楊景峰，田思雨，陳永霞

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

1 引言

2020年習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上向全世界宣布“中國二氧化碳排放量力爭于2030年前達(dá)到峰值，在2060年前實現(xiàn)碳中和”。2021年7月12日，教育部發(fā)布《高等學(xué)校碳中和科技創(chuàng)新行動計劃》，明確了高校為“雙碳目標(biāo)”的實現(xiàn)提供科技創(chuàng)新型人才的重要任務(wù)?？v觀世界，不少知名大學(xué)都提出了校園碳中和的規(guī)劃方案，例如，密歇根大學(xué)計劃在2025年通過抵消機制實現(xiàn)碳中和、2040年實現(xiàn)凈零排放；哥倫比亞大學(xué)，采取雙控，對每五年減排比例和總排放量都進(jìn)行控制，計劃在2050年實現(xiàn)碳中和。自2020年以來，我國許多高校也開始紛紛制定一系列措施來響應(yīng)國家的“雙碳目標(biāo)”。作為為社會輸送人才的高校，人口密度大，學(xué)生的消費方式和消費行為相對單一。本文以南京林業(yè)大學(xué)為例，對校園的碳源和碳匯進(jìn)行核算，旨在進(jìn)一步明確校園內(nèi)主要的碳源以及植物碳匯的作用，為低碳校園的建設(shè)提供參考。

2 碳匯的研究現(xiàn)狀

2.1 國外碳匯研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)以來，世界各國都加強了對溫室效應(yīng)的關(guān)注。雖然美國在2001年3月從自身利益出發(fā)而拒絕簽署《京都議定書》，但是美國對溫室效應(yīng)的關(guān)注從未下降。2020年，美國波爾州立大學(xué)的Jeffrey D.Haight等使用碳估算的社會成本評估了美國的每項政策所帶來的碳匯效益現(xiàn)值，發(fā)現(xiàn)植樹造林和再造林將提供最大的碳效益邊際增長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過政策成本[2]。同年，西切斯特大學(xué)的Polohovich Sarah量化了賓夕法尼亞州東南部部分森林的碳積累和儲存，同時評估了其未來是否會具有碳儲存的能力[3]。2022年，自然資源大學(xué)的Magerl在研究美國森林轉(zhuǎn)型的驅(qū)動因素的過程中，發(fā)現(xiàn)美國森林生物量碳儲量的增加與森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)被以化石燃料為基礎(chǔ)的生產(chǎn)系統(tǒng)取代、社會資源使用和碳動態(tài)的多方面增加有關(guān)[4]。

2015年英國的G.D.Clay測量并分析了英格蘭北部焚燒遺址的碳儲量和碳通量，發(fā)現(xiàn)雖然所有的焚燒遺址都是碳的來源，但是最近的焚燒遺址與較老的焚燒遺址相比，是更小的碳來源[5]。2016年菲律賓的Mukul Sharif A測定了菲律賓某高原地區(qū)次生林地上生物量碳沿休耕梯度的分布和恢復(fù)情況，得到的結(jié)果表明退耕后的次生林是大量的碳匯，碳儲存能力隨退耕年限的增加而增加[6]。2017年，法國的Mathieu Jonard長期在森林監(jiān)測樣地通過重采樣土壤來量化土壤有機碳儲量隨時間的變化，研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳固存率隨林齡而下降[7]。2021年，意大利的Grossi Giampiero通過對意大利某自然公園排放的溫室氣體數(shù)據(jù)的采集和分析，首次提出了一種定量和定性估算自然公園產(chǎn)生的年度溫室氣體排放量和清除量的方法[8]。

2.2 國內(nèi)碳匯研究現(xiàn)狀

自1998年5月簽署《京都議定書》以來，中國加強了對于溫室效應(yīng)的關(guān)注，國內(nèi)對碳匯的研究也明顯增多。于佳等對不同植物固碳量及碳匯功能進(jìn)行分析比較，確定了適合提高城市綠地碳匯功能的植物[9]。弓素梅研究了鄭州市不同種類園林植物的凈碳匯及其積極價值，對園林綠地管理找到了合適的園林植物[10]。近幾年，王永華等分析了當(dāng)前綠地碳匯研究的不足，對城市綠地碳匯研究發(fā)展提出了相關(guān)建議[11]。Zhang Ying等對我國4個綠地的固碳和碳排放進(jìn)行了評估，并討論了最大化凈碳匯的管理做法，研究發(fā)現(xiàn)喬木和灌木為碳匯，而草坪為碳源。同時明確了公園碳排放的主要來源為灌溉和農(nóng)藥使用[12]。Fang Yuxin以杭州市為例，把自然碳匯空間和土壤納入測量范圍，構(gòu)建了自然碳匯能力測量系統(tǒng)，測量了自然碳匯，并評價了碳中和對城市的貢獻(xiàn)。得出建設(shè)區(qū)域的土壤和綠地的碳匯能力會影響測量結(jié)果的數(shù)量和空間格局，應(yīng)將其納入測量系統(tǒng)[13]。

總體來說，國外研究主要針對全球環(huán)境與碳匯之間存在的聯(lián)系，對碳匯的基礎(chǔ)理論和評價方面的研究相對較多。而中國以研究林業(yè)、農(nóng)業(yè)碳匯的資料居多，在研究校園碳匯和碳足跡測算的資料較少。教育部公布的全國高校數(shù)量有2956所，大學(xué)校園人數(shù)眾多，規(guī)模龐大，每個高校自身已經(jīng)構(gòu)成了一個簡化版的現(xiàn)代社會，大學(xué)里人們的日常生活使得學(xué)校具備了構(gòu)成社會的所有必要因素。因此研究高校的碳匯和碳排放，不僅可以為城市的碳排放提供參考的價值，更可以為中國的雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻(xiàn)一些力量。

3 大學(xué)校園碳源和碳匯模型和計算方法

3.1 大學(xué)校園碳源和碳匯模型

在參考方精云[14]1998年給出的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)模式的基礎(chǔ)上(見圖1)，以南京林業(yè)大學(xué)為例，計算校園的碳匯和碳源，可以構(gòu)筑一個大學(xué)校園碳源和碳匯計算模型(見圖2)。在影響校園碳循環(huán)的主要因子中，由于大學(xué)生不具備使用私家車的條件，所以參考因素中取消了城市活動中的化石原料的燃燒。因而和城市或者地球碳循環(huán)的模型相比，大學(xué)校園的碳循環(huán)模型中的碳排放會有較大程度的減少。大學(xué)校園碳源和碳匯模型的主要因子包括大學(xué)校園人員的平時生活能耗、人體、校園植物和土壤由于呼吸產(chǎn)生的溫室氣體、校園植物固碳作用程度等因素形成大學(xué)校園生態(tài)系統(tǒng)的碳源和碳匯。

圖1 中國陸地生成系統(tǒng)的碳循環(huán)(方精云，1998)

圖2 大學(xué)校園碳源和碳匯模型

3.2 大學(xué)校園碳源和碳匯的計算方法

.2.1 人體呼吸產(chǎn)生的碳源計算

根據(jù)宋永昌等編著的《城市生態(tài)學(xué)》提供的成人每天排出的CO2量為0.9 kg計[15]，成年人平均每天呼吸產(chǎn)生的碳排放量等于每人每天產(chǎn)生的碳排放量(0.9 kg)×(12/44)×365天。

3.2.2 校園人員生活能耗的碳源計算

大學(xué)校園的生活能耗來源主要有水電、飲食和快遞三個方面。在水電方面，主要有宿舍、教學(xué)樓、圖書館、辦公樓等用水用電場所。由于圖書館、教學(xué)樓等場所用電數(shù)據(jù)不易獲取，因而以宿舍水電能耗為代表，對大學(xué)校園水電方面能耗進(jìn)行估算。

由于生命周期分析法(Life Cycle Assessment)在實際應(yīng)用中會需要分析商品本身的碳足跡，并且需要核算商品本身的時間流轉(zhuǎn)，因而通過此方式測算生活能耗比較具體，數(shù)據(jù)也比較可信。在應(yīng)用生命周期分析法的流程中，也可以利用現(xiàn)有的碳排放因子進(jìn)行核算[16]。在應(yīng)用生命周期分析法進(jìn)行估值的時候可以根據(jù)以下公式：CF=∑Qi(EFi)，其中CF為碳足跡，Qi為物質(zhì)或活動的數(shù)量或強度數(shù)據(jù)(質(zhì)量/體積/千米/千瓦時)，EFi代表單位碳排放因子(CO2eq/單位)。

3.2.3 校園植物產(chǎn)生的碳源計算

2001年英國Manchester大學(xué)的V.Whitford發(fā)表了《城市的自然過程形態(tài)—城市區(qū)域生態(tài)運行的指示劑研究》，作者提出了計算樹木碳排放量的計算公式：校園植物每年碳排放量(噸/公頃/年)=8.275×10-3×綠化覆蓋率。此公式根據(jù)估算樹冠單位面積而得到，所以公式的準(zhǔn)確性得到了一定程度的保障[17]。

3.2.4 校園土壤產(chǎn)生的碳源計算

2002年美國Arizona州立大學(xué)的B.Koemer等發(fā)表了《干旱城市環(huán)境人類活動CO2排放的研究》，引用其中的大學(xué)校園中土壤進(jìn)行呼吸作用時產(chǎn)生CO2速率為28.11(Mg/ha/year)的數(shù)據(jù)[19]。以此為基礎(chǔ)可以得到大學(xué)校園每年土壤碳排放速率的計算公式：

大學(xué)校園每年土壤碳排放速率=28.11(Mg/ha/year)×(12/44)×校園面積(ha)。

3.2.5 校園植物碳匯計算

2003年，徐永榮等在研究人工植被的平均累計速率過程中得到了灌木群落、草本群落等的平均碳凈積累速率[18]。對其研究的各個群落的碳凈積累速率取平均，可以得到植物碳匯的均值：2.322 5 t/hm2·a。

因此得到植物碳匯計算公式：校園植物碳匯=校園植物碳凈積累速率+校園植物每年碳排放量=2.322 5 t/hm2·a×校園綠化面積+校園植物每年碳排放量。

4 大學(xué)校園碳源、碳匯計算分析——以南京林業(yè)大學(xué)為例

4.1 南京林業(yè)大學(xué)的碳源和碳匯計算

4.1.1 南京林業(yè)大學(xué)每年人體產(chǎn)生的碳源計算

根據(jù)南京林業(yè)大學(xué)官網(wǎng)上提供的統(tǒng)計資料顯示(2019年)，校園共有 32 296人。根據(jù)成年人平均每天呼吸產(chǎn)生的碳排放量的計算公式可以得到南京林業(yè)大學(xué)校園總?cè)丝诋a(chǎn)生的總碳量：人口呼吸碳排放總量=人口數(shù)×每人一日呼吸碳排放量×365天=2893.43噸/年。

4.1.2 南京林業(yè)大學(xué)每年校園人員生活能耗的碳源計算

①碳排放因子。在計算大學(xué)校園生活能耗時，對應(yīng)碳排放因子的數(shù)據(jù)可以通過許多工具獲得[20]。在計算南京林業(yè)大學(xué)生活能耗時，使用到的碳排放因子數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 碳排放因子數(shù)據(jù)說明

②問卷調(diào)查。本次調(diào)研主體選擇的是南京林業(yè)大學(xué)學(xué)生。該問卷調(diào)查了學(xué)生購買衣物、外賣打包 、快遞、食堂用餐、生活用水用電、廢舊書處理、平時出行選擇的方式等情況。調(diào)研時間選擇在2020年6～7月，本校學(xué)生在該時間段處于在校備考階段，方便對其進(jìn)行調(diào)研。調(diào)研過程采取隨機邀請學(xué)生在問卷星平臺進(jìn)行問卷回答以及線下訪談。本次調(diào)研活動，問卷累計發(fā)放500份，回收問卷469份，其中有效問卷427份，無效問卷42份。問卷有效回收率91%,符合問卷回收的基本要求。此外在被調(diào)查者中，有男生183人，女生244人，各年級調(diào)查對象分布較為均勻。

計算最終得到南京林業(yè)大學(xué)每年校園人員生活能耗約為 49 441.31 噸/年。

4.1.3 南京林業(yè)大學(xué)每年植物產(chǎn)生的碳源計算

據(jù)南京林業(yè)大學(xué)官網(wǎng)給出的數(shù)據(jù)(2019年)，校園的實際占地面積為 798 770 m2(79.877 hm2)，校園的綠化面積為 429 700 m2(42.97 hm2)，綠化覆蓋率達(dá)到了53.8%。

根據(jù)計算校園植物每年碳排放量公式可得：

南京林業(yè)大學(xué)每公頃年植物碳排放量=8.275×10-3×綠化覆蓋率=0.004 451 95 噸/公頃·年。

南京林業(yè)大學(xué)的植物每年呼吸產(chǎn)生的碳排放量=0.004 451 95噸/公頃·年×校園面積(公頃)=0.355 61 噸/年。

4.1.4 南京林業(yè)大學(xué)每年土壤呼吸產(chǎn)生的碳源計算

根據(jù)計算土壤呼吸產(chǎn)生的碳排放計算公式可得：

南京林業(yè)大學(xué)的土壤呼吸產(chǎn)生的碳排放量=28.11(Mg/ha/year)×校園面積(公頃)=612.37噸/年。

4.1.5 南京林業(yè)大學(xué)每年植物碳匯的計算

根據(jù)植物碳匯計算公式可得：

南京林業(yè)大學(xué)每年的植物碳匯=2.322 5 t/hm2·a×校園綠化面積+校園植物每年碳排放量=100.15噸/年。

4.2 南京林業(yè)大學(xué)碳源和碳匯分析

碳源和碳匯的計算結(jié)果結(jié)合圖2得到模型如下(見圖3)：

圖3 大學(xué)校園碳源和碳匯模型

南京林業(yè)大學(xué)主要的碳源有人體呼吸產(chǎn)生的碳排放(2 893.43噸/年)、校園生活能耗 (49 441.31噸/年)、校園植物呼吸產(chǎn)生的碳排放 (0.004 451 95噸/年)、土壤呼吸產(chǎn)生的碳排放(612.37噸/年)，碳源總和為 52 947.11 噸/年。南京林業(yè)大學(xué)的主要碳匯為植物固碳作用吸收的碳(100.15噸/年)。因而南京林業(yè)大學(xué)的凈碳源為 52 846.96 噸/年。

南京林業(yè)大學(xué)因其學(xué)校特色，校園綠化覆蓋率遠(yuǎn)超一般高校，南京林業(yè)大學(xué)每年碳匯量較高。盡管如此，南京林業(yè)大學(xué)的碳匯量和校園產(chǎn)生的巨大碳排放量相比，碳匯起到的作用依舊十分有限，校園植物產(chǎn)生的碳匯才占到總碳源的0.19%。因而中國大學(xué)想要依靠校園植物來實現(xiàn)碳中和是極為困難的。降低凈碳源量，主要在于減少大學(xué)校園的碳排放量。保護(hù)和增加學(xué)校已有的綠化，可以在一定程度上實現(xiàn)局部碳源和碳匯的平衡，同時適當(dāng)優(yōu)化校園的喬木、灌木、草本結(jié)構(gòu)和垂直綠化的配植，盡可能地提高碳儲存量。

5 減少碳排放策略研究與總結(jié)

從南京林業(yè)大學(xué)校園碳源和碳匯的計算結(jié)果中可以得到，最主要的碳源還是校園工作、學(xué)習(xí)、生活能耗，這個部分占到了總碳源的75.58%，因而實現(xiàn)碳中和的重心應(yīng)該放在如何優(yōu)化全體教職工和學(xué)生的日常能耗。主要措施如下：①使用節(jié)電節(jié)水設(shè)備。在硬件設(shè)備層面，部分高校的節(jié)能節(jié)電設(shè)施存在因設(shè)計不合理、技術(shù)不夠成熟等問題而無法發(fā)揮預(yù)期效果的現(xiàn)象。因而高?？蓪吓f或存在問題的設(shè)施進(jìn)行更新?lián)Q代，從而提高能源利用率。同時實現(xiàn)對教學(xué)區(qū)域能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測，完成水、電、氣等各類能耗資源的分類分項計量，實時監(jiān)測各區(qū)域的能耗詳情。②提高教職工和學(xué)生的節(jié)能意識。有研究表明，開展節(jié)能減排宣傳教育能夠明顯提升高校學(xué)生對節(jié)能減排的認(rèn)知程度與行為意愿，從而有利于其節(jié)能減排行為的培養(yǎng)。高?？赏ㄟ^開展節(jié)能減排專題活動或課程來宣講節(jié)能減排的知識和技能，并以獎勵素質(zhì)拓展學(xué)分的形式，來幫助學(xué)生養(yǎng)成節(jié)能減排的習(xí)慣。③在教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的屋頂安裝光伏板，利用太陽能發(fā)電。在我國，電力來源主要以煤電為主，但由于煤電不僅效率不高而且會對環(huán)境帶來很大的污染，所以使用新能源是未來的必然趨勢。光伏發(fā)電作為新能源的一種，不僅發(fā)電效率高，而且具有安全可靠、無噪音、無污染排放等優(yōu)點。高?？赏ㄟ^對學(xué)生宿舍或教學(xué)樓等用電場所進(jìn)行安裝光伏板，利用太陽能發(fā)電，從而提高能源利用率、減少碳排放。

以下兩點還有待討論：①在尋找計算碳源和碳匯的方法上，由于研究的環(huán)境條件不同會造成參考系數(shù)不同，本文計算時選擇了其中限制條件較少的公式或者條件相對單一的公式來計算，這在一定程度上會造成計算結(jié)果精度低，因此有待今后進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提高計算的精度。②由于我國部分大學(xué)校園不僅包括了教學(xué)區(qū)、學(xué)生生活區(qū)還包括了居民區(qū)和家屬區(qū)，而且各大學(xué)的綠化率也不同，因此對不同的大學(xué)校園，碳源和碳匯的計算范圍可能會有所不同。