全球甲烷浓度不断升高

许志杰，孙浩捷

（1. 喀什大学 经济与管理学院，新疆 喀什 844008；2. 新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

太平洋中的油气钻井平台。在油气开采中会产生并向空气中排放大量甲烷/Kristinakasp

甲烷在我们日常生活中比较常见，不少家庭做饭、烧水用的天然气就是以它为主要成分的，但很多人并不知道它还是一种具有较高“全球变暖潜势”的温室气体，在20 年时间范围内，其温室效应能力是二氧化碳的72 倍。根据科学家测算，目前甲烷对全球气候变暖的贡献率已达到30%，是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。目前全球甲烷排放中有60%与人类活动密切相关，人为甲烷排放中有40%来自农业部门，35%来自能源部门，20%来自废弃物处理环节。自2007 年以来，全球甲烷排放量开始大幅增加，大气中甲烷浓度也快速提升，目前已经达到1 985.7 ppb（ppb 为浓度单位，称为十亿分比浓度），这几乎是工业化前水平的3倍。2021 年11 月，第26 届联合国气候变化大会将全球减排重点瞄准了甲烷，大会期间中美两国都宣布了新的甲烷减排承诺和计划。相信在世界各国共同努力下，人类一定能有效控制甲烷排放，突破减排路上的重重难关，最终取得气候变化攻坚战的胜利。

甲烷——第二大温室气体

提到温室气体，很多人首先想到的是二氧化碳。确实，二氧化碳是当前人类排放量最高的温室气体，对全球气候变暖的贡献率达60%以上。但实际上，除了二氧化碳以外，大气中还有30 多种气体能有效吸收太阳长波辐射，引发温室效应。当然，这30 多种气体中能对气候变化产生较大影响的并不多。根据目前各类温室气体数量及其对气候变化的影响程度，《京都议定书》提出了6 类需要引起人类高度重视并严厉控制其排放量的温室气体，分别是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫。

甲烷是自然界中最简单的有机物，可燃烧，与氧气发生反应后，只产生水和二氧化碳，是一种高效、清洁的燃料。目前甲烷除了用于家庭日常生活燃料（如天然气、液化天然气）外，还广泛应用于工业氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的制备过程中。由于二氧化碳“声名在外”，同时甲烷又在人们日常生活中发挥着较大积极效应，因此人们容易忽视甲烷消极的一面——一种威力巨大的温室气体。

与二氧化碳相比，甲烷所具备的温室效应能力更强。尽管会导致温室效应的气体很多，但不同气体具有不同的物理、化学性质，因此它们产生的温室效应强度也不尽相同。为了更加清晰地表述不同温室气体对全球气候变暖的潜在影响，科学家们提出了“全球变暖潜势”（global warming potential, GWP）这一指标。该指标定义了某一温室气体在一定时间内相对于参考气体的累积辐射能力，其中标准时间长度分别为20 年、100 年和500 年，参考气体为二氧化碳。该指标将二氧化碳的GWP 设定为相对衡量标准1，在100 年时间框架内，甲烷的GWP 为28，氧化亚氮为298，氢氟碳化物为140 ～11 700，全氟化碳为6 500 ～9 200，六氟化硫为23 900。透过上面的数据可以看出，包括甲烷在内的后5 种温室气体GWP 都远超二氧化碳，也就意味着它们具备更强的温室效应能力。

既然如此，那为什么目前人类减排工作更关心的是二氧化碳而不是GWP 更高的六氟化硫等气体呢？原因是排放量的问题。自工业革命以来，人类活动向大气中排放的二氧化碳已经增加了90%，从1850 年到2019 年，全球共排放了16 100 亿吨二氧化碳，仅2021年全球就向大气中排放了约400 亿吨二氧化碳。相比较而言，GWP 最高的六氟化硫是一种人工合成气体，泄漏量有限，每年产生的温室效应与1.25 亿吨二氧化碳相当。甲烷气体来源广泛，难以监测，不同研究机构对其排放数据说法不一。2020 年7 月，斯坦福大学的研究团队认为2017 年全球甲烷排放量为5.96 亿吨，2022 年3 月，国际能源署发布的《全球甲烷追踪2022》认为2021 年全球甲烷排放数据为5.8 亿吨。按照GWP计算，这些甲烷100 年内的吸热能力至少相当于162亿吨二氧化碳，而在20 年内，其温室效应能力甚至与417 亿吨二氧化碳相当。对比《京都议定书》中提出的6种温室气体GWP 数据和排放量数据来看，二氧化碳对全球变暖的贡献率达到60%，是人类能否控制气候变暖的关键所在，甲烷气体的GWP 虽然不算最高，但近年来排放量却急速增加。目前甲烷对全球变暖的贡献率已达到30%左右，是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。

全球甲烷排放量和浓度快速增长

鉴于甲烷较高的温室效应能力，科学家们一直保持着对甲烷的高度警惕。近年来，多项科研成果都表明一个不争的事实：全球甲烷排放量和浓度正在快速增加。

2020 年7 月，斯坦福大学地球系统科学教授、全球碳计划项目负责人Rob Jackson 的研究团队分析了2000—2017 年全球甲烷排放数据，研究发现，自2000年以来，全球甲烷排放量每年增加9%（即5 000 万吨），到2017 年，全球甲烷排放量已达到5.96 亿吨。气候模型显示，如果照此趋势发展下去，到21 世纪末全球温度将比工业化前水平升温3℃～4℃，而这是一个极度危险的温度阈值。2021 年10 月，联合国环境规划署发布了《2021 排放差距报告：热火朝天》，报告指出目前全球甲烷排放量正在快速增加，浓度已经是1750 年水平的262%。2022 年1 月，美国国家海洋和大气管理局汇总了1983—2021 年大气中甲烷浓度数据，研究发现近40 年来全球甲烷浓度增长经历了四个阶段。第一阶段是1983—1992 年，这一阶段是近40 年来全球甲烷浓度增速较快的阶段，10 年间全球甲烷浓度由1 635 ppb 增加到1 735 ppb。第二阶段是1993—1999 年，这一阶段大气甲烷浓度增速相对平缓，由1 735 ppb 增加到1 770 ppb。第三阶段是全球甲烷浓度的稳定期，1999—2006年全球甲烷浓度一直稳定在1 775 ppb左右。但从2007 年开始，全球甲烷浓度进入一个新的高速增长阶段，2007—2021 年，全球大气中甲烷浓度已经从1 775 ppb 增加到1 985.7 ppb，这一数值几乎是工业化前水平的3 倍。

令人担忧的是，由于甲烷排放监测数据获取困难，科学家们认为以往的甲烷排放统计数据可能远远低于其实际排放量。2022 年3 月，国际能源署发布的《全球甲烷追踪2022》认为由于缺乏监测设备，政府部门要获取科学的甲烷排放数据并不容易，通过最新的科学研究和测量活动，国际能源署认为几乎所有的国家排放清单都低估了甲烷的实际排放量。根据国际能源署的分析，全球能源部门甲烷实际排放量要比各国政府提交的数据高70%左右。

人为排放甲烷的来源

2021 年5 月，气候与清洁空气联盟、联合国环境规划署联合发布了《全球甲烷评估》报告，报告指出目前全球甲烷排放中有60%与人类活动直接相关，在人为甲烷排放中有40%来自农业部门（包括畜牧业以及水稻种植），35%来自能源部门（主要是油气开采、处理、运输以及煤炭开采等），20%来自废弃物（垃圾填埋和废水）。

甲烷排放的农业源主要为畜牧业和水稻种植业。畜牧业中甲烷排放主要来自反刍动物，反刍动物进食后，饲粮会在其瘤胃、肠道中进一步消化和发酵，这一过程就会形成一种副产物——甲烷。人类畜养的反刍动物以牛、羊为主，其中牛的甲烷排放量尤其高。部分非反刍动物（如猪）在消化饲料过程中虽然也会产生甲烷，但与反刍动物相比，它们的甲烷排放量极低，一般仅为奶牛的1/88、非奶牛的1/60。除消化过程产生甲烷外，畜禽粪便在堆积和处理过程（或处于其他厌氧条件下）中，也会产生大量甲烷。水稻是种植业中甲烷排放最主要的来源。众所周知，水稻的生长过程都要处于淹水条件下，这会导致土壤中的有机物更容易被微生物分解从而产生甲烷。一般而言，土壤淹水程度越高，微生物分解的有机物就越多，甲烷排放量也就越高。

能源部门是甲烷排放的又一个重要来源，在煤炭开发、油气开采、处理和运输过程中会出现大量的甲烷泄露，此外生物能源（包括农林废物资源、工业废物资源、城市垃圾资源等）的不充分燃烧也会产生大量甲烷气体。根据国际能源署2022 年3 月份发布的《全球甲烷追踪2022》报告显示，2021 年全球能源部门共排放甲烷1.35 亿吨，其中煤炭行业4 200 万吨，占比31.1%；石油行业4 100 万吨，占比30.4%；天然气开采、处理和运输环节3 900 万吨，占比28.9%；生物能源不充分燃烧产生900 万吨，占比6.7%。2021 年化石能源行业共泄露甲烷1 800 亿立方米，如果这些甲烷能被收集并充分利用起来，就基本能满足整个欧洲电力行业的能源需求。

除农业部门和能源部门外，人为甲烷排放的另一个重要来源是废弃物和废水处理。全球人类每天都会产生约850 万吨的垃圾，这些废弃物中有相当的比例都会被填埋，被填埋后废弃物中的有机质会在厌氧细菌的分解下产生垃圾填埋气（LGF），这一气体中一般包含50%左右的甲烷、50%左右的二氧化碳以及少量的非甲烷有机化合物。废水处理过程在厌氧环境下，废水中的有机质经厌氧细菌分解后会产生大量甲烷，而其甲烷产生量主要取决于废水中可降解有机质的含量、温度以及废水处理系统的类型和技术等因素。一般而言，工业废水中有机质含量要高于生活污水，因此工业废水处理过程中甲烷排放量要高于生活污水。

需要指出的是，自2009 年哥本哈根气候峰会以来，西方一些政要及所谓独立学者就一直在炒作水稻种植影响甲烷排放这一话题。但客观事实并非如此，水稻种植确实会增加甲烷排放，但其危害性却被别有用心的西方媒体和政要高估了。国际上普遍估计随着二氧化碳浓度的增加，稻田甲烷排放会增加40%以上，但2021 年5 月国际顶级期刊《作物学报》（The Crop Journal）发表的一项研究却提出了新的科学观点，通过实际数据比对后，这个研究团队发现二氧化碳浓度增加对稻田甲烷的增排效应会随时间推移逐渐下降，试验中他们测量到3 年后稻田中甲烷增幅仅为25.6%，而非国际普遍认为的40%。这一研究结论表明，国际上对稻田甲烷排放的估计数据远超实际情况。此外，水稻在生长过程中还会通过光合作用固化很多大气中游离的碳质，这些固化的碳质要比稻田甲烷排放的碳多得多。

甲烷排放的区域特征

在自然界中，甲烷的生成条件比较容易，有机质在厌氧环境下被厌氧菌分解后就能产生甲烷。因此，自然界无时无刻不在产生甲烷。从空间维度来看，全球不同区域甲烷排放量也存在较大差异，目前全球60%的甲烷排放主要来自热带地区。利用日本碳监测卫星的甲烷观测数据，中国科学院大气物理研究所的科研人员发现2010—2019 年热带陆地的甲烷排放对全球甲烷浓度增加的贡献超过了80%。2020 年7 月《地球系统科学数据》发表了《2000—2017 年全球甲烷收支》一文，全文梳理和汇总了近20 年全球甲烷排放数据，研究发现近年来全球甲烷排放量中64%来自热带地区，这是近期大气甲烷增速升高的主因。热带地区甲烷排放量多与这些地区的微生物活动有着直接关系，自然界中厌氧菌并不是活性的，当环境温度低于15℃时，自然界中甲烷产生量相对较小，随着温度升高，自然界中甲烷产生速率会快速增加。如在亚马孙热带雨林中，每年都会出现季节性的洪水，被洪水淹没后，地表就会形成厌氧环境，再叠加高温气候和丰富的落叶植被（有机质），这一时期雨林中甲烷排放量就会大幅增加。

不同国家间排放量和增速也存在较大差异。根据《全球甲烷评估》报告数据，中国的甲烷年排放量为4 600 万～7 400 万吨，位居全球第一位，其他地区年排放量分别为：拉丁美洲5 000 万～6 000 万吨，非洲地区4 500 万～5 000 万吨，南亚地区3 500 万～5 000万吨，北美地区3 500 万～5 000 万吨，东南亚、韩国以及日本共排放2 500 万～3 500 万吨，西亚地区2 300 万～2 900 万吨，欧洲地区2 200 万～2 600 万吨，俄罗斯2 000 万～2 500 万吨。在这些国家和地区中，中国的不确定性最大。从增速来看，非洲和中东地区甲烷排放量增速最快，中国、南亚和大洋洲次之。欧洲是全球甲烷排放量逐渐减少的唯一地区。

各部门对不同区域甲烷排放贡献也存在明显差异。能源部门中，煤炭开采引发的甲烷排放量最大的国家是中国，约2 400 万吨/年；石油和天然气开采引发的甲烷最大排放量来自西亚地区，约1 800 万吨/年，第二位是俄罗斯，约1 500 万吨/年，北美地区为1 400万吨/年。畜牧业甲烷最大排放量来自拉丁美洲，约2 700 万吨/年，这其中有一半都来自巴西，南亚地区为2 200 万吨/年。水稻种植引发的甲烷排放量主要来自亚洲地区，其中东南亚、韩国和日本年排放总量为1 000 万吨左右，南亚和中国年排放量均为800 万吨左右。从废弃物甲烷排放来看，全球整体较为平均，一般占各国甲烷排放总量的20%，而我国这一来源甲烷占比较低，为12%，因此我国甲烷减排的挑战主要来自能源部门和农业部门。

另外，全球气候变暖，导致甲烷排放增加，而甲烷排放增加又进一步升高全球温度，两者之间形成了互为因果的恶性循环。令人担心的是，这一可怕的恶性循环正在北半球高纬度地区上演。

冻土是指冻土层中土壤处于水的结冰点以下超过两年的状况。冻土一般形成于极地、亚极地和中高纬度的高山、高原地区。目前，全球多年冻土面积占全球陆地总面积的1/4 左右，主要分布在阿拉斯加、加拿大、西伯利亚和格陵兰等北半球高纬度地区。2019 年发表于《自然气候变化》杂志上的一项研究表明，科学家们经过多年数据测量发现，2003—2017 年北极冻土地区每年夏季都会吸收10 万吨碳，但却在冬季释放17亿吨碳。

导致极地冻土排碳的根本原因是全球气候变暖。全球气候变暖，导致极地永冻层“突然解冻”，这意味着深层土壤中的有机质开始分解，极地碳库开始被打开。这些尘封已久的碳，一部分以二氧化碳的形式进入大气，一部分则在沼泽土壤、湖泊等低氧环境下转化成甲烷逃逸进地球大气中。近年来，一系列科学研究也证实了气候变暖与“极地甲烷爆发”之间互为因果的关系。2017年，《自然气候变化》杂志上发表了一项英国科学家的研究成果，他们发现全球气候变暖每升高1℃，地球永久冻土就会减少400 万平方千米，而从这些永久冻土中释放的甲烷气体又进一步加剧了全球气候变暖。

甲烷减排，全球在行动

全球甲烷排放量的快速增加，引起了国际社会的广泛关注。2021 年11 月，在第26 届联合国气候变化大会上，美国出台了新的甲烷减排政策，严格限制美国能源部门甲烷排放问题。同时，包括美国、欧盟等在内的105 个国家也共同签署了“全球甲烷承诺”，承诺到2030 年将全球甲烷排放量在2020 年水平上减少30%。这标志着甲烷减排已经引发全球关注，甲烷也正式站在了气候大会的舞台中央。

2021 年12 月15 日，欧盟委员会公布了关于在能源部门减少甲烷排放的最新提案，提案明确了欧盟2030 年的甲烷减排目标，即到2030 年，能源部门的甲烷排放比2020 年减少约58%。

2021 年11 月，在第26 届联合国气候变化大会上，中美两国共同发布了《中美关于在21 世纪20 年代强化气候行动的格拉斯哥联合宣言》，报告提出两国将加强在甲烷减排领域的国际合作。同时，我国计划制定一份全面、有力度的甲烷国家行动计划。针对这一计划，生态环境部指出，我国将从以下五个方面着手行动，力争在21 世纪20 年代取得控制和减少甲烷排放的显著效果。第一是在充分调研我国甲烷排放源的基础上，加强对煤炭、农业、城市废弃物、污水处理等领域的甲烷减排技术研究。第二是推动出台中国甲烷排放控制行动方案，构建来源甲烷排放标准，强化标准实施，同时积极利用市场机制，引导企业开展甲烷减排。第三是加强对甲烷排放重点领域进行监测、核算、报告和核查体系建设，不断提升全国甲烷排放数据质量。第四是鼓励先行先试，鼓励重点领域企业自愿参与甲烷减排，推动甲烷减排技术和产业发展。第五是加强甲烷减排国际合作，在甲烷减排控制政策、技术、标准体系、监测核查体系以及减排技术创新方面加强与各方的合作和交流。

甲烷减排，是人类拯救自己免受气候灾难的必然选择和路径，相信在世界各国的共同努力下，人类一定能取得这场碳减排持久战的最终胜利。