【Nature Sustainability】垃圾填埋场的甲烷排放量在世界范围内被不同程度地低估

全球面临着气候变化的挑战，需要采取措施来减少温室气体排放以应对气温上升等问题。在各种温室气体中，甲烷(CH4)是一种重要的温室气体，其温室效应显著高于二氧化碳，对全球变暖的贡献率约为三分之一。垃圾填埋场是人为甲烷排放的重要来源之一，全球每年填埋场甲烷排放量估计约为几十Tg，占全球人为甲烷排放的10%-20%左右，在某些大城市，填埋场对城市范围内甲烷排放的贡献甚至超过50%。与其他排放水平相似的排放源相比，填埋场甲烷排放研究和减排方面受到的关注相对较低。例如能源部门每年排放的甲烷质量与填埋场相当，但能源部门减排成本(每吨二氧化碳当量排放为10-100美元)高于废物处理部门，填埋场排放的不确定性范围估计为每年10-20Tg，其数值已超过近期备受关注的废水处理的总排放量。当前全球填埋场甲烷排放的估算主要依赖于向联合国气候变化框架公约(UNFCCC)报告的国家温室气体清单，该清单遵循政府间气候变化专门委员会(IPCC)设定的指南，通常使用一阶衰减(FOD)模型来计算填埋场特定地点或区域的年度甲烷排放，其中涉及到关键输入参数：FOD常数k，即废物衰减率。IPCC的指南仅根据不同温度和降水条件推荐了四个默认的k值，这些值主要来自20世纪90年代-21世纪初的实验室结果和少量间接现场测量，未考虑不同地理位置、废物组成和潜在气候变化影响的填埋场多样性，导致k值估计存在较大偏差。而全球有198个国家和地区在UNFCCC框架下报告填埋场甲烷排放清单时采用了IPCC的默认k值，可能造成甲烷排放估算错误。本研究通过分析全球范围内填埋场测量的k值以及相关环境和运营条件，开发了一种基于成分、湿度和温度校正的k估计方法(CMT方法)。该方法相比IPCC的方法，能更准确地估k值，平均相对误差更低，为填埋场甲烷排放的精确量化提供了更科学的工具，有助于更全面准确地了解全球填埋场甲烷排放的实际情况，为填埋场甲烷减排的政策提供了有力的科学依据。

图1. 全球报告的k值调查。a，现场测量的kr(N=195)、实验室测试的kr(N=80)和通过大气逆温(N=32)报告的CH4通量覆盖全球地图Köppen-Geiger气候带的位置(A，热带；Bs，干旱的草原；Bw，干旱的沙漠；Cf，温带-无旱季；Cs，温带干燥的夏季；Cw，温带干燥冬季；Df，寒无旱季；Ds、夏季干冷；Dw，寒冷干燥的冬天；极地,E)。b-e，将现场测量值与实验室测试值(b)、年温度(c)、年降水量(d)以及附件一和非附件一国家(e)之间的kr值进行比较。

该团队基于全球可用kr值的分析，开发了一种CMT校正方法。CMT方法量化了废物成分(C)、湿度(M)和温度(T)对k的影响，而不是像IPCC的方法那样对k值进行二分分类。kr值被认为是垃圾填埋场最准确的可用数据，而相对误差则是估计k值与实际k值之间差异的指标。较高的相对误差表明估计k的精度降低。平均δ(kCMT)为56.5%，显著低于平均δ(kIPCC)的75.1% (P=0.0003)。195个填埋场中有134个填埋场的δ(kCMT)值<50%(作为可接受误差)(图2a)，而104个填埋场的δ(kIPCC)值<50%(图2b)。误差分析显示，与kIPCC的值相比，195个垃圾填埋场中有103个的kCMT值更接近kr, 195个垃圾填埋场中有45个的kCMT值与kr相当，这使得kCMT有76%的可能性与kIPCC相同或更准确(图2c)。在保留kIPCC的本质(即简单性和先验估计)的同时，kCMT显著提高了k估计的准确性。

图2. kIPCC和kCMT与kr的误差分析。a, 195次实测kr与相应kCMT估计值的比较。b, 195次实测kr与相应kIPCC估计值的比较。c, kIPCC (δ(kIPCC))和kCMT (δ(kCMT))相对误差与相应的kr的比较。a、b中的阴影区域表示kIPCC和kCMT的可接受误差为50%。c中的阴影区域表示δ(kCMT)和δ(kIPCC)之间的差异为0.1(代表|δ(kIPCC)-δ(kCMT)|的第25百分位)，作为区分kCMT性能为三个水平的阈值：“kCMT更接近kr”范围代表δ(kIPCC)-δ(kCMT)>0.1；“无显著差异”范围代表δ(kIPCC)-δ(kCMT)|≤0.1；“kIPCC更接近kr”范围代表δ(kCMT)−δ(kIPCC)>0.1。

图3. Qr、QCMT和QIPCC的比较。a-h，利用kCMT(QCMT)和kIPCC (QIPCC)估算具有报告的大气CH4通量(Qr)的垃圾填埋场的年CH4排放量(Ggyr−1)。阿根廷布宜诺斯艾利斯(a)；巴基斯坦拉合尔(b)；印度德里(c)；印度孟买(d)；美国斯拉格豪斯(e)；美国圣地亚哥(f)；美国西尔马(g)；i，QCMT(δ(QCMT))和QIPCC(δ(QIPCC))相对误差与相应Qr的比较，直方图表示δ(QCMT)和δ(QIPCC)的分布。f、g中的星号标记了拐点，这是由于美国环境保护署(Environmental Protection Agency)要求垃圾填埋场管理机构报告2010年年度垃圾填埋量的规定发生了变化。QIPCC和QCMT表示为平均值±平均值估计误差(根据UNFCCC方法计算)。Qr值表示为原始文献中报告的平均值±报告的误差。

团队选择了不同气候带和国家的12个具有代表性的主要垃圾填埋场，利用kIPCC(ΣQIPCC, GgCH4)和kCMT (ΣQCMT, GgCH4)(图4a)预测其从开始运行到2030年的累积CH4排放量。12个填埋场的ΣQCMT值平均比ΣQIPCC值高52%。干旱、温带和大陆性气候带的垃圾填埋场在ΣQIPCC和ΣQCMT之间的差异(Qdiff%)大于热带地区，热带地区的四个垃圾填埋场显示只有1-12%的Qdiff%。与ΣQCMT相比，位于干旱、温带和大陆带的8个垃圾填埋场ΣQIPCC显示了相当大的低估。干旱地区每年产生的生活垃圾占全球的33%，在美国贝内特一个六年的垃圾填埋场，Qdiff%达到209%。温带地区每年产生30%的全球生活垃圾，在英国伦敦的一个垃圾填埋场，Qdiff%达到47%。大陆地区每年产生11%的全球生活垃圾，在美国莫里斯维尔一个六年的垃圾填埋场，Qdiff%达到182%(图4b)。如果将这一低估水平外推到干旱、温带和大陆性气候带的所有垃圾填埋场，那么2030年可能被忽视的年甲烷排放量将达到10-20Tgyr-1，这已经与废水部门的年甲烷排放总量相当。必须强调指出，这些预估是根据具有固有不确定性的模拟工作得出的。

图4. 将ΣQCMT估计扩展到全球垃圾填埋场。a，利用kIPCC(ΣQIPCC，Gg)和kCMT(ΣQCMT，Gg)对全球12个主要卫生填埋场和露天垃圾场从开始运行到2030年的累积CH4排放量的预测。ΣQIPCC和ΣQCMT表示为平均值±平均值估计误差。b、位于不同气候带的12个主要堆填区目前的清单所低估的CH4排放量(Qdiff%)，以及每个气候带每年产生的都市固体废物总量和份额。除了区分中国不同省份和美国不同州外，每年的城市生活垃圾产生量是根据每年的城市生活垃圾产生率和各国的主要气候带估算的。