碳循環研究方法述評

□楊傳明 周 笛

隨著二氧化碳濃度急劇上升，地球面臨著日益嚴峻的環境問題，使得碳循環迅速成為環境學、地理學、經濟學、社會學等各學科交叉研究熱點。現有研究也逐步突破了單一自然生態視角，轉而通過自然和社會二元途徑，耦合定量核算碳排放和吸收，依據碳源碳匯分析碳流通效率和碳平衡狀態，為區域低碳協同發展提供決策依據。碳循環研究有效彌補了碳泄露問題，更合理劃分了碳生產者和消費者的減排責任，具有非常重要的理論及實踐價值。本文即通過梳理當前研究文獻，述評相關研究方法，以期推動碳循環研究發展。

一、文獻篩選與描述

(一)文獻來源。本文以2017年12月31日為時間節點，檢索SCI、SSCI、Springer、CNKI等中外文數據庫，共搜索到2,243篇英文和2,405篇中文文獻。由表1可見按年份整理的碳循環研究文獻，相關文獻數由2007年的187篇增長至2017年的702篇，年均增長14.16%，可見近年碳循環相關研究總體增長速度較快，漸成熱點。

表1 碳循環歷年研究文獻數

(二)文獻描述。為了精煉碳循環研究核心問題，本文采用共詞聚類法提煉出實地測量法、排放系數法、產量估算法、投入產出法等15個鄰接詞作為碳循環二級研究主題，歸入碳排放、碳吸收等4個一級研究主題。在此基礎上，運用M.Banks提出的h-b指數法對文獻進一步描述，處理結果如表2所示。以下即根據劃分的各級主題展開逐一分析。

(續表2)

碳吸收樣地調查法205202.13模型模擬法178161.76遙感估測法8370.68碳流通過程分析法686363.22投入產出法451282.96系統動力學196171.62生態分室法5860.71物質代謝法265232.37碳平衡碳氧平衡法297242.26平衡指標法412302.58

二、碳排放

(一)排放系數法。排放系數法最早由政府間氣候變化專門委員會(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及活動數據的乘積，作為碳排放量估算值[1～2]。Kaplan(2015)、邱士雷(2017)等利用該方法，分別從消費者和生產者視角，歸類核算了區域直接及間接碳排放。Begum(2015)、邱高會(2016)等利用EEA、IPCC等排放系數計算了產業碳排放，并借此評估區域碳安全。Damon(2014)等挖掘了居民消費結構、空間系統等影響碳排放系數的因子，李金克(2017)則進一步分析了碳排放系數對碳排放的非線性關系。排放系數法因為擁有完善的計算公式和數據庫，較為簡便實用，適用于宏中微觀各種研究尺度和社會生產的各個部門，所以成為研究碳排放應用最廣泛的方法。但該方法最大的問題在于缺乏統一的碳排放系數標準。此外，該方法要求處理的碳排放源變化相對穩定，當碳排放系統自身發生復雜變化時，及時處理能力相對不足。

(二)實地測量法。該方法通過排放源實地測量獲得基礎數據，加工處理后核算對象的碳排放量[3～4]。李媛芳(2015)等設計碳平衡方程處理實測數據，計算典型工序的碳排放量，推導碳排放系數。Matsumura(2013)等將抽樣法、預估法等與實地測量法進行結合，以提升碳排放量的計算效率。張童(2017)等進一步研究了技術、生物等要素對碳排放實測的影響。實地測量法基于微觀視角進行直接測量，中間環節較少，數據較為精確，結果誤差相對最小。但其缺陷在于對于實地要求較高，一手數據獲取相對較為困難，投入較大。

(三)物料衡算法。此方法基于質量守恒定律，定量分析物料使用與碳排放量之間的關系[5～6]。Nabavi(2014)、鐘軍(2015)等收集產品的原始構成物料數據，詳細推算產品的碳排放量，并反推固定碳排放量下物料的合理配比。該方法擁有翔實的基礎數據記錄，計算結果較為精確，適用于排放設備更換較為頻繁、碳排放源復雜的情況。但采用物料平衡法計算碳排放量時，必須切實掌握主料、輔料等基本數據，較多的中間過程極易導致系統誤差。

(四)生態監測法。生態監測法主要用于監測核算自然生態系統的碳排放，具體包括箱法和渦度相關法[8～9]。劉昊(2016)等采用傳統靜態箱法測定空氣中CO2變化速率。Marcellin(2016)等運用渦度測量系統定點定位觀測，分析農田、湖泊等生態系統的碳排放情況。該方法優點在于原理簡單、成本較低、結果較為準確，且不會干擾環境，具有較好的縱向空間擴展性。缺點在于本身會干擾碳擴散梯度，造成碳排放量小范圍估算誤差，一定程度上限制了數據資料在更廣生態系統中應用。

三、碳吸收

(一)樣地調查法。此方法通過選取典型樣地，準確測定生態系統碳庫的碳儲量，連續觀測獲得特定時期內的碳儲量變化情況，主要可細分兩類核算方法[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象實際面積的乘積，推算研究區域的碳吸收能力。Brienen(2015)等采用該方法歸一化數據，根據資料清查亞馬遜森林樣地生物量的碳儲量；二是生物量換算因子法，原理是利用某一類型的生物碳儲量與樣地總蓄積量乘積得到碳儲量。樣地調查法中平均生物量法能較好地利用研究對象資料中的蓄積量推算碳儲量，但由于實測資料的取樣地較少，難以真實反映生物量的時空變化情況。

(二)模型模擬法。該方法通過構建數學模型分析植被光合、土壤分解等過程，研究生態系統不同層次的碳循環關系，模擬氣候及二氧化碳濃度變化情況，估算研究對象的碳儲量[11～13]。現行影響較大的模型包括Miami、DICE等。吳靜(2014)、Volta(2016)等分別構造模型模擬了全球碳循環、美國造林碳吸收、農田生態系統碳排放等情況。模型模擬法較全面地考慮了區域系統中植被、土壤、大氣等碳吸收影響因素。但現有主流模型只是簡單地模擬不同狀態下碳儲量變化，尚未細致考慮各影響因素間的相互作用。

(三)遙感估測法。遙感估測法利用遙感手段獲得研究對象狀態參數，結合地面調查測出生物量，再乘以碳含量轉換系數，估算系統碳吸收情況，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、原始波段等與碳系數建立回歸模型。二是人工神經網絡法，Gupta(2016)、吳沁淳(2017)等結合非線性大規模自適應隱層函數，換算草地及雨林的碳蓄積。此方法可以較好彌補模型模擬法的不足，適合估算較大尺度的碳吸收情況。但仍需要繼續提升遙感技術，以消除氣象、設備等因素的影響，提升時間分辨率等方面的數據精度。

四、碳流通

(一)過程分析法。過程分析法是基于傳統的生命周期法，首先通過基本流程圖詳細描述產品全生命周期涉及的所有活動和原料，而后明確界定碳系統邊界，收集原始及次級數據，建立質量方程評估產品碳流通情況[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。該方法計算詳細而完整，能從微觀角度較好地分析基于產品生產鏈的碳流通情況。但缺點在于基本流程圖的覆蓋面不夠全面，導致一定程度的截斷誤差。

(二)投入產出法。此方法以經濟主體的整體活動為系統邊界，利用投入產出表提供的信息，通過建立多層次的環境投入產出表，描述經濟主體碳流通情況[18]。當前投入產出法主要用于研究中宏觀層次的碳流通情況，數據一般只要求為次級數據，對原始數據依賴度不高，有效降低了工作量。但該方法局限性在于計算基礎是將不同的經濟主體依據貨幣價值進行轉換，并默認同價值量的主體具有同樣的碳足跡，而現實中同價值量的經濟主體生命周期碳足跡并非完全相同，極易產生計算誤差。

(三)系統動力學。該方法基于動態假設碳流通影響因素，構建仿真模型設計、測試選擇性方案，以求優化碳流通過程[20～21]。王喜平(2016)、Ercan(2016)等構建系統動力學模型，對鋼鐵、物流等行業碳流通進行仿真模擬。張俊榮(2016)等基于系統動力學構建了京津冀等較大區域的碳流通仿真模型。系統動力學主要用于處理高階非線性系統，通過對碳流通系統的整體化定量建模，能較好挖掘碳流通系統要素的關聯結構及反饋機制。但不足之處在于構造模型時，需要從碳流通最基本的微觀結構入手，所需信息則依賴于模型設計者對實際碳流通系統運動機制的定性判斷，影響了模型客觀性。

(四)生態分室法。生態分室法通過設置模塊標準分割生態系統中各分室，基于構建的各分室的狀態關聯網絡，建立表征碳流通系統內部結構的數學方程，用于描述自然或社會區域子系統間的碳流通情況[22]。Manzoni(2014)、高君亮(2016)等基于典型陸地生態系統土壤碳儲量的計算結果，分析了土壤碳流通的異質性。生態分室法假設碳按一級和二級動力學過程進行流動，較好地模擬了生態網絡中的碳流通情況。但缺乏統一的模塊分室標準，且分室過程容易割裂若干碳流通關聯。

(五)物質代謝法。此方法是基于物質流平衡角度，分析核算區域系統內外碳流通情況[23]。Cabrera(2015)、梁靚(2017)等利用從微觀角度構造碳物質績效評價體系，分析了化工及鋼鐵企業的碳流通。物質代謝法通過描述區域碳流通方式，較為直觀地評估了對象生命周期中的各個過程對環境產生的影響。但該方法需要沿著研究對象生命周期，全面收集各階段物質流入流出數據，對于環境分析及數據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聯關系，以尋求研究區域的碳氧平衡[24]，Vaccari(2013)、毛艷輝(2015)等綜合考慮能源、交通等影響因素，測度區域經濟自然系統的碳氧消耗及釋放量。碳氧平衡法可以較好地評價區域整體碳平衡狀態，但由于僅從氣體循環角度開展分析，未考慮區域內其他含碳狀態物質，使得分析精度存在一定誤差。

(二)碳平衡指標法。此方法通過設計統計指標，從具體數量方面概括分析系統碳平衡的規模及特征[25]。Aragao(2014)、孫鵬森(2016)等考慮了氣候變化、土地狀況影響因素，構建了碳平衡指標體系，分析山區、森林、河流等自然系統碳平衡情況。岳冬冬(2016)、王磊(2016)等結合觀測數據及統計數據，構建了相關指標體系分析漁業、城市等系統的碳平衡。碳平衡指標法通過構建指標體系，直觀地揭示研究對象的碳平衡情況，并可較為簡單地對不同研究對象進行比較分析。但現有指標體系多是側重于自然系統的某一側面，或者針對人造系統的單一層面開展，核算體系尚不完整，今后仍需加強從整體角度對碳平衡指標系統的模擬研究。