中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所郗鳳明研究員團隊和清華大學(xué)劉竹教授團隊基于水泥材料的全生命周期，構(gòu)建了水泥碳匯核算模型。結(jié)果顯示，1930~2021年間中國水泥累積CO2吸收量約為7.06Gt，抵消同期水泥工業(yè)過程CO2排放量的50.7%。2021年中國水泥材料的碳吸收量達(dá)426.77Mt，相當(dāng)于中國陸地碳匯的8.10%~45.40%，約占2020年全球陸地平均碳匯的2.51%~4.54%，是全球碳循環(huán)中長期被忽視的重要碳匯之一。近期，該成果發(fā)表于《中國科學(xué)：地球科學(xué)》。

水泥是全球用量最高、用途最廣的建筑材料之一，同時水泥生產(chǎn)也是人為活動碳排放的重要來源（圖1）。然而，水泥材料中的堿性化合物能緩慢吸收周圍環(huán)境中的CO2發(fā)生碳化反應(yīng)（圖2），這一碳匯過程卻一直被人們所忽視（Xi等, 2016）。中國是全球最大的水泥生產(chǎn)和消費國，2021年水泥產(chǎn)量達(dá)到23.8億噸，約占全球總產(chǎn)量的一半（國家統(tǒng)計局，2022）。同時，中國也是碳排放大國，科學(xué)準(zhǔn)確的碳收支數(shù)據(jù)對中國碳中和路徑的制定與實施至關(guān)重要。

圖1 混凝土顆粒在拆除階段和二次使用階段的三維碳化模型的二維示意圖

圖2 砌筑砂漿的碳化模型示意圖

該研究通過構(gòu)建水泥全生命周期碳匯核算綜合分析模型，核算了1930~2021年中國水泥在生產(chǎn)、使用、拆除和二次利用全生命周期內(nèi)的碳吸收量，并采用蒙特卡洛方法進(jìn)行10萬次模擬，完成了不確定性分析。同時，對中國水泥工業(yè)過程碳排放進(jìn)行了數(shù)據(jù)更新，確定水泥的碳匯抵消比例。該研究可以為中國的水泥行業(yè)碳減排和碳中和路徑規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)，中國水泥CO2吸收量隨時間的變化呈指數(shù)上升趨勢。從1930年的0.07Mt，不斷上升到2021年的426.76Mt（95%置信區(qū)間CI：317.67~574.33Mt CO2）。1930~2021年，中國水泥累積CO2吸收量約為7.06Gt（95% CI：5.22~9.44Gt CO2），抵消同期水泥工業(yè)過程CO2排放量的50.7%。如果考慮水泥的碳吸收，1930~2021年水泥工業(yè)過程累積凈排放量約為6.85Gt CO2，即一半以上的水泥工業(yè)過程產(chǎn)生的碳排放，又會被使用后的水泥重新吸收（圖3）。

圖3 水泥工業(yè)過程碳排放與碳吸收

水泥碳吸收的全生命周期包括三個階段，即水泥生產(chǎn)階段碳匯(指生產(chǎn)階段副產(chǎn)物——水泥窯灰的碳吸收)、水泥使用階段碳匯(指水泥建筑物的建設(shè)和使用階段碳吸收)、水泥廢棄及再利用階段碳匯(指水泥建筑物拆除、廢棄處置及再利用階段碳吸收)。不同生命周期階段水泥材料的碳吸收情況差異較大。水泥的生命周期碳吸收量主要發(fā)生在使用階段，約占水泥碳吸收總量的90.03%，相比之下，生產(chǎn)和廢棄處置階段的碳吸收量相對較小，分別占7.63%和2.34%（圖4）。

圖4 水泥不同生命周期階段碳吸收

水泥材料根據(jù)其利用情況分為混凝土、水泥砂漿、建筑損失水泥和水泥窯灰四類，不同類型水泥材料的年碳吸收量均隨時間呈不斷上升趨勢(圖5)，分別從1930年的0.006Mt CO2、0.05Mt CO2、0.003Mt CO2和0.007Mt CO2，增加至2021年的114.61Mt CO2、263.39Mt CO2、15.98Mt CO2和28.43Mt CO2。從累積碳匯來看，水泥砂漿對中國水泥碳匯總量的貢獻(xiàn)最大，約為65.64%?；炷潦撬嗵紖R的第二大貢獻(xiàn)者，累積碳匯量約為1605.11Mt CO2，占水泥碳匯總量的22.97%。水泥窯灰和建筑損失水泥的碳匯累積量相對較少，分別占水泥碳匯總量的7.34%和4.05%。

圖5 不同水泥材料碳匯量

水泥碳吸收存在明顯滯后效應(yīng)，如圖6所示。根據(jù)水泥年碳吸收量的來源進(jìn)行劃分，水泥的年碳吸收量包含兩部分：一部分是在某一特定年份內(nèi)生產(chǎn)的水泥在同年所吸收的二氧化碳量(以下簡稱為“當(dāng)年碳匯”)，另一部分是以往年份生產(chǎn)的水泥在當(dāng)前年份所吸收的二氧化碳量(以下簡稱為“歷史碳匯”)。以20世紀(jì)90年代產(chǎn)生的水泥材料為例，這一時期產(chǎn)生的水泥碳吸收量將在未來的30年不斷吸收環(huán)境中的CO2，而且碳吸收量也會隨著年碳化比例的降低而逐漸減少(圖6綠色部分)。1930~2021年，水泥的“當(dāng)年碳匯”占水泥碳吸收總量的72.99%，而歷史時期產(chǎn)生的水泥在2021年仍然能夠吸收二氧化碳，“歷史碳匯”占碳吸收總量的27.07%。

圖6 1930~2021年中國水泥碳吸收特征圖不同顏色代表不同年份產(chǎn)生的水泥碳吸收隨時間的變化

水泥生產(chǎn)過程碳排放是工業(yè)生產(chǎn)過程的重要排放源。然而，50.7%的水泥工業(yè)過程碳排放會在后期利用中被自身碳化重新吸收。中國水泥材料碳匯量巨大，尤其在上世紀(jì)90年代以來，水泥的年碳匯量迅速上升。在1990年至2021年的30年間，碳化水泥的封存率年均增長率約為8.33%。截至2021年，中國水泥材料的碳吸收量已達(dá)426.77Mt，相當(dāng)于中國陸地碳匯的8.10%~45.40%（陸地碳匯量根據(jù)Piao等，2022），大約占2020年全球陸地平均碳匯的2.51%~4.54% （Friedlingstein等，2022），是全球碳循環(huán)中長期被忽視的重要碳匯之一。

盡管《IPCC國家溫室氣體清單指南》為水泥生產(chǎn)中CO2排放的量化提供了方法，但未考慮水泥材料的碳吸收。因此，應(yīng)在研究和制定水泥碳排放方法學(xué)方面發(fā)揮更積極的作用，向IPCC申請將水泥碳吸收納入核算體系，以彌補當(dāng)前的方法學(xué)缺陷。此外，通過加強國際合作，爭取中國水泥碳吸收量獲得國際社會認(rèn)可，抵消中國碳排放總量，進(jìn)而增強中國在國際氣候變化談判中的話語權(quán)和影響力。

在水泥行業(yè)，科學(xué)和準(zhǔn)確的碳排放與碳匯數(shù)據(jù)評估有助于企業(yè)設(shè)定碳中和目標(biāo)及制定降碳計劃，推動行業(yè)提前實現(xiàn)碳中和。未來在技術(shù)層面，碳達(dá)峰以前，可采用低碳生產(chǎn)技術(shù)、替代原料和燃料，以及強化能源管理可有效減少碳排放（Pan等，2020；韓力等，2022）。實現(xiàn)碳中和期間，應(yīng)進(jìn)一步加強水泥材料的生態(tài)效益，加速水泥及其廢棄物的CO2礦化技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程（Ren等，2022）。政策層面，政府應(yīng)加大對水泥行業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)的研發(fā)支持，通過財政激勵如稅收優(yōu)惠和補貼，建立碳信用體系，并將水泥碳匯納入碳交易，鼓勵企業(yè)減少碳排放，從而促進(jìn)水泥行業(yè)碳減排（田桂萍等，2023），助力中國早日實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

馬銘婧, 黃子, 王嬌月, 牛樂, 張文鳳, 徐曉偉, 郗鳳明, 劉竹. 2024. 水泥碳匯核算及其對中國碳中和的貢獻(xiàn). 中國科學(xué): 地球科學(xué), 54, doi:10.1360/SSTe-2023-0062

【參考文獻(xiàn)】

國家統(tǒng)計局. 2022. 中國統(tǒng)計年鑒2022. 北京: 中國統(tǒng)計出版社

韓力, 何光明, 李寅明, 顧軍. 2022. 雙碳目標(biāo)下水泥行業(yè)碳減排策略. 水泥, 540: 1-3

田桂萍, 方艷欣, 崔源聲. 2023.我國水泥工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望. 水泥, 551: 6-12

Xi, F M, Davis S J, Ciais P, Crawford-Brown D, Guan D, Pade C, Shi T M, Syddall M, Lv J, Ji L, Bing L, Wang J, Wei W, Yang K, Lagerblad B, Galan I, Andrade C, Zhang Y, Liu Z. 2016. Substantial global carbon uptake by cement carbonation. Nat Geosci, 9: 880-883

Pan S Y, Chen Y H, Fan L S, Kim H, Gao X, Ling T C, Chiang P C, Pei S L, Gu G W. 2020. CO2 mineralization and utilization by alkaline solid wastes for potential carbon reduction. Nat Sustain, 3: 399-405

Piao S, He Y, Wang X, Chen F. 2022. Estimation of China’s terrestrial ecosystem carbon sink: Methods, progress and prospects. Sci China Earth Sci, 65: 641–651

Ren M, Ma T, Fang C, Liu X, Guo C, Zhang S, Zhou Z, Zhu Y, Dai H, Huang C. 2022. Negative emission technology is key to decarbonizing China's cement industry. Appl Energy, 329: 120254

Friedlingstein P, O'Sullivan M, Jones M W, Andrew R M, Gregor L, Hauck J, Le Quéré C, Luijkx, I T, Olsen A, Peters G P, Peters W, Pongratz J, Schwingshackl C, Sitch S, Canadell J G, Ciais P, Jackson R B, Alin S R, Alkama R, Arneth A, Arora V K, Bates N R, Becker M, Bellouin N, Bittig H C, Bopp L, Chevallier F, Chini L P, Cronin M, Evans W, Falk S, Feely R A, Gasser T, Gehlen M, Gkritzalis T, Gloege L, Grassi G, Gruber N, Gürses ?, Harris I, Hefner M, Houghton R A, Hurtt G C, Iida Y, Ilyina T, Jain A K, Jersild A, Kadono K, Kato E, Kennedy D, Klein Goldewijk K, Knauer J, Korsbakken J I, Landschützer P, Lefèvre N, Lindsay K, Liu J, Liu Z, Marland G, Mayot N, McGrath M J, Metzl N, Monacci N M, Munro D R, Nakaoka S I, Niwa Y, O'Brien K, Ono T, Palmer P I, Pan N, Pierrot D, Pocock K, Poulter B, Resplandy L, Robertson E, R?denbeck C, Rodriguez C, Rosan T M, Schwinger J, Séférian R, Shutler J D, Skjelvan I, Steinhoff T, Sun Q, Sutton A J, Sweeney C, Takao S, Tanhua T, Tans P P, Tian X, Tian H, Tilbrook B, Tsujino H, Tubiello F, van der Werf G R, Walker A P, Wanninkhof R, Whitehead C, Willstrand Wranne A, Wright R, Yuan W, Yue C, Yue X, Zaehle S, Zeng J, Zheng B. 2022. Global carbon budget 2022. Earth Syst Sci Data, 14: 4811–4900