從碳平衡的角度看低碳發(fā)展和可持續(xù)性

杜 雯 機(jī)械工業(yè)環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心

一、引言

城市化給全球資源管理帶來(lái)了巨大的壓力?？沙掷m(xù)的城市化正在成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)發(fā)展中國(guó)家[1]。中國(guó)正處于社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，其城市化戰(zhàn)略一直是世界關(guān)注的焦點(diǎn)。如今，城市化和氣候變化是不可避免地聯(lián)系在一起的，它們是復(fù)雜的、多方面的、往往是微妙的雙向互動(dòng)。自2001年全球碳計(jì)劃(GCP)啟動(dòng)以來(lái)，碳循環(huán)與可持續(xù)性的關(guān)系一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要課題。GCP的目標(biāo)是建立全球碳循環(huán)的完整圖景，包括自然和人為的二氧化碳來(lái)源，以及與氣候和人類活動(dòng)的相互作用和聯(lián)系[2]。碳循環(huán)研究的關(guān)鍵問(wèn)題包括碳排放和碳匯的時(shí)空格局、不同來(lái)源間的動(dòng)態(tài)過(guò)程和機(jī)制以及碳管理策略。此外，碳足跡的概念最早是用來(lái)估計(jì)一個(gè)組織、事件、產(chǎn)品或個(gè)人造成的溫室氣體(GHG)排放總量。然后可以在國(guó)家或全球水平上建立一個(gè)集體碳足跡。碳循環(huán)主要強(qiáng)調(diào)碳排放和碳匯的動(dòng)態(tài)變化，而碳足跡的概念通常是指絕對(duì)效應(yīng)或影響?，F(xiàn)有的碳循環(huán)研究主要集中在全球、國(guó)家或城市等大尺度上。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳交換在20世紀(jì)80年代基本達(dá)到平衡，到了90年代成為凈碳匯[3]。20世紀(jì)80年代和90年代中國(guó)陸地碳平衡，中國(guó)東北是大氣中二氧化碳的凈源，而中國(guó)南方占了碳匯的65%以上[4]。雖然全球碳平衡反映了整個(gè)世界的整體情況，但通過(guò)使用當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)局的高分辨率數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖像，地方碳循環(huán)可以提供詳細(xì)的證據(jù)。例如，可以更好地估計(jì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田和沿街和河流散布的樹木的影響，而這在全球和國(guó)家碳預(yù)算中通常被忽視。

2015年在巴黎舉行的第21次締約方大會(huì)上，中國(guó)在國(guó)家自主貢獻(xiàn)計(jì)劃(INDC)中宣布，中國(guó)將在2030年或更早的時(shí)候達(dá)到碳排放總量的峰值[5]。在氣候變化背景下，碳排放約束加大，低碳發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。因此，有效的碳管理在創(chuàng)建一個(gè)可持續(xù)的社會(huì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，盡管我們?nèi)匀粚?duì)地方層面的碳循環(huán)和代謝知之甚少，特別是在發(fā)展中地區(qū)。同時(shí)，缺乏從碳循環(huán)的角度來(lái)綜合評(píng)價(jià)歷史和現(xiàn)行政策對(duì)可持續(xù)發(fā)展的影響的綜合方法。計(jì)劃與實(shí)踐之間的差距也因缺乏系統(tǒng)的計(jì)劃績(jī)效評(píng)估方法而擴(kuò)大。例如，低碳規(guī)劃和實(shí)踐之間的脫節(jié)往往會(huì)導(dǎo)致一種似是而非的發(fā)展，偏離最初的低碳目標(biāo)。本研究探討了碳代謝與可持續(xù)性之間聯(lián)系的概念模型。旨在為地方?jīng)Q策者提供可持續(xù)性評(píng)價(jià)的碳平衡定量分析工具，為城市化進(jìn)程中的時(shí)空優(yōu)化提供參考。本研究還旨在進(jìn)一步理解可持續(xù)發(fā)展的基本原理，為決策者實(shí)現(xiàn)可持續(xù)碳資源管理提供理論依據(jù)。

二、碳中和的發(fā)展現(xiàn)狀

2015年，城市人口占全球總?cè)丝诘?4%，預(yù)計(jì)將上升至全球人口的66%?？沙掷m(xù)的城市化是實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展、提高全球可持續(xù)性的關(guān)鍵。碳循環(huán)在城市化地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，城市化地區(qū)既是環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)者，也是環(huán)境變化的接受者。本研究探討了如何從碳循環(huán)的角度衡量局部可持續(xù)性，強(qiáng)調(diào)了碳匯的不可替代作用。

碳循環(huán)在全球、國(guó)家或城市層面已經(jīng)有了很多研究。然而，由于數(shù)據(jù)的缺乏碳循環(huán)研究較少。在較小的尺度上，缺乏或缺乏與碳循環(huán)相關(guān)的數(shù)據(jù)是很常見(jiàn)的。因此，基于分析方法可以為數(shù)據(jù)的獲取提供有益的補(bǔ)充。此外，碳循環(huán)容易受到不同層次政策的影響，特別是對(duì)周邊地區(qū)依賴程度較高的地區(qū)。隨著人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的認(rèn)識(shí)，碳封存能力已經(jīng)成為一種獨(dú)特的資源。不同地區(qū)的碳排放與碳匯差距可能與環(huán)境影響的規(guī)模和強(qiáng)度在多個(gè)層面上存在關(guān)聯(lián)。因此，碳平衡是分析碳代謝與可持續(xù)發(fā)展關(guān)系的理想概念。碳平衡分析可以確定地方對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)，是將地方行動(dòng)與全球影響聯(lián)系起來(lái)的有效工具。坦率地說(shuō)，在小空間尺度上實(shí)現(xiàn)碳平衡是困難的，因?yàn)槌鞘谢貐^(qū)通常有更多的排放。然而，由于人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的影響不同，碳排放與碳匯的相對(duì)比例可以揭示多樣性。例如，城市化地區(qū)生活水平的提高將增加碳排放，城市化的影響將改變土地使用(例如從農(nóng)田到建設(shè)用地)。另一方面，工業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步可以提高能源效率，同時(shí)減少碳排放。

三、碳平衡與可持續(xù)發(fā)展之間關(guān)系

碳平衡的概念與可持續(xù)發(fā)展是一致的，原因有三。首先，可持續(xù)發(fā)展強(qiáng)調(diào)自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的平衡，而碳平衡也強(qiáng)調(diào)人為排放和自然匯的平衡。其次，可持續(xù)性受到自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等因素的影響，其中自然因素最為重要。碳平衡分析還指出了碳匯的重要作用。然后提出不同方面的平衡發(fā)展可能與碳排放和碳匯之間的復(fù)雜聯(lián)系有關(guān)。第三，碳平衡分析可以幫助確定地方碳管理的優(yōu)先事項(xiàng)，這有助于低碳發(fā)展作為可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。因此，碳平衡可以定量地部分揭示特定的狀態(tài)。與強(qiáng)可持續(xù)性的概念相一致，即假設(shè)經(jīng)濟(jì)和自然資本不總是可以互換的，一些生態(tài)功能不能被人類或人力資本重復(fù)，碳平衡分析還可以識(shí)別協(xié)調(diào)發(fā)展的最關(guān)鍵要求，這是維持生態(tài)底線的基礎(chǔ)。因此，通過(guò)碳平衡分析來(lái)評(píng)估低碳發(fā)展和、可持續(xù)性是一種可能的方法。此外，城市化還涉及人口和產(chǎn)業(yè)的時(shí)空重新分布，導(dǎo)致不同的碳排放和碳匯之間的轉(zhuǎn)換。因此，土地利用或覆被變化也可能與碳平衡的空間分異有關(guān)。

(一)碳排放的分析

政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的《全球升溫1.5℃特別報(bào)告》指出，碳中性是指一個(gè)組織通過(guò)二氧化碳消除技術(shù)在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放的平衡，也稱凈零二氧化碳排放。碳中和目標(biāo)是到2030年全球二氧化碳排放量比2010年減少45%左右，到2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放，實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放。碳中和的首要任務(wù)是到本世紀(jì)末將全球變暖控制在1.5℃以內(nèi)。碳中和不僅可以緩解氣候變化，而且是人類保護(hù)生態(tài)環(huán)境的根本措施。它還有助于保護(hù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)，防止更多物種滅絕。碳中和加快了能源體系的低碳、綠色轉(zhuǎn)型，為全球提供了一個(gè)新興的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。根據(jù)國(guó)際可再生能源署發(fā)布的《2050年能源轉(zhuǎn)型》，碳中和可以為全球經(jīng)濟(jì)帶來(lái)額外2.4%的GDP增長(zhǎng)，并在能源行業(yè)增加700萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位等。

(二)碳中和的進(jìn)展與實(shí)踐

截至2021年1月，根據(jù)英國(guó)能源與氣候情報(bào)部門的統(tǒng)計(jì)，世界上已有28個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)或承諾實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[5]。其中，蘇里南和不丹實(shí)現(xiàn)了碳中和；包括瑞典、英國(guó)、法國(guó)已經(jīng)承諾在法律上實(shí)現(xiàn)碳中和；歐盟、加拿大、韓國(guó)等6個(gè)國(guó)家和地區(qū)正在制定相關(guān)法律；包括中國(guó)、澳大利亞、日本和德國(guó)在內(nèi)的14個(gè)國(guó)家承諾實(shí)現(xiàn)碳中和。2050年是世界實(shí)現(xiàn)碳中和的主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，除這兩個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)碳中和的國(guó)家外，芬蘭承諾最早在2035年實(shí)現(xiàn)碳中和。其他99個(gè)國(guó)家正在討論碳中和目標(biāo)，其中烏拉圭計(jì)劃在2030年設(shè)定目標(biāo)，其他國(guó)家則計(jì)劃在2050年設(shè)定目標(biāo)。這兩個(gè)實(shí)現(xiàn)碳中和的國(guó)家都具有土地面積小、森林覆蓋率極高的特點(diǎn)。其中，蘇里南的森林覆蓋率為90%，不丹的森林覆蓋率為72%。在碳中和進(jìn)程中，歐盟一直是最積極的參與者，愿意建立第一個(gè)碳中和大陸。歐盟委員會(huì)于2019年12月發(fā)布的《歐洲綠色協(xié)議》中提到，2030年溫室氣體排放量將比1990年減少50%—55%，到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。日本政府于2020年12月提出的“綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略”被認(rèn)為是日本在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)度表。對(duì)于已經(jīng)承諾實(shí)現(xiàn)碳中和的國(guó)家，除了歐盟和日本已經(jīng)制定了具體的碳中和路線圖外，其他國(guó)家的碳中和路徑仍在制定之中。

本文對(duì)主要國(guó)家和地區(qū)的做法進(jìn)行了如下分析和總結(jié)：

1.逐步退出燃煤發(fā)電計(jì)劃。除德國(guó)外，承諾實(shí)現(xiàn)碳中和的歐盟國(guó)家的煤炭資源相對(duì)較少，領(lǐng)土面積也較小。這些國(guó)家都終止了燃煤發(fā)電。德國(guó)宣布將在2040年前退出燃煤發(fā)電。煤炭資源相對(duì)豐富、煤炭占電力消費(fèi)比重較高的國(guó)家(如澳大利亞)尚未確定退出煤炭發(fā)電的計(jì)劃。

2.加快太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能等新能源產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用和推廣。光伏發(fā)電將成為歐盟和日本的主要電力來(lái)源，海上風(fēng)力發(fā)電將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。據(jù)估計(jì)，到2050年，歐盟和日本的海上風(fēng)力發(fā)電將增加25倍以上。在氫能方面，歐盟注重綠色氫的生產(chǎn)和制備；日本全面發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)鏈；韓國(guó)已經(jīng)對(duì)氫能進(jìn)行立法，將其應(yīng)用范圍擴(kuò)大到交通、冶金、發(fā)電等領(lǐng)域。

3.發(fā)展固碳和碳轉(zhuǎn)化技術(shù)。德國(guó)將重新啟動(dòng)二氧化碳捕集和封存項(xiàng)目，同時(shí)利用其豐富的天然氣管網(wǎng)設(shè)施，快速發(fā)展電制氣技術(shù)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷用于管網(wǎng)運(yùn)輸。日本正在開(kāi)發(fā)二氧化碳捕獲和資源回收技術(shù)。到2030年，二氧化碳回收燃料的價(jià)格將與傳統(tǒng)航空燃料相當(dāng)，到2050年，二氧化碳制造的塑料產(chǎn)品的價(jià)格將與現(xiàn)有塑料產(chǎn)品的價(jià)格相當(dāng)。

4.引入碳定價(jià)機(jī)制，提高碳排放成本。歐盟開(kāi)始實(shí)施排放交易計(jì)劃，這是世界上第一個(gè)有多個(gè)國(guó)家參與的碳排放交易制度。該交易系統(tǒng)采用限額與交易規(guī)則，通過(guò)行政許可交易，以限制溫室氣體排放總量為基礎(chǔ)進(jìn)行碳排放交易。通過(guò)規(guī)定限額和制定交易計(jì)劃，該交易體系還對(duì)各成員國(guó)設(shè)定限額，將減排目標(biāo)分配給企業(yè)，并確定減排上限以強(qiáng)制執(zhí)行。

四、碳中和可持續(xù)性主要挑戰(zhàn)和策略

碳中和是全球氣候變化的解決方案已成為全球共識(shí)，但其實(shí)施仍面臨政治、能源、技術(shù)、市場(chǎng)、能源結(jié)構(gòu)等各方面的挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)碳中和是一個(gè)全球性的目標(biāo)，需要世界各國(guó)的合作。聯(lián)合國(guó)安理會(huì)常任理事國(guó)應(yīng)該在碳中和目標(biāo)上發(fā)揮帶頭作用，然而，美國(guó)和俄羅斯還沒(méi)有承諾做到碳中和。在全球碳排放前五名的國(guó)家中，印度尚未承諾實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間。安哥拉、伊朗、伊拉克、南蘇丹、土耳其、也門等國(guó)最初簽署了《巴黎氣候協(xié)定》，但尚未獲得正式立法批準(zhǔn)。另外99個(gè)國(guó)家正在討論碳中和目標(biāo)，這些目標(biāo)尚未被采納。

開(kāi)發(fā)新能源取代化石燃料是實(shí)現(xiàn)碳中和的首要措施。包括太陽(yáng)能和風(fēng)能在內(nèi)的新能源在全球的分布在時(shí)間和空間上都有很大的差異，這給新能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。全球太陽(yáng)能資源主要集中在赤道附近和北回歸線與南回歸線之間，其中北非撒哈拉地區(qū)最為豐富。非洲大陸東部和南部、中國(guó)西北地區(qū)、澳大利亞也是太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)。風(fēng)能資源主要分布在東亞、東南亞、中亞和美國(guó)南緯30度至北緯30度的地區(qū)，以及中國(guó)的北部和東部地區(qū)、蒙古、澳大利亞的東北地區(qū)、非洲的撒哈拉沙漠南部等地區(qū)。全球陸地太陽(yáng)能和風(fēng)能在不同地區(qū)和季節(jié)差異顯著。

新能源技術(shù)的成熟程度決定了碳中和過(guò)程的進(jìn)展。太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電的總體價(jià)格仍高于煤炭發(fā)電。同時(shí)，峰谷穩(wěn)定性還很不理想，調(diào)峰技術(shù)還需要進(jìn)一步創(chuàng)新。重工業(yè)、長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域很難實(shí)現(xiàn)電氣化。雖然氫燃料電池是最佳選擇，但一些關(guān)鍵技術(shù)仍處于示范和原型階段，尚未達(dá)到推廣和大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。與傳統(tǒng)化石能源制氫(也稱灰氫)相比，可再生能源制氫(也稱綠氫)成本較高，相應(yīng)的二氧化碳捕集和封存技術(shù)仍處于示范階段。雖然低碳技術(shù)轉(zhuǎn)讓能夠顯著減少碳排放、控制變暖效應(yīng)，但發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)發(fā)展中國(guó)家提供資金和低碳技術(shù)援助的承諾尚未兌現(xiàn)。在碳中和過(guò)程中，新能源的推廣應(yīng)用依賴于成本優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用便利。目前，新能源的成本每年都在下降，但與化石能源相比，仍然缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。特別是在2020年全球原油價(jià)格暴跌的時(shí)候，化石燃料的成本優(yōu)勢(shì)對(duì)新能源轉(zhuǎn)型造成了不利影響。新能源配套設(shè)備的不完善也帶來(lái)了不便。充電樁不普及、加氫站數(shù)量不足等問(wèn)題推高了新能源汽車的使用成本。

五、結(jié)語(yǔ)

生態(tài)環(huán)境關(guān)系到人類的生存和可持續(xù)發(fā)展，需要各國(guó)攜手應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。碳中和不僅是人類應(yīng)對(duì)全球氣候變化的共識(shí)，也是世界各國(guó)的共同目標(biāo)。碳替代、碳減排、碳固存和碳循環(huán)是實(shí)現(xiàn)碳中和的四大途徑，其中碳替代是實(shí)現(xiàn)碳中和的骨干力量。碳平衡是一個(gè)理想的目標(biāo)，而不是一個(gè)真實(shí)的狀態(tài)。由于方法、參數(shù)和可用數(shù)據(jù)的不確定性，碳平衡分析的方法將受益于新知識(shí)、數(shù)據(jù)集和及時(shí)更新的數(shù)據(jù)庫(kù)的額外工作。這項(xiàng)工作可以在許多方面進(jìn)行擴(kuò)展。特別是碳平衡長(zhǎng)期時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)力有待進(jìn)一步研究。