低碳经济与中国碳汇发展研究
——基于森林碳汇、土壤碳汇和地质碳汇的讨论
崔俊富, 苗建军, 陈金伟
(南京航空航天大学 经济与管理学院，江苏 南京 210016)
● 能源与环境问题研究
低碳经济与中国碳汇发展研究
——基于森林碳汇、土壤碳汇和地质碳汇的讨论
崔俊富, 苗建军, 陈金伟
(南京航空航天大学 经济与管理学院，江苏 南京 210016)
气候变暖已经成为人类生存的重大威胁之一，自第一次工业革命以来，大气中二氧化碳浓度由于人类经济的迅猛发展而持续增加，而且在未来一段时期还将继续增加。如何减少大气中已经存在及未来生产中产生可能排入大气中的二氧化碳是建设低碳经济、控制气候变暖的重要方面，发展碳汇是一种可行的方法。研究发现，植物碳汇、土壤碳汇和地质碳汇具有比较强的操作性，无论对于世界还是中国都具有比较好的应用前景，建设低碳经济、应对气候变暖需要大力促进碳汇的发展。
全球变暖；低碳经济；碳汇
气候变暖已经成为人类生存的重大威胁之一，自第一次工业革命以来，大气中二氧化碳浓度由于人类经济的迅猛发展而持续增加，全球气温因此上升了0.5℃以上，据估计，未来气温有超过75%的可能性上升2℃以上，有超过50%的可能性上升5℃以上。冰川融化、海平面上升、饥饿都是气候变暖造成的严重后果。[1][2]2014年9月，国务院批复了《国家应对气候变化规划(2014-2020年)》，要求有效控制温室气体排放，努力实现绿色发展、低碳发展，表明实现低碳发展，积极应对气候变化正式上升为国家战略。[3]如何减少大气中已经存在及未来生产中已经产生可能排入大气中的二氧化碳是建设低碳经济、控制气候变暖的重要方面，发展碳汇是一种可行的方法。研究发现，植物碳汇、土壤碳汇和地质碳汇具有比较强的操作性，无论对于世界还是中国都具有比较好的应用前景，建设低碳经济需要大力促进碳汇的发展。
图1 碳流动[4]
碳汇是指在一定时期将碳捕获并储存的活动。这种捕获可以是自然过程，如植物的光合作用，也可以是人为过程，如利用CCS技术将发电厂产生的碳捕获。储存的地点可以是自然的地点，如植物内部，也可以是人类选择的具体地点，如矿井。目前海洋是最大的碳库，储存了146007047百万吨二氧化碳当量。陆地储存的碳大概为7516120百万吨二氧化碳当量，其中植物储存了2016520百万吨二氧化碳当量，土壤和岩石储存了5499600百万吨二氧化碳当量。根据储存二氧化碳“库”的不同，可以将碳汇分为海洋碳汇、植物碳汇、土壤碳汇和地质碳汇等形式。[4]海洋碳汇是最大的碳汇，但是海洋碳汇应用性比较差。因此，本文不再讨论海洋碳汇，对植物碳汇、土壤碳汇和地质碳汇分别进行讨论分析。
一、森林碳汇
(一)森林在固碳中的作用
植物通过光合作用来吸收大气中的二氧化碳，这些二氧化碳被植物捕获，在太阳光的照射下，与水分子结合，形成有机物，并释放氧气。于是大气中的二氧化碳便成为植物的一部分被储存起来。
植物每年通过光合作用从大气中消除372140百万吨二氧化碳，而同时植物的呼吸作用和组织分解仅排放366640百万吨二氧化碳，这也就是说，通过种植植物、真菌和细菌的繁殖，每年从大气中净消除了5500百万吨二氧化碳，大约相当于人类每年工业活动向大气排放的24%。如果加以正确的管理，光合作用将持续地超过植物的呼吸作用，从而达到吸收大气中二氧化碳的目的。[4]
森林碳汇是植物碳汇中最重要也最具有操作性的碳汇。[5]Massimo Tavoni等(2007)的研究表明，森林是控制二氧化碳的决定性力量，将森林管理与碳市场结合起来可以减少50ppmv或者是0.25℃，而且能够极大地减少成本。[6]如表1所示。
表1 1995-2050年全球森林碳汇量及相关成本[5]
地区措施碳汇(GtC)成本(S|/tC)高纬度地区造林1.198(3-27)中纬度地区造林4.386(1-29)农业林0.265低纬度地区造林2.577(3-26)农业林0.995(2-12)森林再生1.8-4.52(1-2)减缓森林退化1.7-3.32(0.5-15)总和21.2-30.73.7-4.6(1-29)
森林碳汇的成本是比较低的，而且呈现由高纬度地区向低纬度地区逐渐减少的趋势。高纬度地区成本最高，造林为8(3-27)S|/tC。中纬度地区居中，造林为6(1-29)S|/tC，农业林为5S|/tC。低纬度地区成本最低，造林为7(3-26)S|/tC，农业林为5(2-12)S|/tC，森林再生为2(1-2)S|/tC，减缓森林退化为2(0.5-15)S|/tC，全球整体的平均成本为3.7-4.6(1-29)S|/tC。自2004年以来碳价格一直维持在10美元以上，2011年碳价格为17.1美元。假定碳价格不变，这样就可以计算出碳汇所形成的利润，总利润可以达到几千亿美元。中国处于温带地区，发展森林碳汇的潜力巨大，其中北部和西北比南部、西南、东北拥有更大的潜力，辅助自然恢复和造林成本仅为1.3S|/tC，开发碳汇的利润更高。Xiao-Quan Zhang等(2003)估计1990年的中国森林每年固碳118.1MtC，假定保持这个速度不变，每年中国可以从森林碳汇中获利几十亿美元的收入。[7]
表2 中国各地区森林碳汇成本情况[5]
措施成本(S|/tC)北部和西北辅助自然恢复1.3造林1.3农业林16.3南部、西南、东北辅助自然恢复3.5造林5农业林9.8
(二)中国森林发展的潜力
世界上的森林主要集中在欧洲、南美洲中北部、东南亚和非洲中部地区。欧洲的森林覆盖的整体情况最好，占全球森林的25.3%，森林覆盖率达44.3%。由于亚马逊雨林的存在，南美的森林覆盖率最高，达到了47.7%。我国所在的东亚地区森林覆盖情况不佳，占全球总比重的6.2%，森林覆盖率21.3%，仅相当于南美森林覆盖率的44.654%。而且中国的森林覆盖很不均衡，东部和南部地区的森林覆盖情况较好，而中西部地区森林覆盖非常差。
森林资源分布不均，使得国家之间对待森林的政策区别很大。森林资源比较丰富的国家如巴西、印尼每年都砍伐大量的森林，巴西每年减少3103千公顷森林，印尼每年减少1871千公顷森林。从总体上来看，森林砍伐的速度快于植树造林的速度，仅比较样本国家，2000-2005年森林年均减少3112千公顷。中国的森林资源比较匮乏，植树造林成为中国的一项重要国策，中国植树造林的速度非常快。2000-2005年每年净增4058千公顷，前10名植树造林国家的面积为5104千公顷，中国占79.51%。
表3 2000-2005年森林变化前10名国家[9]
国家平均变化千公顷/每年占比国家平均变化千公顷/每年占比巴西-310337.77%中国405879.51%印尼-187122.77%西班牙2965.80%苏丹-5897.17%越南2414.72%缅甸-4665.67%美国1593.12%赞比亚-4455.42%意大利1062.08%坦桑尼亚-4125.01%智利571.12%尼日利亚-4104.99%古巴561.10%刚果-3193.88%保加利亚500.98%津巴布韦-3133.81%法国410.80%委内瑞拉-2883.51%葡萄牙400.78%总和-8216100.00%总和5104100.00%
注：占比为占前10名国家的比重。
综上可以看出，一方面，尽管中国目前是世界上植树造林面积最大的国家，但是中国的森林覆盖率仍然远低于世界其他地区，另一方面，中国幅员辽阔，拥有960万平方公里的广袤国土，特别是广阔的中西部地区拥有巨大的植树造林的潜力。因此，发展森林碳汇拥有良好的前景，未来森林碳汇应作为中国碳汇发展的重要领域。
二、土壤碳汇
土壤碳汇与森林碳汇紧密相关，不过，全球土壤储存的碳比植物中储存的碳的数量要大得多。土壤在所有的生态系统中都是主要的碳库，而植物中储存的碳库主要是森林。从表4可以看出，土壤碳汇达到了2011Gt，而植物碳汇仅为466Gt，土壤碳汇是植物碳汇的4.315倍。
表4 全球森林和土壤碳汇分布情况[10]
生物群面积(106km2)碳汇(GtC)植物土壤总和热带森林17.6212216428温带森林10.459100159寒带森林13.788471559热带草地22.566264330温带草地12.59295304沙漠和半沙漠45.58191199苔原9.56121127湿地3.515225240农田163128131总和151.246620112477
土壤中的碳主要来自于生物分解的沉积物。土壤在刚开始形成时，碳输入的速率高于碳释放的速率，在一段时间之后碳输入的速率与碳释放的速率相同，土壤中的碳含量就达到一个均衡的水平，土壤用途的改变会打破这种平衡。例如，森林采伐可能导致地上凋落物碳输入减少、土壤温度升高引起土壤微生物呼吸排放增加以及水土流失加剧而降低土壤有机碳吸存能力；翻耕等耕作措施会增加土壤通气性，促进微生物活性增加，引起土壤有机碳库的呼吸损失；收获农作物的非经济产量部分使更多的有机碳带出生态系统，减少了土壤生态系统有机碳的输入。[11]这样土壤碳释放的速率高于碳输入的数量，于是土壤中的碳含量就会逐渐下降，如图2中a点所示。与此相反，采取森林恢复和森林管理的一些有效措施可以使碳输入的速率高于碳释放的速率，土壤中的碳含量就会逐渐上升，如图中b点所示。[12]
据IPCC估计，从1850到1998年，化石能源燃烧和水泥生产向大气中以二氧化碳的形式大约排放了270(+30)GtC。土地使用的改变大约排放了136(+55)GtC，其中主要来自于森林生态系统。这些排放中大约43%的留在了大气中，大气中二氧化碳含量大概增加了176(+10)GtC。[13]为了恢复土壤的碳吸收能力必须对土壤进行有效的管理，主要分为：农田管理、农业林管理、草原管理、林地管理等，其中，林地管理的碳吸收率和持续时间最长，其次是草原管理和农田管理等。
图2 土壤碳汇的变化情况[12]
表5 中国各主要区域土壤碳汇密度及储量[14]
区域包括省份总面积(103km2)土壤碳汇密度(tC/ha)土壤碳汇(Gt)北部北京、天津、河北、陕西、内蒙古1518.491.213.79东北辽宁、吉林、黑龙江789.2181.914.25华东上海、江苏、安徽、浙江、江西、福建、山东791.6836.31华中南湖北、湖南、河南、广东、广西、海南1010.598.29.72西南重庆、四川、贵州、云南、西藏2329103.823.6西北陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆301472.321.1港澳香港、澳门、台湾37.1102.80.37
中国拥有960万平方公里的土地，土壤覆盖了9.281×106km2，大概占国土面积的97.07%，中国的土壤碳汇非常巨大，D. S. Yu等(2007)测算中国的土壤碳汇总额达到89.14Gt。中国发展土壤碳汇的潜力巨大，根据D. S. Yu等(2007)的研究成果，中国土壤碳汇的密度变化非常大，最低仅为1.43tC/ha，最高达4463tC/ha。土壤碳汇的密度与植被情况密切相关，植被覆盖情况比较好的东北、西南和港澳地区土壤碳汇密度较高，而西北地区的土壤碳汇密度最低。假设通过土壤管理将土壤碳密度比较低的北部、华东、西北的土壤碳密度提高到100tC/ha左右，将增加10.706Gt土壤碳汇。[14]
三、地质碳汇
地质碳汇是指运用CCS技术将二氧化碳注入地下与大气脱离接触而形成的碳汇。[15]2000年全球使用的化石燃料排放总量为23.5千兆CO2/年(6千兆吨碳/年)。其中接近60%的排放是归因于大的(>0.1兆吨CO2/年)固定排放源。二氧化碳的捕获可用于大点源，二氧化碳将被压缩、输送并封存在地质构造中。以电厂为例，对于安全封存，净结果是，一个采用CCS的电厂相比一个未采用CCS的电厂大约能够使排放到大气中的二氧化碳减少80-90%。[16]
CCS过程的三个主要组成部分：捕获、运输和封存，所有三个部分都存在于当今的工业生产中，尽管其中多数并非为了二氧化碳的封存。捕获步骤包括把二氧化碳从其他气体产品中分离出来。对于燃料的燃烧过程，如电厂中的燃烧过程，可以采用分离技术在燃烧后捕获二氧化碳，或者在燃烧前对燃料进行脱碳。为了把捕获的二氧化碳运输到距二氧化碳源较远的合适封存地点，需要采取运输步骤，为了便于运输和封存，捕获的二氧化碳通常由捕获设备进行高浓度压缩。将捕获的二氧化碳运输到合适的地质地点进行封存，例如在石油和天然气田、不可开采的煤田以及深盐沼池等地点进行封存。[16]
大多数学者对中国发展碳捕获和储存技术持乐观态度。[17] [18]R T Dahowski等(2009)对中国二氧化碳的捕获和储存潜力进行了初步评估，研究了中国1623个排放量至少为0.1MtCO2/年的排放源分布情况。这些排放点总的排放量超过3890MtCO2/年。其中，能源业占73%的排放量，水泥业占14%，钢铁业占7%，制氨业占3%，精炼业占2%，乙烯业占1%，环氧乙烷占不到1%，制氢业也占不到1%。这些排放源大部分集中于沿海地区，58%位于东部和南部地区。中国陆地盆地拥有理论上和地质上超过2300000MtCO2的储存能力。中国的排放源与备选储存地点的距离非常近，54%的排放源附近就有储存地点，84%的排放源与备选储存地点的距离在80公里以内，91%的排放源161公里之内有备选储存地点。成本曲线的初步分析表明，中国绝大部分二氧化碳排放点源排放的二氧化碳的运输和储存成本低于10美元/吨。可以发现，碳捕获和储存技术在中国具有巨大的应用潜力，可以有效地降低中国的减排成本。[19]
在政府对碳捕获与储存技术研究活动的领导与推动下，中国的能源企业在应用碳捕获与储存技术的项目进行了投资。作为中国最大的石油公司，中国石油已经开始在吉林省的吉林油田建设中国第一个二氧化碳提高石油采油率的项目。绿色煤电公司和神华集团也在接下来的两年开发了各自碳捕获与储存项目。绿色煤电公司开发了整体煤气化联合循环发电系统与碳捕获与储存相结合的发电厂，神华集团开发了应用碳捕获与储存技术的煤液化发电厂。其他许多低成本碳捕获与储存项目在中国也得到了广泛开展，其中包括具有1.17亿吨减排量的综合制氨工厂。[20]
四、结语
大气中的二氧化碳含量已经比工业革命之前增加了许多，而且在未来一段时期还将继续增加。如何减少大气中已经存在及未来生产中已经产生可能排入大气中的二氧化碳是建设低碳经济、控制气候变暖的重要方面，发展碳汇是一种可行的方法。碳汇是指在一定时期将碳捕获并储存的活动。研究发现，植物碳汇、土壤碳汇和地质碳汇具有比较强的操作性，无论对于世界还是中国都具有比较好的应用前景，应对气候变暖需要大力促进碳汇的发展。
(一)植树造林
植物通过光合作用来吸收大气中的二氧化碳，这些二氧化碳被植物捕获，在太阳光的照射下，与水分子结合，形成有机物，并释放氧气。于是大气中的二氧化碳便成为植物的一部分被储存起来。森林碳汇是植物碳汇中最重要也最具有操作性的碳汇。中国处于温带地区，发展森林碳汇潜力广阔。尽管中国目前是世界上植树造林面积最大的国家，但是中国的森林覆盖率仍然远低于世界平均水平，特别是西北地区的广大国土森林覆盖率更低。采取必要的措施植树造林，提高中国特别是西北地区的森林覆盖率一方面可以改善生态环境，另一方面可以增加森林碳汇，并创造良好的经济效益。
(二)加强土地管理
土壤中也储存了大量的碳，全球土壤储存的碳比植物中储存的碳的数量要大得多，土壤在所有的生态系统中都是主要的碳库。良好的土壤管理可以增加土壤中碳的储量，破坏性的土壤管理将释放土壤中的碳。据IPCC估计，从1850到1998年，土地使用的改变大约排放了136(+55)GtC。中国拥有960万平方公里的土地，土壤覆盖了9.281×106km2，大概占国土面积的97.07%。中国土壤碳汇的密度变化非常大，植被覆盖情况比较好的东北、西南和港澳地区土壤碳汇密度较高，而西北地区的土壤碳汇密度最低。采取良好的土壤管理措施将土壤碳密度比较低的北部、华东、西北的土壤碳密度提高一定的比例，将极大地增加我国土壤的固碳能力。
(三)发展CCS技术
二氧化碳捕获和封存(CCS)是指把二氧化碳从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。目前CCS技术的发展尚处于起步阶段，中国的二氧化碳排放源与储存点具有量大且距离比较近的特点，CCS在中国具有良好的发展前景，中国的能源企业在政府的引导下也做了相应的探索。未来一段时间中国政府需要出台更加有效的措施，为中国企业发展CCS提供更加有力的政策激励。
[1] 崔俊富，崔伟.中国为什么选择低碳增长之路[J].华北电力大学学报(社会科学版)，2014(4).
[2] 崔俊富，苗建军，陈金伟. 减排责任与实现中国经济增长低碳化[J].华北电力大学学报(社会科学版)，2014(6).
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[18] Hengwei Liu, Kelly Sims Gallagher. Driving Carbon Capture and Storage forward in China [J].EnergyProcedia, 2009, 1: 3877-3884.
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(责任编辑：李潇雨)
Research on China Low Carbon Economy and Carbon Sinks ——Discussion on Forest, Soil and Geological Sequestration
CUI Jun-fu, MIAO Jian-jun,CHEN Jin-wei
(College of Economics and Management，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)
Global warming is an indisputable fact. Since the Industrial Revolution, increased concentration of carbon dioxide has caused global warming. The development of carbon sinks can reduce the carbon dioxide in the atmosphere and in the future there night be more the carbon dioxide discharged into the atmosphere. Comparing with the ocean carbon sink, plant carbon sequestration, soil carbon sequestration and geological carbon sequestration have relatively strong operation. China is located in temperate regions and has excellent geological conditions. Plant carbon sequestration, soil carbon sequestration and geological carbon sequestration have broad application prospects in China. Reforestation, land management and development of CCS technology and other measures can contribute significantly to the development of carbon sinks.
global warming; low carbon economy; carbon sinks
2015-04-12
国家社科基金项目“长三角城市群扩容与中部城市群崛起引发的利益冲突的实证研究”(项目编号:08BJY014)；国家自然科学基金项目“研发团队的知识资本与社会资本对其有效性的影响研究”(项目编号:70972073)；江苏省博士后科研资助项目“大数据背景下机器学习算法在中国经济增长中的应用研究”(项目编号:1402040C)和江苏省博士后科研资助项目“江苏援助伊犁项目效率计量与路径优化研究”(项目编号:1402041C)。
崔俊富，男，南京航空航天大学博士后研究人员;苗建军，男，南京航空航天大学经济与管理学院教授，博士生导师，博士后合作导师;陈金伟，女，南京航空航天大学博士后研究人员。
F062.2
A
1008-2603(2015)04-0001-06