孫小兵理事：關於全球碳匯的12個問答
關於全球碳匯的12個問答
孫小兵
2023年12月9日
目 錄
問題1：全球參與中短期碳迴圈的碳庫結構如何？
問題2：2300萬年以來全球碳迴圈趨向的大氣二氧化碳濃度平衡態是多少？
問題3：陸地系統的碳匯機制是什麼？
問題4：海洋系統的碳匯機制是什麼？
問題5：海洋增溫和層化加劇是否對海洋生態系統碳匯產生較大影響？
問題6：海洋酸化是否對海洋生態系統產生較大影響？
問題7：陸海自然系統之外是否存在其他重要的負碳機制？
問題8：如何看待凍土消融對碳排放的影響？
問題9：2050年全球陸海系統碳匯量是多少？
問題10：對全球2050年實現碳中和持什麼態度？
問題11：2060年中國陸海系統碳匯量是多少？
問題12：2060年中國二氧化碳排放預算是多少？
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問題1：全球參與中短期碳迴圈的碳庫結構如何？
答：截至2021年，全球參與中短期碳迴圈的碳庫結構（不含岩石圈）為：煤炭，560億噸碳；石油，230億噸碳；天然氣，115億噸碳；大氣，875億噸碳；永久凍土，1400億噸碳；土壤，1700億噸碳；陸生植被，450億噸碳；河湖海岸，50億噸碳；海洋生物群，3億噸碳；海底表層沉積層，1750億噸碳；海洋有機碳，700億噸碳；海洋溶解無機碳，37000億噸碳。各碳庫占比見圖1-1。
圖1-1 全球參與中短期碳迴圈的碳庫結構（2021年，品質占比）[1]
問題2：2300萬年以來全球碳迴圈趨向的大氣二氧化碳濃度平衡態是多少？
答：從2300萬年（類人猿到智人的演化階段）以來的地球歷史看，全球碳迴圈趨向的大氣二氧化碳濃度平衡態為250ppm。地球演化歷史表明，地質運動與陸海生物演變共同“修飾”了地球的形態，其中，碳迴圈是生物演變的關鍵動力。6000萬年來，大氣中二氧化碳濃度經歷了數次衝擊變化，之後均在相對較短的地質時間回落。比如，5220-5100萬年，大氣二氧化碳濃度由3515ppm降至619ppm；5030-4700萬年，大氣二氧化碳濃度由844ppm降至471ppm；4570-4430萬年，大氣二氧化碳濃度由1041ppm降至562ppm；2350-2300萬年，大氣二氧化碳濃度由435ppm（與目前相當）降至278ppm（與工業革命前相當）[2]。2300萬年以來（類人猿到智人的演化階段），因地殼趨向穩定，大規模火山噴發、周圍沉積岩燃燒等劇烈碳釋放事件趨於微弱，大氣二氧化碳濃度基本在250ppm上下波動，見圖2-1。總體來看，在6000萬年（恐龍滅絕以來）或4500萬年（高級靈長類動物向智人演化）的地球歷史中，工業革命後的大氣二氧化碳濃度衝擊，僅為中等偏弱強度的衝擊。
圖2-1 大氣二氧化碳濃度變化（6000萬年-8萬年）
問題3：陸地系統的碳匯機制是什麼？
答：之前，學術界普遍認為陸地系統特別是自然生態系統會趨向碳“呼吸”平衡，即，自然生態系統是“零碳匯”，就是現代生態學奠基人美國生態學家奧德姆（E. P. Odum）的觀點。2018年，IPCC《全球升溫1.5℃特別報告》大體採用了這個觀點，該報告的生態碳匯僅考慮人為治理後的增加部分。實際上，成熟生態系統“零碳匯”的平衡態是在穩態條件下發生的，要求大氣的二氧化碳濃度、氣候、生態系統養分等狀況不偏離穩定狀態。工業革命以來，大氣二氧化碳濃度從278ppm上升到418.8ppm（2023年10月夏威夷觀測數據），這種急劇變化，為植物提供了更多光合底物，提高了陸地植被光合效率（二氧化碳“施肥”效應），驅動生態系統由原有“零碳匯”平衡態向新平衡態遷移。在遷移過程中，生態系統處於非平衡態，從而形成了生態系統碳匯。中國科學院院士樸世龍等人對此有專門研究，具體可查閱相關文獻[3]。我們從全球碳迴圈歷史數據中也觀察到了該現象，1959年以來，全球陸地系統二氧化碳淨吸收量在震盪增加，見圖3-1。2000-2021年，陸地系統碳匯占全球碳匯的51.7%，占人為碳排放的29.3%。
圖3-1 全球陸地系統二氧化碳淨吸收量（1959-2021年）[1]
問題4：海洋系統的碳匯機制是什麼？
答：海洋吸收大氣二氧化碳的已知機制包括溶解度泵（SP）、碳酸鹽泵（CP）、生物泵（BP）、微型生物泵（MCP）。海洋碳庫在地球氣候變化中扮演“調和-回饋”角色，在穩定地質時期對氣候變化起“平衡”作用，在地質突變時期起“回應-緩衝”作用，在地質突變後起“調節-回饋”作用[4]。海洋參與中短期碳迴圈的碳庫規模占全球總規模的89.6%（2021年數據），海洋碳迴圈是涉及全球氣候變化的宏大命題。工業革命前，海洋是大氣的碳源，海洋到大氣的二氧化碳通量平均值為18.3億噸二氧化碳/年[5]。工業革命後，海洋從大氣碳源轉變為大氣碳匯，且淨吸收量逐年增加，到2021年，全球海洋淨吸收量為106億噸二氧化碳/年[1]，達到全球人為碳排放的25.5%。在碳源到碳匯的變化過程中，溶解度泵（SP）是主要驅動機制。根據Cox P M等人的研究，海洋溶解度泵（SP）的飽和淨吸收上限為183億噸二氧化碳/年[6]。根據我們的匡算，2100年之前，按照大氣中二氧化碳濃度變化情況（見圖6-2），海洋溶解度泵（SP）的淨吸收最高值出現在2045-2050年，為140億噸二氧化碳/年，遠小於飽和吸收度。1959年以來，全球海洋二氧化碳淨吸收量變化見圖4-1。
圖4-1 全球海洋系統二氧化碳淨吸收量（1959-2021年）[1]
問題5：海洋增溫和層化加劇是否對海洋生態系統碳匯產生較大影響？
答：高概率不會產生較大影響。海洋生態系統吸收二氧化碳的機制包括生物泵（BP）和微型生物泵（MCP）。在海洋增溫和層化加劇的情景下，微型生物泵（MCP）介導的有機碳輸入會增加，生物泵（BP）效率會降低，微型生物泵（MCP）的增加量大於生物泵（BP）減少量，會對緩解全球氣候變化產生有利影響[7]。2022年，中國科學院院士、廈門大學海洋與地球學院焦念志教授牽頭發起的海洋負排放（ONCE）國際大科學計畫，被正式批准為聯合國海洋科學促進可持續發展十年行動計畫及聯合國十年倡議計畫框架（UN Decade）中的國際大科學計畫。對海洋生態系統負碳機制感興趣的，可查閱焦念志等人撰寫的文章。需要強調的是，海洋固碳不等於儲碳，海洋真光層浮游植物光合作用從大氣吸收碳超過一億噸/天，但是，由於所形成的顆粒有機碳在沉降過程中不斷被降解，真正沉降出真光層的顆粒有機碳不足表層初級生產力的15%，到達海底被埋葬的顆粒有機碳只有初級生產力的0.1%[4]。可見，生物泵（BP）的效率並不高，所儲的碳量遠小於固定的碳量。生物固定下來的有機碳可以很快被降解礦化，再次形成二氧化碳返回到大氣中，對調節大氣二氧化碳、緩解氣候變化沒有實質作用。就氣候變化而言，短時間固碳是沒有意義的，碳離開大氣的時間及淨固碳量的年際變化是關鍵。陸地生物儲碳界定年限大致為20年；在海洋方面，全球通量聯合研究計畫的基本共識是100年。同位素證據表明，地球歷史上存在巨大的海洋惰性溶解有機碳庫（Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC），海洋碳庫的波動與古氣候變化密切相關。海洋中絕大部分有機物以溶解態存在，其中近95%是生物難以降解的惰性溶解有機碳。海洋中存在巨大的惰性溶解有機碳庫，成就了海洋長週期儲碳。焦念志團隊提出了微型生物泵（MCP）理論框架，指出海洋微型生物是惰性溶解有機碳的主要貢獻者，在海洋碳迴圈和全球氣候變化研究領域產生了重大國際影響。以中國海為例，若僅從“海-氣通量”計算，中國海是大氣二氧化碳的“源”，但考慮了河流、大洋輸入、沉積輸出以及微型生物泵（有機碳轉化輸出）作用後，中國海則是重要的儲碳區。夏威夷時間序列觀測站ALOHA展示的有機碳數據表明，海洋有機碳濃度在緩慢增加，這與微型生物泵（MCP）不斷轉化活性有機碳並累積至惰性溶解有機碳庫相關聯。由於大氣二氧化碳濃度持續增加，導致全球海洋增溫，海洋層化加劇，減弱了深層海水營養鹽向海洋表層輸運，改變了浮游植物群落生態結構，會降低生物泵（BP）向深海的垂直輸送效率。同時，也有研究表明，在海洋增溫和層化加劇情景下，微型生物泵（MCP）效率增加，會對緩解全球氣候變化產生更為有利的影響[7]。
問題6：海洋酸化是否對海洋生態系統產生較大影響？
答：高概率不會產生較大影響。6000萬年以來，從全球海洋表層海水pH值與大氣中二氧化碳濃度變化情況來看（見圖6-1），表層海水酸化與大氣中二氧化碳濃度呈相關關係[2]。距今4610-4250萬年期間，地球出現了幾次表層海水pH值與大氣二氧化碳濃度的衝擊變化：第一次，二氧化碳濃度從2446ppm降至1041ppm，pH值從7.54升至7.79，耗時38萬年；第二次，二氧化碳濃度從1041ppm降至562ppm，pH值從7.79升至7.95，耗時143萬年；第三次，二氧化碳濃度從562ppm降至342ppm，pH值從7.95升至8.07，耗時174萬年。衝擊過後，在陸海系統的共同作用下，大氣二氧化碳濃度趨於250ppm的平衡態，表層海水pH值趨於8.1-8.2的平衡態。有學者指出，工業革命後的大氣二氧化碳濃度變化速率大，陸海生態系統較難適應快速衝擊。對此觀點，我是存疑的。我們知道，珊瑚是對海水酸化最敏感的生物之一，近期的系列研究表明，海洋酸化和升溫對不同珊瑚種類產生了不同效應[8,9,10,11]，珊瑚的多樣性為其環境適應性提供了生物學前提。典型案例是夏威夷Kāne'ohe灣，由於污水排放，珊瑚覆蓋率一度減少95%以上，幾近滅絕；1978年排污口搬遷後，該海灣的珊瑚覆蓋率於1990年代後期得到了恢復。Kāne'ohe灣存在淨異養、水深潛等條件，導致其pH值比夏威夷開放海域低0.1-0.2，年均海水溫度高1-2℃（預計與2050年全球升溫和海洋酸化水準相當），即使如此，珊瑚覆蓋率仍在20年內得到了恢復。另外，對三亞鹿回頭灣兩種常見造礁石珊瑚的研究表明，鹿角杯形珊瑚和從生盔形珊瑚在pH值為7.7、7.4，水溫為27-31℃的環境下，生長速率和鈣化速率均為正值，未出現鈣質溶解現象；且鹿角杯形珊瑚在海水pH=7.7時的生長速率和鈣化速率優於pH=8.1時[12]。總體看來，在海水酸化和升溫的聯合作用下，不同類型珊瑚受到的環境影響有正有負，加之珊瑚種類眾多（三亞鹿回頭灣岸段共紀錄造礁石珊瑚13科24屬69種），會出現生長適應性選擇。近期，澳大利亞大堡礁珊瑚覆蓋率已開始恢復，2022年，大堡礁北部和中部珊瑚覆蓋率已達到澳大利亞海洋科學研究所36年來監測到的最高水準。從新能源、新型電力系統、新型能源體系的技術和產業迭代來看，本世紀全球大氣二氧化碳濃度最高值預計出現在2045-2050年，屆時，海平面處平均最高值預計為480ppm（見圖6-2）。根據表層海水pH值與大氣二氧化碳濃度的關係[2]，480ppm對應的表層海水pH值為7.98。2300萬年以來，大氣二氧化碳濃度的變化幅度為170-435ppm，表層海水pH值變化幅度為8.04-8.31，期間，未發現海洋生態系統，尤其是海洋微生物系統出現較大變化的地質記錄。由此推算，在全球實現碳中和之前，海洋酸化高概率不會對海洋生態系統產生較大影響。
圖6-1 6000萬年以來全球海洋表層海水pH值及大氣二氧化碳濃度變化情況
圖6-2 2000-2060年全球大氣二氧化碳濃度（海平面處）
問題7：陸海自然系統之外是否存在其他重要的負碳機制？
答：存在。陸海自然系統外，最重要的負碳機制是混凝土碳匯。2016年，由中國科學院瀋陽應用生態研究所牽頭，與哈佛大學、劍橋大學、瀋陽建築大學等國內外16家研究機構合作，對混凝土碳匯問題進行了研究，相關結果表明：1930-2013年，全球水泥工業二氧化碳排放為381億噸，同期，水泥材料二氧化碳吸收量為165億噸，即該時期43%的水泥工業過程排放被使用後水泥材料吸收[13]。目前，混凝土碳匯已被歐洲綜合碳觀測系統（ICOS）納入全球碳平衡測算：2021年，混凝土淨吸收量為8.4億噸二氧化碳。
問題8：如何看待凍土消融對碳排放的影響？
答：從碳通量來看，凍土消融即有正向機制又有負向機制，正向機制主要來自植被生長產生的碳匯，負向機制主要來自生物分解產生的碳源。對阿拉斯加苔原生態系統持續20年（1989-2008年）的原位變暖實驗表明，變暖後的土壤生態系統可抵抗碳損失，土壤碳氮含量未出現變化[14]。對加拿大永久凍土泥炭地碳通量研究表明，凍土消融後，表層碳積累與深層碳損失相互抵消，泥炭地碳庫儲量未發生變化[15]。更大範圍、更長時間的凍土消融碳通量研究有待持續開展，目前，還不宜就單因素、小範圍、短時間的觀測或實驗得出宏觀結論。
問題9：2050年全球陸海系統碳匯量是多少？
答：匡算中位數為281億噸二氧化碳/年。我們根據Integrated Carbon Observation System（ICOS）全球碳平衡歷史數據進行外延估算，到2050年，陸海生態系統淨吸收量為250-280億噸二氧化碳/年，中位數為265億噸二氧化碳/年。根據混凝土使用量積累及淨吸收量變化趨勢，到2050年，匡算混凝土淨吸收量為13-19億噸二氧化碳/年，中位數為16億噸二氧化碳/年。綜上，到2050年，全球陸海系統碳匯匡算中位數為281億噸二氧化碳/年。
問題10：對全球2050年實現碳中和持什麼態度？
答：持樂觀態度。從新能源、新型電力系統、新型能源體系技術和產業迭代情況來看，全球高概率可在不增加終端用能成本的基礎上實現碳中和。為此，我們進行了三項前瞻性研究：一是，“十五五”末期，隨著風電、光伏發電、新型儲能的技術迭代，在酒泉地區構建“風光儲聯合發電+特高壓輸電+受端全容量氣電調節”的低碳強度高安全性發電系統（度電碳強度降低80%以上），送電至湖南的落點電價不高於0.40元/千瓦時，低於2023年4月湖南煤電的市場交易電價（0.54元/千瓦時）；二是，“十五五”末期，在風光資源較好的“三北”地區，構建“風光儲聯合發電+綠電制氨+2000km管道輸氨+400km汽車運氨”的可持續燃料供應系統，同等輸出機械能情況下，氨內燃機與柴油機的終端燃料成本相當；三是，“十六五”期間，隨著風電、光伏發電、新型儲能、電制可持續燃料（氨）、氨燃氣輪機的技術迭代，在甘肅酒泉地區構建“風光儲聯合發電+風光儲制氨（含存儲）+全容量氨燃氣輪機調節電源+特高壓通道”的全綠電耦合發電系統，送電至湖南的落點電價與2023年4月湖南煤電的市場交易電價（0.54元/千瓦時）相當。
問題11：2060年中國陸海系統碳匯量是多少？
答：匡算中位數為30.0億噸二氧化碳/年。在不同估算體系下，中國陸地生態系統淨吸收量差異較大（10-40億噸二氧化碳/年），學術界比較認可的是10-15億噸二氧化碳/年[16]，考慮我國陸地生態系統淨吸收量增長情況，到2060年，淨吸收量匡算中位數按13億噸二氧化碳/年考慮。海洋淨吸收量存在兩個估計值，一是中國海淨吸收量，二是全球海洋碳匯分配給中國的配額。按照焦念志院士估算，中國海的淨吸收量為10.5億噸二氧化碳/年（2018年），其中，南海淨吸收量為8.2億噸二氧化碳/年、東海淨吸收量為1.0億噸二氧化碳/年[17]，預計到2060年還有一定程度增長。2060年，全球海洋淨吸收量匡算為130億噸二氧化碳/年，按人口分配給中國的配額為15.0億噸二氧化碳/年。因此，中國海洋碳匯匡算中位數按12億噸二氧化碳/年考慮是合適的。中國的水泥消費量長期占世界總消費量的50%左右，到2060年，中國混凝土碳匯匡算中位數按5.0億噸二氧化碳/年考慮。綜上，到2060年，中國陸海系統碳匯匡算中位數為：13億噸二氧化碳/年（陸地）+12億噸二氧化碳/年（海洋）+5.0億噸二氧化碳/年（混凝土）=30.0億噸二氧化碳/年。下一步，需要加大陸海系統碳匯研究。
問題12：2060年中國二氧化碳排放預算是多少？
答：匡算中位數為23.0億噸二氧化碳/年。2019年（新冠疫情前），我國除二氧化碳外的其他5類主要溫室氣體（甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化合物、全氟碳化合物、六氟化硫）排放當量為13.6億噸二氧化碳當量，其中，甲烷占比86.3%；甲烷排放中，能源行業排放6.8億噸二氧化碳當量，占比58.1%。我國NDC（國家自主貢獻）目標未包含甲烷等溫室氣體排放，2060年碳中和目標包含了其他溫室氣體。到2060年，預計我國5類主要溫室氣體排放當量不高於7.0億噸二氧化碳當量/年（僅考慮能源行業甲烷減排）。因此，到2060年，我國二氧化碳排放預算的中位數為：30.0億噸二氧化碳/年-7.0億噸二氧化碳當量/年=23.0億噸二氧化碳/年。
[1] ICOS. Global Carbon Budget 2022[EB/OL]. 2022[2023-12-02]. https://doi.org/10.18160/GCP-2022.
[2] Pearson P N, Palmer M R. Atmospheric carbon dioxide concentrations over the past 60 million years[J]. Nature, 2000, 406:695-699.
[3] 樸世龍,嶽超,丁金枝,等. 試論陸地生態系統碳匯在“碳中和”目標中的作用[J].中國科學: 地球科學, 2022, 52（7）:1419 - 1426.
[4] 焦念志. 海洋固碳與儲碳-並論微型生物在其中的重要作用[J]. 中國科學:地球科學, 2012, 42 (10): 1473-1486.
[5] Raven J A , Falkowski P G . Oceanic sinks for atmospheric CO2[J]. Plant Cell & Environment, 2010, 22(6):741-755.
[6] Cox, P., Betts, R., Jones, C. et al. Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model. Nature , 2000, 408:184–187.
[7] Roshan, S., DeVries, T. Efficient dissolved organic carbon production and export in the oligotrophic ocean. Nat Commun , 2017,8:1-8.
[8] Quattrini, A.M., Rodríguez, E., Faircloth, B.C. et al. Palaeoclimate ocean conditions shaped the evolution of corals and their skeletons through deep time. Nat Ecol Evol,2020,4:1531–1538.
[9] Anthony K R N, Kline D I, Diaz-Pulido G, et al. Ocean acidification causes bleaching and productivity loss in coral reef builders [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(45): 17442-17446.
[10] Baker A C，Starger C J，Mcclanahan T R.et al. Corals' adaptive response to climate change[J]. Nature. 2004, 430(7001): 741.
[11] Jury C P，Toonen R J. Adaptive responses and local stressor mitigation drive coral resilience in warmer, more acidic oceans [J]. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences,2019,286(1902)20190614.
[12] 周偉華,李穎心,郭亞娟等. 海水酸化和升溫對兩種造礁石珊瑚生長和鈣化的影響 [J/OL]. 熱帶海洋學報, 1-9.
[13] Xi, F. et al. Substantial global carbon uptake by cement carbonation[J]. Nat. Geosci. 2016, 9:880–883.
[14] Sistla, S., Moore, J., Simpson, R. et al. Long-term warming restructures Arctic tundra without changing net soil carbon storage[J]. Nature , 2013, 497:615–618.
[15] Liam Heffernan, Cristian Estop-Aragonés, Klaus-Holger Knorr, et al. Long-term Impacts of Permafrost Thaw on Carbon Storage in Peatlands: Deep Losses Offset by Surficial Accumulation[J]. JGR Biogeosciences, 2020,125(3): e2019JG005501.
[16] Wang, Y., Wang, X., Wang, K. et al. The size of the land carbon sink in China[J]. Nature,2022,603:E7-E9.
[17] 焦念志,梁彥韜,張永雨等.中國海及鄰近區域碳庫與通量綜合分析[J]. 中國科學:地球科學, 2018, 48 (11): 1393-1421.
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作者簡介：教授級高級工程師，主要從事能源電力研究、碳達峰碳中和研究、新能源投資、基礎設施特許經營投資等工作,現任職中國能源建設集團。撰寫能源研究專著2部，發表論文近30篇；擁有發明專利4項、實用新型專利4項；獲省部級科技進步“二等獎”1項，中央企業級科技進步“一等獎”1項、“三等獎”1項。多次受邀為北京大學光華管理學院MBA班講授《世界能源宏觀形勢及跨境基礎設施投資》、《中國能源發展狀況及境外非水可再生能源投資》、《世界能源發展趨勢及跨境可再生能源投資實務》、《碳達峰碳中和相關背景、實現路徑及產業機會》、《碳達峰碳中和戰略下，企業面臨的挑戰和機遇》等課程。
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