沈陽生態(tài)所在水泥材料碳匯研究中取得進(jìn)展

　　中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所區(qū)域低碳發(fā)展研究組研究員郗鳳明近期在全球水泥材料碳化的碳吸收方面取得新進(jìn)展，他率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)、劍橋大學(xué)、加州理工學(xué)院、加州大學(xué)爾灣分校、沈陽建筑大學(xué)等國內(nèi)外16家研究機(jī)構(gòu)合作，闡明和量化了水泥材料全生命周期的碳吸收（Substantial global carbon uptake by cement carbonation)，發(fā)現(xiàn)水泥材料是重要的碳匯，對(duì)全球碳循環(huán)有重要影響，對(duì)全球碳失匯問題研究提供了新的獨(dú)特的視角。該研究成果于11月21日在線發(fā)表于國際期刊《自然-地理科學(xué)》（Nature Geoscience）。中科院沈陽生態(tài)所、中科院污染生態(tài)與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分別為該成果的第一完成單位和第二完成單位。

　　產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和土地利用等人類活動(dòng)對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生了巨大影響。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告表明人類活動(dòng)導(dǎo)致的大量碳排放是全球氣候變化的主要原因。水泥生產(chǎn)過程碳排放大（水泥生產(chǎn)過程排放特指碳酸鹽在加熱條件下分解的化學(xué)反應(yīng)的碳排放，不包括用于加熱水泥分解的能源消費(fèi)的碳排放），增長速度快，一直受到廣泛關(guān)注。水泥生產(chǎn)過程二氧化碳排放占全球二氧化碳排放的5%。我國水泥的生產(chǎn)和消費(fèi)量占全球的一半以上，我國水泥生產(chǎn)過程的二氧化碳排放占我國總排放量的比例高達(dá)9%。然而，水泥材料在使用過程中，又不斷吸收外界的二氧化碳，這一吸收過程的碳匯量一直沒有得到重視和量化。IPCC在其清單編制指南中的碳排放核算方法，也未考慮水泥材料碳化過程的碳匯作用。因此，科學(xué)家們需要了解水泥材料在環(huán)境中的全生命周期碳吸收量，量化其累積過程和效應(yīng)，分析其對(duì)碳循環(huán)的影響。

　　該研究采用了生命周期評(píng)價(jià)和碳化模型方法來研究水泥材料的二氧化碳吸收過程和影響因素。研究人員首次構(gòu)建了水泥材料二氧化碳吸收核算方法，通過將水泥材料分為混凝土、水泥砂漿、建設(shè)過程中的水泥廢棄物和水泥窯灰，分別量化不同環(huán)境條件下的不同水泥材料的二氧化碳吸收量。研究發(fā)現(xiàn)1930-2013年，全球水泥工業(yè)過程二氧化碳排放高達(dá)381億噸，而同期水泥材料碳匯吸收量高達(dá)165億噸二氧化碳，即這個(gè)時(shí)期內(nèi)43%的水泥工業(yè)過程的二氧化碳排放又被使用后水泥材料吸收回來。從全球不同國家和區(qū)域來看，1994年以前，歐洲水泥碳匯量最大，而后中國年碳匯量占比逐漸增大。從不同的水泥材料來看，水泥砂漿的碳匯量最大，這是由于水泥砂漿使用厚度小、暴露表面積大、碳化速度快。2013年全球尺度水泥碳吸收量占包括化石能源燃燒在內(nèi)的人類活動(dòng)碳排放的2.5%，中國2013年水泥碳吸收量占中國自身碳排放總量的5%，1930年累計(jì)至2013年的中國水泥碳吸收量占中國2013年排放總量的50%以上，這一結(jié)果將對(duì)全球和國家碳排放基準(zhǔn)值產(chǎn)生重要影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥是一個(gè)全球大型的、被忽視、逐年增長的凈碳匯。這個(gè)碳匯的量化對(duì)全球碳循環(huán)研究具有重要的科學(xué)意義。

　　與水泥工業(yè)過程二氧化碳排放相比，水泥材料的碳匯吸收的時(shí)滯效應(yīng)非常明顯，水泥在生產(chǎn)年份的二氧化碳排放，將在水泥使用后的幾十年到幾百年的時(shí)間內(nèi)被吸收回來。但是由于水泥使用量的逐年增加和多年的累積效應(yīng)，水泥材料碳化的碳匯量不容忽視。該研究成果為人類活動(dòng)對(duì)二氧化碳吸收的影響提供了一個(gè)新的視角，使科學(xué)家關(guān)注人類產(chǎn)業(yè)活動(dòng)對(duì)于全球碳循環(huán)過程的巨大影響。研究成果為廢棄混凝土等建筑垃圾作為碳捕捉的碳封存材料提供了一種潛在的方法，為我國應(yīng)用建筑垃圾發(fā)展碳捕捉和碳封存技術(shù)提供了理論支持，將有助于完善當(dāng)前《IPCC溫室氣體清單編制方法》的水泥行業(yè)碳排放核算方法學(xué)的不足。

　　在全球碳循環(huán)研究中，“失蹤的碳匯”一直是科學(xué)家多年不斷探索的重要科學(xué)難題。研究成果為科學(xué)家尋找失蹤的碳匯提供了新的視角，對(duì)人類活動(dòng)的碳匯過程及其對(duì)全球碳循環(huán)的影響具有重要的科學(xué)意義。這一工作被《自然》（Nature）雜志審稿專家高度評(píng)價(jià)為“一項(xiàng)創(chuàng)新性的工作，對(duì)全球碳循環(huán)、氣候變化、碳減排的研究有重要意義”。《科學(xué)》（Science）雜志采訪了該論文在美國的合作者，并同期專門配發(fā)了報(bào)道文章Cement Soaks Up Greenhouse Gases。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。

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圖1. 1930-2013年全球年水泥吸收量

圖2 全球水泥排放量與吸收率

圖3 全球1930-2013年水泥材料中碳元素的生命周期