减少温室气体排放的途径范文

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前言

开展污水和污泥处理系统低碳技术研究, 目的是在我国污水处理工作向中小城镇快速推进时, 在排水规划、工艺技术选择方面, 不仅仅关注工程造价, 也不仅仅采取包含运行费用后的全寿命方案比较, 而应在更高层次上关注低碳技术的研发。近期应特别关注污水系统碳排放指标研究, 在方案选择中注重污水输送、污水处理和污泥处理的全过程整体性考虑; 注重分析污水输送的方式, 工艺技术的原位排放和异位排放, 污泥处理过程的能源资源回收;注重分析低碳运行指标; 采用碳尺进行方案比较, 推动我国低碳污水系统的建立和发展, 使城镇污水系统的建设运行实现低消耗、低污染、低排放目标。

一、污水输送过程温室气体排放问题分析

在污水输送过程中, 温室气体的直接排放主要途径是排水管道厌氧环境产生 CH4, 间接排放则包括污水提升所用电耗等。有研究表明, 污水在压力管道中停留的时间越长, 产生的 CH4 量越大, 管道的管径越大, 产生的 CH4量越大,压力管道中的 CH4浓度接近甚至超过标准状态下CH4的饱和浓度 22mg/ L, 这些溶解于污水中的 CH4, 通过放气阀、有压流转换为重力流或者进入污水处理厂后, 释放到空气中。

二、污水、污泥处理过程中温室气体排放研究

1、温室气体排放途径。污水处理是温室气体的主要分散排放源之一。就污染物去除过程而言, 主要产生 CO2、CH 4 和 N2 O, 对能量供给过程来说, 发电、燃料生产会排放 CO2。按照温室气体产生位置划分, 污水处理的温室气体可分为原位排放和异位排放两种类型。原位排放是指污水和污泥处理过程中排放的温室气体, 异位排放主要是指污水处理厂现场消耗的电能、燃料和化学物质在生产和运输过程中排放的温室气体, 除此以外, 还包括尾水排放至自然水体中污染物降解产生的温室气体, 以及污泥运输和处置过程排放的温室气体。但因缺乏 N2O 排放的准确数据, 现有的温室气体排放量研究主要集中在 CO2和 CH4排放方面。

2、污水处理过程温室气体的排放。污水处理过程涉及到的温室气体产生环节较多,需要限定的边界条件也很多。对好氧工艺而言, 其碳排放量与工艺泥龄和进水 BODu浓度均呈正相关。比较好氧和厌氧工艺, 在进水 BODu浓度小于 300 mg/ L 时,由于厌氧工艺可回收利用的 CH4对碳排放的削减不足以抵消其处理出水中溶解的 CH4 量, 此时, 三种好氧工艺的碳排放量均低于厌氧工艺。当进水BODu 浓度超过 300 mg / L , 厌氧工艺通过回收沼气, 一方面可减少 CH4排放, 另一方面降低化石燃料消耗, 使处理过程的碳排放少于好氧工艺, 此时,进水 BODu越高, 厌氧工艺的优势越明显。

3、污泥处理过程温室气体的排放。污水中的有机碳有相当部分转移到污泥中, 计算和评估污泥处理处置过程中温室气体排放量已成为美国、英国等国家的污水处理厂削减碳排放和评价项目长期可持续性的重要组成部分。在重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩 3 种浓缩工艺中, 离心浓缩的碳排放量最大, 气浮浓缩次之, 重力浓缩最少; 通过回收厌氧消化过程产生的沼气, 厌氧消化反而降低了碳排放量; 在板框压滤、离心脱水和带式压滤等 3 种机械脱水技术中, 碳排放总量从高到低次序依次为: 带式压滤板、离心脱水和板框压滤; 对焚烧/ 熔融技术来说, 沸腾炉的碳排放量最高, 流化炉次之, 熔融最低。由此可见, 污泥厌氧消化过程的沼气回收对减少污泥处理处置过程的碳排放量贡献较大。

三、温室气体减排途径分析研究

1、树立低碳规划理念。污水系统规划最为关键的问题是科学选择排水体制和处理模式, 实际规划中应在综合考虑城市规模和布局、受纳水置、环境容量等因素的基础上, 评估不同方案并统筹考虑污水再生利用和污泥资源利用的方向和规模。显然, 就污水收集系统而言, 采用分散处理的方案, 既有利于污水的再生回用, 又可降低污水长距离输送过程中的能耗和 CH4排放。

2、选择低碳水处理技术。（1）选择生物处理降低药剂用量。在污水生物处理中, 药剂消耗所排放的温室气体量超过污水处理厂排放总量的 50% , 是生物处理原位排放量的 2倍, 是电力消耗排放量的 4 倍。而化学处理往往需要消耗比生物处理更多的药剂, 药剂制备和运输过程产生的温室气体更多, 因此, 生物处理比化学处理更低碳。（2）选择节碳工艺减少外加碳源。选择节碳工艺, 避免外加碳源, 是减少生物处理过程碳排放的关键。短程硝化反硝化和反硝化脱氮除磷技术是两种广受关注的节碳工艺。短程硝化反硝化是通过创造亚硝酸菌优势生长条件, 将氨氮氧化稳定控制在亚硝化阶段, 使亚硝酸盐氮成为硝化的终产物和反硝化的电子受体, 短程硝化反硝化技术可节约 25%左右的需氧量和 40%左右的碳源, 减少 50%左右的污泥量; 反硝化脱氮除磷是利用反硝化聚磷菌在缺氧状态下以硝酸盐为电子受体, 同时完成过量吸磷和反硝化脱氮过程, 可节省 30%左右的需氧量和 50%左右的碳源, 减少 50%左右的污泥产量。（3）高浓度污水可选择厌氧工艺。污水厌氧反应产生 CH4的量随着进水有机物浓度的增大而增大, 污水浓度越高, 采用厌氧处理所回收的沼气越多, 经过收集利用后削减温室气体排放的贡献越大,当减碳量足以抵消厌氧处理出水中溶解的 CH4量时, 厌氧处理技术较好氧技术更低碳。

3、关注污泥处理处置能源回收。（1）选择厌氧消化回收能源。在污泥处理方面, 厌氧消化是一种较为低碳的污泥处理技术, 在生物降解有机物质的同时回收沼气, 实现污泥能源回收。沼气可以用于发电和加热, 沼气发电可补充污水处理厂 20%～ 30% 的电耗, 发电过程还可从内燃机热回收系统回收 40%～ 50% 的能量。（2）避免污泥填埋降低碳排放量。污泥填埋不仅占用大面积土地, 且填埋过程会产生大量无法有效收集的 CH4, 在污泥处置中属于高碳排放工艺。因此, 在工艺选择时应避免采用填埋。

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中图分类号：TE08 文献标识码： A

一、污水处理过程中温室气体排放研究的意义

污水处理厂主要温室气体的排放源是能量消耗、药品消耗和生物转化，其中能量消耗及药品消耗引起的GHG（温室效应气体）排放量占总排放量的50% -70%。在典型的二级城市污水处理厂电耗中，污水提升占10%-20%，污水生物处理（主要用于曝气供氧）占50%-70%，污泥处理占10%-25%。污水处理的生物处理阶段的能源消耗最多，引起的温室气体排放量最高。

根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》将N2O排放量折算为CO2当量排放量，则2003一2009年污水处理的N2O排放量约占温室气体排放总量的50%。污水处理中产生的N2O 90%来源于生物处理的脱氮过程，且脱氮过程的需氧量占生物处理过程总需氧量的50%，曝气供氧类能耗也将占生物处理过程总曝气供氧类能耗的50%。因此脱氮过程是污水处理厂的温室气体的排放主要来源。

分析传统脱氮过程温室气体的排放来源和产生途径，可以明确脱氮过程中温室气体排放的关键因素，提出降低温室气体排放的措施。分析各种新型脱氮工艺的特点，并结合脱氮过程温室气体排放的关键因素，可得出各种新型脱氮工艺的温室气体排放情况，通过比较选出温室气体排放量较低的脱氮工艺，指导污水处理行业的低碳运行。

污水处理温室气体排放研究的最终目的是寻求温室气体减排途径，但污水处理温室气体的排放问题不可能仅通过一项措施的实施得到根本解决，需要根据实际情况，综合考虑当地的自然地理及经济条件、实际的污水水质水量情况、污水处理工艺类型及运行条件等因素，确立合理可行的温室气体减排方案。

二、污水处理过程中的温室气体排放现状

1、污水处理中N2O的排放

目前污水脱氮过程中排放的N2O总量约为(0.3-3)×109t/a，已知的污水处理过程中的N2O源与汇不能平衡，约有40%的源还不清楚；Kampschreu等对前人研究的总结表明，小试污水脱氮可能有0%-90%的氮转化为N2O释放，污水厂污水脱氮中转化为N2O释放的氮为0%-14.6%；N2O是不完全硝化或不完全反硝化的产物，影响N2O产生与释放的因素有DO、C/N及微生物种群等，同时污水厂的设计与运行条件对N2O的释放也有很大的影响。

污水厂N2O的排放主要是活性污泥单元，其它可能排放N2O的单元包括沉砂池、初沉池和二沉池。研究表明，污水厂排放的N2O中活性污泥单元、沉砂池和污泥储存池分别占90%、5%和5%。其中，沉砂池排放的N2O随下水道污水中NO2浓度增加而增加。

污水厂排放N2O产生于处理工艺中的缺氧阶段。在缺氧阶段，小部分N2O直接排放，大部分溶解于水中；在曝气阶段，溶解的N2O因曝气作用而逸出，但由于N2O在水中有相对较高的溶解度，从水中逸出速率很慢，其整个释放过程会延续至出水流入河流后，且曝气阶段的释放量远小于出水释放量。

2、污水处理中CH4的排放

污水厌氧处理产生的污泥量少，能耗低，而且所产生的CH4可以回收利用。采用厌氧工艺的污水厂排放的CH4按其来源可分为进水中溶解的CH4和厌氧环境生成的CH4，其中进水中溶解的CH4主要来自于污水在管道输送过程中的厌氧反应。

污水厂郊区化造成污水输送距离长，管道中的厌氧环境会在污水输送过程中产生大量CH4。Guisasola等和Foley等研究了污水管道中CH4的形成，发现水力停留时间HRT越长或污水接触管道的表面积与体积比（A/V）越大，污水管道中产生的CH4越多。污水溶解性COD=200 mg/L，当A/V=26.7 m-1，HRT=8.5 h，甲烷产量27.5 mg/L，HRT=4.5 h，甲烷产量25mg/L；A/V=13.3 m-1，HRT=4.5 h，甲烷产量22.5 mg/L，CH4的产生减少了污水中的可生物降解COD，加剧了生物脱氮与除磷间的碳源竞争，对后续生物处理不利；而由于产甲烷菌和硫酸盐还原细菌对有机物的竞争，CH4会影响污水管道中硫化物的产生。但关于污水厂进水溶解CH4含量的研究却鲜有报道。

污水厂CH4的排放主要来源于厌氧区、污泥浓缩区和污泥储存区。对于有污泥厌氧消化装置的污水厂，污泥厌氧消化是污水厂CH4的主要来源。污泥中溶解的CH4部分从消化池、污泥浓缩池和储存罐逸出释放，剩余的CH4将在后续处理过程中逸出释放，例如消化污泥脱水过程。曝气阶段，水中溶解的CH4在机械曝气作用下会促使溶解态CH4逸出释放，或者被活性污泥中的微生物氧化。关于活性污泥系统氧化CH4的报道不多。表1为几个实际污水厂的CH4排放情况，由表1可知，污水厂无污泥消化时CH4排放量一般低于有污泥消化。无污泥消化时平均CH4排放量为0.0070 kg/(kg进水COD)，有污泥消化时则为0.0085kg/(kg进水COD)。Kralingseveer污水厂10月的CH4排放量高于4月，这是因为其10月平均温度（19℃)高于4月(10℃ )，低温下产甲烷菌活性较低，且CH4溶解度高，所以CH4排放量低。

3、人工湿地温室气体排放

人工湿地利用自然生态系统中的物理、化学和生物的协同作用来实现对污水净化，使水质得到不同程度的改善，实现污水生态化处理，比较适合于处理水量不大，管理水平不高的城镇污水和分散式污水处理。人工湿地在去除污水中的有机物和重金属方面具有优势，但也是温室气体的排放源，其温室气体排放量是天然湿地的3-11倍，所造成的温室效应甚至会抵消脱氮除磷所带来的环境效益。影响人工湿地污水处理过程温室气体排放的因素有湿地植物种类、污水性质、曝气量等。

4、CO2的产生与排放

在整个污水处理厂的运行过程中，温室气体的排放包括两部分：一是直接排放，包括污水处理和污泥处理过程中产生的温室气体；二是间接排放，主要是污水处理过程中消耗的能量和物料引起的温室气体排放。污水处理过程中CO2的产生包括直接排放和间接排放两个方面。在目前国际上的碳核算标准中，将生物分解产生的CO2归为生源碳( bio-gen-is carbon)，沼气和污泥归为生物燃料或可再生能源，无论是生物分解还是沼气或污泥燃烧产生的CO2都不纳入碳排放的计算与平衡。而一些学者认为，城镇污水中的一部分碳素源于化石燃料，应将其产生的CO2纳入碳排放计算，因此污水中有机物降解而产生的CO2是否计入碳排放存在争议，目前还没有形成一致的意见或成熟的计算办法。污水生物脱氮过程中，参与反应的碳源被生物分解将会引起CO2的直接排放，而该碳源中无机碳源部分并非来源于生物质碳，因此本文将把污水生物脱氮过程中，无机碳源造成的CO2的直接排放计入温室气体排放量中。

三、减少污水处理过程中温室气体排放的具体措施

1、引入CH4转化技术，使少量的无法经济回收利用的CH4转化为其他低GWP物质。CH4作为外部碳源反硝化的机理有：好氧甲烷氧化耦合反硝化（Aerobic methane oxidation coupled to denitrification简称AME-D）、厌氧甲烷氧化耦合反硝化（Anaerobic methane oxidation coupled to denitrification简称ANME-D）和甲烷氧化耦合同步硝化反硝化（Methane oxidation coupled to SND，简称ME-SND）。以CH4为外部碳源的反硝化转化技术，可使CH4转为CO2的同时使NO3-还原为N2，能在减少CH4排放的同时，去除污水中的氮，尤其适用于处理高氮、低碳源的污水，如填埋龄长的垃圾渗滤液。以含60%CH4的填埋气为外部碳源处理垃圾渗滤液，SBR、滴滤池、流化床反应器，反硝化速率以NO3--N计，分别为60、150和550mg/(L・d)。

2、兴建污水处理设施，提高污水处理率，以厌氧消化池代替厌氧塘处理污水，回收污水和污泥处理过程产生的CH4。当污水处理率接近100%时，城市污水处理所排放的温室气体的GWP呈下降趋势。

3、采用温室气体产生量少的污水处理技术。对于含氮浓度高的污水，如污泥脱水上清液、垃圾渗滤液、工业污水，一般采用以下两种方法脱氮：一是自养硝化接异养反硝化；二是部分亚硝化接自养厌氧氨氧化。两种方法脱氮率均达90%，但异养反硝化会产生N2和相当量的NO2与N2O，厌氧氨氧化工艺排放的气态氮较少，还会减少CO2排放。采用第二种方法处理含氮浓度高的污水，可大大减少CO2排放。

4、紫色非硫光合菌在厌氧条件下将污水中的有机物同化为生物质，作为动物饲料、肥料或提取聚经基链烷酸酷（可降解塑料）的原料，同时吸收CO2而无温室气体产生，开发利用紫色非硫光合菌处理污水的新技术值得重视。

结束语

综上所述，污水处理过程中温室气体的排放在很大程度上严重影响着空气质量，因此，需要采取措施减少温室气体排放，实现污水处理的节能减排，随着经济以及科学技术的发展，污水处理过程中温室气体排放逐渐科学化合理化，真正意义上实现节能环保。

参考文献：

[1]彭洁。 城市污水污泥处置方式的温室气体排放比较分析[D].湖南大学,2013.

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中图分类号 X22 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2011)08-0087-08 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2011.08.014

进入工业革命以来，大气中CO2浓度在不断升高，全世界大多数科学家已一致认为，不断增长的CO2浓度正导致全球温度上升，并可能带来持续的负面影响［1］。地表和大气之间的反馈对气候变化起着至关重要的作用，而农业生产过程不仅改变了地表环境，而且改变了大气、土壤和生物之间的物质循环、能量流动和信息交换的强度，因此带来了一系列环境问题，如土地沙化退化、水土流失、温室气体排放增强等。近十多年来，温室气体排放增加引起的全球气候变暖成为人们普遍关注的焦点，而农业则是CO2、CH4和N2O这三种温室气体的主要排放源之一［2］。据估计，农业温室气体占全球总温室气体排放的13.5%，与交通（13.1%）所导致温室气体排放相当［3］。因此，农田温室气体排放相关研究已成为目前国际研究热点之一。

1 农田温室气体净排放的涵义

农田是温室气体的排放源，但同时也具有固碳作用，研究农田温室气体排放的重点之一就是从“净排放”的角度综合考虑其“固”与“排”的平衡。如图1所示，在农田生态系统中，作物通过光合作用吸收大气中的CO2，而根和秸秆还田后分解转化成较稳定的有机碳（SOC），将CO2固定在土壤中。因此，SOC是农田生态系统的唯一的碳库。SOC的形成和土壤呼吸是一个同时进行的过程，采用黑箱的理论方法可得出，农田土壤固碳和土壤呼吸的共同作用最终体现为SOC变化量（dSOC）。农田土壤能排放CO2、N2O和CH4，其中CO2排放来自秸秆分解及土壤呼吸，已包含于dSOC中，故不再重复计算［4］，而CH4则是由有机碳通过一系列反应后转化而成，从土壤释放到大气中后其增温效应比CO2强，则须加以考虑。农田生产物资（柴油、化肥、农药等）的使用所造成的温室气体（主要为CO2、N2O和CH4）排放亦需加以考虑。

综上所述，农田温室气体净排放计算组成因素为dSOC、农田土壤N2O和CH4的排放、农田生产物资的使用所造成的温室气体（主要为CO2、N2O和CH4）排放，影响以上组成因素的农业措施主要有耕作方式、施肥、水分管理、作物品种、轮作及间套作等。当土壤固定的碳（CO2-eq）大于农田土壤N2O和CH4、农田生产物资的使用所造成的

之则为碳源。

2 农田温室气体净排放的主要影响因素

农业生产过程中采用的农业措施（如耕作、施肥、灌溉等）影响着SOC含量、农田土壤温室气体排放及物资投入量，从而影响了农田温室气体净排放结果。因此，了解其主要的影响因素具有一定的现实指导意义，具体如下。

黄坚雄等：农田温室气体净排放研究进展

中国人口•资源与环境 2011年 第8期2.1 耕作方式

2.1.1 耕作方式对农田土壤有机碳含量的影响

目前，国内外学者基本一致认为，与传统翻耕相比，以少免耕和秸秆还田为主要特征的保护性耕作能主要提高0-10 cm土层SOC含量［5-10］，而对深层SOC含量影响不大［11-12］。据估计，全世界平均每公顷耕地每年释放C素为75.34 t［13］，而保护性耕作则相对减少了对土壤的扰动，是减少碳损失的途径之一。在美国，Kisselle等和Johnson等的研究表明，与传统耕作相比，以少免耕和秸秆还田为主要特征的保护性耕作提高了土壤碳含量［5-6］，美国能源部门的CSiTE（Carbon Sequestration in Terrestrial Ecosystems）研究协会收集了76个的农业土壤碳固定的长期定位试验的数据进行分析，结果表明从传统耕作转变免耕，0-30 cm的土壤平均每年固定337±108 kg/hm2［14］碳。在加拿大，Vanden等分析对比了西部35个少耕试验，结果表明平均每年土壤碳固定的增长量为320±150 kg/hm2 ［8］碳。国内的许多研究亦表明保护性耕作能提高SOC含量，如罗珠珠等和蔡立群等的试验表明，免耕和秸秆覆盖处理可显著增加SOC含量［9-10］。但也有部分的研究的结果表明免耕和秸秆还田没有显著增加土壤碳含量［15］，可能的原因是SOC变化受气候变化的影响或测定年限较短造成的［12］。总体而言，与传统耕作相比，通过少免耕和秸秆还田等措施能提高SOC含量是受到广泛认同的结论。

2.1.2 耕作方式对农田土壤温室气体排放的影响

（1）耕作方式对农田CH4排放的影响。农田CH4在厌氧条件下产生，而在有氧条件下，土壤中的甲烷氧化菌可氧化CH4并将其当作唯一的碳源和能源。甲烷氧化菌在团粒结构较好的壤土中可保护自己免受干扰［16］，有利于其氧化CH4，而耕作方式对土壤团粒结构有一定的影响［17］。许多研究结果表明，与传统耕作相比，保护性耕作减少CH4的排放。如David等在玉米农田的长期耕作试验的研究结果表明免耕是CH4的汇，而深松和翻耕则为CH4的源［18］。Verlan等和Liebig等的研究亦得出类似的结果［19］。在国内，隋延婷研究表明玉米农田常规耕作处理的CH4排放通量大于免耕处理的CH4的排放通量，由于在常规耕制度下土壤受到耕作扰动，促进了分解作用，导致土壤有机质含量下降，而免耕制度下减少了对土壤的扰动，从而增加了土壤有机质的平均滞留时间，降低了CH4排放量［20］。但亦有部分研究结果表明保护性耕作增加了CH4的排放，如Rex等的研究表明在玉米大豆轮作体系中免耕比深松和翻耕排放更多的CH4［21］。总体而言，少免耕措施能基本减少CH4排放。

（2）耕作方式对农田N2O排放的影响。土壤中N2O的产生主要是在微生物的参与下，通过硝化和反硝化作用完成。目前，耕作方式对农田N2O排放的影响没有较一致的结果。郭李萍研究表明，与传统耕作相比，免耕措施和秸秆还田处理的小麦农田的N2O排放量比传统耕作低，保护性耕作减少了土壤N2O的排放［22］，李琳在研究不同耕作措施对玉米农田土壤N2O排放量影响的结果中表明，不同耕作方式土壤N2O排放量大小为翻耕>免耕>旋耕［23］。国外的一些研究结果亦与以上研究结果一致，如Malhi等的研究表明传统耕作处理的N2O排放高于免耕［24］。David等在玉米农田的耕作试验结果表明N2O年排放量最大为翻耕，其次为深松，最小免耕［18］。但也有部分研究结果与上述结果不同，如Bruce等的研究表明免耕会增加N2O的排放［25］。钱美宇在小麦农田的研究表明传统耕作方式农田土壤N2O排放量较高，单纯的免耕措施会降低N2O通量，而秸杆覆盖和立地留茬处理会相对增加免耕处理的农田土壤N2O通量［26］。总体而言，少免耕措施比传统耕作更能减少农田土壤N2O的排放的研究尚存在一定的争议，可能是土壤、气候等因素导致存在差异。

2.1.3 耕作方式对物资投入的影响

农业是能源使用的主要部分，Osman等指出，能源消耗指数和农业生产力有极显著的正相关性［27］。耕作方式改变意味着化石燃料的使用亦发生改变。农业生产过程中，耕地和收获两个环节耗能最大，实践表明，采用“免耕法”或“减少耕作法”每年每公顷能节省23 kg燃料碳。日本在北海道研究认为，在少耕情况下，每公顷可节省47.51 kg油耗，相当于125.4 kgCO2的量，总的CO2释放量相比传统耕作减少15%-29%［28］。实施保护性耕作将秸秆还田，能保土保水［29-30］，从而减少了养分和水分投入所造成的温室气体排放。所以，培育土壤碳库是节约能源、减少污染、培肥土壤一举多得的措施［31］。晋齐鸣等的研究指出，保护性耕作田的致病菌数量较常规农田有较大幅度提高，并随耕作年限的延长而增加［32］。Nakamoto等的研究表明旋耕增加了冬季杂草的生物量，翻耕减少了冬季和夏季杂草多样性［33］。类似的，Sakine的研究表明深松处理杂草密度最高，其次为旋耕，最小为翻耕［34］。因此，因保护性耕作导致土壤病害和草害的加重很可能会导致农药的使用量增加。总而言之，采取保护性耕作在一定程度上可减少柴油、肥料等的投入，但却可能增加农药等的投入，其对减少农田温室气体排放的贡献需综合两者的效应。

2.2 施肥

2.2.1 施肥对农田土壤有机碳含量的影响

在农田施肥管理措施中，秸秆和无机肥配施、秸秆还田、施有机肥、有机肥和无机肥的施用均能提高SOC的含量［35-36］，其中，有机肥和无机肥配施的固碳潜力较大［37］。Loretta等在麦玉轮作体系中长期施用有机肥和无机肥的试验结果表明，从1972至2000年，单施无机氮肥处理的SOC均变化不明显，而有机粪肥和秸秆分别配施无机氮肥均能显著提高SOC含量［38］。Cai等在黄淮海地区开展14年定位的试验结果表明，施用NPK肥和有机肥均能提高0-20 cm土层土壤的有机碳含量。有机肥处理的SOC含量最高，为12.2 t/hm2碳，NPK处理的作物产量最高，但SOC含量却较低，为3.7 t/hm2碳，对照为1.4 t/hm2碳。因此，有机肥和无机化肥配施既能保证产量，又能提高SOC含量［37］。Purakayastha等的研究亦得出相同结论［39］。总而言之，施肥（特别是配施）能提高SOC含量的研究结果较一致。

2.2.2 施肥对农田土壤温室气体排放的影响

农田是N2O和CH4重要的排放源之一，其中农田N2O排放来自土壤硝化与反硝化作用，而施用氮肥可为其提供氮源。N2O的排放量与氮肥施用量成线性关系，随着无机氮施用的增加，N2O的产生越多［40］。项虹艳等的研究表明施氮处理对紫色土壤夏玉米N2O排放量显著高于不施氮肥处理［41］。Laura等的试验也得出了相同的结果，且有机物代替化肥能减少N2O的排放［42］。孟磊等在旱地玉米农田的研究及秦晓波等在水稻田的研究表明施有机肥处理下N2O的排放通量比施无机肥处理小［43-44］，但在水稻田中施有机肥促进了CH4的排放［45］。石英尧等的研究表明随着氮肥用量的增加，稻田CH4排放量增加［46］。此外，施肥种类对温室气体排放亦有一定的影响［47］。总体而言，施肥对土壤N2O和CH4排放有影响，N2O排放主要受无机氮肥影响较大，且在一定程度上随氮肥用量的增大而增大，而CH4主要受有机物料的影响较大，可能是有机物料为CH4的产生提供了充足的碳源。

2.3 水分管理

农田土壤N2O在厌氧和好氧环境下均能产生，而CH4则是在厌氧环境下产生。水分对土壤农田透气性具有重要的调节作用，是影响农田土壤N2O和CH4排放的重要因素之一。旱地土壤含水量与土壤中的硝化作用和反硝化作用具有重要的相关性，N2O排放通量与土壤含水量显著正相关，直接影响着土壤N2O的排放［48］。Ponce等的试验指出，在一定程度上随着土壤含水量的增加，N2O的产生越多，提高含水量促进N2O的产生［49］，Laura等亦得出相似的研究结果［42］。Liebig等、Metay等和郭李萍在其研究当中均指出CH4在旱地土壤表现为一个弱的碳汇［19,22］，其对农田温室气体排放的贡献较小。因此，在旱田的水分管理中要提倡合理灌溉。

水稻田是一个重要的N2O和CH4的排放源，并且排放通量的时空差异明显［50］。稻田淹水下由于处于极端还原条件，淹水期间很少有N2O的排放［22］，但稻田淹水制造了厌氧环境，有利于CH4的产生［51］，且管理措施对其有重要影响，假如水稻生长季至少搁田一次，全球每年可减少4.1×109t的CH4排放，但搁田增加了N2O的排放［52］。Towprayoon等的研究亦得出了类似的结论［53］，因此，稻田水分对减少N2O和CH4排放有相反作用，需综合进行平衡管理。

2.4 作物品种、轮作及间套作

品种对农业减排亦有重要作用。如水稻品种能影响CH4排放，由于根氧化力和泌氧能力强的水稻品种能使根际氧化还原电位上升，抑制甲烷的产生，同时又使甲烷氧化菌活动增强，促进甲烷的氧化，则产生的甲烷就减少，排放量亦会减少［54］。抗虫棉的推广亦能减少农药使用，减少了农药制造的能耗；培育抗旱作物能减少对水分的需求量，使之更能适应在逆境中生长，增加了生态系统的生物量，作物还田量增加，有利于SOC的积累。品种的改良与引进能增加生物多样性，改善了作物生态环境，可减少物资的投入［55］。因此，品种选育是减少农田温室气体排放的途径之一。

轮作、间套作在一定程度上能减少农田温室气体排放。Andreas等指出，轮作比耕作更有减排潜力，其对20年的长期定位的试验结果分析表明，玉米-玉米-苜蓿-苜蓿轮作体系土壤固碳量较大，每年固碳量为289 kg/hm2碳，而玉米-玉米-大豆-大豆轮作体系表现为碳源。与玉米连作对比，将豆科植物整合到以玉米为主的种植系统能带来多种效益，如提高产量、减少投入、固碳并减少温室气体的排放。玉米和大豆、小麦和红三叶草轮作能减少相当于1 300 kg/hm2CO2的温室气体。苜蓿与玉米轮作每年能减少至少2 000 kg/hm2CO2。豆科植物具有固氮作用，比减少氮肥使用、减少化肥生产和土壤碳固定减少温室气体排放更有显著贡献［8］。West and Post总结了美国67个长期定位试验，表明轮作使土壤平均每年增加200±120 kg/hm2碳［56］。Nzabi等的研究表明，豆科植物秸秆还田能提高SOC，但由豆科种类决定［57］。Rao等研究表明，间作使SOC减少［58］。Maren等研究表明，玉米与大豆间作系统N2O排放量显著比玉米单作少但比大豆单作多，且间作系统是比较大的CH4汇［59］。陈书涛等研究表明不同的轮作方式对N2O排放总量影响不同［60］。总体而言，作物类型对温室气体排放具有较大的差异性，部分轮作模式和间作模式对提高农田SOC含量，减少农田温室气体排放具有一定的贡献。

3 讨 论

3.1 国内外关于农田温室气体净排放研究的差异

人们在关注到固碳减排的重要性的同时，也意识到了农业生态系统具有巨大的固碳潜力。固碳指大气中的CO2转移到长期存在的碳库的过程［4,61］，农田生态系统中的碳库则是土壤有机碳库。据估计，到2030年全球农业技术减排潜力大约为5.5×109-6.0×109 t CO-ep2，其中大约89%可通过土壤固碳实现［3］。然而，系统范围的界定对土壤固碳潜力计算的结果存在较大的影响。目前，国内和国外在此方面的研究取向存在着一定的差异。

国外学者关于农田温室气体排放计算的相关研究大多考虑了农业措施（如物资投入）造成的隐藏的温室气体排放［61-63］，并得出了一些比较有价值的结论，如Ismail等根据肯塔基州20年的玉米氮肥长期定位试验计算结果表明，施用氮肥显著地促进了土壤碳固定，然而来自氮肥使用所排放的CO2抵消了土壤固定的碳的27%-65%。类似的，瑞士的Paustian等也指出41%土壤固定的碳被氮肥生产使用所抵消。Gregorich等则指出增长的有机碳被生产使用的氮肥抵消了62%［63］。

相较之下，国内对农田温室气体排放的研究主要集中在农田土壤的碳源碳汇范围，多数没有考虑物资投入所造成的排放。国内从“净排放”进行的相关研究较少，类似问题从近期开始得到重视，如逯非等就提出了净减排潜力(Net Mitigation Potential，NMP)［64］，如伍芬琳等估算了华北平原小麦-玉米两熟地区保护性耕作的净碳排放［65］，但没有考虑农田土壤N2O和CH4的排放。韩宾等从耕作方式转变的角度研究了麦玉两熟区的固碳潜力［66］，亦没有考虑农田土壤N2O和CH4的排放。

综上所述，国内外关于农田温室气体排放的研究差异主要在于对温室气体排放计算范围的界定，考虑隐藏的碳排放更能体现农田温室气体的真实排放。农田温室气体净排放能真实地反应出一系列农业措施的综合效应是碳源还是碳汇，具有重要的指导意义，需加以重视。

3.2 研究展望

鉴于国内农田温室气体排放研究的重要性及不足，在未来关于农田温室气体排放计算的研究当中，需注重以下两点：一是加强各种农业措施对农田温室气体排放影响的研究。农业生态系统是一种复杂的系统，由于气候、土壤等的差异，同一研究问题得出的结论存在一定的差异，加强研究不同的农业措施对温室气体排放的影响及机制，在各个环节中调控农田温室气体排放具有重要的意义。主要包括以下内容：①综合考虑农业措施对深层SOC含量的影响条件下，研究农田土壤是否为一个碳汇。以往对其的研究主要集中在土壤表层，如保护性耕作能提高表层SOC含量，但亦得出保护性耕作对深层SOC含量影响不大［11-12］，仅极少研究报道保护性耕作能提高深层SOC含量［67］；②加强耕作措施和施肥对SOC增长潜力的研究［68］，如由于气候及土壤环境有差异，如同一物质的玉米秸秆在中国东北地区的腐殖化系数为0.26-0.48，而在江南地区则是0.19-0.22［69］，从而对SOC的累计影响较大。中国农业的区域性特点明显，了解不同区域的SOC增长潜力在该领域研究具有重要意义；③加强轮作和间套作对SOC含量及温室气体排放的影响。在国内，轮作和间套作对温室气体排放的研究较少，如陈书涛等的研究表明玉米-小麦轮作农田的N2O年度排放量比水稻-小麦轮作高［60］。Oelbermann等研究表明间作能提高SOC含量［70］；④研究减少物质投入的农业措施，且主要为减少氮肥的投入。保护性耕作对减少化石能源有重要作用，但农业投入造成温室排放和农田土壤N2O排放的主要因素为氮肥生产及投入；⑤水稻田水分管理。连续淹水条件下水稻田排放的温室气体主要为CH4，而搁田可减少CH4排放，但却增加了排放N2O排放增加。因此，需要在水稻田提出适宜的水分管理制度。二是加强国内农田温室气体净排放的计算研究。国内近年来对农田温室气体的排放的计算目前，国内对净排放的研究存在不足，主要关注在SOC及农田土壤温室气体排放两方面。近年国外学者对国内学者发表文章的回应就体现了国内在该方面研究的不足［71-72］。值得一提的是，农田投入所造成的温室气体排放清单对净排放研究具有重要影响，如生产等量的纯N、P2O5和K2O，如发达国家的生产造成的温室气体排放分别约是我国的31.1%、40.5%和45.3%［14，73］。因此，排放清单研究有待进一步的加强和跟踪研究。

总之，加强该领域的研究，能在温室气体减排的角度上得出最佳的减排措施及途径，能为提出更合理的建议和制定更准确的决策提供一定的参考依据。

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Research Progress of Net Emission of Farmland Greenhouse Gases

HUANG Jianxiong CHEN Yuanquan SUI Peng GAO Wangsheng

WANG Binbin WU Xuemei XIONG Jie SHI Xuepeng SUN Ziguang

篇4

生物炭通常指树木、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等生物质在无氧或部分缺氧及相对低温（

生物炭具有巨大的比表面积、发达的多孔结构，表面有大量的官能团，对有机物和重金属离子具有强烈的吸附能力，因此生物炭常被用在污染物吸附、重金属污染治理、土壤改良等方面。近年来，生物炭在土壤中的固碳减排效应成为各研究机构和学者关注的重点，被认为是缓解温气候变暖的有效途径。生物质炭化成本低，原料充足，制得的生物炭具有高度稳定性，在土壤中具有明显固碳减排的作用，目前对其研究主要集中在碳封存和减少温室气体排放两个方面，弱化了生物炭替代氮肥生产及使用过程所产生的减排效应，没有严格的从“固碳”、“减碳”和“零碳”三个方面细分进行研究，生物炭在替代化肥生产使用量方面所起的“零碳”效应潜力巨大，也是固碳减排的重要方面。本文综合论述了生物炭的“固碳”、“减碳”和“零碳”效益，以及生物炭在低碳农业中的应用，为今后生物炭的研究和应用提供参考。

1.生物炭在固碳减排领域的效应

1.1 生物炭在土壤中的储碳、固碳效应

CO2在全球温室气体排放中所占比重最大，全球每年CO2排放量达250多亿t[3]。土壤是引起气候变化和全球变暖的温室气体重要的排放源，土壤和植物根系的呼吸作用释放的CO2占全部CO2排放的20%[4]。同时，农田土壤也是重要的碳汇，是《京都议定书》认可的固碳减排方法之一，在减少温室气体排放，稳定大气CO2浓度中具有重要地位。自然条件下，植物经过光合作用吸收的CO2，50%进过植物呼吸作用返回到大气，另50%经过矿化作用转化为CO2（碳中性），没有任何净固碳作用。而如果将植物残体炭化，植物残体中剩余的25% 的C 被转化为生物炭施加到土壤中，由于生物炭非常稳定，可能仅有大约 5% C在土壤微生物的作用下矿化分解成 CO2返回到大气中，整个大气中碳会因此减少20%（碳负性）[5]。生物炭具有高度的芳香化结构，具有很强的抗腐蚀性，同时能与土壤中矿物质形成团聚体，减弱微生物对生物炭的作用，能够长时间的保留在土壤中，起到碳储存的作用。Kuzyakov 等[6]研究表明，生物炭在土壤中的平均停留时间大约为 2000 年，半衰期约为 1400 年。另外，生物炭能够扩充土壤有机碳库，增加土壤的碳封存能力和肥力。生物炭的碳封存途径，一是通过炭化直接使易矿化的植物 C 转变为稳定的生物炭；二是通过增加植物生物量，提高了植物对大气 CO2的捕获能力，增大植物体转变成土壤中的有机碳[7]；还能够通过改变土壤中有机质（SOM） 腐质化、稳定性和呼吸速率等，抑制土壤有机碳（SOC）的分解，起到碳封存的作用[8]。将生物炭作为储碳形式，埋在土壤或者山谷中，能够实现大规模的碳封存效果，对于减缓气候变化具有重大意义。

1.2 生物炭的“零碳”效应

生物炭的零碳效应主要体现在增加作物产量，代替或减少化肥使用量，从而在化肥全过程中不排放或者减少温室气体的排放。化肥的生产及运输过程中消耗大量的能源，West等[9]研究认为，在整个氮肥生产和运输过程中所排放的温室气体为0.857gCO2-CgN-1。程琨等[10]对农作物生产碳足迹的分析表明，农业化肥投入引起的碳排放约占农作物生产总碳排放的60%，其中氮肥占95%`。土壤N2O排放量与施肥量存在线性相关关系，王效科等[11]研究发现，当化肥施用量减少到0和50%时，土壤N20减排量分别占当前排放的41%和22%。并且氮肥使用量减少30%不会造成粮食的减产[12]，因此减少氮肥使用量是农业减排的重要途径。生物炭施加到土壤中，能够明显改善土壤营养状况，起到缓释肥作用，减少或替代化肥的使用，从而减少化肥生产过程中及施用过程中温室气体的产生。据估算，10t的生物炭能够替代1t氮肥，从而可以减少1.8t碳当量的温室气体产生[13]。生物质炭化过程电耗低，电耗产生的CO2排放远低于生产氮肥的CO2排放量。生物炭就地炭化可以直接还田，也可以与肥料混合制成炭基肥，替代或减少氮肥的施用量，从而减少生产及运输氮肥过程的能耗，减少温室气体的产生，因此生物炭具有显著的“零碳”效应。

1.3 生物炭的“减碳”效应

CH4在100a尺度的全球变暖潜能值（GWP）是CO2的21倍，大气中CH4的浓度是N2O的6倍，高达1800ppb。N2O的GWP是CO2的298倍，可稳定存在长达150年[14]，农业活动产生的CH4约占大气CH4的 50%，主要来源是水稻种植、动物养殖。化肥的大量使用是N2O最主要的人为排放源。生物炭施加到土壤中，能够显著的降低CO2、CH4及N2O等温室气体的排放量，具有明显的“减碳”效应。生物炭在土壤中通过表面吸附溶解性有机碳（DOC），并促进包裹有机质的土壤颗粒的形成，降低土壤有机碳的矿化作用，减少CO2排放[15]，Steiner 等[16]研究发现自然状况或者添加鸡粪、堆肥、树叶等有机质的土壤中，添加生物炭后，土壤中C的损失率从25%以上降低为4%～8%。王欣欣等[17]研究发现，水稻土中添加不同用量的竹炭，CH4和N2O季节累计排放量比对照组降低了58.2%～91.7%和25.8%～83.8%，相对于常规肥处理而言，分别降低了64.3%～92.9%和72.3%～93.9%。与秸秆直接还田会增加土壤总N2O的排放量相比，具有明显减排效益[18]。

目前对于生物炭改变土壤的非生物环境（如土壤pH、容重和持水量等），影响微生物作用，从而减少N2O的产生量的研究较多。而对于生物炭对硝化细菌和脱氮菌等微生物直接作用来减少N2O的排放的研究相对较少。生物质在低温炭化过程中，会产生PAHs和酚类物质（PHCs），土壤中的PAHs和PHCs能够降低生物活性，具有杀菌的性能。研究发现，经缓慢裂解所制得的生物炭中PAHs的含量低于经快速裂解和气化所制得的，其PAHs的含量从78.44 ng・g-1到2125 ng・g-1[19]，且一般在350-550℃温度下制得的生物炭中PAHs含量最高，Wang等[20]研究发现，300-400℃制得的生物炭中PAHs对于减少N2O的排放起主要作用，在200℃制得的生物炭中含有少量的PAHs但含有大量的PHCs，加大了对微生物的毒性，影响硝化和反硝化作用，因此N2O排放量很低。按照施炭量计算，施加生物炭带入的PAHs量低于环境安全值，不会污染环境。

一般认为，生物炭施入土壤后能降低CH4的排放量，Liu 等[21]研究表明，水稻土壤中添加竹炭生物炭和水稻秸秆生物炭后，CH4的排放量分别减少了51.1%和91.2%。Feng等[22]研究认为，新制得的生物炭施加到土壤后，增加土壤的空隙度，增强了甲烷氧化菌对CH4的氧化作用，但同时也能刺激产甲烷细菌的活性，但是甲烷氧化菌对CH4的利用度超过甲烷的产生量，因此生物炭能够减少土壤中CH4 的排放量。

1.4 生物固碳减排经济效益

“固碳”方面，1t生物炭，按照60%含c量计算，其中2%生物炭在土壤中以CO2形式逸出，剩下58%以稳定C形式存在，相当于2.15t CO2被封存。“零碳”及“减碳”方面，1t生物炭能够替代氮肥0.58t，减少温室气体1.04t，在土壤中还能抑制温室气体的产生，粗略计算，1t生物炭埋入土壤，固碳减排CO2约3.2t，按照目前欧盟CO2交易价格4.11美元/吨计算，1t生物炭可获得收益13.15美元。

2. 生物炭在低碳农业中的应用

农业活动是温室气体的第二大排放源，约占全球温室气体排放总量的14%，据估计，全球每年由农业扰动，由土壤释放到大气中的碳量约为 0.8×1012kg～4.6×1012kg[23]，氮肥大量使用、秸秆等生物质焚烧、垦荒种地等农业活动产生大量的温室气体，农业是节能减排的重点领域。同时，农业也是一个巨大的碳汇系统，一方面可以调整农业生产结构，改善种植模式，增大农作物的碳吸收量。另一方面可以通过扩大土壤有机碳库减少温室气体排放。扩大土壤有机碳库是农业固碳增汇的关键，中国有 18 亿亩耕地资源，若土壤有机质含量提高 1%，土壤可从空气中净吸收 306 亿tCO2[24]。据Lal估计[25]，全球农业土壤碳库扩充潜力为1.2～3.1 PgC/a，耕层土壤有机碳含量提高1tC・a/hm2，发展中国家粮食产量年增加2400～3200万t，农业的固碳增汇潜力巨大。

生物炭具有良好物理性质和土壤调理功能，对土壤水溶液中的K、P、硝态N及铵态N[26]等营养元素具有较强的吸附能力，可以增加土壤有效P、K、Mg和Ca含量[27]。研究发现，炭基肥与常规复混化肥处理水稻田比较，施氮量减少19.04%，水稻的经济产量提高6.70%以上，可以明显提高氮肥的利用率[28]。Chan 等[29]研究表明，在低纬度地区，每公顷农田施用 20t以上的生物炭可减少 10%的肥料施用量。相比于秸秆等生物质直接还田，生物炭还田或者制成炭基肥入田便于运输管理，能够防止土传病害，可以减少化肥的施用量，提高氮肥利用率。

低碳农业就是充分利用农业碳汇功能，尽可能减低其碳排放功能，实现食品生产全过程的低碳排放，其核心是在生产经营中减少温室气体排放[30]。据 Woolf 等[31]估计，生物炭埋入土壤可抵消高达16%的全球化石燃料碳排放。生物炭在低碳农业中应用的四个着力点：第一，保肥增产作用，减少化肥使用量；第二，废弃生物质炭化还田，减少温室气体排放量；第三，改善土壤条件，减耕免耕[32]，降低土壤因扰动而释放CO2等温室气体；第四，扩容土壤有机碳库，增强土壤的碳汇功能。积极倡导通过生物质能源与碳封存耦合模式、能量自给碳封存模式、农林复合模式、工农复合模式等开展生物炭的低碳农业[33]。

3.结论与展望

生物炭本身的结构和性质使其在改善土壤条件、增产治污及固碳减排方面的应用具有广阔的应用，成为各国研究机构和学者研究的重点，今后的研究中应严格区分生物炭的“固碳”、“零碳”和“减碳”功能，从各环节发挥生物炭固碳减排的作用。由于生物质炭化成本低，原料充足，制得的生物炭具有高度稳定性，其作为温室气体排放抑制剂和碳封存剂的重要作用为温室气体减排工作开辟新的思路，有望成为减缓温室效应最经济的最有效的途径。

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篇5

中图分类号：X22　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2010)010－111－02

近一两年来，重大灾害性天气气候事件在全球频频出现，俄罗斯干旱大火持续肆虐，巴基斯坦持续强降雨洪灾惨重，中欧多国暴雨成灾，罕见严寒酷暑折腾着地球南北，还有今年八月我国甘肃南部舟曲县遭遇特大泥石流灾害，造成重大的人员伤亡和财产损失。有科学家预测，在全球变暖的情况下，目前全球正处于极端天气气候事件的频发期。引起气候变化的原因除了自然因素以外，重要的是人为因素。它是由于人类活动，如化石燃料的燃烧所产生的大量二氧化碳和其他温室气体排放到大气当中，增强了地球的温室效应，从而引起了全球气候的变暖。这是人类无理性、无节制的活动造成的，对气候的影响更大。事实告诉我们：气候变化已经发生，应对气候变化刻不容缓。在此背景下，目前所有国家都认为最终出路在于发展低碳经济。我国为了提高公众对国土资源国情的认识，普及有关科学技术知识，引导全社会积极参与节约集约利用资源、减少碳排放、促进经济发展方式转变的实践。国土资源部在今年四月发出开展第41个世界地球日主题宣传活动的通知中，确定把今年地球日主题定为：“珍惜地球资源转变发展方式倡导低碳生活”。低碳经济是近年来国际国内经济技术界提出的一个新的发展概念，它以低能耗、低排放、低污染为基本特征，以应对碳基能源对于气候变化影响为基本要求，以实现经济社会的可持续发展为基本目的，其内涵与外延正在不断地深化与扩大。

今年8月18日，国家低碳省区和低碳城市试点工作正式启动。由国家发改委确定的首批低碳试点省和低碳试点市是广东、辽宁、湖北、陕西、云南五省和天津、重庆、深圳、厦门、杭州、南昌、贵阳、保定八市。试点工作主要有五个方面的任务：一是编制低碳发展规划；二是制定支持低碳绿色发展的配套政策：三是加快建立以低碳排放为特征的产业体系：四是建立温室气体排放数据统计和管理体系；五是积极倡导低碳绿色生活方式和消费模式。这是新形势下我国积极应对气候变化采取的一项重大举措，是促进可持续发展的现实需要，是探索中国特色低碳绿色发展经验的有效途径。虽然现在尚未有一家试点地区对外公布其完成方案，但无论怎样实施，地方方案都要围绕上述五大任务展开。其中，“建立温室气体排放数据统计和管理体系”是个新鲜命题，也是个最大难题，此举意味着试点地区要启动“区域碳盘查”，每个城市都要加强温室气体排放统计工作，建立完整的数据收集和核算系统，也就是将要把温室气体排放列入日常数据统计当中。今年国家发改委根据国务院提出的把单位GDP二氧化碳排放指标纳入国民经济和社会发展规划并作为约束性目标的要求，将组织编制2005年和2008年温室气体排放清单，增强我国温室气体排放清单的完整、准确性。此举将摸清我国二氧化碳排放情况，逐步建立和完善有关温室气体排放的统计监测和分解考核体系，切实保障实现控制温室气体排放行动目标。

1997年的12月，149个国家和地区的代表通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》》。《京都议定书》规定，到2010年，所有发达国家二氧化碳等6种温室气体的排放量，要比1990年减少5.2％。到2020年，我国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降4.45％，非化石能源占一次能源消费的比重达到1.5％左右，增加森林面积四千万公顷。要实现降低碳排放强度的目标，我国将面临巨大压力和困难。我国是一个发展中国家，既要发展经济、摆脱贫困、改善民生，还要面对适应气候变化和减缓温室气体增长速度的挑战。随着经济增长，我国的能源消耗总量、二氧化碳排放总量可能还会增加。

目前，我国的一些省份正在组织编制温室气体排放清单，以摸清“家底”，实施低碳发展战略。我认为在完成这一任务时，除了上述问题对我国来说是一个巨大压力和困难以外，如何摸清“家底”，数据的收集方法是最基本也是最重要的问题。

数据的收集方法包括收集现有数据，如何生成新的数据，调整数据，排放因子和排放量的直接测量，制作或评审活动数据。数据的收集应在选好适当的方法后进行，数据收集活动应考虑时间序列一致性，应制定并坚持执行适当的验证、归档和核查程序，以保证数据的准确性。同时还应收集有关不确定性的数据，保证和控制数据质量。数据收集的结果也可能有助于对所选择方法的改进。

收集现有数据。采取资料收集、咨询、调研和抽样调查等方式，收集分析和确定化石燃料燃烧的活动水平数据，包括：活动部门、技术和设备类型、燃料种类，建立能源活动水平数据库。收集煤矿矿井开采、露天开采和矿后活动的煤炭产量和甲烷排放情况。收集各类型煤矿的煤层甲烷含量及其排放特征，矿后活动甲烷排放量的比例等参数。调查中国分类型(薪材、作物秸杆、家畜粪便等)分主要燃烧设备的生物质能燃烧量。调查陆地和海上油气生产、运输、分装、储存、加工和转换过程中油气的泄漏(逸出)量。在活动水平数据收集方面，我国有关部门已经做到了各予专题确定分设备、分燃料品种的排放源类型，采取调查、专家咨询、发调查表、查阅资料、与协作单位合作等方式收集活动水平数据，数据确认与核实，建立子专题数据库，建立数据共享机制。

排放因子和排放量的直接测量。通过抽样调查，研究确定化石燃料燃烧的二氧化碳和氧化亚氮的排放因子。收集和分析中国主要煤矿主要煤炭品种(无烟煤、烟煤、焦煤、褐煤等)的含碳量和发热值等煤质特性参数。通过抽样调查，研究和确定不同燃烧条件下，煤的碳氧化率；抽样调查不同规模的火力发电站锅炉、工业锅炉、烘干设备和民用炉灶的碳氧化率；研究确定煤炭燃烧过程中的二氧化碳和氧化亚氮的排放因子。研究确定其它化石燃料燃烧的二氧化碳和氧化亚氮的排放因子，包括(1)交通运输部门分设备、分燃料类型的排放因子；(2)不同石油和天然气燃烧设备的排放因子；(3)能源转换部门的排放因子。研究确定煤矿矿井开采、露天开采和矿后活动分高、低瓦斯储量的煤矿的甲烷排放因子。通过抽样调查，研究确定中国分类型(薪材、作物秸杆、家畜粪便)分主要燃烧设备的生物质能燃烧的甲烷排放因子。研究确定油、气系统甲烷泄漏(逸出)排放因子。在我国能源活动温室气体排放清单编制专题年度进展报告中，排放因子直接测量研究有几个方面，

一是研究各子专题分设备、分燃料品种的排放因子的计算方法，二是分析计算排放因子的主要影响因素，三是调查、收集计算排放因子的有关数据，四是研究IPCC推荐值的适应性和可借鉴程度，最后是重点设各计算排放因子所需数据问卷调查(工业锅炉、电站锅炉、各种工业窑炉、合成氨装置、交通运输方式等)。对于排放量计算方法，要有分部门、分设备、分燃料品种的化石燃料燃烧的二氧化碳和氧化亚氮的排放量计算方法。矿井开采、露天开采和矿后活动甲烷排放量计算方法。分类型(薪材、作物秸杆、家畜粪便)分主要燃烧设备的生物质能燃烧的甲烷排放量计算方法。油、气系统甲烷泄漏(逸出)排放量计算方法。碳排放量的直接测量也有几个方面，一是研究和借鉴IPCC的清单编制方法，二是研究碳排放量计算的基本方法碳平衡法，用于既定的生产系统、工序、燃烧设备等的碳平衡计算，三是研究能源活动温室气体排放量计算方法，包括：燃料燃烧CO2排放量计算；能源转换部门N2O排放量计算；油、气系统Ch4泄露排放量计算；煤炭开采和矿后活动的Ch4排放量计算；固碳量计算；能源活动温室气体排放量计算方法等。以农业活动温室气体排放数据收集为例，在活动水平数据的收集与核对时，建立省级主要类型农作物(17种农作物)的播种面积、产量数据库，以及省级氮肥消费、灌溉制度、品种等数据资料的数据库：主要类型动物(11种家畜)的数目及其年龄结构、饲料结构、采食量、动物废弃物产量、动物废弃物管理系统类型、动物废弃物在各个管理系统之间的分配系数、各管理系统的废弃物利用方式等的典型样县调查数据库。建立CH4、N2O排放因子的观测数据及相关信息的数据库：建立典型区域及全国农业土壤和气象等相关信息的数据库。建立与农业温室气体排放相关的农业活动水平的测量数据、调查数据和空间外延数据的数据库。在研究和确定排放因子时，主要类型稻田的甲烷排放因子；主要类型农田的氧化亚氮排放因子；反刍动物(奶牛)甲烷排放因子；主要管理系统的甲烷和氧化亚氮排放因子。已经开始进行计算分区域分类型的稻田甲烷排放量；分区域分类型的农田氧化亚氮排放量；分区域分类型的反刍动物甲烷排放量；分区域分类型的动物废弃物甲烷和氧化亚氮排放量的工作。

据最新报道，作为13个国家低碳试点之一，南昌市在温室气体排放数据统计和管理体系上已抢先一步。南昌市的碳盘查以工业盘查为主，采取了三步走的策略。第一步是根据南昌市统计局提供的资料进行总体摸底，主要针对的是规模以上的工业企业。第二步是进行抽样调查。即对其中的重点企业进行典型抽样调查，到企业查看具体报表(购电、购煤、购油的原始发票、凭证等)，以此核实企业实际能耗情况与统计局提供的数据之间是否有存在误差。最后，进行比较修订。具体做法是根据南昌市节能办掌握的第三方机构对相关企业的能源审计报告、清洁生产审计报告，来估算不同行业在生产、服务过程中可能产生的碳排放量，获得行业的平均修正的系数，在此基础上对前面两步所得数据进行修订。在工业碳盘查之外，建筑、交通也借鉴了工业盘查的方法。首先是计算其耗能量，然后再乘以不同能源的碳排放系数。

众所周知，低碳经济是减少温室气体排放和应对全球气候变化的有效途径，为实现《京都议定书》承诺期碳减排的刚性约束目标，我国将采取四个方面措施，大力发展绿色经济、低碳经济，把碳排放指标纳入十二五规划，一是加强规划引导，完善扶持政策。二是扎实推进节能减排，加强生态环保建设。三是组织开展循环经济、低碳经济试点。四是建立健全科技、统计、信息等支撑体系。

参考文献：

[1]潘家华，庄贵阳，朱守先，构建低碳经济的衡量指标体系[N]，浙江日报,2010，6，4

[2]IPCC国家温室气体清单指南(2006年)[s]

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中图分类号：P467 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0131-02

当今环境问题中的全球变暖和臭氧层损耗导致地球表面紫外线辐射大大增强已经引起了国际学术界的广泛关注，当人们谈及温室气体时，很多人首先会想到二氧化碳，是的，全球变暖的原因之一是CO2气体的浓度不断增加，但是全球温室气体排放实际上有相当一部分是其他气体，例如CH4（甲烷）和N2O（一氧化二氮）。在全世界，CH4和N2O占温室气体总排放量的比例估计分别为14%和9%。

1997年签署的《京都议定书》中规定了除了CO2外的其他五种温室气体，即甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）。CH4和N2O在大自然界中本来就存在，但是由于人类活动而增加了它们的含量，含氟气体则完全是人类活动的产物，主要来源于制冷剂和含氟气体在工业中的应用的释放。（见图1）

长期以来，非二氧化碳温室气体（除甲烷外）的排放多与能源消费有直接关系，是工业化、城市化和农业现代化的结果，因此在气候变化的总体战略中需要加入控制这些气体的排放。根据EPA（美国环境保护局）的数据，2010年中国排放的非二氧化碳温室气体占全球该类气体的比重最高（13.6%），其次是美国（9.84%），然后是印度（8.59%）、巴西（6.12%）、俄罗斯（5.54%）。非CO2温室气体的存续时间长、全球增暖潜势大，对地球环境的负面影响较大，中国面临的国际减排压力与日俱增，导致国内环境条件恶化，对经济社会的健康发展造成不利影未响。

1 中国非二氧化碳温室气体排放现状

中国在上个世纪的重化工发展阶段中，非二氧化碳温室气体无论是从排放总量角度，还是从排放增速而言都在迅猛增加，从而跃居世界第一，并远高于其他国家。下表列出了各种温室气体的全球变暖潜能值（GWP）在大气中相对二氧化碳影响的时间。（见表1）

1.1 甲烷的排放现状

甲烷（CH4）是仅次于二氧化碳的第二大影响气候的温室气体。在过去的150年间，大气中甲烷的浓度增为原来的三倍。生物界中甲烷是由于微生物在厌氧条件下，利用氢还原二氧化碳及利用醋酸盐发酵产生了甲烷，同时自身厌氧分解有机物。目前大气中甲烷浓度的增加主要来源于生物过程的排放，如湿地和稻田、垃圾场、污水处理厂，以及反刍动物和白蚁的消化系统，产生的甲烷占全世界每年排放的6亿吨甲烷的三分之二。

普朗克研究所的科学家发现，即使在完全正常、氧气充足的环境里，植物自身也会产生甲烷并排放到大气中。据德国核物理研究所的科学家经过试验发现，甲烷也来源于植物和落叶，而且随着温度和日照的增强甲烷的生成量也逐渐增加。另外，植物产生的甲烷是腐烂植物的10～100倍。他们经过估算认为，植物每年产生的甲烷占到世界甲烷生成量的10%～30%。

1.2 一氧化二氮的排放现状

一氧化二氮（N2O）在大气中的存留时间长，并可输送到平流层。进入大气平流层中的N2O发生了光化学分解，作为臭氧消耗的主要自然催化剂，导致了臭氧层的损耗。虽然N2O的含量仅约二氧化碳的9%，但其单分子增温潜势却是二氧化碳的310倍，对全球气候的增温效应在未来将越来越显著，N2O浓度的增加，已引起科学家的极大关注。

N2O的增加主要自然源包括海洋、森林和草地土壤，主要是土壤中的微生物通过硝化作用将铵盐转化为硝酸盐和反硝化作用将硝酸盐还原成氮气（N2）或氧化氮（N2O）；人为源主要是农业氮肥过度使用，部分氮肥被庄稼所吸收，剩余相当部分的氮素肥料在土壤中的反硝化细菌的作用下变为一氧化二氮释放到空气中，造成了污染。工业源包括硝酸生产过程、己二酸生产过程和己内酰胺生产过程，目前，硝酸生产过程是大气中N2O的重要来源，也是化学工业过程中N2O排放的主要来源。

1.3 含氟气体的排放现状

《京都议定书》界定的六种温室气体中含氟气体包括氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF6）。

1988年，《Nature》首次发表了英国南极考察队关于南极臭氧空洞的报道，我国青藏高原上空也发现了臭氧低值中心。氟利昂在制冷方面有着很大的优势，但当氟利昂进入平流层后受到紫外线辐射发生光解，产生氯原子，这些氯原子迅速与臭氧反应，将其还原为氧，从而加快臭氧的破坏速率，导致紫外线过强，致暖作用明显，因此逐步被淘汰。由于以前产生的大量的废旧冰箱空调，原来密封的氯氟烃（CFCs）释放到空气中，加上氯氟烃的存续时间长，使得平流层臭氧层在短时间内难以得到完全修复。

氢氟烃（HFCs），虽然其ODP（消耗臭氧潜能值）为零，但在大气中停留时间较长，GWP较高，大量使用会引起全球气候变暖。HFC-134a分子中含有CF3基团，在大气中解离后易与OH自由基或臭氧反应形成对生态系统危害严重的三氟乙酸。

虽然六氟化硫（SF6）本身对人体无毒、无害，但它却是一种温室效应气体，其单分子的温室效应是二氧化碳的2.2万倍，根据IPCC提出的诸多温室气体的GWP指标，六氟化硫的GWP值最大，500年的GWP值为32600，且由于六氟化硫高度的化学稳定性，其在大气中存留时间可长达3200年。

由于氟化气体主要是在工业加工过程中排放的，而随着我国汽车工业、新能源工业的兴起，在制造工艺中使用了越来越多的氟化气体，因此，如何有效控制氟化气体排放，减少其逃逸和泄漏，无害化处理末端气体，成为未来我国非二氧化碳温室气体减排的重中之重。

2 对策

2.1 建立相应的政策法规

目前，我国还没有建立起有关于温室气体的排放统计制度，在现有的统计标准下还存在很多问题，譬如温室气体种类不明确、覆盖面不全、地域差异等等。为了推进研究工作，我们应建立起统一、科学、规范的统计方法制度，采用合理的数据模型，进行不同区域的划分，进行数据测算等等，建立起完整的一套体系。收集到的温室气体报告可以帮助决策者制定政策、帮助企业改善现排放状况，可以使各个地区根据当地的情况合理制定政策法规。

2.2 发挥森林的碳汇能力

根据联合国环境规划署《持续林业：投资我们共同的未来》中揭示，森林每年能够固定碳率达1.1～1.6 Gt。有资料显示，2008年森林碳汇抵消了8.86亿吨的二氧化碳当量温室气体排放，相当于2008年美国温室气体排放量的13%（EPA，2010）。因此在保证我国18亿亩耕地红线的条件下，在对天然林、湿地、草原保护的同时，要坚持推进退耕还林（草）工程，充分发挥和提高森林、湿地等资源的碳汇能力。

2.3 调整农业结构

联合国粮农组织指出，耕地释放的温室气体超过人为温室气体排放总量的30%。传统的深耕细作农业，严重破坏了土壤层对有机碳的固定，导致土壤中的有机碳以二氧化碳形式释放到大气中。因此，国内可以通过减少耕地面积或采取免耕的方法来实现控制碳的排放。而且我国可以发展精准农业，实验表明，通过对农场进行精准农业技术试验，使用了GPS指导施肥的作物产量比传统施肥提高30%，同时减少了化肥的使用量，提高了化肥利用率，减小了对环境的污染。目前，这项技术已经延伸到精量播种，精准灌溉技术等相关领域。

2.4 集中发展畜牧业

目前，畜牧业排放的温室气体约占农业的43.9%，主要来源于反刍动物肠道消化、畜牧草场、动物粪尿垃圾，IPCC（2000）认为反刍动物以甲烷的形式损失的能量约占采食总能量的2%～15%。因此提高饲料转化率，降低动物个体甲烷排放量是减少温室气体的重要手段之一。同时应鼓励和支持规模化畜禽养殖场和养殖小区的建设，转变传统的散养方式，采用舍饲、规模养殖方式，积极引导大型生猪、牛、羊养殖场利用动物粪便生产沼气，发展畜牧业沼气生产。

3 结语

每年6月5日是“世界环境日”，1989年的主题是“警惕，全球要变暖”，1991年的主题是“气候变化―需要全球合作”。气候的变化确实已经成为了限制人类生存和发展的重要因素，受到了各国政府的关注。

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畜禽粪便中的温室气体，主要来源于饲料，适当调整畜禽饲料组分，就可以减少温室气体的排放。研究表明，猪鸡日粮中粗蛋白每降低1个百分点，养殖场中氨气的释放量就会降低10%~20%。采用理想蛋白质模式，将蛋白质的使用量降低2%~3%，优化并充分利用饲料中的各种氨基酸，就能够直接达到“减排”的目的。在饲料中添加蛋白酶等消化酶制剂和胡索酸、柠檬酸、乳酸、丙酸等有机酸制剂，都能显著提高蛋白质的利用率，有效减少温室气体的排放。在饲料中添加具有吸附作用的矿物质（如沸石粉），可以很好地吸附饲料在消化过程中产生的氨、硫化氢、二氧化碳。而在饲料中添加植酸酶，可以提高饲料中植物磷的消化吸收，减少粪便中磷的排放，降低粪便中磷对环境的污染。使用有机微量元素，则能减少粪便中微量元素的排放量，从而减轻对环境的污染。

2.充分利用粪便

猪每天的进食量和排泄量都很大，1头母猪1年排泄量约为4吨；鸡个体小，采食量不大，但规模化养鸡场每日排粪量依然不可低估，况且鸡仅能利用饲料中30%的营养成分。畜禽粪便处理不当，不但对环境造成直接污染，而且还容易形成二次污染，其在露天发酵时排出的温室气体也很可观。利用畜禽粪便最有效的方式，当属生产沼气。各种规模养殖场，都适宜修建沼气池，将收集的畜禽粪便通过密封管道排入沼气池中，经过发酵处理，粪便中的有机物能转化成为可燃气体，作为清洁无污染的优质能源加以利用，可避免甲烷、硫化氢、一氧化碳等气体向外界直接排放，而且沼渣是肥田的好原料，沼液既可以肥田也可用作畜禽饲料。在农村养殖区域大力推广使用沼气池，既可减少温室气体排放，有利于实现粪污综合利用，还能减少能源的消耗。

3.全面节省资源

燃烧1吨标准煤，可排放2.6吨二氧化碳和0.0085吨二氧化硫。节约使用煤炭、柴草，防止能源浪费，可以减少温室气体的直接排放。畜禽养殖场离不开消耗水、电等资源。使用水槽、水盘等传统工具给畜禽供应饮水，水的浪费和污染比较明显，如安装使用“式自动饮水器”，不但能减少饮水污染，而且有利于保证饮水清洁，还能达到70%~80%的节水效果。每消费50千克粮食，等于向空气中排出40千克二氧化碳，如能加强饲料的储存管理，防止发霉、变质，防止虫害、鼠害、鸟害，再加上料槽设计合理，投喂方法合适，就可以防止饲料散落、扬尘，避免剩料被糟蹋，减少了饲料的人为浪费，这样既能节省饲养成本，又可减少温室气体的排放。

4.绿化厂区环境

绿色植物能吸收二氧化碳，释放出大量氧气，既可减少向大气中排出温室气体，又能改善养殖场空气质量，有利于动物的生长和人类的生活。畜禽养殖场及其周边环境如能充分绿化，有害气体至少有25%被阻留净化，林带可降低恶臭50%以上；畜禽养殖场内及其附近如种上玉米、大豆、棉花、向日葵等作物，这些作物都会从大气中吸收二氧化碳和氨气促进自身生长，从而使畜禽养殖场有害气体浓度下降。可供养殖场绿化的树种主要有槐树、杨树、椿树、柳树、榆树、梧桐、泡桐等，也可大量种植花卉和藤蔓植物。

5.搞好疫病预防

控制疫病传播，减少畜禽死亡，是降低温室气体排放、为地球减负的重要手段。由于疾病防控措施不到位，目前猪的死亡率依然在8%~12%之间，农村地区养猪业死亡率更高；肉鸡的平均死亡率也在10%左右，个别鸡场的死亡率更是高达30%；蛋鸡的育成率同样不是很理想。在很多地方，病死畜禽大多无法集中进行无害化处理，更多地被随意抛弃在露天场地，任其腐败分解，产生大量温室气体。由于畜禽死亡导致的二氧化碳排放数量极为庞大，所以有效控制疾病，减少畜禽死亡，不但能降低饲养成本，而且也是间接为减排二氧化碳做贡献。

6.实施环保养殖

环保养猪又称发酵床养猪法、自然养猪法。基本模式是在猪舍内设置90~100厘米深的地下式或地上式垫料坑，坑内填充农副产品垫料，猪粪尿直接排放在垫料上发酵。发酵床养猪的主要优点是：节省用水75%~90%，节省精饲料10%~15%，节省劳力30%~50%，而且垫料可连续使用2~3年。实践证明，环保猪场内外无臭味，氨气含量显著降低，实现了粪污的零排放；猪舍环境好，空气清新自然，环境干燥舒适，减少了病原传播，减少了用药和消毒等常规费用；省地、省煤、省电，猪舍冬季无须人工加热取暖；每10平方米的发酵床，可以使用1亩地的玉米秸秆，为秸秆处理提供了理想的途径，能有效避免焚烧秸秆带来的隐患及空气污染。作为一种既环保又经济的养殖技术，发酵床养猪法顺应了低碳经济时代的客观需求，不但适用于中小型养猪场，更适用于大型养猪企业。在大力普及环保养猪模式的同时，环保养鸡模式也已开始推广，从已有的经验看，综合效益非常理想。

7.加工利用秸秆

我国秸秆饲料资源十分丰富，年产作物秸秆近7亿吨，但作为饲料利用的仅占30%，其余大多被用作燃料或直接废弃掉，从而产生大量温室气体。提倡秸秆过腹还田，是充分利用秸秆资源、减少温室气体排放的有效方式。秸秆粗饲料中的木质素和细胞间的镶嵌物质是影响其消化率的根本原因，若经石灰水、氨溶液等碱性溶液浸泡松软后，可以破坏部分木质素，使其细胞结构变得松散，容易渗透进入纤维素酶及各种消化液，就能有效提高有机物质的消化率。试验表明，麦秸经石灰液碱化后，粗纤维消化率可以提高20%~40%。试验还表明，秸秆饲料经氨化饲喂肉牛，每增重1千克牛肉少耗料0.45千克。秸秆经青贮、微贮后，饲喂其他草食动物，效益也很明显。

8.改变管理模式

细致的管理方式，既有利于节省资源，也有利于减少温室气体的排放。细致的管理涵盖很多内容：经细致管理使环境温度在14~23℃之间，相对湿度为50%~80%，猪的育肥效果最好，饲料报酬最为理想；在不增加其他投入的情况下，使用必要的微量元素添加剂，可使畜禽日增重提高5%~10%；对饲料采取加热、熟化、膨化等方法来消除日粮中抗营养因子对日粮中粗蛋白的消化、吸收的影响，能在很大程度上提高饲料的利用率；改变出栏周期，有利于减少饲料消耗，如蛋鸡只养1个产蛋年，肉鸡以养6~8周龄为宜，肉猪应在90~100千克体重时出栏最合理；改变粪便的处理方式，采用低温风道式连续干燥、高温干燥、太阳能塑料大棚干燥等，能避免粪便自然发酵释放大量温室气体。

9.重视基地建设

标准化、规模化已成为养殖业发展的主流趋势，在扩大生产、保障供给上，标准化、规模化养殖有着巨大的优势，而在畜禽养殖业的“低碳”路线中，标准化、规模化也是值得重视的重要途径。标准化养殖中的设施配套至关重要。如：自动刮粪机能定期、定时、轻松、彻底地清理鸡粪，极大地改变禽畜的生存环境和管理人员的工作环境，减轻工人的劳动强度，提高工作效率；自动喂料机也能降低成本，避免不必要的浪费，有利于畜禽舍内的环境卫生；规模化养殖场使用大型设备，不但能增加经济收益，而且还能有效降低排碳量。

10.改革养殖方式

传统养殖模式粪便排放随意，温室气体释放量很大，对环境的污染十分严重，必须进行改革。立体养殖方式适宜中小型养殖企业采用，如发展“猪—沼—菜”、“猪—沼—果”模式配套养殖，在很多地方都取得了成功，获得了极好的经济效益和社会效益。综合起来看，立体生态养殖能够促进农业的生态化发展，能达到挖潜降耗的目的，有利于保护好生态环境。以“鸡—猪—蝇蛆—鸡（猪）”模式为例：以鸡粪喂猪，猪粪养蝇蛆后肥田，蝇蛆制粉（含蛋白质高达63%）后用来喂鸡或猪其饲养效果与豆饼相同。这种模式，既节省了饲料粮，又使鸡粪得到了无害化处理，经济效益和环境效益均十分明显。

11.选用优质品种

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哥本哈根世界气候大会全称《联合国气候变化框架公约》，被喻为“拯救人类的最后一次机会”; 的会议，让“低碳经济”;成了2009年的岁末热词。一时间，所谓碳税、碳汇、碳交易、碳足迹、低碳工业、低碳农业、低碳建筑、低碳城市、低碳生活蜂拥而至。低碳经济作为具有广泛社会性的前沿经济理念，其实并没有约定俗成的定义。一般来讲，低碳经济是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业创新、新能源开发等手段，尽可能地减少煤炭、石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。所谓低碳，就意味着环保、节能减排，意味着生产、生活方式和价值观念的转变。

1低碳农业的概述 低碳农业首先是一种理念，是农业转变发展方式的一个发展方向。低碳理念的本质就是降能节约。低碳农业是一种现代农业发展模式，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发利用等多种手段，尽可能地减少能源消耗，减少碳排放，实现农业生产发展与生态环境保护双赢。低碳农业是一种比广义的生态农业概念更广泛的概念，是生态农业、绿色农业的进一步发展，不仅象生态农业那样提倡少用化肥农药、进行高效的农业生产，而在农业的能源消耗越来越多，种植、运输、加工等过程中，电力、石油和煤气等能源的使用都在增加的情况下，低碳农业还更注重整体农业能耗和碳排放的降低。

低碳农业也是生物多样性农业。农业的发展经历了刀耕火种农业阶段、传统农业阶段和工业化农业阶段。工业化农业过程对生物多样性构成威胁:农田开垦和连片种植引起自然植被减少，以及自然物种和天敌的减少;农药的使用破坏了物种多样性;化肥造成了环境污染，进而也引起生物多样性的减少;品种选育过程的遗传背景单一化及其大面积推广，造成了对其他品种的排斥，如果用碳经济的概念衡量，这种农业可以说是一种 “高碳农业”;。改变高碳农业的方法就是发展生物多样性农业。生物多样性农业由于可以避免使用农药、化肥等，某种意义上正属于低碳农业。 农业作为国民经济的基础产业，是一个重要的温室气体来源，同时又受到温室效应的严重影响。响应低碳经济的号召，确定农业温室气体的排放量并探寻减排办法已成为世界各国的当务之急。然而，低碳农业虽然前景广阔，但距离“低碳农业”;的标准还有很大差距。劳动力是发展低碳农业前期投人成本中的主要部分，尤其是知识型劳动力的投人;我国目前的农业生产特点决定了规模化低碳农业发展的困难。发展低碳农业，需要大面积采用生态农业的部分技术、需要相应的生产技术与之相匹配、需要政府和一些高校社会组织专业人员的指导和培训，特别是市场的衔接。

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在全球气候变化的背景下，如何提高农业适应气候变化的能力，以最大限度地降低气候变化对农业的不利影响，是当今现代农业发展面临的重要命题。此外，农业作为具有自我调节机制的生物系统，也应为温室气体减排和固碳增汇作出贡献。

实践业已证明，发展循环农业是低碳经济的重要途径。循环农业通过对农业生态经济系统的优化设计与管理，实现了农业系统光热等自然资源和可再生资源的高效利用，最大程度地减少污染物的排放，是农业应对节能减排和促进低碳农业发展的重要途径。

四种低碳循环农业模式

目前，各地农村也涌现出诸多循环农业模式，并取得了良好的效果。归纳起来可分为以下四种模式。

资源节约型复合生态系统的生产模式。该模式立足于适量投入、立体种养、高效利用、固碳减排。以稻田复合种养生态农业模式为例，通过稻田养鸭能显著减少甲烷排放，降低增温潜势，其减缓综合温室效应的潜力是常规淹水稻田的1.6倍左右。

环境友好型循环利用系统的生产模式。该模式立足于优化环节、合理循环、减少废弃、防控污染。以秸秆资源化循环利用模式为例。该模式以循环农业的理论为指导，以南方特色食用菌产业为核心，通过循环利用秸秆资源、充分利用废弃物，形成多途径开发模式。其有效链接可实现每亩栽培草生菌可增产增收100元，同时减少稻草焚烧造成的环境污染。通过产业链延伸效益，生产茵渣有机肥每吨利润60元。农作物栽培中菌渣有机肥替代化肥量30％，减少了化肥投入。

固碳增汇型优化调控系统的生产模式。该模式立足于农林复合、农牧配套、合理调控、促碳中和。以林下经济模式为例，林下发展草菇，原料成本低，可以循环利用，种草菇后的培养基废料可做林地肥料，促进林木生长和增加森林碳汇。

生态文明型统筹协调系统的生产模式。该模式立足于发挥功能、优势互补、统筹集成、和谐发展。以绿色家园建设为例，发展农村户用沼气，减少温室气体排放和促进农业增效增收。已有研究表明，建造一个8立方米的沼气池，每年可节柴2000千克以上，相当于3.5亩薪炭林或6亩林地的年产林木蓄积累。截~2008年底，全国农村户用沼气已累计发展到3050万户，年产沼气113亿立方米。

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2美国发展低碳农业的经验

美国从市场机制和农业政策两方面入手来解决农业温室气体排放问题美国以相对完善的技术体系、服务体系为支撑．构建标准的碳交易市场．用市场机制作为基础性力量来推动美国低碳农业的发展美国于2003年成立了芝加哥气候交易所．这是全球第一个具有法律约束力、基于国际规则的温室气体排放登记、减排和交易的平台。它试图用市场机制来解决温室效应这一日益严重的社会问题美国农户参与芝加哥碳交易市场的途径有两种：一种是作为碳排放者加入．另一种是作为碳抵消额提供者加入美国政府主要是激励农户成为碳抵消提供者如果农户的碳排放并不显著．那么农户可通过以下三种方式中的任意一种来获得碳财务证券契据(CFI)，并可以到芝加哥碳交易所交易。(1)保护性耕作。这是一个合同项目．要求农户在固定范围的土地上连续5年以上使用免耕方式．在此基础上．基于项目及地点的不同．按照标准比率给该农户发放碳抵消额．通常比率范围每英亩每年为0．12～0．15公t。另外．此类项目需要通过芝加哥气候交易所认可的第三方组织来进行评估(2)草地保护项目。芝加哥气候交易所给那些增加草地覆盖率的农户发放CFI契据但农户种植时间要求至少10时间。另外．此类项目也有一个具体基本碳储量标准要求．如果农户能够提供一个更高的碳储量证据．可以从芝加哥碳交易所获得更高的CFI契据。农户所得的CFI契据．有20％是应对自然灾害而准备的碳储备．灾情中所损失的土壤碳储量将从中扣除其余80％的CFI契据．可以拿到市场上交易。(3)农业沼气。对于用特定方法处理沼气甲烷的农户给予信用额的办法信用额的给定．从以下两者中取其少者一是如果没有这样的措施．所排放的甲烷的理论值：二是实际处理的甲烷的量。通过建立芝加哥气候交易所这一平台．就能把企业(或公司)和农户联系起来实际上是一种“企业——碳交易所——农户”的低碳农业发展模式某些已达标的会员可以卖出超标减排量并获得额外利润而未完成减排目标的会员可以通过农业碳汇等手段去弥补．但其所购的碳汇量的比例不能超过其目标减排量的一半科研结果显示．采用免耕后每年每英亩可以减少0．17～0．35t碳排放．相当于每英亩0．5～ItCO，．而参与碳汇交易的农民每年每英亩可获得3．5美元的收益依阿华州的农业主管部门从2003年开始实施碳汇一举成功．现已将碳汇市场扩大到了全美。除了建立标准化的碳交易市场f芝加哥气候交易所)之外．美国政府还通过行政手段。推出了一系列农业政策、法规以解决农业温室气体排放问题。

3从经济学的角度看美国低碳农业及启示

农业作为重要的温室气体排放源．除了土地自身的碳释放外．化肥施用量、畜牧业与水稻种植业等也不同程度影响着农业源温室气体的排放量。从经济学角度看．农业温室气体减排问题源于排放的负外部性美国经济学家萨缪尔森认为．当一个行为主体在生产和消费过程中给第三方强加了非自愿的成本或利润时．外部性就产生了这种外部性的实质是使行为主体的私人收益和社会收益不一致．私人成本与社会成本不一致负外部性是指行为主体将本应自己负担的一部成本转嫁给社会来承担农业生产活动产生的负外部性导致农业资源配置效率的低下、生态环境恶化和大量温室气体的产生要根治这一外部性从经济学思想渊源看有两条路径：

①庇古的征税和补贴。1920年，英国经济学家庇古在《福利经济学》中指出．某一经济主体的行为给社会造成不需要付出代价的损失．那就是负外部性这时．其边际私人成本小于边际社会成本当出现这种情况时．依靠市场是解决不了这种损害的．即所谓“市场失灵”．必须通过政府的干预来解决这一问题。庇古指出，如果某一种生产要素在生产中的边际私人净收益和边际社会净收益相等．同时它在各生产用途的边际社会净收益都相等．这就意味着资源配置达到最佳状态在边际私人净收益与边际社会净收益相背离的情况下．单靠市场力量是不可能达到帕累托最优的要消除这种背离．政府必须进行干预．对边际私人净收益对于边际社会净收益的部门征税．使对边际私人净收益小于边际社会净收益的部门实行奖励和补贴．使其二者相等。庇古认为，通过征税和补贴，就可以实现外部性内部化。这种政策建议被后人称为“庇古税(PigouTax)”；

②科斯的明晰产权．通过市场自由交易权利使社会利益达到最大。1960年．美国芝加哥大学教授科斯，在著名论文《社会成本问题》中表达了被后人称为“科斯定理”的思想：只要交易成本为零，无论把初始产权赋予谁．市场机制都会驱使人们自由谈判．最后资源配置达到帕累托最优。如果交易成本不为零．则不同的权利界定会带来不同效率的资源配置也就说．由于交易成本的存在．在不同的产权制度下．交易成本不同．从而对资源配置的效率会有不同的影响。所以．在有交易成本的情况下．制度对产权的初始安排和重新安排的选择是重要回过头来看美国低碳农业的做法首先．美国通过建立一个统一的碳权交易市场——芝加哥气候交易所(cox)碳交易遵循科斯定理．即以二氧化碳为代表的温室气体需要治理．而治理温室气体则会给企业(或农户)造成成本差异就像普通商品一样．各会员可以以碳排放权为标的进行自由的交易．其背后实际上体现出人们的一种权利(产权)的交易由此。借助碳权交易便成为市场经济框架下解决温室气体排放问题最有效率方式。这样，碳交易把气候变化这一科学问题、减少碳排放这一技术问题与可持续发展这一经济问密地结合起来．以市场机制来解决这个科学、技术、经济综合问题。需要指出，碳交易本质上是一种金融活动．但与一般的金融活动相比．它更紧密地连接了金融资本与基于绿色技术的实体经济：一方面金融资本直接或间接投资于创造碳资产的项目与企业：另一方面来自不同项目和企业(或农户)产生的减排量进入碳金融市场进行交易．被开发成标准的金融工具政府利用以产权交易制度为基础的碳权交易市场．发挥自由市场的成本激励机制．从而产生市场的供给行为和需求行为．最后实现市场价格机制配置资源的功能。政府作为外部性市场成本的“创造者”．

正是其不可或缺的成本激励手段形成了市场的成本级差效果．以“级差地租”的经济性引导资本、劳动力等生产要素的流向。其次．政府介入．推出一系列农业政策。尽管这些政策大都以激励机制为主(主张农户自愿减排)，如对农民的减排行为提供补贴和奖励．对农业碳减排方面的研究与技术推广给予公共财政支持。但同时政府也推出了强制性行政措施．如实施农业碳排放限额制度和征收碳税等原因在于．农业减排成本不容易被内部化，换言之，农民在做生产决策时，不会将这部分成本考虑进来。因此．美国通过制定农业碳排放限额和征收碳税等办法把这些成本内部化．借此对农民的生产决策实施影响农业是化石燃料的消费大户．一方面．天然气是生产化肥的重要原料，另一方面．农业生产也直接消费大量的能源在实施农业碳排放限额制度和碳税背景下．如果不能提高化石燃料的使用效率．或者对化石能源实行绿色化替代．那么农业生产成本就将上升．进而会降低农民的收益．并通过价格对农产品消费者产生影响考虑到农产品是缺乏价格弹性的产品．碳税的负担绝大部分会由农产品消费者承担．但同时也会对农业内部资源重新配置产生重要影响那些使用较多化石燃料的农产品．其需求及利润可能会出现下降．这些农产品将在市场上处于价格劣势而被其他产品所代替碳税对农业温室气体排放的最终影响．取决于碳税收人的使用如果碳税收入被用来促进低碳产品的消费．或直接降低了碳消费．农业温室气体排放将会减少如果碳税收入被用来促进其他高化石燃料的产品的生产和消费．则碳税的减排效果会被冲淡．碳税对资源重新配置的效果也将抵消相对价格变化过程中的替代效应因此．加大对低碳技术的发展和使用方面的投资．或改变消费方式而选择绿色消费．将会促进碳税对农业碳减排的作用综上分析．美国主要通过市场和行政手段两方面来推动美国低碳农业的发展。

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中图分类号 Q148:X321 文献标识码 A

文章编号 1002-2104(2012)04-0072-08 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2012.04.014

中国是世界上温室气体排放增长最为迅速的国家，2001-2006年间中国的碳排放增长了近两倍。城市作为人类生产和生活的中心，在经济社会发展中起着举足轻重的作用，其人均能耗是农村地区的3.5倍，超过75%的温室气体从城市产生［1］。因此，在全球气候变暖和快速城市化的背景下，开展城市温室气体减排研究十分迫切。

系统动力学模型作为一种综合的仿真模型，适用于模拟能源部门间的供给与消费关系，并实现经济增长、技术进步、环境排放等诸多因素相互作用的因果影响，在对能源供应和需求技术详细表述的基础上，通过外生的情景假设驱动，有效协调人口、经济、资源与环境间的复杂动态反馈问题。因此，系统动力学模型已广泛应用于国家、区域或城市以及行业等多尺度下能源消费、供需调控、产业结构调整、温室气体排放与管理的综合研究中。

国家层面：李明玉［2］和宋世涛等［3］都对国家尺度能源供给与消费的供需关系进行了系统动力学建模的综述与分析，就影响国家能源供需关系的子系统结构和过程模拟进行阐述。朱勤等［4］建立分析人口-消费-碳排放的系统动力学模型, 对人口发展、经济增长、居民消费及碳排放进行动态仿真，定量考察未来人口发展与居民消费对碳排放的影响，量化人口发展与居民基本生活需求的合理碳排放空间。秦钟［5］等人运用系统动力学模型分析了GDP增长、产业结构调整与能源消费总量及煤炭、石油、天然气、水电消费量之间的关系，并在此基础上对中国能源需求和CO2排放量进行预测。Guan等人［6］在结合生产、生活、碳捕捉与封存和能源利用效率综合考虑的基础上，基于系统动力学原理模拟不同政策和技术条件下中国未来20年CO2排放的变化趋势，并提出大力发展碳捕捉与碳封存技术是未来减排的最有效方式。

区域城市层面：Li和Huang等人［7-9］构建了能源规划利用与温室气体排放的动态系统模型，以反映不确定条件下能源可持续利用与碳减排程度的综合实现效果，并将该模型应用到加拿大Waterloo市的能源管理与决策分析中。周宾等［10］基于系统动力学方法，构建甘南藏族自治州区域累积碳足迹模型并仿真，研究区域的累积碳足迹演替情况。由此可见，系统动力学为研究能源经济系统内CO2排放的动态模拟仿真，提供了科学可行的分析工具。李玮和杨钢［11］以能源富集区中国山西省为研究对象，运用系统动力学方法构建能源消费系统的区域子系统协调发展动力学模型，通过模拟调控得出该省能源消费科学发展的最佳方案。吴建新［12］提出独立区域净碳排放的系统动力学模型，以简洁综合的系统结构和数据需求综合估算碳排放量，并在天津滨海新区的案例研究中得到与事实比较贴近的仿真结果。

部门行业层面：Stepp等人［13］评估美国交通部门温室气体减排政策的成效，在考虑政策行动的直接反馈以外，也兼顾复杂的社会经济系统产生的间接影响。Anand等人［14］开发了印度水泥工业二氧化碳排放系统动力学模型，并综合考虑了人口稳定增长、公寓节能和水泥生产工艺结构管理的政策选择对CO2减排影响。此外，系统动力学的研究方法还在废弃物处置、畜牧林业、工业等多个部门的CO2排放核算中得到应用［15-21］。

由此可以看出，系统动力学仿真模拟是综合研究复杂能源供需系统关系，模拟温室气体排放研究的有效手段，能够为科学、合理的预测与保障能源供给、促进经济可持续发展和温室气体减排提供参考依据，对实现地区社会可持续发展具有重要意义。同时，能源消费与温室气体排放的系统动力学研究在城市和行业双重层面的考虑下，目前研究还不够系统全面，对城市的能源消费与排放只有通过多行业完整的解析过程才能达到完整与接近现实，这也是本研究的出发点。

本文选择重庆作为案例城市。作为中国西部地区唯一的直辖市，重庆是全国统筹城乡综合配套改革试验区，在促进区域协调发展和推进改革开放大局中具有重要的战略地位。与地处东部、经济相对发达的城市相比，在重庆这类老工业基地探索低碳经济发展与低碳城市建设的实现模式对于广大西部地区具有较强的示范意义。而低碳城市的发展要求对城市温室气体排放进行定量核算，制定城市温室气体排放清单，掌握温室气体排放结构的基础。本研究通过系统动力学方法，对城市产业结构、经济发展因素和温室气体排放间的响应关系进行梳理与动态模拟，并预测重庆市未来温室气体排放量趋势，从而对未来重庆市发展低碳经济和低碳城市建设进行情景分析和评价，最终提出相应减排依据和政策措施。

1 重庆市温室气体排放模型构建

1.1 模型边界与建模目的

本研究将温室气体排放的系统动力学模型边界确定为重庆市行政区域范围内，综合考虑包括重庆市行政区域内部的能源消费（不包括火力发电导致的氧化亚氮的排放）、工业部门非能源消费、农牧业过程、废弃物处置过程、碳汇等过程的社会-经济-生态环境子系统及其内部变量对能源消费产生的影响以及由此产生的温室气体排放。根据重庆历史统计数据和未来发展目标、规划确定模型参数，并采用STELLA软件进行如下仿真：①模拟重庆市2011-2020年间温室气体排放系统主要变量动态变化趋势；②调控模型决策变量并进行模拟，了解不同政策情景对温室气体排放的影响。

1.2 模型系统结构分析

将重庆市温室气体排放系统分为能源供给、能源消费、温室气体排放、经济、人口、碳汇六个子系统。这六个子系统间相互联系、相互影响，形成因果反馈关系。各子系统影响关系见图1所示。

图1 重庆市温室气体排放各子系统结构关系图

Fig.1 Structural relationship among different subsystem of

greenhouse gases emission in Chongqing City

由图1可以看出能源供应子系统和能源需求子系统是模型的两大主体，CO2的排放量主要取决于能源数量和使用的能源类型。各经济部门中，普遍使用的一次能源是煤炭、石油和天然气。电作为二次能源来源于燃煤热电站、水电站、核电站等。不同类型的电站生产相同电能时排放的温室气体数量不同，因此模型把电能供应纳入研究范围。能源需求主要来自第一产业、工业、建筑业、第三产业和家庭生活。该模型重点预测经济部门和人口规模的发展情况。

1.3 模型因果关系分析

在重庆市温室气体排放系统动力学模型边界之内，着重分析对能源系统产生影响的关键因素，包括能源消费和经济发展的各个子系统，如生活能源消费、一产能源消费、工业能源消费、建筑业能源消费和三产能源消费，并对各个子系统内部及相互影响要素和联系进行分析。将温室气体排放系统各个子系统中的关键要素都包含在边界之内，相互之间发生作用，形成复杂关系网；利用反馈组成闭合回路，通过正负反馈关系来反映不同信息与动作之间的相互影响结果［22］。另外，本研究还将经济计量学的柯布―道格拉斯生产函数、奥肯定律悖论和资本存量永续盘存法融入到系统动力学模型构建中，以提高系统动力学模型解决社会经济问题的精确性和可信度。

模型中主要反馈关系环和因果关系总结如下(带有“+”号的箭头表示正反馈关系，带有“-”号的箭头表示负反馈关系)：

反馈关系环：

1）能源消费一+GDP总量一+人均GDP一+生活水平一+人均生活能源消费一+能源消费

2）能源消费一+GDP总量一+工业GDP一+工业能源消耗一+能源消费

3）能源消费一+GDP总量一+建筑业GDP一+建筑业能源消耗一+能源消费

4）能源消费一+GDP总量一+第三产业GDP一+第三产业能源消耗一+能源消费

5）能源消费一+GDP总量一+固定资产投资一+资本存量一+GDP总量一+能源消费

6）能源消费一+GDP总量一-就业率一+就业人口一+GDP总量能源消费

因果关系：

1）常住人口一+就业人数一+GDP一+能源消费一+温室气体排放

2）常住人口一+固体废弃物一+温室气体排放

3）常住人口一+废水一+温室气体排放

4）建筑行业GDP一+建筑面积一+水泥消费一+温室气体排放

5）工业GDP一+工业固体废弃物一+温室气体排放

6）工业GDP一+工业废水一+温室气体排放

1.4 模型参数及方程确定

本模型的模拟时间段为2011-2020，模拟时间步长为1年。参数确定过程中所需要的历史数据主要来源于《重庆市统计年鉴1998-2009》、《中国能源统计年鉴1998-2009》、《中国农村统计年鉴1998-2009》等资料［23-26］，部分模拟参数主要依据重庆市相关规划如《重庆市“十二五”规划前期研究成果汇编》、《重庆市城市总体规划》、《重庆森林工程总体规划》［27-29］等。

系统动力学模型中参数类型主要包括初始值、速率值、常数值、表函数、辅助变量值5种类型。不同类型参数及方程，主要采用以下几种方法确定：

（1）经验公式法。对于GDP与生产要素投入之间的关系，已有很多研究，得到一些经验公式值得借鉴。本研究中主要采用了道格拉斯经验生产函数，资本永续盘存，奥肯定律悖论三个经济学观点。

（2）回归分析法。对存在较大相关性的变量间的方程，借助SPSS软件，采用数学最小二乘法统计方法进行二元或多元线性回归分析，发现历史数据之间的相互规律，并进行拟合优度检验和显著性检验，进行回归分析确定回归方程。如第一产业GDP比例与城市化率关系、水泥消费量与建筑业GDP关系、人均生活能源消费与人均GDP关系等。

（3）多年算术平均值。模型中不宜采用回归分析来拟合的参数，可以采用长时间数列的历史数据的算术或几何平均值来表示参数的平均水平，规避使用数学方程牵强拟合而出现不合理的数据偏差；

（4）表函数法。模型中有些变量之间不是简单的线性关系，不能代数组合得到，而表函数作为系统动力学建模的一个重要工具，具有方便操作、易于运用等优点［30］，可以处理不能通过回归分析等数学方法来确定参数的情况，实现对参数变化的精确描述。如减少林地面积、万元建筑业GDP能耗、万元工业GDP固废生产量等。

（5）参考相关文献的研究成果确定参数。如人口出生率、死亡率等数据。

1.5 模型有效性检验

系统动力学模型建立后，需要对该模型进行检验以判断模型和实际系统的符合程度，以保证模型的有效性和真实性。常用的系统动力学模型检验方法包括直观与运行检验、历史检验和灵敏度分析。

本研究在模型正常运行的基础上，选择2006-2008年重庆的历史数据和模拟数据进行历史检验。检验的变量包括常住人口、GDP、能源消费总量和温室气体排放量共四个重要数据，结果如表1所示。可以看出，4个变量各年份的模拟值与历史值均基本吻合，相对误差

表1 模型有效性检验结果

Tab.1 Validity test results of model

源消费量、废弃物处置过程温室气体排放量、农业过程温室气体排放量、畜牧业温室气体排放量、碳汇，温室气体排放量；16个参数分别为：自然增长率、机械变化率、城市化率、固定资产投资率、工业产值比例、建筑业产值比例、万元一产能耗、万元工业GDP能耗、万元建筑业能耗、万元三产能耗、煤炭比例、天然气比例、石油比例、电力比例和新造林面积。每个参数年取值变化10%，考察其对8个输出变量的影响。8个灵敏度值的均值可代表某一特定输出变量对某一特定参数的灵敏度；通过灵敏度分析计算出8个变量对某个特定参数的平均灵敏度（见图2）。

可以看出：固定资产投资率、工业产值比例、万元工业能耗的灵敏度较高，分别为15.5%、12.6和14.7%，大于10%，说明这三个参数为系统的关键因素。另外，煤炭比例、新造林面积的灵敏度大于5%，其他参数灵敏度较低，说明系统对大多数参数变化是不敏感的。模型具有良好的稳定性和强壮型，能够用于对实际系统的模拟。

图2 重庆市温室气体排放系统动力学模型参数灵敏性分析

Fig.2 Sensitivity analysis of the greenhouse gases emission dynamic model in Chongqing City

注：1：自然增长率；2：机械变化率；3：城市化率；4：固定资产投资率；5：工业产值比例；6：建筑业产值比例；7：万元一产能耗；8：万元工业GDP能耗；9：万元建筑业能耗；10：万元三产能耗；11：煤炭比例；12：天然气比例；13：石油比例；14：电力比例；15：新造林面积。

2 重庆市温室气体排放情景预测

重庆温室气体的排放与经济发展、能源需求、能源结构、碳汇能力等有关。因此，本研究中对经济发展考虑了由于投资率不同带来的高、中、低三种发展情景，并在此基础上设置节能情景和低碳情景，分别考虑节能水平的提高和能源结构的改善、碳汇能力增强对未来重庆温室气体排放变化趋势的影响。

2.1 节能情景设置

节能情景的设置主要考虑经济发展和单位GDP能耗水平降低两方面。

2.1.1 经济发展

为了保证经济的高速增长，重庆固定资产投资占GDP的比重相应维持在较高水平。本研究考虑不同的投资率和城市化带来的高、中、低三种经济发展速度及其对能源消耗和温室气体排放的影响。

2.1.2 单位GDP能耗

“十二五”期间，重庆市将发展产值达1.2万亿元的七大新兴产业，并将发展低碳经济列入规划，确保“十二五”末全市单位GDP能耗下降16%。将重庆2008年各产业单位产值能耗与全国其他地区相比发现，重庆一产、工业、建筑业能耗水平均有较大节能潜力和空间（见表2）。三产能耗水平已处于国内较好水平［28］。因此本研究中，假设“十二五”期间，通过产业结构调整和节能效率的提高，重庆每年单位产值能耗下降3.2%，三产能耗水平保持现状不变。

表2 2008年各地区万元产值能耗（1997年不变价）

Tab.2 Energy consumption per 104 Yuan output

in different regions in 2008 (Constant Prices of 1997)

2.2 低碳情景设置

在节能情景的基础上，本研究考虑能源结构、清洁能源、碳汇能力三方面的影响，构造重庆低碳情景。

2.2.1 能源结构

(1)煤炭供应能力预测。

重庆市在“十二五”期间年产煤维持在4 000万t左右，若重庆能源消费结构仍维持目前比例，则2011年其缺口为672万t，到2015年为1 999万t。因此重庆未来的发展，应该减少对煤炭的需求，保障煤炭能源供应安全。

(2)电力供应能力预测。

2010年全市装机容量将达到1 200万kW，2012年将达到1 600万kW，2015年将力争达到2 200万kW。另外，2012年电量缺口120亿kWh，2015年电量缺口180亿kWh。重庆市在“十二五”期间地方电源供电将可以满足全市约81%的电量需求，其余电量缺口可从外部购入。

(3)油料及天然气供需能力预测。

受到自然资源的限制，重庆市不出产石油，所需成品油全部靠外部调入。重庆市是天然气主产区，天然气资源丰富，但是中国天然气配额是全国统一分配和调度，因此本研究中天然气消费比例缓慢上升，2015年结构比例达到15%。为保证天然气替代工程顺利推行和优化重庆能源结构，重庆市应向国家争取川气东送项目在重庆的留存份额。“十二五”期末重庆市能源消费品种结构变化见表3。

表3 “十二五”末重庆市能源消费品种结构变化百分比

Tab.3 Change percentage of energy consumption construction

in

Chongqing city by the end of “twelfth fiveyear”

2.2.2 低碳能源

本研究中的低碳能源主要是指相对于传统能源，温室气体排放较少或者不排放的能源。重庆市新能源和可再生能源的开发与利用将以水电、太阳能等为主，对风力发电给予扶植政策和导向。水电方面：重庆市境内主要有长江、乌江、嘉陵江、涪江等河流及其支流，水能资源理论蕴藏量2 298万kW，理论年发电量2 013亿kWh。单机装机容量500 kW及以上的技术可开

发电站共有420座，总装机容量982万kW，年发电量446亿kWh；太阳能发电方面：重庆市正加大太阳能使用的普及程度，进一步增强光伏发电产业在重庆的竞争力和产业规模，以实现2015年、2020年重庆市太阳能利用可分别替代当年总耗电量的2%、3%；风电方面：重庆属于风能资源较贫乏地区，但一些山口、河谷地区，特别是盆地边沿的东北部山区风能资源较丰富。根据重庆市气象台站10米高度测风资料统计，重庆市风能总储量2 250万kW，可技术开发的风能在10-50万kW左右。

2.2.3 碳汇

(1)森林碳汇。

根据重庆市森林工程规划［13］，2012年新造林1 100万亩，森林覆盖率达到38%；2017年新增森林面积1 500万亩，森林覆盖率达到45%。

(2)碳捕捉和封存。

CO2捕集与地质封存(CCS)技术比较适合于像火电、钢铁、水泥等大型工业CO2固定集中排放源，也可应用于大规模产生低碳或无碳的非电力和运输行业及分散的小规模企业。目前，重庆将CCS技术研发纳入“十二五”科技规划，对企业和科研单位CCS技术提供持续的支持，并协助争取国家、欧盟的技术和资金支持。2015年前，对合川双槐电厂关键设备和吸收剂性能进行改进，降低运行能耗和捕集成本，扩大烟气捕捉总量，做好碳捕捉技术推广的前期工作。2020年前，选择水泥厂、常规火电厂以及钢铁、合成氨、烧碱等高耗能工业作为试点行业，应用CO2捕获装置并给予经济和政策支持。因此，本研究中假设2015年重庆碳捕捉和封存能力为2万 t，2020年增加到10万 t。

3 重庆市温室气体排放预测结果分析

按照节能情景，本研究确定不同固定资产投资率和能耗强度下重庆市常住人口、地区国民生产总值、能源需求总量、温室气体排放总量和温室气体排放强度。

3.1 常住人口

按照重庆“十二五”规划，重庆常住人口增长较快（见图3），主要是因为重庆外出打工人口回家就业或创业，导致常住人口比例的增加。

图3 重庆市常住人口情况

Fig.3 Predicted permanent resident population in Chongqing City

3.2 地区生产总值GDP

图4表示了不同情景假设条件下GDP预测值。可以看出GDP（1997年不变价）总量继续保持增长势头。由模型可知，对GDP影响最大的变量是资本存量。由于重庆目前的资本积累比例非常高，与此对应，“十二五”GDP增

图4 重庆市节能情景经济发展情况（1997年不变价）

Fig.4 Predicted economic development under

energy saving scenario in Chongqing City

长率保持15%-12%的高速水平。自“十二五”末起，考虑重庆投资率降低的实际情况，GDP增长率也对应略有下降，不同情景减缓速度不一致。

3.3 重庆能源消费

如图5所示，2011-2020年重庆市能源消费呈现出上升趋势。在经济上较有可能实现的中情景

下，节能情景下，能源需求逐年增加，2020年达到13 419万吨标煤，是2008年能源消费总量的2.7倍。

图5 重庆市能源消费预测

Fig.5 Predicted energy consumption in Chongqing City

3.4 温室气体排放

图6、7分别显示了节能情景和低碳情景下，2011-2020年重庆市温室气体排放量。在经济上较有可能实现的中情景下，节能情景下，温室气体排放量逐年增加，2020年达到36 482.92万 tCO2，是2008年的2.6倍；低碳情景下，温室气体排放量逐年增加，2020年达到34 552.55万 tCO2，是2008年的2.5倍。

图6 重庆市节能情景温室气体排放预测

Fig. 6 Predicted greenhouse gases emission under

energy saving scenario in Chongqing City

在经济上较有可能实现的中情景下，对比节能情景和低碳情景温室气体排放强度（见图8），温室气体减排强度呈现明显下降趋势。2020年，节能情景温室气体排放强度为2.053 tCO2/万元，比2005年下降43%；低碳情景温室气体排放强度为1.944 tCO2/万元，是节能情景的947%，比2005年下降46%。因此，产业能耗水平降低，即节能情景，是温室气体减排的主要途径。

图7 重庆市低碳情景温室气体排放预测

Fig.7 Predicted greenhouse gases emission

under lowcarbon scenario in Chongqing City

图8 重庆市中速经济下节能情景与低碳情景碳排强度对比

Fig.8 Comparison of greenhouse gases emission

intensity between energy saving scenario and

lowcarbon scenario with intermediate

speed economy

4 结论与对策

本研究综合考虑包括重庆市行政区域内部的能源消费（不包括火力发电导致的氧化亚氮的排放）、工业部门非能源消费、农牧业过程、废弃物处置过程、碳汇等过程的社会、经济、生态环境子系统及其内部变量对能源消费产生影响以及由此产生的温室气体排放。依据所建立的重庆市温室气体排放系统动力学模型，对重庆市不同经济发展水平下2011-2020年节能情景和低碳情景温室气体排放情况进行模拟预测。

模拟结果表明，中速经济下，2020年，节能情景温室气体排放强度为2.053 tCO2/万元，比2005年下降43%；低碳情景温室气体排放强度为1944 tCO2/万元，是节能情景的94.7%，比2005年下降46%。产业能耗水平降低，即节能情景，是温室气体减排的主要途径。重庆必须以降低单位产值能耗为首要任务，加快调整产业结构，推进产业节能减排工作，优化能源结构，积极推进森林工程建设，按照低碳情景发展，才能保证2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%。

在重庆市温室气体排放现状评价和预测基础上，提出以下重庆市低碳经济发展的对策和建议：

（1）经济结构优化。优化第二产业结构，限制高碳产业发展。限期淘汰达不到节能基本要求的火电、钢铁、水泥、化工、氧化铝、煤矿六大高耗能产业的落后产能和高能耗生产设备。提高行业准入门槛，限制“高碳”行业发展制定行业碳排放强度准入的标准，逐步实行更加严格的产业政策，控制高能能耗、高污染项目审批和建设。（2）能源结构调整。一方面，结合重庆本地资源优势，大力发展天然气开发与利用，另一方面，有序发展水电，扶持太阳能、风能、地热能，大力减少碳排放。因地制宜利用可再生能源，集约开发和帮扶区域太阳能、风能和地热的发展。

（3）积极增加碳汇。在稳定现有森林覆盖率的同时，对有提升潜力的区域进一步通过造林和再造林稳步提升森林碳汇的质量和效果；建立健全重庆森林生态效益补偿机制，对林地的占有、开发、使用和消费，制定合理的生态和经济补偿措施和实施标准；大力发展CCS技术，支持引进先进CCS技术，加大推广执行力度，逐步由试点企业向重点行业推开。

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System Dynamics of Greenhouse Gases Emission in Chongqing City

CHEN Bin JU Liping DAI Jing

篇12

中图分类号：F832　文献标识码：A　文章编号：1009-2374（2012）32-0005-03

2011年国务院常务会议通过的《“十二五”控制温室气体排放工作方案》，明确了我国控制温室气体排放的总体要求和重点任务，提出到2015年，我国单位国内生产总值二氧化碳排放要比2010年下降17%。这是中国政府首次在国家级正式文件中提出建立中国国内碳市场，表明碳交易市场建设已经进入政府工作程序。该方案还提出，我国将从自愿碳减排交易入手，探索碳排放交易市场，并加快建立温室气体排放统计核算体系。“自愿碳减排市场”也首次随着政府文件进入公众视野。

1　自愿碳减排市场综述

本文首先要提出的概念是“自愿碳减排”。自愿碳减排，英文简称VER，它是指个人或者企业自愿购买碳排放指标，以抵消自己的碳排放数额，实现零排放，也叫做碳中和。它是一种在京都议定书的清洁发展机制的减排量之外的自发的、公益的、可认证的减排信用额度。

与自愿碳减排相对应的是强制碳减排，它主要指的是《京都议定书》下定义的三种减排机制：议定书第六条所确立的联合履行（以下简称JI）、第十二条所确立的清洁发展机制（以下简称CDM）和第十七条所确立的排放贸易（以下简称ET），作为发展中国家的中国能参与的只有CDM。

自愿碳减排市场（Voluntary　Carbon　Market）指的是一种碳排放交易市场，由不受京都议定书（Kyoto　Protocol）约束的企业、个人或团体，自发性出资，购买减排项目产生的碳减排量，用于抵偿其产生的碳足迹（Carbon　Footprint），缓解其活动造成的温室效应。自愿碳减排市场最先起源于一些企业、团体或个人为自愿抵消其温室气体排放，而向减排项目的所有方（项目业主）购买减排指标的行为，它的形成伴随着京都议定书中CDM机制的发展。对项目业主而言，自愿碳减排市场为那些前期开发成本过高或其他原因而无法进入CDM开发的碳减排项目提供了开发和销售的途径；而对买家而言，自愿碳减排市场为其消除碳足迹、为其实现自身的碳中和提供了方便而且经济的途径。VER项目比CDM项目减少了部分审批的环节，节省了部分费用、时间和精力，提高了开发的成功率，降低了开发的风险，同时，减排量的交易价格也比CDM项目要低，但开发周期要短得多。

自愿碳减排市场大致分为两类：一类是自愿但受法律约束的场内交易市场（如CCX），另一类是自愿且不受法律约束的场外交易市场（OTC）。无论是场内交易还是场外交易，都需要相应的核算标准开发减排指标，进而才能进行交易。

2　温室气体排放核算体系在自愿碳减排市场的应用

与CDM项目标准不同，VER市场没有一套特定的法规和核算标准，而是一系列得到不同机构认可的多种标准，VER市场允许制定创新的实践标准，更好设计的标准可以促进VER市场更健康地发展，同时降低VER的交易成本。就世界范围来看，VER市场有许多独立的第三方标准，其中VCS（Verified　Carbon　Standard）、CAR（Climate　Action　Reserve）及Gold　Standard是VER标准中的领跑者，在场外交易市场的碳排放量交易总量中分别占据58%、12%及12%的市场份额。

目前，国际及国内自愿碳减排市场活跃着以下两种常见的减排量核算标准：

2.1　黄金标准（Gold　Standard）

黄金标准是由环境社会非赢利组织的一个小组制定的，适用于自愿减排项目和清洁发展机制项目，它具备完善的利益相关者程序，强调对项目所在地产生的环境和社会经济效益。

黄金标准旨在保障碳抵消质量，通过改善和扩展CDM程序加强项目双赢。黄金标准对大型项目的要求与CDM一致。不同于CDM的是：黄金标准要求小型项目也有CDM额外性的要求。

根据Gold　Standard网站统计，截至2012年12月7日，中国共有123个项目申请或成功注册GS，占东道国注册项目总数（679）的18.11%；中国共签发2463171吨二氧化碳减排量，占GS签发总量（14108347吨）的17.46%；其中，中国在黄金标准下已交易2000126吨二氧化碳减排量，占GS交易总量的（12455977吨）的16.06%。

2.2　VCS　2007.1（Voluntary　Carbon　Standard　2007.1）

该标准由气候组织、国际排放交易协会和世界经济论坛于2006年启用。VCS旨在建立一个通用的、满足基本质量的标准，并减少管理义务和成本。其重点放在温室气体减排的特性上，并不要求项目具有额外的环境或社会效益。

根据VCS网站统计，截至2012年12月3日，中国共有230个项目成功注册VCS，占东道国注册项目总数（916）的25.1%。共有725个项目成功进行过签发，签发的二氧化碳减排量共计108230408吨。

黄金标准与VCS标准的比较请见表1：

目前，国际上类似的自愿碳减排核算标准还有很多，比如Voluntary　Emission　Reduction　（VER）、The　Voluntary　Offset　Standard　（VOS）、Chicago　Climate　Exchange（CCX）、　The　Climate、Community　&　Biodiversity　Standards（CCBS）、Plan　Vivo　System、ISO14064-2标准、CarbonFix　Standard（CFS）、Green-e　Climate等，无论项目采取哪种核算标准，都可以积极地参与到自愿碳减排市场这个新兴的市场。

2011年场外自愿减排市场（OTC）减排量总交易量约为93000000吨，占全球自愿减排量交易量的约97%。同时，全球自愿减排市场中的减排量总交易量约为95000000吨，与2010年相比下降了28.5%，但成交总额增加了33%，约为5760000000

美元。

随着全球经济的动荡及2012年《京都议定书》第一承诺期结束，自愿碳减排市场活跃的两种常见的减排量核算标准下的减排量的国际交易价格与成交量也出现小幅动荡。

3　结语：建设国内自愿碳减排标准和国内碳交易市场势在必行

国内碳交易市场伴随着全球自愿碳减排市场的发展稳步前进。目前，中国主要的温室气体减排量交易平台有三个，分别为北京环境交易所、天津环境交易所及上海能源环境交易所。