碳平衡测算方法及其研究进展

碳平衡测算方法及其研究进展

王晶，李健锋

陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司

摘要：实现“碳达峰、碳中和”是当前我国应对气候变化挑战、加快生态文明建设、推动转型发展的重要战略指引，碳平衡测算方法的研究对中国如期实现“双碳”目标具有重要的实践意义。本文简要介绍了碳排放、碳吸收以及碳平衡的概念、测算方法及其研究进展，并探讨了研究中存在的问题和研究展望，以期为中国实现“双碳”目标提供理论依据。

关键词：碳平衡；测算；碳吸收；碳排放

引言

2020 年9 月，在联合国大会上中国首次宣布将在2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和的目标。自此，“碳达峰、碳中和”（以下简称“双碳”）目标成为我国应对气候变化挑战、加快生态文明建设、推动转型发展的重要战略指引。

在生态系统进行的碳循环过程中，各种自然和人类活动过程会导致碳元素从一种状态到另一种状态。如果生态系统吸收的碳量大于释放的碳量，就成为大气CO2的汇，被称为碳汇（碳吸收），相反为碳源（碳排放）[1]。碳平衡是指在一定时期内研究区域内部的所有自然活动以及人为活动所导致的碳汇量与碳排放量之间的关系与整体平衡情况。

城镇化的快速进程导致了土地利用格局和环境发生较大转变，城市密度逐渐增大，建设用地占比逐年升高，植被受到破坏，碳汇量下降，同时能源消耗增多、碳排放急剧增加[2-4]，这也成为了加速全球变暖的最大因素。因此，碳平衡测算方法的研究对中国如期实现“双碳”目标及推动新型城镇化高质量发展具有重要的实践意义。

1、碳排放测算方法及研究进展

目前，碳排放主要来源于能源消费，工业过程和产品使用、农林业等土地利用、废弃物及其他方面有少量碳排放[5]。其中，能源消费碳排放主要包括农业、工业和服务业等方面，是影响碳平衡能力的重要组成部分。工业过程和产品使用产碳主要指钢铁、玻璃和水泥等生产和使用过程中释放二氧化碳；农林业等土地利用产碳主要指粮食与经济作物种植过程中甲烷释放、生物质能消费和秸秆焚烧等产碳；废弃物产碳主要指焚烧和填埋垃圾、生活废水和工业废水等过程中释放二氧化碳[6]。

目前国内对碳源计算方法主要包括IPCC碳排放因子法、碳排放实测法、物料衡计算法以及生命周期法。其中，IPCC碳排放因子法是目前应用范围最广的碳排放量估算方法，适用于社会生产过程中的各个部门，且其整体计算方式较为简便，可操作性较强，多用于宏观或中观层面的碳排放量计算。碳排放实测法、物料衡计算法以及生命周期法适用范围相对较小，多运用于微观层面的企业或工业生产过程中的碳排放量核算。

近年来随着遥感数据获取的便捷性提高，通过夜间灯光数据[7]等遥感数据，构建相应的模型估算碳排放的研究越来越多，同时碳排放估算相关研究趋势逐渐向提高适地性与精确度的方向发展[8]。国内外多位专家学者通过模型，构建了适用于不同尺度的碳排放估算方法，并进一步分析其时空分异特征与影响机制，提出区域减碳发展策略与有效途径[9-11]。

2、碳吸收测算方法及研究进展

在陆地生态系统中，碳吸收主要依赖于耕地、园地、林地、草地、水域和其他未利用地中植物光合作用，以及碳捕集、利用与封存技术[12]。森林碳吸收量在陆地碳汇中占比较大；草地的碳储量远小于林地；耕地和园地因作物具有高产量而碳吸收量较多；水域碳吸收主要通过水体固碳和干湿沉降等方式进行；未利用地通过沼泽地、荒草地、盐碱地和沙地等生长的植物与微生物具有固碳作用。

国外较早的碳汇研究是从森林碳汇开始[13]，在碳吸收核算方面，林业和农业生态系统的估算方法比较多，宏观尺度可采用遥感估算法、模型模拟和产量估算等方法相结合进行；而在微观尺度上，可采用样地清查法和定位观测方法进行核算。

近年来国内外越来越多的学者将有关生态效益与生态系统服务评估模型应用于碳汇水平评估研究中。如InVEST 模型、CASA 模型等[14-15]。InVEST 模型中的Carbon 模块，基于土地利用及碳密度计算固碳量，但未考虑气候、地形、降雨、土壤以及植被类型等多个关键因素[16]。CASA 模型是一种光能利用率模型，能够对区域植被净初级生产力（NPP）进行较为精确的反演，通过计算区域NPP 并结合换算过程，可提高衡量区域碳汇水平过程的准确度[17]。

3、碳平衡研究进展

碳平衡能力是指区域实现碳吸收与碳排放中和的水平，主要考察碳吸收与碳排放之间的差距，碳吸收越大而碳排放越小表示碳平衡能力越强，反之则越弱[6]。

碳平衡能力主要由碳排放和碳吸收共同决定。研究方法主要采用净值法和系数法。净值法通过计算碳排放与碳吸收的差值衡量碳平衡，适用于绝对差异情况；系数法通过计算碳排放与碳吸收的比值衡量碳平衡，适用于相对差异情况。由于不同研究区域的自然条件与人为活动强度影响存在一定差异性，而区域碳平衡能力受自然和人为影响较大，因而不同区域的碳平衡状态与强度也具有较强的空间异质性。

图1 碳平衡能力解析机制

4、结语与展望

我国的碳平衡研究起步较晚，目前还存在一些不足。一是评估方法及指标未统一，国外的研究体系已经趋于成熟，核算方法、分类标准等都已经完善，很多国外的城市已经编制了适合本土的温室气体清单，而我国目前在中小尺度层面上还没有比较权威可供参考的核算方法，同一对象按照不同的口径计算的碳排放及碳吸收结果不一样，这样就无法进行正确的评估；二是在碳排放量核算范围上，大多数以能源消耗为主，往往忽略了未利用地、其他农用地上的畜牧养殖等产生的碳排放，在小尺度实践应用层面存在一定局限性。因此，亟需制定适合本地区的碳收支核算体系，并且定期更新以适应区域的经济发展。

参考文献：

[1]方精云, 郭兆迪, 朴世龙, 等. 1981～2000 年中国陆地植被碳汇的估算. 中国科学(D 辑:地球科学). 2007(6): 804-812.

[2]赵荣钦, 黄贤金, 徐慧, 等. 城市系统碳循环与碳管理研究进展. 自然资源学报. 2009, 24(10): 1847-1859.

[3]Meng X, Han J, Huang C. An improved vegetation adjusted nighttime light urban index and its application in quantifying spatiotemporal dynamics of carbon emissions in China. Remote Sensing. 2017, 9(8): 829.

[4]Chen S, Long H, Chen B. Assessing urban low-carbon performance from a metabolic perspective. Science China (Earth Sciences). 2021,64(10):1721-1734.

[5]Zhang C, Zhao L, Zhang H, et al. Spatial temporal characteristics of carbon emissions from land use change in Yellow River Delta region, China. Ecological Indicators. 2022, 136: 108623.

[6]李竹,王兆峰,吴卫,等. 碳中和目标下中国省域碳平衡能力与城镇化的关系.自然资源学报. 2022, 37(12): 3136-3152.

[7]Asefi-Najafabady S, Rayner P J, Gurney K R, et al. A multiyear, global gridded fossil fuel CO2 emission data product: Evaluation and analysis of results. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2014, 119(17): 10213-10231.

[8]Liu Z, Guan D, Wei W, et al. Reduced carbon emission estimates from fossil fuel combustion and cement production in China. Nature. 2015, 524(7565): 335-338.

[9]景侨楠, 罗雯, 白宏涛, 等. 城市能源碳排放估算方法探究. 环境科学学报. 2018, 38(12): 4879-4886.

[10]Zhao R, Huang X, Liu Y, et al. Carbon emission of regional land use and its decomposition analysis: Case study of Nanjing City, China. Chinese Geographical Science. 2015, 25(2): 198-212.

[11]佘倩楠, 贾文晓, 潘晨, 等. 长三角地区城市形态对区域碳排放影响的时空分异研究. 中国人口·资源与环境. 2015, 25(11): 44-51.

[12]赵明月, 刘源鑫, 张雪艳. 农田生态系统碳汇研究进展. 生态学报. 2022, 42(23): 9405–9416.

[13]Bolin B. Changes of land biota and their importance for the carbon cycle. Science. 1977, 196(4290): 613-615.

[14]邓喆, 丁文广, 蒲晓婷,等. 基于 InVEST 模型的祁连山国家公园碳储量时空分布研究. 水土保持通报. 2022, 42(3): 324-334+396.

[15]Ghosh S, Dinda S, Chatterjee N D, et al. Spatial-explicit carbon emission sequestration balance estimation and evaluation of emission susceptible zones in an Eastern Himalayan city using Pressure-Sensitivity-Resilience framework: An approach towards achieving low carbon cities. Journal of Cleaner Production. 2022, 336: 130417.

[16]吕超群, 孙书存. 陆地生态系统碳密度格局研究概述. 植物生态学报. 2004(5): 692–703.

[17]Xu Q, Dong Y, Yang R. Influence of the geographic proximity of city features on the spatial variation of urban carbon sinks: A case study on the Pearl River Delta. Environmental Pollution. 2018, 243: 354-363.

基金项目：陕西省土地工程建设集团内部科研项目（DJNY-YB-2023-33）