从碳平衡的角度看低碳发展和可持续性

杜 雯 机械工业环保产业发展中心

一、引言

城市化给全球资源管理带来了巨大的压力。可持续的城市化正在成为一个巨大的挑战，特别是对发展中国家[1]。中国正处于社会经济转型的关键阶段，其城市化战略一直是世界关注的焦点。如今，城市化和气候变化是不可避免地联系在一起的，它们是复杂的、多方面的、往往是微妙的双向互动。自2001年全球碳计划(GCP)启动以来，碳循环与可持续性的关系一直是学术界关注的重要课题。GCP的目标是建立全球碳循环的完整图景，包括自然和人为的二氧化碳来源，以及与气候和人类活动的相互作用和联系[2]。碳循环研究的关键问题包括碳排放和碳汇的时空格局、不同来源间的动态过程和机制以及碳管理策略。此外，碳足迹的概念最早是用来估计一个组织、事件、产品或个人造成的温室气体(GHG)排放总量。然后可以在国家或全球水平上建立一个集体碳足迹。碳循环主要强调碳排放和碳汇的动态变化，而碳足迹的概念通常是指绝对效应或影响。现有的碳循环研究主要集中在全球、国家或城市等大尺度上。全球陆地生态系统的碳交换在20世纪80年代基本达到平衡，到了90年代成为净碳汇[3]。20世纪80年代和90年代中国陆地碳平衡，中国东北是大气中二氧化碳的净源，而中国南方占了碳汇的65%以上[4]。虽然全球碳平衡反映了整个世界的整体情况，但通过使用当地统计局的高分辨率数据和卫星图像，地方碳循环可以提供详细的证据。例如，可以更好地估计当地农田和沿街和河流散布的树木的影响，而这在全球和国家碳预算中通常被忽视。

2015年在巴黎举行的第21次缔约方大会上，中国在国家自主贡献计划(INDC)中宣布，中国将在2030年或更早的时候达到碳排放总量的峰值[5]。在气候变化背景下，碳排放约束加大，低碳发展与可持续发展密切相关。因此，有效的碳管理在创建一个可持续的社会中发挥着至关重要的作用，尽管我们仍然对地方层面的碳循环和代谢知之甚少，特别是在发展中地区。同时，缺乏从碳循环的角度来综合评价历史和现行政策对可持续发展的影响的综合方法。计划与实践之间的差距也因缺乏系统的计划绩效评估方法而扩大。例如，低碳规划和实践之间的脱节往往会导致一种似是而非的发展，偏离最初的低碳目标。本研究探讨了碳代谢与可持续性之间联系的概念模型。旨在为地方决策者提供可持续性评价的碳平衡定量分析工具，为城市化进程中的时空优化提供参考。本研究还旨在进一步理解可持续发展的基本原理，为决策者实现可持续碳资源管理提供理论依据。

二、碳中和的发展现状

2015年，城市人口占全球总人口的54%，预计将上升至全球人口的66%。可持续的城市化是实现低碳发展、提高全球可持续性的关键。碳循环在城市化地区社会经济发展过程中发挥着重要作用，城市化地区既是环境变化的驱动者，也是环境变化的接受者。本研究探讨了如何从碳循环的角度衡量局部可持续性，强调了碳汇的不可替代作用。

碳循环在全球、国家或城市层面已经有了很多研究。然而，由于数据的缺乏碳循环研究较少。在较小的尺度上，缺乏或缺乏与碳循环相关的数据是很常见的。因此，基于分析方法可以为数据的获取提供有益的补充。此外，碳循环容易受到不同层次政策的影响，特别是对周边地区依赖程度较高的地区。随着人类活动对气候变化的认识，碳封存能力已经成为一种独特的资源。不同地区的碳排放与碳汇差距可能与环境影响的规模和强度在多个层面上存在关联。因此，碳平衡是分析碳代谢与可持续发展关系的理想概念。碳平衡分析可以确定地方对气候变化的贡献，是将地方行动与全球影响联系起来的有效工具。坦率地说，在小空间尺度上实现碳平衡是困难的，因为城市化地区通常有更多的排放。然而，由于人类活动对碳循环的影响不同，碳排放与碳汇的相对比例可以揭示多样性。例如，城市化地区生活水平的提高将增加碳排放，城市化的影响将改变土地使用(例如从农田到建设用地)。另一方面，工业发展和技术进步可以提高能源效率，同时减少碳排放。

三、碳平衡与可持续发展之间关系

碳平衡的概念与可持续发展是一致的，原因有三。首先，可持续发展强调自然、社会和经济的平衡，而碳平衡也强调人为排放和自然汇的平衡。其次，可持续性受到自然、社会、经济等因素的影响，其中自然因素最为重要。碳平衡分析还指出了碳汇的重要作用。然后提出不同方面的平衡发展可能与碳排放和碳汇之间的复杂联系有关。第三，碳平衡分析可以帮助确定地方碳管理的优先事项，这有助于低碳发展作为可持续发展的重要组成部分。因此，碳平衡可以定量地部分揭示特定的状态。与强可持续性的概念相一致，即假设经济和自然资本不总是可以互换的，一些生态功能不能被人类或人力资本重复，碳平衡分析还可以识别协调发展的最关键要求，这是维持生态底线的基础。因此，通过碳平衡分析来评估低碳发展和、可持续性是一种可能的方法。此外，城市化还涉及人口和产业的时空重新分布，导致不同的碳排放和碳汇之间的转换。因此，土地利用或覆被变化也可能与碳平衡的空间分异有关。

(一)碳排放的分析

政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的《全球升温1.5℃特别报告》指出，碳中性是指一个组织通过二氧化碳消除技术在一年内实现二氧化碳排放的平衡，也称净零二氧化碳排放。碳中和目标是到2030年全球二氧化碳排放量比2010年减少45%左右，到2050年实现二氧化碳净零排放，实现二氧化碳净零排放。碳中和的首要任务是到本世纪末将全球变暖控制在1.5℃以内。碳中和不仅可以缓解气候变化，而且是人类保护生态环境的根本措施。它还有助于保护生物多样性和生态系统，防止更多物种灭绝。碳中和加快了能源体系的低碳、绿色转型，为全球提供了一个新兴的经济增长点。根据国际可再生能源署发布的《2050年能源转型》，碳中和可以为全球经济带来额外2.4%的GDP增长，并在能源行业增加700万个就业岗位等。

(二)碳中和的进展与实践

截至2021年1月，根据英国能源与气候情报部门的统计，世界上已有28个国家实现或承诺实现碳中和目标[5]。其中，苏里南和不丹实现了碳中和；包括瑞典、英国、法国已经承诺在法律上实现碳中和；欧盟、加拿大、韩国等6个国家和地区正在制定相关法律；包括中国、澳大利亚、日本和德国在内的14个国家承诺实现碳中和。2050年是世界实现碳中和的主要时间节点，除这两个已经实现碳中和的国家外，芬兰承诺最早在2035年实现碳中和。其他99个国家正在讨论碳中和目标，其中乌拉圭计划在2030年设定目标，其他国家则计划在2050年设定目标。这两个实现碳中和的国家都具有土地面积小、森林覆盖率极高的特点。其中，苏里南的森林覆盖率为90%，不丹的森林覆盖率为72%。在碳中和进程中，欧盟一直是最积极的参与者，愿意建立第一个碳中和大陆。欧盟委员会于2019年12月发布的《欧洲绿色协议》中提到，2030年温室气体排放量将比1990年减少50%—55%，到2050年实现碳中和的目标。日本政府于2020年12月提出的“绿色增长战略”被认为是日本在2050年实现碳中和的进度表。对于已经承诺实现碳中和的国家，除了欧盟和日本已经制定了具体的碳中和路线图外，其他国家的碳中和路径仍在制定之中。

本文对主要国家和地区的做法进行了如下分析和总结：

1.逐步退出燃煤发电计划。除德国外，承诺实现碳中和的欧盟国家的煤炭资源相对较少，领土面积也较小。这些国家都终止了燃煤发电。德国宣布将在2040年前退出燃煤发电。煤炭资源相对丰富、煤炭占电力消费比重较高的国家(如澳大利亚)尚未确定退出煤炭发电的计划。

2.加快太阳能、风能、氢能等新能源产业的应用和推广。光伏发电将成为欧盟和日本的主要电力来源，海上风力发电将迎来爆发式增长。据估计，到2050年，欧盟和日本的海上风力发电将增加25倍以上。在氢能方面，欧盟注重绿色氢的生产和制备；日本全面发展氢能产业链；韩国已经对氢能进行立法，将其应用范围扩大到交通、冶金、发电等领域。

3.发展固碳和碳转化技术。德国将重新启动二氧化碳捕集和封存项目，同时利用其丰富的天然气管网设施，快速发展电制气技术，将二氧化碳转化为甲烷用于管网运输。日本正在开发二氧化碳捕获和资源回收技术。到2030年，二氧化碳回收燃料的价格将与传统航空燃料相当，到2050年，二氧化碳制造的塑料产品的价格将与现有塑料产品的价格相当。

4.引入碳定价机制，提高碳排放成本。欧盟开始实施排放交易计划，这是世界上第一个有多个国家参与的碳排放交易制度。该交易系统采用限额与交易规则，通过行政许可交易，以限制温室气体排放总量为基础进行碳排放交易。通过规定限额和制定交易计划，该交易体系还对各成员国设定限额，将减排目标分配给企业，并确定减排上限以强制执行。

四、碳中和可持续性主要挑战和策略

碳中和是全球气候变化的解决方案已成为全球共识，但其实施仍面临政治、能源、技术、市场、能源结构等各方面的挑战。

实现碳中和是一个全球性的目标，需要世界各国的合作。联合国安理会常任理事国应该在碳中和目标上发挥带头作用，然而，美国和俄罗斯还没有承诺做到碳中和。在全球碳排放前五名的国家中，印度尚未承诺实现碳中和的时间。安哥拉、伊朗、伊拉克、南苏丹、土耳其、也门等国最初签署了《巴黎气候协定》，但尚未获得正式立法批准。另外99个国家正在讨论碳中和目标，这些目标尚未被采纳。

开发新能源取代化石燃料是实现碳中和的首要措施。包括太阳能和风能在内的新能源在全球的分布在时间和空间上都有很大的差异，这给新能源的大规模开发带来了挑战。全球太阳能资源主要集中在赤道附近和北回归线与南回归线之间，其中北非撒哈拉地区最为丰富。非洲大陆东部和南部、中国西北地区、澳大利亚也是太阳能资源丰富的地区。风能资源主要分布在东亚、东南亚、中亚和美国南纬30度至北纬30度的地区，以及中国的北部和东部地区、蒙古、澳大利亚的东北地区、非洲的撒哈拉沙漠南部等地区。全球陆地太阳能和风能在不同地区和季节差异显著。

新能源技术的成熟程度决定了碳中和过程的进展。太阳能、风能等新能源发电的总体价格仍高于煤炭发电。同时，峰谷稳定性还很不理想，调峰技术还需要进一步创新。重工业、长途运输等领域很难实现电气化。虽然氢燃料电池是最佳选择，但一些关键技术仍处于示范和原型阶段，尚未达到推广和大规模工业应用。与传统化石能源制氢(也称灰氢)相比，可再生能源制氢(也称绿氢)成本较高，相应的二氧化碳捕集和封存技术仍处于示范阶段。虽然低碳技术转让能够显著减少碳排放、控制变暖效应，但发达国家对发展中国家提供资金和低碳技术援助的承诺尚未兑现。在碳中和过程中，新能源的推广应用依赖于成本优势和应用便利。目前，新能源的成本每年都在下降，但与化石能源相比，仍然缺乏竞争力。特别是在2020年全球原油价格暴跌的时候，化石燃料的成本优势对新能源转型造成了不利影响。新能源配套设备的不完善也带来了不便。充电桩不普及、加氢站数量不足等问题推高了新能源汽车的使用成本。

五、结语

生态环境关系到人类的生存和可持续发展，需要各国携手应对挑战。碳中和不仅是人类应对全球气候变化的共识，也是世界各国的共同目标。碳替代、碳减排、碳固存和碳循环是实现碳中和的四大途径，其中碳替代是实现碳中和的骨干力量。碳平衡是一个理想的目标，而不是一个真实的状态。由于方法、参数和可用数据的不确定性，碳平衡分析的方法将受益于新知识、数据集和及时更新的数据库的额外工作。这项工作可以在许多方面进行扩展。特别是碳平衡长期时空变化的驱动力有待进一步研究。