□楊傳明 周 笛

隨著二氧化碳濃度急劇上升，地球面臨著日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，使得碳循環(huán)迅速成為環(huán)境學(xué)、地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)等各學(xué)科交叉研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有研究也逐步突破了單一自然生態(tài)視角，轉(zhuǎn)而通過自然和社會(huì)二元途徑，耦合定量核算碳排放和吸收，依據(jù)碳源碳匯分析碳流通效率和碳平衡狀態(tài)，為區(qū)域低碳協(xié)同發(fā)展提供決策依據(jù)。碳循環(huán)研究有效彌補(bǔ)了碳泄露問題，更合理劃分了碳生產(chǎn)者和消費(fèi)者的減排責(zé)任，具有非常重要的理論及實(shí)踐價(jià)值。本文即通過梳理當(dāng)前研究文獻(xiàn)，述評(píng)相關(guān)研究方法，以期推動(dòng)碳循環(huán)研究發(fā)展。

一、文獻(xiàn)篩選與描述

(一)文獻(xiàn)來源。本文以2017年12月31日為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，檢索SCI、SSCI、Springer、CNKI等中外文數(shù)據(jù)庫(kù)，共搜索到2,243篇英文和2,405篇中文文獻(xiàn)。由表1可見按年份整理的碳循環(huán)研究文獻(xiàn)，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)由2007年的187篇增長(zhǎng)至2017年的702篇，年均增長(zhǎng)14.16%，可見近年碳循環(huán)相關(guān)研究總體增長(zhǎng)速度較快，漸成熱點(diǎn)。

表1 碳循環(huán)歷年研究文獻(xiàn)數(shù)

(二)文獻(xiàn)描述。為了精煉碳循環(huán)研究核心問題，本文采用共詞聚類法提煉出實(shí)地測(cè)量法、排放系數(shù)法、產(chǎn)量估算法、投入產(chǎn)出法等15個(gè)鄰接詞作為碳循環(huán)二級(jí)研究主題，歸入碳排放、碳吸收等4個(gè)一級(jí)研究主題。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用M.Banks提出的h-b指數(shù)法對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)一步描述，處理結(jié)果如表2所示。以下即根據(jù)劃分的各級(jí)主題展開逐一分析。

(續(xù)表2)

碳吸收樣地調(diào)查法205202.13模型模擬法178161.76遙感估測(cè)法8370.68碳流通過程分析法686363.22投入產(chǎn)出法451282.96系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)196171.62生態(tài)分室法5860.71物質(zhì)代謝法265232.37碳平衡碳氧平衡法297242.26平衡指標(biāo)法412302.58

二、碳排放

(一)排放系數(shù)法。排放系數(shù)法最早由政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)提出，基本思路是依照碳排放清單列表，以每種排放源的排放系數(shù)及活動(dòng)數(shù)據(jù)的乘積，作為碳排放量估算值[1～2]。Kaplan(2015)、邱士雷(2017)等利用該方法，分別從消費(fèi)者和生產(chǎn)者視角，歸類核算了區(qū)域直接及間接碳排放。Begum(2015)、邱高會(huì)(2016)等利用EEA、IPCC等排放系數(shù)計(jì)算了產(chǎn)業(yè)碳排放，并借此評(píng)估區(qū)域碳安全。Damon(2014)等挖掘了居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)、空間系統(tǒng)等影響碳排放系數(shù)的因子，李金克(2017)則進(jìn)一步分析了碳排放系數(shù)對(duì)碳排放的非線性關(guān)系。排放系數(shù)法因?yàn)閾碛型晟频挠?jì)算公式和數(shù)據(jù)庫(kù)，較為簡(jiǎn)便實(shí)用，適用于宏中微觀各種研究尺度和社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)部門，所以成為研究碳排放應(yīng)用最廣泛的方法。但該方法最大的問題在于缺乏統(tǒng)一的碳排放系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此外，該方法要求處理的碳排放源變化相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)碳排放系統(tǒng)自身發(fā)生復(fù)雜變化時(shí)，及時(shí)處理能力相對(duì)不足。

(二)實(shí)地測(cè)量法。該方法通過排放源實(shí)地測(cè)量獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加工處理后核算對(duì)象的碳排放量[3～4]。李媛芳(2015)等設(shè)計(jì)碳平衡方程處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算典型工序的碳排放量，推導(dǎo)碳排放系數(shù)。Matsumura(2013)等將抽樣法、預(yù)估法等與實(shí)地測(cè)量法進(jìn)行結(jié)合，以提升碳排放量的計(jì)算效率。張童(2017)等進(jìn)一步研究了技術(shù)、生物等要素對(duì)碳排放實(shí)測(cè)的影響。實(shí)地測(cè)量法基于微觀視角進(jìn)行直接測(cè)量，中間環(huán)節(jié)較少，數(shù)據(jù)較為精確，結(jié)果誤差相對(duì)最小。但其缺陷在于對(duì)于實(shí)地要求較高，一手?jǐn)?shù)據(jù)獲取相對(duì)較為困難，投入較大。

(三)物料衡算法。此方法基于質(zhì)量守恒定律，定量分析物料使用與碳排放量之間的關(guān)系[5～6]。Nabavi(2014)、鐘軍(2015)等收集產(chǎn)品的原始構(gòu)成物料數(shù)據(jù)，詳細(xì)推算產(chǎn)品的碳排放量，并反推固定碳排放量下物料的合理配比。該方法擁有翔實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)記錄，計(jì)算結(jié)果較為精確，適用于排放設(shè)備更換較為頻繁、碳排放源復(fù)雜的情況。但采用物料平衡法計(jì)算碳排放量時(shí)，必須切實(shí)掌握主料、輔料等基本數(shù)據(jù)，較多的中間過程極易導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。

(四)生態(tài)監(jiān)測(cè)法。生態(tài)監(jiān)測(cè)法主要用于監(jiān)測(cè)核算自然生態(tài)系統(tǒng)的碳排放，具體包括箱法和渦度相關(guān)法[8～9]。劉昊(2016)等采用傳統(tǒng)靜態(tài)箱法測(cè)定空氣中CO2變化速率。Marcellin(2016)等運(yùn)用渦度測(cè)量系統(tǒng)定點(diǎn)定位觀測(cè)，分析農(nóng)田、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的碳排放情況。該方法優(yōu)點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單、成本較低、結(jié)果較為準(zhǔn)確，且不會(huì)干擾環(huán)境，具有較好的縱向空間擴(kuò)展性。缺點(diǎn)在于本身會(huì)干擾碳擴(kuò)散梯度，造成碳排放量小范圍估算誤差，一定程度上限制了數(shù)據(jù)資料在更廣生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用。

三、碳吸收

(一)樣地調(diào)查法。此方法通過選取典型樣地，準(zhǔn)確測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量，連續(xù)觀測(cè)獲得特定時(shí)期內(nèi)的碳儲(chǔ)量變化情況，主要可細(xì)分兩類核算方法[9～10]。一是平均生物量法，利用單位面積生物量碳匯與研究對(duì)象實(shí)際面積的乘積，推算研究區(qū)域的碳吸收能力。Brienen(2015)等采用該方法歸一化數(shù)據(jù)，根據(jù)資料清查亞馬遜森林樣地生物量的碳儲(chǔ)量；二是生物量換算因子法，原理是利用某一類型的生物碳儲(chǔ)量與樣地總蓄積量乘積得到碳儲(chǔ)量。樣地調(diào)查法中平均生物量法能較好地利用研究對(duì)象資料中的蓄積量推算碳儲(chǔ)量，但由于實(shí)測(cè)資料的取樣地較少，難以真實(shí)反映生物量的時(shí)空變化情況。

(二)模型模擬法。該方法通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型分析植被光合、土壤分解等過程，研究生態(tài)系統(tǒng)不同層次的碳循環(huán)關(guān)系，模擬氣候及二氧化碳濃度變化情況，估算研究對(duì)象的碳儲(chǔ)量[11～13]?，F(xiàn)行影響較大的模型包括Miami、DICE等。吳靜(2014)、Volta(2016)等分別構(gòu)造模型模擬了全球碳循環(huán)、美國(guó)造林碳吸收、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放等情況。模型模擬法較全面地考慮了區(qū)域系統(tǒng)中植被、土壤、大氣等碳吸收影響因素。但現(xiàn)有主流模型只是簡(jiǎn)單地模擬不同狀態(tài)下碳儲(chǔ)量變化，尚未細(xì)致考慮各影響因素間的相互作用。

(三)遙感估測(cè)法。遙感估測(cè)法利用遙感手段獲得研究對(duì)象狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合地面調(diào)查測(cè)出生物量，再乘以碳含量轉(zhuǎn)換系數(shù)，估算系統(tǒng)碳吸收情況，主要可分為兩類研究方法[14～15]。一是多元回歸分析法，Tan(2016)、尚飛(2016)等分別利用植被指數(shù)、原始波段等與碳系數(shù)建立回歸模型。二是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，Gupta(2016)、吳沁淳(2017)等結(jié)合非線性大規(guī)模自適應(yīng)隱層函數(shù)，換算草地及雨林的碳蓄積。此方法可以較好彌補(bǔ)模型模擬法的不足，適合估算較大尺度的碳吸收情況。但仍需要繼續(xù)提升遙感技術(shù)，以消除氣象、設(shè)備等因素的影響，提升時(shí)間分辨率等方面的數(shù)據(jù)精度。

四、碳流通

(一)過程分析法。過程分析法是基于傳統(tǒng)的生命周期法，首先通過基本流程圖詳細(xì)描述產(chǎn)品全生命周期涉及的所有活動(dòng)和原料，而后明確界定碳系統(tǒng)邊界，收集原始及次級(jí)數(shù)據(jù)，建立質(zhì)量方程評(píng)估產(chǎn)品碳流通情況[16～17]。戴育琴(2016)、Sanches(2016)等利用該方法，研究了水稻及紡織品的碳流通情況。該方法計(jì)算詳細(xì)而完整，能從微觀角度較好地分析基于產(chǎn)品生產(chǎn)鏈的碳流通情況。但缺點(diǎn)在于基本流程圖的覆蓋面不夠全面，導(dǎo)致一定程度的截?cái)嗾`差。

(二)投入產(chǎn)出法。此方法以經(jīng)濟(jì)主體的整體活動(dòng)為系統(tǒng)邊界，利用投入產(chǎn)出表提供的信息，通過建立多層次的環(huán)境投入產(chǎn)出表，描述經(jīng)濟(jì)主體碳流通情況[18]。當(dāng)前投入產(chǎn)出法主要用于研究中宏觀層次的碳流通情況，數(shù)據(jù)一般只要求為次級(jí)數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)依賴度不高，有效降低了工作量。但該方法局限性在于計(jì)算基礎(chǔ)是將不同的經(jīng)濟(jì)主體依據(jù)貨幣價(jià)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并默認(rèn)同價(jià)值量的主體具有同樣的碳足跡，而現(xiàn)實(shí)中同價(jià)值量的經(jīng)濟(jì)主體生命周期碳足跡并非完全相同，極易產(chǎn)生計(jì)算誤差。

(三)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。該方法基于動(dòng)態(tài)假設(shè)碳流通影響因素，構(gòu)建仿真模型設(shè)計(jì)、測(cè)試選擇性方案，以求優(yōu)化碳流通過程[20～21]。王喜平(2016)、Ercan(2016)等構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)鋼鐵、物流等行業(yè)碳流通進(jìn)行仿真模擬。張俊榮(2016)等基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建了京津冀等較大區(qū)域的碳流通仿真模型。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要用于處理高階非線性系統(tǒng)，通過對(duì)碳流通系統(tǒng)的整體化定量建模，能較好挖掘碳流通系統(tǒng)要素的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)及反饋機(jī)制。但不足之處在于構(gòu)造模型時(shí)，需要從碳流通最基本的微觀結(jié)構(gòu)入手，所需信息則依賴于模型設(shè)計(jì)者對(duì)實(shí)際碳流通系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)制的定性判斷，影響了模型客觀性。

(四)生態(tài)分室法。生態(tài)分室法通過設(shè)置模塊標(biāo)準(zhǔn)分割生態(tài)系統(tǒng)中各分室，基于構(gòu)建的各分室的狀態(tài)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，建立表征碳流通系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)方程，用于描述自然或社會(huì)區(qū)域子系統(tǒng)間的碳流通情況[22]。Manzoni(2014)、高君亮(2016)等基于典型陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)量的計(jì)算結(jié)果，分析了土壤碳流通的異質(zhì)性。生態(tài)分室法假設(shè)碳按一級(jí)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行流動(dòng)，較好地模擬了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的碳流通情況。但缺乏統(tǒng)一的模塊分室標(biāo)準(zhǔn)，且分室過程容易割裂若干碳流通關(guān)聯(lián)。

(五)物質(zhì)代謝法。此方法是基于物質(zhì)流平衡角度，分析核算區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)外碳流通情況[23]。Cabrera(2015)、梁靚(2017)等利用從微觀角度構(gòu)造碳物質(zhì)績(jī)效評(píng)價(jià)體系，分析了化工及鋼鐵企業(yè)的碳流通。物質(zhì)代謝法通過描述區(qū)域碳流通方式，較為直觀地評(píng)估了對(duì)象生命周期中的各個(gè)過程對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。但該方法需要沿著研究對(duì)象生命周期，全面收集各階段物質(zhì)流入流出數(shù)據(jù)，對(duì)于環(huán)境分析及數(shù)據(jù)收集工作有極高要求。

五、碳平衡

(一)碳氧平衡法。該方法主要用于研究大氣中二氧化碳及氧氣消耗量及排放量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以尋求研究區(qū)域的碳氧平衡[24]，Vaccari(2013)、毛艷輝(2015)等綜合考慮能源、交通等影響因素，測(cè)度區(qū)域經(jīng)濟(jì)自然系統(tǒng)的碳氧消耗及釋放量。碳氧平衡法可以較好地評(píng)價(jià)區(qū)域整體碳平衡狀態(tài)，但由于僅從氣體循環(huán)角度開展分析，未考慮區(qū)域內(nèi)其他含碳狀態(tài)物質(zhì)，使得分析精度存在一定誤差。

(二)碳平衡指標(biāo)法。此方法通過設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，從具體數(shù)量方面概括分析系統(tǒng)碳平衡的規(guī)模及特征[25]。Aragao(2014)、孫鵬森(2016)等考慮了氣候變化、土地狀況影響因素，構(gòu)建了碳平衡指標(biāo)體系，分析山區(qū)、森林、河流等自然系統(tǒng)碳平衡情況。岳冬冬(2016)、王磊(2016)等結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了相關(guān)指標(biāo)體系分析漁業(yè)、城市等系統(tǒng)的碳平衡。碳平衡指標(biāo)法通過構(gòu)建指標(biāo)體系，直觀地揭示研究對(duì)象的碳平衡情況，并可較為簡(jiǎn)單地對(duì)不同研究對(duì)象進(jìn)行比較分析。但現(xiàn)有指標(biāo)體系多是側(cè)重于自然系統(tǒng)的某一側(cè)面，或者針對(duì)人造系統(tǒng)的單一層面開展，核算體系尚不完整，今后仍需加強(qiáng)從整體角度對(duì)碳平衡指標(biāo)系統(tǒng)的模擬研究。