海南大学海洋学院EST：1990—2020 年中国化石燃料和食物系统的甲烷排放：动态估算、驱动因素分析及减排政策优化

文摘 2024-12-31 17:00 浙江

摘要：

甲烷（CH₄）是全球变暖的第二大贡献者，其全球变暖潜能值（GWP）在 100 年的时间跨度内约为二氧化碳（CO₂）的 28 倍。自工业革命以来，大气中的甲烷浓度已从约 700 ppb 增加到 2021 年的 1908 ppb。中国于 2023 年发布了《甲烷排放控制行动计划》，旨在精确核算并优先控制甲烷排放。然而，以往的研究在估算中国本地化的甲烷排放源、考虑所有关键排放源以及全面理解社会经济驱动因素方面存在局限性。在此基础上，我们构建了一个基于活动数据和动态排放因子的自下而上的动态模型，以估算 1990—2020 年中国化石燃料和食物系统的甲烷排放，并采用对数平均迪氏指数（LMDI）方法分析其社会经济驱动因素。此外，我们还利用蒙特卡罗模拟分析了排放的不确定性，并与其他研究进行了比较。结果表明，在此期间，中国的甲烷排放量呈波动上升趋势，在 2015 年达到峰值后开始下降。煤炭、畜牧和水稻是主要的排放源，其排放比例在不同阶段和来源之间存在变化。从空间上看，各省的甲烷排放量由于经济发展和资源禀赋的差异而存在显著差异，排放热点从东部、南部和中部地区向华北和西北地区扩展，而沿海地区的排放量则有所减少。在驱动因素方面，人均国内生产总值（GDP）是化石燃料系统中排放增加的主要驱动因素，而能源强度是减排的主要驱动因素；在食物系统中，农业生产收入是排放增加的主要驱动因素，而排放强度则是减排的主要驱动因素。最后，根据我们的研究结果，我们提出了一些优化减排政策的建议，以期为中国实现甲烷减排目标提供科学依据。

1. 研究背景：

甲烷是导致全球变暖的重要因素，工业革命以来大气甲烷浓度大幅上升，中国作为最大的人为甲烷排放国，在2023年发布了《甲烷排放控制行动计划》，旨在精确核算并优先控制甲烷排放。过往相关研究存在对中国本地化排放源关注不足、忽略部分重要排放源以及对社会经济驱动因素理解不全面等问题。

2. 研究方法

- 自下而上排放估算：基于特定活动数据和动态排放因子更新估算方法，将排放源划分为化石燃料系统（含煤炭、石油、天然气链及工业污水）和食物系统（含畜牧、水稻种植、生物质燃烧、垃圾填埋及食物系统污水）。收集省级活动数据，更新动态排放因子并分配排放量至0.1°×0.1°空间分辨率。

- 驱动因素分析：运用对数平均迪氏指数（LMDI）方法，分解化石燃料和食物系统在生产、使用和处置三个阶段的驱动因素，通过公式计算各因素对排放变化的影响。

- 不确定性分析：因活动数据、排放因子等因素存在不确定性，采用蒙特卡罗模拟分析排放不确定性，模拟运行10,000次并设置95%置信区间，还与其他研究进行对比验证估算可靠性。

3. 研究结果

- 排放趋势与构成：1990 - 2020年中国甲烷排放先波动上升，2015年达峰值后下降。煤炭链、畜牧和水稻种植是主要排放源，煤炭链排放占比高且呈增长趋势，畜牧排放增加，水稻种植排放减少。生产阶段排放占比最大，其次是处置阶段，终端使用阶段排放呈上升趋势。

图2. 1990年至2020年中国的全国甲烷排放量。（a）1990年至2020年中国人为源甲烷排放量的年际变化；（b）1990年至2020年按排放源类别划分的全国构成情况；（c）1990年以及（d）2020年甲烷从生产到终端使用再到处置的排放流向。

- 空间分布特征：各省甲烷排放因经济发展和资源禀赋差异显著。排放热点从东部、南部和中部地区扩展到华北和西北地区，沿海地区排放减少。

- 驱动因素分析：化石燃料系统中，人均GDP是排放增加的主要驱动因素，能源强度是减排的主要驱动因素；食物系统中，农业生产收入推动排放增加，排放强度是生产阶段减排的主要因素，城市化对减排有积极作用。

- 与其他研究对比：与其他自下而上研究相比，2015年前总甲烷排放趋势相对一致，之后因煤炭链排放下降出现相反趋势。各部门排放与其他研究存在差异，主要源于活动水平和排放因子不同；与自上而下研究相比，其排放量基本较高但在本研究估算的不确定范围内。

图 6. 本研究与其他清单之间甲烷排放量的对比。（a）甲烷排放总量；（b）畜牧排放；（c）水稻种植排放；（d）煤炭产业链排放；（e）石油和天然气产业链排放；（f）生物质燃烧排放；（g）垃圾填埋排放；（h）污水排放。

注：粉色阴影区域代表我们的估算范围；线条代表自下而上的估算值，圆形代表自上而下的估算值。

4. 减排政策建议

- 化石燃料系统：提高能源效率，实施“煤改气”政策优化能源结构，关注可再生能源开发利用过程中的排放，优先提升山西、陕西和内蒙古等省煤矿甲烷的捕获和利用率。

- 食物系统：提高农业生产效率，推进大规模集约化畜牧生产，改善浓缩饲料比例，覆盖牲畜粪便储存池，推广水稻间歇灌溉等技术。

5. 研究局限与展望：研究存在活动水平数据不完整、部分排放因子未考虑时间变化等局限性，未来需进一步详细调查和长期实地测试以获得更准确的甲烷排放数据。

Dynamic Methane Emissions from China’s Fossil-Fuel and Food Systems: Socioeconomic Drivers and Policy Optimization Strategies. Xi Wang, Kun Wang, Hongrui Liu, Xingcai Chen, Shuhan Liu, Kaiyun Liu, Penglai Zuo, Li Luo, and Shuh-Ji Kao. Environmental Science & Technology Article ASAP.

DOI: 10.1021/acs.est.4c08849

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