉造林项目发挥着关键作用，该组合目前以生物能源碳捕获和储存以及直接空气碳捕获和存储工厂为基础。

图文解读

如果不考虑人类的影响，自然树木覆盖的程度是先前估计的。通过根据现有数据消除受人类影响的区域，建立了全球树木恢复潜力，估计高达751 Gt CO2总面积9万公里的碳固存潜力。土地面积是那些被确定为具有支持森林生长的特征的面积。参考文献中介绍的一些修复区域。位于干旱条件和低用水的水文盆地，或水资源压力大的盆地，由于上述流域的可再生水资源供应量较低，相应的恢复区域被确定为树木生长需要海水淡化的地方（图1a所示为“有海水淡化需求的恢复地”）。

土地覆盖既不是主要植被、耕作或城市地区也不是水体的区域被标记为裸露地区。这些土地覆盖面积，基于2009年数据，与水压力图重叠，就像上一步中恢复土地所做的那样。图1a显示了有和没有海水淡化需求的裸露土地面积。

使用海水淡化灌溉成熟的城市树木以抵消碳排放的方法。图1c 显示了CO2在 2030-2100 年期间被每棵选定的树木隔离。这些树木的分布基于份额，这些份额经过成熟北方、温带和热带森林的预期碳储量验证。图1c计算了1棵树的地上和地下生物量、枯木、凋落物和土壤中储存的碳。全球平均二氧化碳基于树木份额和森林平均固存率的固碳率显示在图1c的右轴上。树木的用水需求将通过从最近的海岸线进行基于RE的SWRO海水淡化来满足。需水量与树木的冠层面积成正比，也是特定位置参考蒸散速率和树木特定的用水量，详见方法。图1b显示了2100年森林成熟时，所有具有造林潜力的地区对树木混合物的平均每日水或海水淡化需求。图1b中排除的区域是气候区不利于所选树木组合的区域。树木覆盖率的增加预计也会增加当地的降水量，正如撒哈拉沙漠造林项目所模拟的那样，其中最多 26%的蒸散量在局部重新沉淀。由于树木覆盖率增加而导致的降水的回收利用被考虑在内，由于数据限制，所有地区的上限为26%。

Fig. 1 Land, desalination demand and tree mix. a, Global distribution of land (restoration and bare land) for afforestation with desalination. The regions in black are those where neither restoration potential nor bare land can be found. For the land with restoration potential, ref. 37 estimates the continuous canopy cover of the trees which is the area of land that is covered by tree crown vertically projected to the ground. The range of tree canopy cover is 0–100% and allows to account for different tree covers around the world such as savannahs, woodlands and tropical forests (Supplementary Fig. 1). Bare land areas are assumed to have a potential canopy cover of 20%, which is set as the upper limit of bare land utilization in this research as further explained in Methods. b, Desalination demand per unit canopy area of the combination of the 8 trees by 2100; only those locations where temperature does not drop below 5°C for more than 5days are chosen. c, Cumulative CO2 sequestered by each tree species over time (left-axis) and global average CO2 sequestered per km2 of land (right-axis) due to share of trees in the tree mix as presented in the validation worksheet of Supplementary Data 1. The combination of 8 trees is chosen due to the availability of data. However, a wider range of trees suitable for the specified climate can be used to create healthier, self-sustaining forests as explained in Methods.

如果在图1b所示的区域进行了植树造林，参考文献20中给出了可用于恢复的冠层覆盖率，图2a中显示了2030年至2100年封存的累积CO2。世界被划分为LUT-STM框架18中使用的九个主要区域，不在框架内的国家被列为世界其他国家类别。图2a显示，中东和北非（MENA）地区的二氧化碳封存潜力最高，为131到2070年，Gt CO2，其次是撒哈拉以南非洲，87Gt CO2。这一潜力是由这些地区有海水淡化需求的恢复和裸露土地区域的可用性驱动的。到2070年，如《方法》中所述，预计树木将成熟，欧洲和欧亚大陆的估计潜力最小，为3.4Gt CO2和1.2分别为GtCO2。这种低潜力是因为在适合树木混合的温度范围内，土地面积可用性低。为灌溉提供安全的脱盐水有助于确保树木混合物的生存和碳封存。

图2b显示了图1b中地图所示区域内灌溉和维护恢复森林的年成本，其中基于RE的SWRO超过70年期间。方法中的方程式（5）解释了所呈现的年度历史CO2成本。泡沫大小代表了每个国家封存的累积二氧化碳。全球平均水平从2030年的约457欧元/吨CO2降至2100年的99欧元/吨CO2。建模过渡初期的高成本是由于CO2捕获率低，2030年全球封存的累积CO2估计约为0.78Gt CO2。随着时间的推移，所示国家的CO2封存成本接近全球平均水平，到2100年，这些国家的二氧化碳封存量占全球二氧化碳封存量的90%以上。由于水运距离相对较高，阿富汗、伊朗、乍得和尼日尔等国的成本高于全球平均水平。例如，伊朗的加权平均垂直抽水距离估计为1200m、而全球平均值约为590m。到2100年，西班牙等国家的碳封存成本为每吨二氧化碳54欧元，运输成本较低，但由于参考蒸散系数较低，每吨碳的脱盐需求也较低。每吨二氧化碳的全球平均需水量为198m3。

总系统（能源、海水淡化、灌溉和土地系统）的年化成本（包括图2b中的成本）如图3a所示，并按主要地区细分。主要地区相应的年均CO2封存潜力如图3b所示。中东和北非地区和撒哈拉以南非洲地区的年封存潜力较高，因此年化成本也最大。2050年后，低成本太阳能光伏（PV）、风能和电池技术的退役和重新安装推动了年化成本的降低。水上运输基础设施成本占所有地区年度成本的最大份额。

Fig. 2. CO2 sequestration potential and costs. a, Global cumulative CO2 sequestration potential and for each major region. Potentials estimated for the land area suitable for afforestation with desalination in Fig. 1b and available restoration area as explained in Methods. The data are for the assumptions of bare land area use of 20% and temperature of 5?°C for 5 days. Countries that constitute the major regions are given in Supplementary Data 2. SAARC represents the South Asian Association for Regional Cooperation. b, Annual historic costs for the world and countries with large sequestration potentials (>1 GtCO2 by 2070).

2030年至2100年期间的碳固存成本在全球范围内以0.5°×0.5°的空间分辨率建模。有关LUT-ESTM框架和相应分析的更多详细信息，请参见方法。图3c显示了年度历史CO2为建模期的2070年确定的成本。该地图显示，在靠近海岸线的地方具有造林潜力的节点具有 CO2成本范围为每吨 50–100欧元，而全球范围约为每吨二氧化碳 20-300 欧元。

Fig. 3. Afforestation costs breakdown. a, Annualized costs for the complete system for all nine major regions and time period. By mid-century, the global annualized costs are expected to be €1,499 billion for an annual sequestration of 7 GtCO2 and decreases slightly to €1,462 billion towards the end of the century for an annual sequestration of 14?GtCO2. b, Corresponding average sequestration rates for all the major regions over time. c, Annual historic CO2 cost for the year 2070 for all regions with desalination demand and afforestation potential.

用于灌溉森林的持续供水的能源系统的全球平均平准化电力成本（LCOE），包括用于脱盐和抽水的能源，从46.9欧元MWh−1下降 2030年至31.0欧元MWh−1到2100年。由于缺乏项目成本数据，假设2050年后的系统组件成本与2050年相同。然而，预计2050年后可再生能源成本将进一步下降，从而降低最终系统的成本。到2050年，具有CO2封存潜力的国家拥有80%以上的太阳能光伏发电量，这突出了具有造林潜力的地区的高太阳辐射水平。电池储存用于在太阳辐射量低的时候补充太阳能光伏发电，满足全球电力需求的67%。图4b说明了2070年用于生产淡化水并将其运输至造林地点的水平准成本（LCOW）。在70 年期间全球平均LCOW从0.59m−3欧元下降至0.44m−3欧元。

Fig. 4. LCOE, LCOW and energy demand variation. a, LCOE values for nodes with afforestation potential for the year 2070, including solar PV and battery for near to baseload SWRO desalination and water pumping supply. b, Corresponding LCOW values for the year 2070. c, Average energy demand and pumping demand of all countries during the time period 2030–2100.

总结

这项工作的目标是突出干旱土地上未开发的造林潜力，以支持树木生长，并提供大量CDR机会，前提是有安全的水供应。虽然这种系统的初始成本很高（全球平均每t CO2 457欧元），但树木碳封存潜力的增加和可再生电力成本的降低使此类项目与CDR选项（如DACCS和BECCS）相比具有竞争力。森林也有助于对抗荒漠化、土壤侵蚀和洪水日益增加的威胁，并有助于修复水循环。到本世纪中叶，约0.26 Gt CO2可通过基于可再生能源的SWRO造林每年封存，每年历史成本为每t CO2 50–100欧元。到本世纪末，这一数字上升到6.7 Gt CO2用于相同的成本范围。太阳能光伏和风能能够生产低成本的淡化水，从而为干旱地区的造林创造机会。由于缺乏可用数据，树冠覆盖导致的降水量增加将进一步降低这些成本，因为水是关键成本组成部分。必须指出的是，水不是问题的恢复地区将提供最便宜的碳封存机会。