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名称 碳中和背景下提升土壤碳汇能力的前景与实施建议
发布机构 科技外事处 索引号 2189234/2021-02307
主题分类 科技发展 文号
发布日期 2021-11-17 主题词

碳中和背景下提升土壤碳汇能力的前景与实施建议

发布日期:2021-11-17 16:55 信息来源:科技外事处 访问量:? 字体 :[ 大 ][ 中 ][ 小 ]

碳中和背景下提升土壤碳汇能力的前景与实施建议

    中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和,这是统筹国内经济社会发展与全球应对气候变化协同共赢的重大战略。减少碳排放和增加碳汇能力是实现碳中和的重要途径。土壤碳库在陆地生态系统碳库中占比达到90%以上,为植被碳库的34倍、大气碳库的23倍。充分发掘土壤碳库巨大的减排增汇效益,对于我国实现碳中和目标具有重要意义。本文系统梳理土壤碳汇的内涵、影响因素、潜力并分析其发展前景,旨在为政府有关部门制定碳汇行动方案提供参考依据。

土壤碳汇内涵与影响因素

    土壤碳汇内涵

    关于土壤碳汇的内涵,科学界相关组织与专业人士纷纷给出不同定义。根据《2006IPCC国家温室气体清单指南》,土壤碳汇包含有机碳汇和无机碳汇,前者表现为植物有机物质被破碎分解转化为矿质土中的有机碳,后者表现为大气二氧化碳转化形成土壤中的原生矿物或次生矿物。美国土壤学会将土壤固碳定义为大气二氧化碳以稳定固体的形式被直接或间接储存到土壤中,包括直接将二氧化碳转化为钙或碳酸镁之类的土壤无机物,或间接通过植物光合作用将大气二氧化碳转化为植物能量,并在分解过程中被固定为土壤有机碳。牛津大学Cameron Hepburn将土壤碳汇定义为通过各种土地经营管理增加土壤有机碳含量的过程。南京农业大学潘根兴教授认为土壤碳汇是土壤截获大气二氧化碳成为土壤固相碳组分的过程,以土壤有机碳或土壤无机碳的形式实现,是土壤对大气二氧化碳的汇效应的总体表现。综合政府间机构、学术组织和学者等视角,土壤碳汇内涵可理解为两个层次:一是土壤碳汇包括土壤有机碳汇、土壤无机碳汇两种形式;二是当前土壤碳汇研究和管理实践的重点是土壤有机碳汇,原因是无机碳库更新时间更长,与大气成分进行活性交换的主要是土壤有机碳。

土壤碳循环影响因素

    土壤有机碳循环包含植被固定大气中二氧化碳的“碳输入”和微生物分解土壤中有机碳的“碳输出”两大环节。土壤无机碳多为干旱、半干旱区土壤碳库的主要形式,土壤吸收二氧化碳的机制包括大气输送、碳酸盐溶解和包气带土壤水渗滤作用,其逆过程则释放二氧化碳,形成无机碳循环。

    诸多自然因素和人为因素共同影响着土壤碳循环的过程,且人为因素对土壤碳循环和碳储量的影响程度远超自然因素。在自然因素方面,土壤碳库的变化受到多种物理和生物因素的影响,如气候,土壤结构及化学、物理和生物属性,植被类型,微生物生理生化过程等,且各因素之间存在相互作用。在人为因素方面,不同土地覆被和利用方式,导致土壤碳汇能力差异很大。一般土壤碳汇能力从大到小表现为:森林>草地>湿地>农田>未利用地和建设用地。当人类活动引起土地利用/土地覆被变化(LUCC)时,一方面直接改变了生态系统类型,从而影响生态系统的净初级生产力以及土壤有机碳输入;另一方面间接改变了土壤的生物和理化属性,进而影响土壤呼吸作用以及土壤碳输出强度。

土壤碳汇潜力与经济性

    土壤碳汇潜力估算

    在全球、国家等大区域尺度下,土壤碳库变化速率的估算方法主要有Meta分析、土壤调查数据差减和过程模拟3种类型。Meta分析主要采用已有文献中的相关数据计算土壤碳库变化速率;土壤调查数据差减是通过两期土壤碳库调查实测数据直接差减计算变化速率;过程模拟则是根据气候、土壤理化性质、农林业管理措施等影响因子构建机理模型估算土壤碳库变化速率(常见的模型有DNDC模型、Agro-C模型等)。《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)要求所有缔约方采用缔约方大会议定的可比方法。因此政府间气候变化专门委员会(IPCC)1995年起开始研究编制国家温室气体排放清单指南,至今已发布4版清单指南,最新版本为《IPCC2006年国家温室气体清单指南2019修订版》。依据IPCC相关成果,土壤碳汇的核算方法主要有三种:(1)缺省方法,排放/清除因子和参数的默认值来自IPCC-1996-LUCF IPCC-GPG-LULUCF(2)纳入国家特定数据,采用具有较高分辨率的本国活动数据和排放/清除因子或参数;(3)高级估算系统,使用测量和/或建模的方法,改进碳排放量和清除量的估值。许多学者应用上述方法开展了全球和我国土壤固碳潜力研究。由于数据来源和具体方法不同,估算结果差异较大,但都一致认可土壤碳汇具有巨大潜力。

    众多学者对全球土壤有机碳封存的技术潜力进行预估,结果表明,全球土壤有机碳封存潜力为每年23亿~55亿t二氧化碳当量。其中,近期具有代表性的研究成果主要有两项。一是由大自然保护协会和伍兹霍尔海洋生物学实验室等机构联合开展的研究,基于Griscom等提出的“基于自然的气候解决方案”(NbS),针对12种与土壤有机碳密切相关的自然气候缓解路径,估算出保护和重建土壤有机碳可以每年增加55亿t二氧化碳当量的碳汇潜力,约占全球自然气候解决方案总潜力的25%。二是牛津大学Cameron Hepburn等在梳理上万份文献的基础上对10种途径的碳汇潜力进行了总结和估算,包括二氧化碳衍生化工产品、衍生燃料、微藻类产品、混凝土建筑材料、二氧化碳驱采油5种传统工业路径以及生物质能、岩石风化、林业技术、土壤固碳、生物炭5种非常规途径。预计到2050年,土壤碳汇潜力为23亿~53亿t二氧化碳当量/a,其中可利用潜力主要来自耕地和牧场的土壤固碳潜力,为9亿~19亿t二氧化碳当量/a。对比前一项研究,后者没有将生物炭潜力计入土壤碳汇潜力,这是估算结果差异的主要原因。

    近年来,国内外学者对我国土壤固碳潜力甚为关注,但多数研究集中在某个试验地区或某种生态系统类型,全国尺度下涵盖各类生态系统的土壤碳汇潜力研究不多。国际土壤科学联合会主席Lal粗略估算,2000-2050年我国土壤固碳总潜力为400亿~440亿t二氧化碳当量,其中土壤有机碳封存潜力为3.8亿~7.3亿t二氧化碳当量/a,无机碳封存潜力为0.26亿~5亿t二氧化碳当量/a。中国科学院植物研究所方精云研究团队在《2006IPCC国家温室气体清单指南》框架基础上,发展了符合我国国情的陆地生态系统碳收支计量方法体系。其基于17090个野外调查样地实测数据,评估出2001-2010年我国土壤碳库储量年均增加2.7亿t二氧化碳当量。对比两项研究结果,由于对我国土壤碳汇潜力测算的范围不同,导致测算结果存在差异。前者在土壤碳汇潜力测算中包括了土壤无机碳库,后者仅考虑了林地、灌木林、草地和农田等生态系统的土壤有机碳,未考虑湿地、聚居地和其他土地。

土壤碳汇经济性分析

    与土壤碳汇途径和潜力的研究相比,开展成本估算的研究不多。成本价格代表了在特定路径下封存每吨二氧化碳须由社会支付的成本金额,即理论保本价格。大自然保护协会DA Bossio等对“基于自然的气候解决方案”(NbS)进行拓展分析得出,约3/4的土壤有机碳封存潜力(约40亿t二氧化碳当量/a)是经济可行的,成本价格为10100美元/t二氧化碳当量。其中,1/4的碳汇潜力价格约为10美元/t二氧化碳当量,1/2的碳汇潜力价格约为100美元/t二氧化碳当量,剩余部分潜力被认为不具有成本效益。IPCC最近的研究结论是,土壤有机碳封存成本低于100美元/t二氧化碳当量。此外,另有一些研究提出土壤有机碳封存的成本估算结果为负值。考虑到土壤碳汇能够带来农业产量增加、生态系统服务功能提升等协同效益,即使没有激励性的气候变化政策,许多基于土壤的气候解决路径仍具有成本效益。如牛津大学Cameron Hepburn等估算了10种二氧化碳利用路径的潜力规模和成本价格。其中,土壤封存每吨二氧化碳的成本价为-90—-20美元,具体取决于土壤有机碳储量增加及其带来的农业产量增长等,比其他常规工业利用路径、非常规利用路径具有更高的成本效益。由此可见,协同效益的价值估算对土壤碳汇成本影响较大。

    国内科研机构和学者等对碳汇成本效益的分析主要集中于森林碳汇领域,针对土壤碳汇潜力的成本分析研究成果较少,并且集中在农业土壤碳汇的研究。这在某种程度上是由于土壤碳汇市场需求和交易不活跃造成的。已有实践研究主要是针对四川省农业土壤碳汇项目开展的成本分析,估算结果为每吨二氧化碳当量的土壤碳汇成本价格为178763元人民币。廖薇针对四川省什邡市2个样本村开展实践分析,综合考虑户均生产成本和农产品收入,只有土壤碳汇价格大于178元/t二氧化碳当量时,农户才愿意采用秸秆还田耕作方式来增加土壤碳汇。刘奕等以四川省都江堰市为例,测算得出农业土壤碳汇成本补贴应达到274元/亩(1=1/15hm2),才能实现农户由“碳源”耕作方式向“碳汇”耕作方式转变;若按照化肥与有机肥配施、秸秆还田亩均能够增加土壤碳汇量0.216t二氧化碳当量/a0.143t二氧化碳当量/a来简单估算,农业土壤碳汇的理论成本达到763/t二氧化碳当量。与国际上土壤碳汇成本效益研究相比,国内有限的样本分析仅考虑了土壤有机碳含量和农业产量增加两类收益,忽视了提升土壤质量和肥力、减少土壤侵蚀和流失、降低水足迹等生态系统服务的协同效益。当前我国致力于推进建立生态产品价值实现机制,若综合考虑生态系统服务的协同收益,理论上土壤碳汇的经济性将更为可观。

土壤碳汇管理与市场建设进展

    “千分之四”倡议的国际国内响应

    早期土壤碳汇并不为国际碳市场机制所承认,《京都议定书》确立的清洁发展机制(CDM)将潜在的土壤有机碳减排严格限制在造林和再造林项目中。2015年联合国气候变化大会在巴黎发起了“千分之四”倡议,即全球2m深土壤的有机碳储量每年增加4‰,就可以抵消当年全球矿物燃料的碳排放;全球1m深土壤碳库增加4‰,可以抵消当前全球二氧化碳净排放。该倡议通过《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)的认可得以正式启动,明确了土壤碳封存特别是农业土壤在粮食安全和气候变化方面可以发挥关键作用。截至2019年,已有包括法国、德国、澳大利亚、日本等在内的33个国家注册和参与到该倡议中,8个国家在其“国家自主贡献”(NDCs)计划中设立了土壤缓解碳排放目标,越来越多的国家和地区也在积极考虑加入该计划并推动制定土壤缓解碳排放承诺。同时,美国嘉吉、德国拜耳等许多企业也将土壤有机碳封存作为提升农业价值链弹性和长期盈利能力的重要手段。

    我国目前暂未加入“千分之四”倡议,主要原因是:一方面,我国矿物燃料排放量高,2018年总能源排放达76.37亿t二氧化碳(国际能源署统计数据),土壤有机碳(按1m深计算)储量增速需要达到2.3%才能抵消碳排放,远超“千分之四”计划目标和当前技术水平;另一方面,我国当前土壤固碳速率较低,多项研究显示我国土壤有机碳储量年均增速为2‰左右,仅为“千分之四”计划目标的一半。尽管如此,近年来我国在土壤固碳方面仍然积极行动,已经实施了测土配方施肥项目、土壤有机质提升补贴项目、保护性耕作工程建设规划、全国高标准农田建设总体规划等多项国家级项目和规划,这些实际行动将大大提高我国土壤固碳水平。

土壤碳市场项目实施进展

    目前土壤碳汇项目投资仍然主要依靠自愿碳交易市场来推动。国际上与土壤碳交易密切相关的碳交易机制主要有芝加哥气候交易所标准(CCE)、生存计划方案(PVS)和气候储备方案(CAR)。尽管林业碳汇项目相对较充足,目前在CDM下注册合规或在自愿碳市场中已推出的林业碳汇项目已超过1500个,覆盖林地面积超过1200hm2,但是获得批准的 CDM林业碳汇项目不到CDM项目注册总数的1%,并且林业碳汇项目在核证减排量时基本都忽略了土壤碳汇效应,对土壤碳市场交易的推动作用十分有限。而农业和草地相关的土壤碳汇项目只有不到60个,每年清除近5t二氧化碳当量,低于土壤理论固碳潜力的百万分之一。从各国碳交易市场建设情况看,澳大利亚目前拥有全球最大的由政府主导的土壤固碳市场,其主导的土壤碳汇项目占到全球总数的一半。

    我国积极参与全球气候变化治理和国际碳市场交易,无论是在联合国注册成功的CDM项目数,还是获得联合国签发的核证减排量(CERs),均居世界首位。但我国土壤碳汇市场面临与全球土壤碳汇市场发展相同的境遇,即与土壤碳汇有关的项目仍以自愿交易为主。我国已付诸实践的土壤碳汇项目主要是农田测土配方施肥项目,草原碳汇项目还停留在初期开发研究阶段。

土壤碳汇面临的挑战与实施建议

    提升土壤碳汇面临的三重挑战

    土壤碳汇的巨大潜力和多重效益已在全球范围内达成共识。虽然目前土壤碳汇在国际气候行动策略中仅占一小部分,但已有土壤有机碳封存项目的成功经验,为制定更完善的土壤碳封存计划和促进土壤碳市场发展提供了信心和支撑。在全球气候治理要求愈发紧迫的背景下,土壤碳汇将可能成为缓解气候变化的重要应对方案。尽管如此,仍必须认识到土壤碳汇在实践中受到的诸多限制。

    一是土壤碳汇的研究与技术支撑不足。由于土壤是一个动态的复杂系统,如何更加精准地模拟反映气候变化、微生物作用以及管理措施等对土壤有机质变化和土壤固碳潜力的影响,以及如何实现大规模、连续的土壤碳含量测定与验证,都是重大的科学挑战。土壤基础信息多源分散、不系统且覆盖不全面,也极大地制约了我国土壤碳汇的研究和实践。此外,在土壤固碳实践中,缺乏针对土壤增汇的成熟先进的技术支撑体系,如利用秸秆等农业生物质废弃物炭化还田、土壤改良修复、栽培管理技术改进等先进的人为干预技术有待突磁完善。

    二是土壤碳汇的成本竞争优势不确定。土壤固碳技术的不成熟一定程度上影响了土壤碳汇的成本收益分析。尽管理论上可证明土壤碳汇具有多重效益、成本价可能为负,但由于其协同效益难以准确估算或存在外部性,价值难以实现。实践研究显示农田土壤固碳仍面临较高成本,这也将极大影响农业生产者及其他市场投资者参与的积极性。同时,当前国际土壤碳汇市场不够活跃,愿意为土壤碳汇付费的企业和团体不多。另外,财政资金支持和激励机制不足,即使是美国、澳大利亚等土壤碳汇发展较快的国家,向农户支付的碳汇补偿费用也比较低,难以对农业生产者采取碳汇耕作方式产生较大的激励。

    三是土壤碳汇高度依赖持续的保护性管理。饱和性和非永久性是土壤固碳的相对弱点,土壤固碳面临着碳汇饱和以及重新回流到大气层的风险,因此需要持续的保护性管理活动来保持土壤有机碳存量,同时完善碳汇项目机制和政策设计来应对和解决持久性问题。这也使得土壤碳汇在实施、交易和监督等方面产生了较高的额外管理成本。例如,从现有土壤碳交易机制和行动方案的申请过程来看,大多数申请面临过程烦琐、条件苛刻、环保要求较高等问题。

    提升我国土壤碳汇能力的建议

    鉴于土壤碳汇当前应用尚不成熟但未来具有良好的发展前景,应将其作为缓解全球气候变化的重点关注问题。为更好地发掘土壤碳库巨大的减排增汇效益,应重点做好以下工作。

    一是研究制定我国土壤碳汇应对气候变化方案。尽管我国暂缓加入“千分之四”计划,但是面向我国“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的战略要求,综合考虑气候变化缓解、粮食安全和生态安全等,研究制定多目标导向下的土壤碳汇应对方案仍十分必要。建议从系统视角和观念出发,统筹考虑土壤碳汇与陆地植被固碳、海洋生态系统固碳、地质封存固碳等碳汇途径以及碳减排的协同治理,设定土壤碳汇目标,明确实施途径。

    二是推进土壤碳汇基础研究和技术攻关。加强土壤碳汇影响机理等基础研究工作,重点改进现有土壤有机质周转过程模型,逐步建立适应我国基本国情、系统化的土壤固碳速率及潜力研究方法体系。推动建立国家土壤信息服务平台,整合遥感、农田试验、土壤及农业管理调查等多源数据,实现土壤基础信息的有效共享。加强土壤固碳技术的研究和攻关,探索发布农业生产、土地整治等领域促进土壤增汇的推荐技术目录,指导生产者、投资者优化土壤碳管理。

    三是加强土地利用的调控和经营管理。一方面,开展退化土地生态修复,提升土壤碳汇能力,促进实现碳中和。将土壤增汇理念全面贯穿于国土生态状况调查监测、生态修复规划、生态修复补偿和市场化机制设计、生态修复工程实施等全流程管理中。按照宜林则林、宜草则草、宜荒则荒的原则,实施退耕还林还草还湿,科学推进土地退化、水土流失综合治理,通过生态修复改良土壤性质、增加土壤有机质含量、恢复并提升土壤碳汇潜力。另一方面,强化重要生态用地保护,科学调控管理土地利用用途和方式。以低碳发展理念引导国土空间规划和用途管制,既要通过科学划定“三线”并严格管控,加强对森林、草原、湿地、农田等重要生态系统的整体保护,减少对生态用地的占用,又要注重土地可持续利用管理,实行保护性耕作和利用,全面提升生态系统碳汇能力。

    四是构建具有激励效应的政策体系。土壤碳汇潜力的实现不仅依赖于技术发展,更需要健全的配套政策支持。首先,要加快形成统一的土壤碳汇计量标准,土壤碳汇效果测量是碳汇价格决定的关键,而现有各种土壤碳汇标准难以达成一致共识,应加快弥合各界对土壤碳汇测量方法和标准的认识分歧。其次,针对当前土壤碳汇回报水平较低的问题,建议政府给予适当的土壤碳汇补贴,并完善我国绿色碳基金制度,解决土壤碳汇非市场化补偿的融资难题。最后,鉴于土壤碳汇已具备国际认可的碳信用资格,应不断优化项目融资机制和保险机制(如建立碳信用缓冲储备账户以应对土壤有机碳封存非永久性问题),推动土壤固碳尽快融入主流碳交易市场。


摘自:《环境保护》2021年第16

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碳中和背景下提升土壤碳汇能力的前景与实施建议

科技外事处 2021-11-17

碳中和背景下提升土壤碳汇能力的前景与实施建议

    中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和,这是统筹国内经济社会发展与全球应对气候变化协同共赢的重大战略。减少碳排放和增加碳汇能力是实现碳中和的重要途径。土壤碳库在陆地生态系统碳库中占比达到90%以上,为植被碳库的34倍、大气碳库的23倍。充分发掘土壤碳库巨大的减排增汇效益,对于我国实现碳中和目标具有重要意义。本文系统梳理土壤碳汇的内涵、影响因素、潜力并分析其发展前景,旨在为政府有关部门制定碳汇行动方案提供参考依据。

土壤碳汇内涵与影响因素

    土壤碳汇内涵

    关于土壤碳汇的内涵,科学界相关组织与专业人士纷纷给出不同定义。根据《2006IPCC国家温室气体清单指南》,土壤碳汇包含有机碳汇和无机碳汇,前者表现为植物有机物质被破碎分解转化为矿质土中的有机碳,后者表现为大气二氧化碳转化形成土壤中的原生矿物或次生矿物。美国土壤学会将土壤固碳定义为大气二氧化碳以稳定固体的形式被直接或间接储存到土壤中,包括直接将二氧化碳转化为钙或碳酸镁之类的土壤无机物,或间接通过植物光合作用将大气二氧化碳转化为植物能量,并在分解过程中被固定为土壤有机碳。牛津大学Cameron Hepburn将土壤碳汇定义为通过各种土地经营管理增加土壤有机碳含量的过程。南京农业大学潘根兴教授认为土壤碳汇是土壤截获大气二氧化碳成为土壤固相碳组分的过程,以土壤有机碳或土壤无机碳的形式实现,是土壤对大气二氧化碳的汇效应的总体表现。综合政府间机构、学术组织和学者等视角,土壤碳汇内涵可理解为两个层次:一是土壤碳汇包括土壤有机碳汇、土壤无机碳汇两种形式;二是当前土壤碳汇研究和管理实践的重点是土壤有机碳汇,原因是无机碳库更新时间更长,与大气成分进行活性交换的主要是土壤有机碳。

土壤碳循环影响因素

    土壤有机碳循环包含植被固定大气中二氧化碳的“碳输入”和微生物分解土壤中有机碳的“碳输出”两大环节。土壤无机碳多为干旱、半干旱区土壤碳库的主要形式,土壤吸收二氧化碳的机制包括大气输送、碳酸盐溶解和包气带土壤水渗滤作用,其逆过程则释放二氧化碳,形成无机碳循环。

    诸多自然因素和人为因素共同影响着土壤碳循环的过程,且人为因素对土壤碳循环和碳储量的影响程度远超自然因素。在自然因素方面,土壤碳库的变化受到多种物理和生物因素的影响,如气候,土壤结构及化学、物理和生物属性,植被类型,微生物生理生化过程等,且各因素之间存在相互作用。在人为因素方面,不同土地覆被和利用方式,导致土壤碳汇能力差异很大。一般土壤碳汇能力从大到小表现为:森林>草地>湿地>农田>未利用地和建设用地。当人类活动引起土地利用/土地覆被变化(LUCC)时,一方面直接改变了生态系统类型,从而影响生态系统的净初级生产力以及土壤有机碳输入;另一方面间接改变了土壤的生物和理化属性,进而影响土壤呼吸作用以及土壤碳输出强度。

土壤碳汇潜力与经济性

    土壤碳汇潜力估算

    在全球、国家等大区域尺度下,土壤碳库变化速率的估算方法主要有Meta分析、土壤调查数据差减和过程模拟3种类型。Meta分析主要采用已有文献中的相关数据计算土壤碳库变化速率;土壤调查数据差减是通过两期土壤碳库调查实测数据直接差减计算变化速率;过程模拟则是根据气候、土壤理化性质、农林业管理措施等影响因子构建机理模型估算土壤碳库变化速率(常见的模型有DNDC模型、Agro-C模型等)。《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)要求所有缔约方采用缔约方大会议定的可比方法。因此政府间气候变化专门委员会(IPCC)1995年起开始研究编制国家温室气体排放清单指南,至今已发布4版清单指南,最新版本为《IPCC2006年国家温室气体清单指南2019修订版》。依据IPCC相关成果,土壤碳汇的核算方法主要有三种:(1)缺省方法,排放/清除因子和参数的默认值来自IPCC-1996-LUCF IPCC-GPG-LULUCF(2)纳入国家特定数据,采用具有较高分辨率的本国活动数据和排放/清除因子或参数;(3)高级估算系统,使用测量和/或建模的方法,改进碳排放量和清除量的估值。许多学者应用上述方法开展了全球和我国土壤固碳潜力研究。由于数据来源和具体方法不同,估算结果差异较大,但都一致认可土壤碳汇具有巨大潜力。

    众多学者对全球土壤有机碳封存的技术潜力进行预估,结果表明,全球土壤有机碳封存潜力为每年23亿~55亿t二氧化碳当量。其中,近期具有代表性的研究成果主要有两项。一是由大自然保护协会和伍兹霍尔海洋生物学实验室等机构联合开展的研究,基于Griscom等提出的“基于自然的气候解决方案”(NbS),针对12种与土壤有机碳密切相关的自然气候缓解路径,估算出保护和重建土壤有机碳可以每年增加55亿t二氧化碳当量的碳汇潜力,约占全球自然气候解决方案总潜力的25%。二是牛津大学Cameron Hepburn等在梳理上万份文献的基础上对10种途径的碳汇潜力进行了总结和估算,包括二氧化碳衍生化工产品、衍生燃料、微藻类产品、混凝土建筑材料、二氧化碳驱采油5种传统工业路径以及生物质能、岩石风化、林业技术、土壤固碳、生物炭5种非常规途径。预计到2050年,土壤碳汇潜力为23亿~53亿t二氧化碳当量/a,其中可利用潜力主要来自耕地和牧场的土壤固碳潜力,为9亿~19亿t二氧化碳当量/a。对比前一项研究,后者没有将生物炭潜力计入土壤碳汇潜力,这是估算结果差异的主要原因。

    近年来,国内外学者对我国土壤固碳潜力甚为关注,但多数研究集中在某个试验地区或某种生态系统类型,全国尺度下涵盖各类生态系统的土壤碳汇潜力研究不多。国际土壤科学联合会主席Lal粗略估算,2000-2050年我国土壤固碳总潜力为400亿~440亿t二氧化碳当量,其中土壤有机碳封存潜力为3.8亿~7.3亿t二氧化碳当量/a,无机碳封存潜力为0.26亿~5亿t二氧化碳当量/a。中国科学院植物研究所方精云研究团队在《2006IPCC国家温室气体清单指南》框架基础上,发展了符合我国国情的陆地生态系统碳收支计量方法体系。其基于17090个野外调查样地实测数据,评估出2001-2010年我国土壤碳库储量年均增加2.7亿t二氧化碳当量。对比两项研究结果,由于对我国土壤碳汇潜力测算的范围不同,导致测算结果存在差异。前者在土壤碳汇潜力测算中包括了土壤无机碳库,后者仅考虑了林地、灌木林、草地和农田等生态系统的土壤有机碳,未考虑湿地、聚居地和其他土地。

土壤碳汇经济性分析

    与土壤碳汇途径和潜力的研究相比,开展成本估算的研究不多。成本价格代表了在特定路径下封存每吨二氧化碳须由社会支付的成本金额,即理论保本价格。大自然保护协会DA Bossio等对“基于自然的气候解决方案”(NbS)进行拓展分析得出,约3/4的土壤有机碳封存潜力(约40亿t二氧化碳当量/a)是经济可行的,成本价格为10100美元/t二氧化碳当量。其中,1/4的碳汇潜力价格约为10美元/t二氧化碳当量,1/2的碳汇潜力价格约为100美元/t二氧化碳当量,剩余部分潜力被认为不具有成本效益。IPCC最近的研究结论是,土壤有机碳封存成本低于100美元/t二氧化碳当量。此外,另有一些研究提出土壤有机碳封存的成本估算结果为负值。考虑到土壤碳汇能够带来农业产量增加、生态系统服务功能提升等协同效益,即使没有激励性的气候变化政策,许多基于土壤的气候解决路径仍具有成本效益。如牛津大学Cameron Hepburn等估算了10种二氧化碳利用路径的潜力规模和成本价格。其中,土壤封存每吨二氧化碳的成本价为-90—-20美元,具体取决于土壤有机碳储量增加及其带来的农业产量增长等,比其他常规工业利用路径、非常规利用路径具有更高的成本效益。由此可见,协同效益的价值估算对土壤碳汇成本影响较大。

    国内科研机构和学者等对碳汇成本效益的分析主要集中于森林碳汇领域,针对土壤碳汇潜力的成本分析研究成果较少,并且集中在农业土壤碳汇的研究。这在某种程度上是由于土壤碳汇市场需求和交易不活跃造成的。已有实践研究主要是针对四川省农业土壤碳汇项目开展的成本分析,估算结果为每吨二氧化碳当量的土壤碳汇成本价格为178763元人民币。廖薇针对四川省什邡市2个样本村开展实践分析,综合考虑户均生产成本和农产品收入,只有土壤碳汇价格大于178元/t二氧化碳当量时,农户才愿意采用秸秆还田耕作方式来增加土壤碳汇。刘奕等以四川省都江堰市为例,测算得出农业土壤碳汇成本补贴应达到274元/亩(1=1/15hm2),才能实现农户由“碳源”耕作方式向“碳汇”耕作方式转变;若按照化肥与有机肥配施、秸秆还田亩均能够增加土壤碳汇量0.216t二氧化碳当量/a0.143t二氧化碳当量/a来简单估算,农业土壤碳汇的理论成本达到763/t二氧化碳当量。与国际上土壤碳汇成本效益研究相比,国内有限的样本分析仅考虑了土壤有机碳含量和农业产量增加两类收益,忽视了提升土壤质量和肥力、减少土壤侵蚀和流失、降低水足迹等生态系统服务的协同效益。当前我国致力于推进建立生态产品价值实现机制,若综合考虑生态系统服务的协同收益,理论上土壤碳汇的经济性将更为可观。

土壤碳汇管理与市场建设进展

    “千分之四”倡议的国际国内响应

    早期土壤碳汇并不为国际碳市场机制所承认,《京都议定书》确立的清洁发展机制(CDM)将潜在的土壤有机碳减排严格限制在造林和再造林项目中。2015年联合国气候变化大会在巴黎发起了“千分之四”倡议,即全球2m深土壤的有机碳储量每年增加4‰,就可以抵消当年全球矿物燃料的碳排放;全球1m深土壤碳库增加4‰,可以抵消当前全球二氧化碳净排放。该倡议通过《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)的认可得以正式启动,明确了土壤碳封存特别是农业土壤在粮食安全和气候变化方面可以发挥关键作用。截至2019年,已有包括法国、德国、澳大利亚、日本等在内的33个国家注册和参与到该倡议中,8个国家在其“国家自主贡献”(NDCs)计划中设立了土壤缓解碳排放目标,越来越多的国家和地区也在积极考虑加入该计划并推动制定土壤缓解碳排放承诺。同时,美国嘉吉、德国拜耳等许多企业也将土壤有机碳封存作为提升农业价值链弹性和长期盈利能力的重要手段。

    我国目前暂未加入“千分之四”倡议,主要原因是:一方面,我国矿物燃料排放量高,2018年总能源排放达76.37亿t二氧化碳(国际能源署统计数据),土壤有机碳(按1m深计算)储量增速需要达到2.3%才能抵消碳排放,远超“千分之四”计划目标和当前技术水平;另一方面,我国当前土壤固碳速率较低,多项研究显示我国土壤有机碳储量年均增速为2‰左右,仅为“千分之四”计划目标的一半。尽管如此,近年来我国在土壤固碳方面仍然积极行动,已经实施了测土配方施肥项目、土壤有机质提升补贴项目、保护性耕作工程建设规划、全国高标准农田建设总体规划等多项国家级项目和规划,这些实际行动将大大提高我国土壤固碳水平。

土壤碳市场项目实施进展

    目前土壤碳汇项目投资仍然主要依靠自愿碳交易市场来推动。国际上与土壤碳交易密切相关的碳交易机制主要有芝加哥气候交易所标准(CCE)、生存计划方案(PVS)和气候储备方案(CAR)。尽管林业碳汇项目相对较充足,目前在CDM下注册合规或在自愿碳市场中已推出的林业碳汇项目已超过1500个,覆盖林地面积超过1200hm2,但是获得批准的 CDM林业碳汇项目不到CDM项目注册总数的1%,并且林业碳汇项目在核证减排量时基本都忽略了土壤碳汇效应,对土壤碳市场交易的推动作用十分有限。而农业和草地相关的土壤碳汇项目只有不到60个,每年清除近5t二氧化碳当量,低于土壤理论固碳潜力的百万分之一。从各国碳交易市场建设情况看,澳大利亚目前拥有全球最大的由政府主导的土壤固碳市场,其主导的土壤碳汇项目占到全球总数的一半。

    我国积极参与全球气候变化治理和国际碳市场交易,无论是在联合国注册成功的CDM项目数,还是获得联合国签发的核证减排量(CERs),均居世界首位。但我国土壤碳汇市场面临与全球土壤碳汇市场发展相同的境遇,即与土壤碳汇有关的项目仍以自愿交易为主。我国已付诸实践的土壤碳汇项目主要是农田测土配方施肥项目,草原碳汇项目还停留在初期开发研究阶段。

土壤碳汇面临的挑战与实施建议

    提升土壤碳汇面临的三重挑战

    土壤碳汇的巨大潜力和多重效益已在全球范围内达成共识。虽然目前土壤碳汇在国际气候行动策略中仅占一小部分,但已有土壤有机碳封存项目的成功经验,为制定更完善的土壤碳封存计划和促进土壤碳市场发展提供了信心和支撑。在全球气候治理要求愈发紧迫的背景下,土壤碳汇将可能成为缓解气候变化的重要应对方案。尽管如此,仍必须认识到土壤碳汇在实践中受到的诸多限制。

    一是土壤碳汇的研究与技术支撑不足。由于土壤是一个动态的复杂系统,如何更加精准地模拟反映气候变化、微生物作用以及管理措施等对土壤有机质变化和土壤固碳潜力的影响,以及如何实现大规模、连续的土壤碳含量测定与验证,都是重大的科学挑战。土壤基础信息多源分散、不系统且覆盖不全面,也极大地制约了我国土壤碳汇的研究和实践。此外,在土壤固碳实践中,缺乏针对土壤增汇的成熟先进的技术支撑体系,如利用秸秆等农业生物质废弃物炭化还田、土壤改良修复、栽培管理技术改进等先进的人为干预技术有待突磁完善。

    二是土壤碳汇的成本竞争优势不确定。土壤固碳技术的不成熟一定程度上影响了土壤碳汇的成本收益分析。尽管理论上可证明土壤碳汇具有多重效益、成本价可能为负,但由于其协同效益难以准确估算或存在外部性,价值难以实现。实践研究显示农田土壤固碳仍面临较高成本,这也将极大影响农业生产者及其他市场投资者参与的积极性。同时,当前国际土壤碳汇市场不够活跃,愿意为土壤碳汇付费的企业和团体不多。另外,财政资金支持和激励机制不足,即使是美国、澳大利亚等土壤碳汇发展较快的国家,向农户支付的碳汇补偿费用也比较低,难以对农业生产者采取碳汇耕作方式产生较大的激励。

    三是土壤碳汇高度依赖持续的保护性管理。饱和性和非永久性是土壤固碳的相对弱点,土壤固碳面临着碳汇饱和以及重新回流到大气层的风险,因此需要持续的保护性管理活动来保持土壤有机碳存量,同时完善碳汇项目机制和政策设计来应对和解决持久性问题。这也使得土壤碳汇在实施、交易和监督等方面产生了较高的额外管理成本。例如,从现有土壤碳交易机制和行动方案的申请过程来看,大多数申请面临过程烦琐、条件苛刻、环保要求较高等问题。

    提升我国土壤碳汇能力的建议

    鉴于土壤碳汇当前应用尚不成熟但未来具有良好的发展前景,应将其作为缓解全球气候变化的重点关注问题。为更好地发掘土壤碳库巨大的减排增汇效益,应重点做好以下工作。

    一是研究制定我国土壤碳汇应对气候变化方案。尽管我国暂缓加入“千分之四”计划,但是面向我国“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的战略要求,综合考虑气候变化缓解、粮食安全和生态安全等,研究制定多目标导向下的土壤碳汇应对方案仍十分必要。建议从系统视角和观念出发,统筹考虑土壤碳汇与陆地植被固碳、海洋生态系统固碳、地质封存固碳等碳汇途径以及碳减排的协同治理,设定土壤碳汇目标,明确实施途径。

    二是推进土壤碳汇基础研究和技术攻关。加强土壤碳汇影响机理等基础研究工作,重点改进现有土壤有机质周转过程模型,逐步建立适应我国基本国情、系统化的土壤固碳速率及潜力研究方法体系。推动建立国家土壤信息服务平台,整合遥感、农田试验、土壤及农业管理调查等多源数据,实现土壤基础信息的有效共享。加强土壤固碳技术的研究和攻关,探索发布农业生产、土地整治等领域促进土壤增汇的推荐技术目录,指导生产者、投资者优化土壤碳管理。

    三是加强土地利用的调控和经营管理。一方面,开展退化土地生态修复,提升土壤碳汇能力,促进实现碳中和。将土壤增汇理念全面贯穿于国土生态状况调查监测、生态修复规划、生态修复补偿和市场化机制设计、生态修复工程实施等全流程管理中。按照宜林则林、宜草则草、宜荒则荒的原则,实施退耕还林还草还湿,科学推进土地退化、水土流失综合治理,通过生态修复改良土壤性质、增加土壤有机质含量、恢复并提升土壤碳汇潜力。另一方面,强化重要生态用地保护,科学调控管理土地利用用途和方式。以低碳发展理念引导国土空间规划和用途管制,既要通过科学划定“三线”并严格管控,加强对森林、草原、湿地、农田等重要生态系统的整体保护,减少对生态用地的占用,又要注重土地可持续利用管理,实行保护性耕作和利用,全面提升生态系统碳汇能力。

    四是构建具有激励效应的政策体系。土壤碳汇潜力的实现不仅依赖于技术发展,更需要健全的配套政策支持。首先,要加快形成统一的土壤碳汇计量标准,土壤碳汇效果测量是碳汇价格决定的关键,而现有各种土壤碳汇标准难以达成一致共识,应加快弥合各界对土壤碳汇测量方法和标准的认识分歧。其次,针对当前土壤碳汇回报水平较低的问题,建议政府给予适当的土壤碳汇补贴,并完善我国绿色碳基金制度,解决土壤碳汇非市场化补偿的融资难题。最后,鉴于土壤碳汇已具备国际认可的碳信用资格,应不断优化项目融资机制和保险机制(如建立碳信用缓冲储备账户以应对土壤有机碳封存非永久性问题),推动土壤固碳尽快融入主流碳交易市场。


摘自:《环境保护》2021年第16