追踪碳足迹：中国科学家在行动
鲁达仁院士在巴黎气候变化会议上与外国专家交流信息和图片
CFP
在巴黎气候变化会议上，各国很难通过《巴黎协定》。中国在这方面的贡献得到了国际社会的好评，显示了一个负责任的大国的宽宏大量。中国科学院副院长丁中立曾经说过:排放权就是发展权。中国应该负责任，争取平等合理的发展权。
最有力的证据是科学。为应对中国应对气候变化和碳减排的国际谈判、选择中国实现可持续发展的最佳途径等重大科技需求，中国科学院于2010年底启动了“应对气候变化的碳收支认证及相关问题研究”专项项目(以下简称“碳项目”)，有效组织了中国科学院及相关大学的跨学科优势。数千名科技人员在五年内对五个项目组的相关问题进行了持续深入的研究。
2015年12月，特别成果成为巴黎气候变化会议上最引人注目的学术焦点之一，各国科学家和媒体对此表示极大关注。然而，国内公众对该项目的成果知之甚少。本期邀请碳项目首席科学家刘玉、中国科学院大气研究所陆达仁院士、中国科学院大气研究所刘一研究员、总体碳项目办公室副主任撰写文章，介绍中国科学家对碳排放的新认识。
中国的碳排放量是多少
近年来，全球人为温室气体排放达到了前所未有的高水平，这“极有可能”是气候变化事件恶化的主要原因。因此，温室气体排放清单一直是气候模型建设、国家减排政策制定以及国际谈判和博弈的重要依据。
自20世纪70年代以来，西方国家率先研究了大气中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)和其他温室气体的排放浓度以及各国的碳排放清单。《联合国气候变化框架公约》数据库和世界资源研究所的研究相对权威。他们来自世界各国的年度排放数据已经成为全球气候变化谈判和游戏的重要参考。在碳监测卫星方面，日本在2009年发射了全球碳监测卫星，美国在2014年发射了全球碳监测卫星，大大提高了发达国家在国际谈判中的发言权。
中国的碳排放已经引起了全世界的关注，因为中国幅员辽阔，经济快速增长，这给中国带来了越来越大的国际压力。迄今为止，中国*已经通过*间气候变化专门委员会向联合国提交了1994年和2005年的温室气体清单。然而，自2005年以来，中国的产业不断调整，技术不断变革，这给温室气体清单的研究带来了更多的不确定性。显而易见，随着全球变暖和应对气候变化受到前所未有的关注，以及国际谈判的不断推进，中国碳排放清单在过去10年中的巨大不确定性无法为决策者提供及时准确的碳排放状况，并可能丧失中国在国际气候谈判中的主动权。建立和完善温室气体排放统计体系，不仅是中国有效履行国际义务的迫切需要，也是中国在应对气候变化的国际谈判中赢得主动权的重要保证。
碳项目的第一个任务组，即“排放清单任务组”，包括四个项目:项目1，“能源消费和水泥生产过程的排放”，项目2，“土地利用和畜牧业的甲烷和一氧化二氮排放”，项目3，“自然过程的排放”，项目4，“从卫星获取的净排放量”，目的是科学和系统地研究中国在能源消费、土地利用和自然过程领域的CO2、CH4和N2O及其他主要温室气体的排放，并建立中国的温室气体基本参数和排放数据库。
利用项目1中获得的关键数据参数，2015年8月20日，项目研究团队与哈佛大学、清华大学等24家国内外研究机构组成的研究团队在《自然》杂志上发表了题为《中国化石燃料和水泥生产碳排放核算修正案》的研究论文，该论文首次基于实测排放因子计算了中国的碳排放总量。结果显示，中国2013年的碳排放总量比之前的估计值低15%，重新计算的中国碳排放量比外国机构2000-2013年的估计值低106亿吨，是自1994年以来在《京都议定书》下负有强制性减排义务的西方发达国家实际减排的近100倍，也高于同期中国陆地碳汇吸收总量(95亿吨CO2)。
项目2积累了大量的第一手资料，完成了北京、南京、广州等地牛羊等反刍动物肿瘤胃肠道CH4排放和畜禽粪便堆肥过程中CH4、N2O排放的测定，为探讨陆地生态系统CH4、N2O排放的时空变化和基于实测数据编制中国畜禽垃圾填埋场CH4、N2O排放清单奠定了数据基础。
项目3首次对中国油气开发过程中的温室气体排放进行了现场检测和计算，建立了适合中国油气开发的碳排放计算方法。计算结果比IPCC方法低一个数量级。此外，科学家发现，在干旱地区确实存在一个未被认识的无机碳汇，它存在于沙漠地区的含盐地下水中。储存在其中的二氧化碳形成了一个碳汇。初步估计显示，全球总碳库高达1000亿吨，是仅次于陆地植物和土壤的第三大活性炭库。这种未被认识的无机碳汇为重新评估全球碳汇模式提供了基础。
项目4突破了机载高光谱探测方面的精细光谱采集光学技术，开发了短波红外高光谱探测原理样机。突破短波红外高灵敏度探测器技术，提高器件响应的量子效率和均匀性，完成短波红外焦平面探测器样品的综合测试，探测器暗电流密度从100nA/cm2提高到10nA/cm2的世界先进水平。与此同时，CO2卫星遥感反演算法取得突破性进展:拥有自主知识产权的科研团队开发的短波红外大气CO2浓度反演方法，已通过日本GOSAT卫星观测数据测试，并通过地基TOCCN验证数据验证。发现反演精度达到了国际先进水平。
中国的生态系统能吸收多少碳
陆地生态系统的碳固存目前被国际社会认为是减缓大气CO2浓度上升的最经济可行和最重要的方法之一。中国陆地生态系统具有很强的固碳率和潜力，尤其是森林生态系统。为了准确评估陆地生态系统的固碳效应，制定相应的管理措施，我们迫切需要独立开发符合中国国情的陆地生态系统碳储量、固碳率和固碳潜力的监测、测量和模拟分析系统，建立国际同行认可的科学、准确的测量方法和可验证的数据库。
为此，碳项目成立了“生态系统固碳工作组”，通过大量实测数据，深入揭示中国陆地生态系统的碳储量、固碳率及其时空分布格局，以及国家重大生态项目的固碳效应。工作队由三个项目组成，即项目5“中国生态系统碳固存的现状、速度、机制和潜力”，项目6“国家重大生态项目碳固存评估”，项目7“典型地区碳固存和碳汇增强的技术体系和示范”。
工作组组织了陆地生态系统实地观测和调查技术规范的汇编，确保项目组内实地调查数据的标准化、时间和空间的代表性以及不同生态系统之间数据的可比性。该课题组采用顶层设计模式布置野外调查样地，既保证了森林、灌木、草地和农田生态系统野外调查样地的代表性，又实现了不重复调查计算，完全覆盖主要土地生态系统类型的目的。目前，该工作组已经建立了世界上第一个*陆地生态系统碳清单体系，为中国碳清单和生态监测、评估和保护提供了强有力的支持平台。此外，还建立了长期样本存储库和样本检索系统。
中国森林覆盖率从20世纪80年代的13.92%快速增长到2010年的20.36%。随着中国大规模人工林的逐渐发展，中国的森林将具有巨大的固碳潜力。东亚季风区亚热带森林生态系统的净生产力约为每年7.2亿吨碳，约占全球森林生态系统净生产力的8%。亚洲亚热带森林生态系统在全球碳循环和碳汇功能中发挥着重要作用，挑战了欧洲和美洲温带森林是主要碳汇功能区的传统认识。
如果将中国视为一个大规模的生物社会群落生态系统，采用多源数据集成分析技术，中国陆地生态系统每年可形成4.1亿吨的总碳汇。人为干扰造成的碳排放可达到国家环境政策的42.65%。因此，加强生态系统过程管理，减少人类活动的碳排放，增加固定有机碳在大规模生物社会集群生态系统中的停留时间，也是增加陆地碳吸收和减缓气候变化的重要措施。
项目6基于文献研究、森林资源调查数据和土壤调查数据，确定了6个主要生态项目的面积以及项目规划区的初始植被和土壤碳密度。基于该基准值，结合大规模碳项目实测数据，对2000-2010年6个主要生态项目的固碳量进行了科学评价。六个国家的主要生态工程区在中国16%的土地上形成的碳汇量约*国目前陆地生态系统碳汇的50%。
第七条在我国北方沙质草原推广“草地放牧鸡”模式，在三江源地区推广“种草养畜”和“暖牧冷饲”生态畜牧业模式，在石漠化地区推广“路面雨水收集和管网灌溉”模式，可以显著提高生态系统的固碳能力。据初步估算，在草原上放牧鸡可使内蒙古沙化和退化草地的碳储量增加37.7%。围封、种植人工植被和退耕还草可使退化草地的碳储量分别增加37.1%、15.9%和11.5%。通过对南方中龄以上人工林的恢复和改造，森林碳汇可增加37%。
二氧化碳对气候变化有什么影响？
当前国际气候变化公约谈判的重要科学基础之一是假设未来全球平均温度应控制在工业革命前变暖的2℃以内(所谓的2℃阈值)，相应的CO2当量浓度不应超过450ppm。全球温度变化与温室气体浓度的对应关系是减排目标的逻辑起点，实质上是一个CO2排放空间问题。2℃的变暖是否与450ppmCO2当量有关取决于温度对CO2浓度的敏感性(气候敏感性)。
随着国内经济的发展，中国的温室气体排放量和气溶胶浓度都很高。因此，迫切需要对全球变暖2℃对应的温室气体浓度和发生时间进行科学深入的研究，为国家气候变化外交谈判和应对气候变化政策的制定提供依据。碳项目成立的“气候敏感工作组”从获取气候变化基础数据、发展和完善中国科学院气候系统模型、估算全球变暖2℃对应的温室气体浓度和出现时间三个方面进行了深入研究。气候敏感性工作组由四个项目组成:项目8，" 2000年气候变化记录、范围、速率、周期、突变、原因"；项目9，“过去100年的气候变暖及其原因”；项目11，“中国气溶胶历史变化和气候效应”和“气候模型模拟和预测中的不确定性”。
气候变化已经成为一些*制定国家计划和全球战略的重要基础。特别是，作为一个不争的事实，过去100年的平均全球变暖已经成为决策者必须考虑的问题。专家们收集并整合了多源百年尺度传感器测量的温度数据。通过统一、可验证的严格质量控制，综合运用标准序列法、偏最小二乘回归和多元回归等插值方法对缺失值进行插值。建立了18个站1909-2009年的月气温序列。进一步，对该系列进行了初步统一的检验和修正，最终得到了一组新的百年温度系列。这套中国过去100年的统一温度观测数据集将是国际气候界期待已久的基础科研成果，具有填补空白的意义。
均一化温度序列显示每100年升温1.52℃，比气候小组第五次评估报告得出的1901年至2012年全球平均升温0.89℃要快。原因是西伯利亚的快速变暖导致中国冬季寒潮减弱，印度洋的持续变暖加剧了区域暖平流，而近几十年来局部的城市化效应促成了温度序列的变暖。这表明，在过去的100年里，中国是一个深受人类活动引起的全球变暖影响的地区。这些结果已被东安格利亚大学气候研究所的国际公认的全球网格温度数据集和第三次国家气候变化评估报告所采用。
气专委第五次气候变化评估报告得出结论，在气候变化的许多驱动因素中，气溶胶的气候效应仍然是各种因素中最不确定的部分。作为世界上气溶胶浓度最高的地区之一，中国气溶胶在气候变化中起着特别重要的作用。项目10建立了中国科学院气溶胶地面浓度观测网和气溶胶云辐射观测网，这是第一个长期并行系统监测气溶胶浓度和光学参数以研究气溶胶气候效应的*观测网。通过2012年至2014年的连续观测，气溶胶主要成分(硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑碳、有机碳等)的质量浓度。)中获得了9个粒径段，并首次给出了具有全国代表性的气溶胶理化光谱分布特征。根据观测数据，专家们发现，气专委第五次气候变化评估报告采用的气溶胶气候模型普遍低估了中国地区气溶胶的浓度和光学厚度，即低估了气溶胶在气候敏感性中的作用，从而对国内外气溶胶气候效应的模拟研究提出了新的挑战。
回顾过去20，000年气候变化对地球的影响
在全球气候变化面临的一系列核心科学问题中，了解气候变化的机制，准确评估气候变化的影响，是趋利避害、采取对策的科学依据。为了充分理解气候变化的因素和机制，有必要在更长的时间尺度上研究气候变化的历史。自大约20，000年前以来，全球气候经历了显著的变暖，随后从最后一次冰川最大值到全新世暖期的总体变冷，大气温室气体的浓度也经历了显著的波动。这些发生在地质和历史时期的气候和环境变化、影响和适应过程，无疑为深入理解气候变化的机制，揭示不同速率和幅度的气候变化对生态环境的影响提供了理想的研究情景，也为人类适应未来气候变化的研究提供了历史参考。
为碳项目设立的“影响和适应工作组”包括两个项目:项目12，“暖期环境模式”和项目13，“气候变化背景下的人类适应”。前者以全新世暖期为“相似类型”，研究过去全球平均气温升高约2℃时中国的环境格局及其对陆地生态系统的可能影响，为人类适应研究提供自然环境背景和参考。后者通过对不同气候环境背景下人类进化和适应模式的研究，探讨适应气候变化的规律和模式，为未来如何适应气候变化提供启示。
影响和适应工作队的研究表明，过去100年的全球气候变暖只是叠加在气候变化自然速率的变暖阶段。它始于19世纪30年代，持续了大约170年。它可能在未来几十年内结束，并进入大约250年的寒冷期。换句话说，在当前的气候变暖中，存在着自然变暖的周期性背景，自然变率的影响和贡献还需要进一步研究。
人类的起源和进化一直是国际生命科学和地球科学研究的焦点。在过去的五年里，13项目的专家通过在湖南道县洞对人类牙齿化石的系统发掘，发现了东亚最早的现代人，揭示了现代智人在8万至12万年前就已经出现在中国南方，比欧洲和西亚至少早了3.5万至7.5万年。这一发现表明，华南可能是东亚现代人进化和扩散的中心，现代人的进化比以前认为的更复杂。
全球变暖——海平面上升和人类活动对海岸线变化的影响不仅关系到现阶段人类的生存和发展，也将深刻影响未来国家层面相关政策的制定。根据*1940年至2014年6个阶段的海岸线数据和12次实地调查的实测数据，发现在过去70年中，人工海岸线的比例不断增加，自然海岸线的比例不断减少。到2014年，中国自然海岸线的比例不到33%。尽管70多年来，由于气候变暖，海平面一直在上升，但由于人类活动的加剧，特别是农业、盐田、交通填海和筑堤等活动，整个大陆沿海的净变化导致陆地面积(不包括*)的增加。大陆海岸线的变化主要表现为向海扩展的趋势，超过68%的海岸向海扩展，超过22%的海岸向陆地退缩。
探索中国特色的绿色低碳发展道路
碳项目第五工作组“绿色发展工作组”开展了未来绿色低碳发展情景模拟分析和碳排放预测，以满足国际谈判和国内发展转型的需要，研究了低碳发展的政策和制度设计，评估了不同低碳政策措施的减排潜力和成本。同时，开展统计研究，测算家庭碳排放量和出口产品碳足迹，建立气候变化信息服务平台，为中国绿色低碳发展相关决策提供科学和实证支持。工作组由项目14 "区域碳排放和产品碳足迹"和项目15 "应对气候变化的碳预算相关政策研究"组成。
在过去的五年里，绿色发展工作队提交了20多份政策咨询报告。相关负责人多次参与**和国家部委关于气候变化的重大决策咨询，为*高层决策提供了有力支持。
根据国家谈判需求，专家模拟分析了中国未来碳排放高峰时间和政策组合。结果在2014年“中美气候谈判专家对话”中得到阐述，并支持“中美气候变化联合声明”。该研究发现，中国不可能仅靠一项政策就能实现碳排放峰值。借助不同的政策组合，中国的碳排放峰值将出现在2032年至2049年之间。此外，中国需要付出一定的经济代价才能提前达到碳排放峰值:在2030年之前，与参考情景相比，不同政策情景的模拟结果显示，年均国内生产总值宏观损失约为1.3% ~ 3.7%。
绿色发展工作组进一步提出了应对气候变化“十三五”规划的指导思想、目标体系和保障措施。强调要构建以碳排放总量、碳排放强度、非化石能源消费比重和碳汇为核心的四维目标指标体系，推进目标体系、*机制、管理模式、政策措施和试点示范的整体转型，制定和完善碳排放总量控制的制度安排和政策体系，努力走符合中国基本国情的可持续发展道路。相关建议有力地支持了国家十三五规划的制定。
碳项目的实施为国家推进绿色低碳发展战略提供了更好的支持。然而，作为一个正在经历快速转型的国家，当前中国绿色低碳发展面临的国内外形势与专项完全不同。一方面，从国内来看，经济发展已开始向新常态转变，国内生产总值增长率已由高速增长调整为中高速，能源需求增长率有所下降，导致能源价格等一系列因素发生变化。另一方面，在国际社会，全球格局中的“西落东升”趋势仍在继续。根据新形势，中国科学家将着眼于国家需要，进一步开展相关研究。