呂達仁劉毅劉宇：追蹤碳足跡

　　呂達仁院士在巴黎氣候變化大會上和外國專家交流 資料圖片

　　CFP

　　在巴黎氣候變化大會上，各國艱難地通過了《巴黎協定》。中國在其中的貢獻得到了國際社會的好評，彰顯了負責任大國的氣度。中科院副院長丁仲禮曾說：排放權就是發展權。中國既要負責任，也要爭取平等合理的發展權。

　　最有力的證據是科學。針對我國應對氣候變化與碳減排的國際談判以及國家可持續發展最佳途徑選擇等重大科技需求，中科院于2010年底啟動了“應對氣候變化的碳收支認證及相關問題研究”專項（以下簡稱“碳專項”），有效組織中科院和相關高校等多學科交叉的優勢力量，幾千名科技人員在5年時間里、分5個項目群對相關問題進行了持續深入研究。

　　2015年12月，專項成果成為巴黎氣候變化大會上最受人矚目的學術焦點之一，各國科學家和媒體都表現出極大關注。然而，國內公眾對這一專項所取得的成果所知不多。本期，我們邀請碳專項首席科學家、中科院大氣所呂達仁院士，中科院大氣所劉毅研究員和碳專項總體組辦公室副主任劉宇撰文，介紹中國科學家對碳排放取得的新認識。

　　中國碳排放究竟有多少

　　近年來，全球人為溫室氣體排放量已達前所未有的最高水平，這“極有可能”是導致不斷加劇的氣候變化事件的主要原因。因此，溫室氣體排放清單一直是氣候模型構建、各國減排政策制定及國際談判與博弈的重要基礎。

　　20世紀70年代以來，西方國家率先開展對大氣中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）等溫室氣體排放濃度和各國碳排放清單的研究工作。聯合國氣候變化框架公約數據庫和世界資源研究所的研究較為權威，它們每年發布的全球各國的排放數據已經成為全球氣候變化談判與博弈的重要參考。在碳監測衛星方面，日本于2009年、美國于2014年先后發射了全球碳監測衛星，大大增加了發達國家在國際談判中的話語權。

　　中國的碳排放量因為體量大、增長快受到了全世界的廣泛關注，這使中國承受著越來越多的國際壓力。到目前為止，中國政府通過政府間氣候變化專業委員會向聯合國提交了1994年份和2005年份的溫室氣體清單。但自2005年以來，中國的產業不斷調整、技術不斷更迭，這給溫室氣體清單的研究帶來了更多的不確定性。顯然，在對全球變暖、應對氣候變化的空前關注和國際談判的持續推進下，近10年中國碳排放清單的較大不確定性，無法為決策者提供及時準確的碳排放狀況，可能會失去我國在國際氣候談判中的主動權。建立和完善溫室氣體排放統計制度既是我國有效履行國際義務的迫切需要，也是我國在應對氣候變化國際談判上贏得主動的重要保障。

　　碳專項第一個任務群，即“排放清單任務群”，包含了項目1“能源消費與水泥生產過程排放”、項目2“土地利用與畜牧業的甲烷和氧化亞氮排放”、項目3“自然過程碳排放”和項目4“衛星反演的‘凈排放’”4個項目，以期科學系統地研究我國在能源消費、土地利用、自然過程等領域的CO2、CH4和N2O等主要溫室氣體的排放量，并建立我國的溫室氣體基礎參數及排放數據庫。

　　利用項目1已經取得的關鍵數據參數，2015年8月20日項目研究團隊聯合哈佛大學、清華大學等24所國內外科研機構組成的科研團隊在《自然》上發表了題為《中國化石燃料與水泥生產碳排放核算修正》的研究論文，首次核算了基于實測排放因子的中國碳排放總量。結果表明，中國2013年碳排放總量比先前估計低15%，重新核算后的中國碳排放在2000-2013年間比國外機構估計量少了106億噸CO2，是《京都議定書》框架下具有強制減排義務的西方發達國家自1994年以來實際減排量的近百倍，也大于中國同期陸地總的碳匯吸收總量（95億噸CO2）。

　　項目2積累了大量的第一手資料，完成了牛、羊等反芻動物瘤胃腸道CH4排放及北京、南京和廣州畜禽排泄物堆肥化過程中CH4和N2O排放量的測定，為探討陸地生態系統CH4和N2O排放空間和時間變化規律，為以實際測定數據為依據編制我國畜牧業和垃圾填埋場CH4和N2O排放清單奠定了數據基礎。

　　項目3首次對我國油氣開發過程中溫室氣體排放狀況進行了實地檢測和計算，建立了適合我國油氣開發特點的碳排放計算方法，計算結果比IPCC方法低一個數量級。另外，科學家研究發現干旱區的確存在一個未被認識的無機碳匯，存在于荒漠區地下咸水層，儲存于其中的CO2形成碳匯，初步估計，這個碳庫總量（全球）高達1000億噸，是陸地上植物、土壤之外的第三個活動碳庫。這一未被認識的無機碳匯，對重新評估全球碳匯的格局提供了依據。

　　項目4在星載高光譜探測方面重點突破了精細光譜獲取光學技術，研制出短波紅外高光譜探測原理樣機；突破了短波紅外高靈敏度探測器技術，提高了器件響應量子效率及均勻性，完成了短波紅外焦平面探測器樣片的綜合測試，經測試探測器暗電流密度由100nA/cm2提高到10nA/cm2的世界先進水平。同時，在CO2衛星遙感反演算法方面也取得了突破性進展：科研團隊研發的具有自主知識產權的短波紅外大氣CO2濃度反演方法，使用日本GOSAT衛星觀測數據進行反演試驗并利用地基TOCCN驗證資料進行驗證，發現其反演精度達到國際先進水平。

　　中國生態系統能固碳多少

　　陸地生態系統固碳是當前國際社會公認的最經濟可行和減緩大氣CO2濃度升高的重要途徑之一。中國陸地生態系統具有非常強的固碳速率和潛力，尤其是森林生態系統。為了精準評價陸地生態系統固碳效應并制定適宜的管理措施，我們亟須自主研發符合中國國情的陸地生態系統碳儲量、固碳速率與固碳潛力的監測、計量和模擬分析系統，建立科學的、能被國際同行認可的精準計量方法和可供核查的數據庫。

　　為此，碳專項專門設置了“生態系統固碳任務群”，通過大量實測數據來深入揭示中國陸地生態系統碳儲量、固碳速率及其時空分布格局、國家重大生態工程的固碳效應等。任務群由3個項目組成，分別是項目5“中國生態系統固碳的現狀、速率、機制和潛力”、項目6“國家重大生態工程固碳量評價”和項目7“典型區域生態固碳增匯技術體系與示范”。

　　任務群組織編寫了陸地生態系統野外觀測與調查技術規范，確保了項目群內野外調查數據的規范性、時間和空間上的代表性以及不同生態系統間數據的可比性。這一任務群采用頂層設計的模式布置野外調查樣地，既保證森林、灌叢、草地和農田生態系統的野外調查樣地的代表性，又實現了對主要陸地生態系統類型的全覆蓋且不重復調查和計算的目的。目前任務群已構建了全球首個國家尺度的陸地生態系統碳清查體系，為中國碳清查以及生態監測、評估和保護提供了強大的支撐平臺。此外，還建立了長期樣品保存庫與樣品檢索系統。

　　中國森林覆被率由20世紀80年代的13.92%，快速增至2010年的20.36%；隨著中國大面積人工林的逐步成長，中國森林將具有巨大的固碳潛力。東亞季風區的亞熱帶森林生態系統凈生產力（NEP）總量約為每年7.2億噸碳，約占全球森林生態系統NEP的8%。亞洲的亞熱帶森林生態系統在全球碳循環及碳匯功能中發揮著不可忽視的作用，挑戰了過去普遍僅僅認定歐美溫帶森林是主要碳匯功能區的傳統認識。

　　如果把中國看為一個大尺度的生物—社會群區生態系統，采用多源數據整合分析技術，中國陸地生態系統可以形成每年4.1億噸碳的碳匯總量。人為干擾引起的碳排放可達到NEP的42.65%，因此，加強生態系統過程管理、減少人為活動的碳排放和增加已經固定有機碳在大尺度生物—社會群區生態系統的滯留時間也是增加陸地碳吸收和減緩氣候變化的重要措施。

　　項目6基于文獻調研、森林清查資料和土壤普查資料，明確了六個重大生態工程的面積和工程規劃區的初始植被和土壤碳密度；并以此為基線值，結合碳專項大規模實測數據，科學評估了六個重大生態工程2000-2010年間的固碳量。六個國家重大生態工程區在我國16%的土地上形成的碳匯量約占我國當前陸地生態系統碳匯的50%。

　　項目7在中國北方沙化草地推廣“草原牧雞”模式、三江源地區推廣“種草養畜”和“暖牧冷飼”生態畜牧業模式、石漠化地區推廣的“路面集雨與管網化灌溉”等模式，可顯著提高生態系統固碳能力。據初步估算，草原牧雞可使內蒙古沙化退化草原碳儲量提高37.7%；圍封、建植人工植被和退耕還草可分別提高三江源地區退化草地碳儲量37.1%、15.9%和11.5%。通過對南方中齡林以上人工林進行恢復改造，可提高森林碳匯37%。

　　二氧化碳對氣候變化影響有多大

　　當前國際氣候變化公約談判的重要科學基礎之一是假定未來全球平均氣溫相對工業革命前的增溫應該控制在2℃之內（即所謂的2℃閾值），相應的CO2當量濃度不超過450ppm。全球溫度變化與溫室氣體濃度的對應關系，是減排目標的邏輯起點，其本質上是CO2排放空間的問題。2℃增溫是否與450ppmCO2當量濃度掛鉤決定于溫度對CO2濃度的敏感性（氣候敏感性）。

　　隨著國內經濟的發展，我國溫室氣體的排放和氣溶膠的濃度均是高值，因此迫切需要從科學層面深入研究給出全球2℃增溫對應的溫室氣體濃度及出現時間，為國家氣候變化外交談判和應對氣候變化政策制定提供依據。碳專項設立的“氣候敏感性任務群”從獲取氣候變化基礎數據、發展完善中國科學院氣候系統模式、預估全球2℃增溫對應的溫室氣體濃度及其出現時間等三個方面進行了深入研究。氣候敏感性任務群下設四個項目：項目8“過去2000年氣候變化記錄、幅度、速率、周期、突變、原因”、項目9“過去百年氣候增暖及成因”、項目11“我國氣溶膠歷史變化及氣候效應”和“氣候模式模擬和預估中的不確定性問題”。

　　氣候變化已經成為一些政府發展其國家規劃和全球戰略的重要依據。特別是，近百年全球平均變暖作為一個不爭的事實，已成為決策者必須考慮的問題。專家們收集、整編了多個來源的百年尺度器測氣溫資料，經過統一、可核查的嚴格質量控制，綜合利用標準序列法、偏最小二乘回歸、多元回歸等插補方法進行缺測值插補，建立了18個站1909-2009年氣溫月值序列，進而對各序列進行了初步的均一化檢驗與校訂，最終得到一套新的百年氣溫序列集。該套近百年中國均一化氣溫觀測資料集，將是國際氣候界期盼多年的基礎科研成果，具有填補空白的意義。

　　均一化的氣溫序列顯示了1.52℃每百年的增暖速率，這比IPCC第五次評估報告所得的1901-2012年全球平均增暖0.89℃要快，原因在于西伯利亞急劇增暖導致中國冬季寒潮減弱、印度洋持續增暖加劇區域暖平流以及局地城市化效應對近幾十年氣溫序列增暖的貢獻。說明我國是受近百年人類活動所致全球變暖影響較大的區域。該成果已被國際公認的英國東英格利亞大學氣候研究所全球格點氣溫數據集和第三次國家氣候變化評估報告采納使用。

　　IPCC第5次氣候變化評估報告總結指出，在氣候變化的諸多驅動因子中，氣溶膠的氣候效應仍然是各種因素中不確定性最大的部分。作為全球氣溶膠濃度最高的區域之一，中國氣溶膠在氣候變化中的作用尤其重要。項目10建立了中科院的氣溶膠地面濃度觀測網和氣溶膠-云-輻射觀測網，是我國首次為研究氣溶膠氣候效應設置的國家尺度的、能長時間系統性并行監測氣溶膠濃度和光學參數的觀測網。通過2012-2014年的連續觀測，已獲取全國氣溶膠各主要成分（硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、黑碳、有機碳等）在9個粒徑段的質量濃度，首次給出了具有全國代表性的氣溶膠物理化學譜分布特征。以觀測數據作為支撐，專家們分析發現IPCC第5次氣候變化評估報告采用的氣溶膠—氣候模式普遍低估中國區域氣溶膠的濃度和光學厚度，即低估了氣溶膠在氣候敏感性中的作用，為國際國內氣溶膠氣候效應的模擬研究提出了新的挑戰。

　　從過去兩萬年看氣候變化對地球的影響

　　在應對全球氣候變化面臨的一系列核心科學問題中，理解氣候變化的機制、準確評價氣候變化的影響，是趨利避害、采取應對措施的科學基礎。對氣候變化因素和機制的全面理解，需研究更長時間尺度的氣候變化歷史。約兩萬年以來，全球氣候經歷了從末次冰盛期到全新世大暖期的大幅度增溫和后續的總體降溫，大氣溫室氣體濃度也經歷了較大幅度的波動。這些發生在地質歷史時期的氣候環境變化、影響與適應過程，無疑為深入理解氣候變化的機制，揭示不同速率和幅度的氣候變化對生態環境的影響提供了理想的研究場景，亦可為研究人類對未來氣候變化的適應提供歷史借鑒。

　　碳專項設置的“影響與適應任務群”包含項目12“大暖期環境格局”和項目13“氣候變化背景下人類適應方式”兩個項目。前者以全新世大暖期為“相似型”，研究過去全球平均溫度增加約1-2℃情形下我國環境格局及其對陸地生態系統的可能影響，為人類適應研究提供自然環境背景及參照；后者通過對不同氣候環境背景下人類演化和適應方式的研究，探討了適應氣候變化的規律和模式，為未來如何適應氣候變化提供啟示。

　　影響與適應任務群研究顯示，近百年來的全球氣候變暖，正好疊加在氣候自然變率的一個暖相位上，它開始于十九世紀三十年代，持續約170年，很可能在未來幾十年后結束，進入一個約250年的冷相位。換句話說，目前的氣候變暖中有自然變暖的周期背景，自然變率的影響和貢獻應當給予更多的研究。

　　人類起源與演化一直是國際生命科學和地球科學研究的焦點。近5年來，項目13的專家們通過對湖南省道縣福巖洞人類牙齒化石的系統發掘，發現了東亞地區最早的現代人，揭示出在距今8-12萬年間，現代智人在我國南部就已出現，比歐洲和西亞早至少3.5-7.5萬年，這一發現表明華南可能是東亞地區現代人演化和擴散的中心，現代人類的演化比以往認為的更為復雜。

　　全球變暖—海平面上升與人類活動對海岸線變化的影響，不僅關系到現階段人類的生存與發展，同時也將深刻地影響未來國家層面相關政策的制定。基于1940-2014年間6個時相的中國大陸岸線數據和12次野外考察的實測數據，揭示出70多年來，人工岸線比例持續增加，自然岸線比例持續減少，到2014年我國的自然岸線比例不足33%。盡管70多年來，氣候變暖導致海平面上升，但由于人類活動的加劇，特別是養殖、鹽田、交通圍墾、圍堤等活動，整個大陸沿海凈變化結果是陸地面積（不包括臺灣地區）增加。大陸岸線的變化以向海擴張趨勢為主要特征，超過68%的海岸總體向海擴張，超過22%的海岸總體向陸后退。

　　探索中國特色的綠色低碳發展道路

　　碳專項第五任務群“綠色發展任務群”針對國際談判和國內發展轉型需要，開展了未來綠色低碳發展情景和碳排放預測模擬分析，研究低碳發展的政策和制度設計，并評估了不同低碳政策措施的減排潛力和成本；同時開展了統計調研，核算居民家庭碳排放和出口產品碳足跡，構建了氣候變化信息服務平臺，從而為我國綠色低碳發展相關決策提供了基于科學和基于證據的支持。任務群下設項目14“區域碳排放與產品碳足跡”和項目15“應對氣候變化的碳收支相關政策研究”。

　　五年來，綠色發展任務群共提交政策咨詢報告20多份，相關負責人多次參與中央和國家部委的應對氣候變化重大決策咨詢，對政府高水平決策起到了很大的支持作用。

　　結合國家談判需求，專家們模擬分析了中國未來的碳排放峰值時間及政策組合，該成果在2014年“中美氣候談判專家對話”做了闡述，支持了《中美氣候變化聯合聲明》。研究發現，僅僅依靠單一政策中國是不可能出現碳排放峰值的，通過借助不同的政策組合，中國碳排放出現峰值時間大約在2032-2049年之間。另外，中國要提前達到碳排放峰值，需要付出一定的經濟代價：2030年前，與參考情景相比，不同政策情景模擬結果顯示年均GDP宏觀損失約在1.3%～3.7%。

　　綠色發展任務群進一步提出了“十三五”應對氣候變化的指導思想、目標體系和保障措施，強調要構建以碳排放總量、碳排放強度、非化石能源消費占比和碳匯為核心的四維目標指標體系，推動目標體系、體制機制、管理模式、政策措施和試點示范的全面轉型，制定和完善圍繞碳排放總量控制的制度安排和政策體系，努力走一條符合中國基本國情的可持續發展之路。相關建議有力地支持了國家“十三五”規劃的制定。

　　碳專項的實施，為國家推進綠色低碳發展戰略提供了較好支持。但作為一個快速轉型的國家，當前我國綠色低碳發展面臨的國內外形勢與專項立項時的情景完全不同。一方面，從國內看，經濟發展開始向新常態轉型，GDP增速由高速增長向中高速調整，能源需求增速下滑，由此帶來能源價格等一系列因素的變化；另一方面，國際社會上，全球格局“西降東升”的趨勢依然在持續。中國科學家將根據新形勢，聚焦國家需求，進一步開展相關研究。