沈陽生態(tài)所在水泥材料碳匯研究中取得進展

  中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所區(qū)域低碳發(fā)展研究組組長郗鳳明研究員（青促會會員）近期在全球水泥材料碳化的碳吸收方面研究取得重大進展，他的研究團隊與與哈佛大學、劍橋大學、加州理工學院、加州大學爾灣分校、沈陽建筑大學等國內(nèi)外16家研究機構(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，對全球碳循環(huán)有重要影響，對全球碳失匯問題研究提供了新的獨特的視角。研究成果日前在線發(fā)表于國際頂級期刊自然·地理科學Nature Geoscience （影響因子12.508）。中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所、中國科學院污染生態(tài)與環(huán)境工程重點實驗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對全球碳循環(huán)產(chǎn)生了巨大影響。IPCC第五次評估報告表明人類活動導致的大量碳排放是全球氣候變化主要原因。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反應的碳排放，不包括用于加熱水泥分解的能源消費的碳排放），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，分析其對碳循環(huán)的影響。

  該研究采用了生命周期評價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381億噸二氧化碳，而同期水泥材料碳匯吸收量高達165億噸二氧化碳，即這個時期內(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)果將對全球和國家碳排放基準值產(chǎn)生重要影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥是一個全球大型的、被忽視、逐年增長的凈碳匯。這個碳匯的量化對全球碳循環(huán)研究具有重要的科學意義。

  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滯效應非常明顯，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，水泥材料碳化的碳匯量不容忽視。該研究成果為人類活動對二氧化碳吸收的影響提供了一個新的視角，使科學家關(guān)注人類產(chǎn)業(yè)活動對于全球碳循環(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，將有助于完善當前《IPCC溫室氣體清單編制方法》的水泥行業(yè)碳排放核算核算方法學的不足。

  在全球碳循環(huán)研究中，“失蹤的碳匯”一直可科學家多年不斷探索的重要科學難題。研究成果為科學家尋找失蹤的碳匯提供了新的視角，對人類活動的碳匯過程及其對全球碳循環(huán)的影響具有重要的科學意義。這一工作被自然雜志審稿專家高度評價為“一項創(chuàng)新性的工作，對全球碳循環(huán)、氣候變化、碳減排的研究有重要意義”。科學雜志（Science）采訪了改論文在美國的合作者，并同期專門配發(fā)了報道文章Cement Soaks Up Greenhouse Gases。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。