碳循环研究方法述评

□杨传明 周 笛

随着二氧化碳浓度急剧上升，地球面临着日益严峻的环境问题，使得碳循环迅速成为环境学、地理学、经济学、社会学等各学科交叉研究热点。现有研究也逐步突破了单一自然生态视角，转而通过自然和社会二元途径，耦合定量核算碳排放和吸收，依据碳源碳汇分析碳流通效率和碳平衡状态，为区域低碳协同发展提供决策依据。碳循环研究有效弥补了碳泄露问题，更合理划分了碳生产者和消费者的减排责任，具有非常重要的理论及实践价值。本文即通过梳理当前研究文献，述评相关研究方法，以期推动碳循环研究发展。

一、文献筛选与描述

(一)文献来源。本文以2017年12月31日为时间节点，检索SCI、SSCI、Springer、CNKI等中外文数据库，共搜索到2,243篇英文和2,405篇中文文献。由表1可见按年份整理的碳循环研究文献，相关文献数由2007年的187篇增长至2017年的702篇，年均增长14.16%，可见近年碳循环相关研究总体增长速度较快，渐成热点。

表1 碳循环历年研究文献数

(二)文献描述。为了精炼碳循环研究核心问题，本文采用共词聚类法提炼出实地测量法、排放系数法、产量估算法、投入产出法等15个邻接词作为碳循环二级研究主题，归入碳排放、碳吸收等4个一级研究主题。在此基础上，运用M.Banks提出的h-b指数法对文献进一步描述，处理结果如表2所示。以下即根据划分的各级主题展开逐一分析。

(续表2)

碳吸收样地调查法205202.13模型模拟法178161.76遥感估测法8370.68碳流通过程分析法686363.22投入产出法451282.96系统动力学196171.62生态分室法5860.71物质代谢法265232.37碳平衡碳氧平衡法297242.26平衡指标法412302.58

二、碳排放

(一)排放系数法。排放系数法最早由政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出，基本思路是依照碳排放清单列表，以每种排放源的排放系数及活动数据的乘积，作为碳排放量估算值[1～2]。Kaplan(2015)、邱士雷(2017)等利用该方法，分别从消费者和生产者视角，归类核算了区域直接及间接碳排放。Begum(2015)、邱高会(2016)等利用EEA、IPCC等排放系数计算了产业碳排放，并借此评估区域碳安全。Damon(2014)等挖掘了居民消费结构、空间系统等影响碳排放系数的因子，李金克(2017)则进一步分析了碳排放系数对碳排放的非线性关系。排放系数法因为拥有完善的计算公式和数据库，较为简便实用，适用于宏中微观各种研究尺度和社会生产的各个部门，所以成为研究碳排放应用最广泛的方法。但该方法最大的问题在于缺乏统一的碳排放系数标准。此外，该方法要求处理的碳排放源变化相对稳定，当碳排放系统自身发生复杂变化时，及时处理能力相对不足。

(二)实地测量法。该方法通过排放源实地测量获得基础数据，加工处理后核算对象的碳排放量[3～4]。李媛芳(2015)等设计碳平衡方程处理实测数据，计算典型工序的碳排放量，推导碳排放系数。Matsumura(2013)等将抽样法、预估法等与实地测量法进行结合，以提升碳排放量的计算效率。张童(2017)等进一步研究了技术、生物等要素对碳排放实测的影响。实地测量法基于微观视角进行直接测量，中间环节较少，数据较为精确，结果误差相对最小。但其缺陷在于对于实地要求较高，一手数据获取相对较为困难，投入较大。

(三)物料衡算法。此方法基于质量守恒定律，定量分析物料使用与碳排放量之间的关系[5～6]。Nabavi(2014)、钟军(2015)等收集产品的原始构成物料数据，详细推算产品的碳排放量，并反推固定碳排放量下物料的合理配比。该方法拥有翔实的基础数据记录，计算结果较为精确，适用于排放设备更换较为频繁、碳排放源复杂的情况。但采用物料平衡法计算碳排放量时，必须切实掌握主料、辅料等基本数据，较多的中间过程极易导致系统误差。

(四)生态监测法。生态监测法主要用于监测核算自然生态系统的碳排放，具体包括箱法和涡度相关法[8～9]。刘昊(2016)等采用传统静态箱法测定空气中CO2变化速率。Marcellin(2016)等运用涡度测量系统定点定位观测，分析农田、湖泊等生态系统的碳排放情况。该方法优点在于原理简单、成本较低、结果较为准确，且不会干扰环境，具有较好的纵向空间扩展性。缺点在于本身会干扰碳扩散梯度，造成碳排放量小范围估算误差，一定程度上限制了数据资料在更广生态系统中应用。

三、碳吸收

(一)样地调查法。此方法通过选取典型样地，准确测定生态系统碳库的碳储量，连续观测获得特定时期内的碳储量变化情况，主要可细分两类核算方法[9～10]。一是平均生物量法，利用单位面积生物量碳汇与研究对象实际面积的乘积，推算研究区域的碳吸收能力。Brienen(2015)等采用该方法归一化数据，根据资料清查亚马逊森林样地生物量的碳储量；二是生物量换算因子法，原理是利用某一类型的生物碳储量与样地总蓄积量乘积得到碳储量。样地调查法中平均生物量法能较好地利用研究对象资料中的蓄积量推算碳储量，但由于实测资料的取样地较少，难以真实反映生物量的时空变化情况。

(二)模型模拟法。该方法通过构建数学模型分析植被光合、土壤分解等过程，研究生态系统不同层次的碳循环关系，模拟气候及二氧化碳浓度变化情况，估算研究对象的碳储量[11～13]。现行影响较大的模型包括Miami、DICE等。吴静(2014)、Volta(2016)等分别构造模型模拟了全球碳循环、美国造林碳吸收、农田生态系统碳排放等情况。模型模拟法较全面地考虑了区域系统中植被、土壤、大气等碳吸收影响因素。但现有主流模型只是简单地模拟不同状态下碳储量变化，尚未细致考虑各影响因素间的相互作用。

(三)遥感估测法。遥感估测法利用遥感手段获得研究对象状态参数，结合地面调查测出生物量，再乘以碳含量转换系数，估算系统碳吸收情况，主要可分为两类研究方法[14～15]。一是多元回归分析法，Tan(2016)、尚飞(2016)等分别利用植被指数、原始波段等与碳系数建立回归模型。二是人工神经网络法，Gupta(2016)、吴沁淳(2017)等结合非线性大规模自适应隐层函数，换算草地及雨林的碳蓄积。此方法可以较好弥补模型模拟法的不足，适合估算较大尺度的碳吸收情况。但仍需要继续提升遥感技术，以消除气象、设备等因素的影响，提升时间分辨率等方面的数据精度。

四、碳流通

(一)过程分析法。过程分析法是基于传统的生命周期法，首先通过基本流程图详细描述产品全生命周期涉及的所有活动和原料，而后明确界定碳系统边界，收集原始及次级数据，建立质量方程评估产品碳流通情况[16～17]。戴育琴(2016)、Sanches(2016)等利用该方法，研究了水稻及纺织品的碳流通情况。该方法计算详细而完整，能从微观角度较好地分析基于产品生产链的碳流通情况。但缺点在于基本流程图的覆盖面不够全面，导致一定程度的截断误差。

(二)投入产出法。此方法以经济主体的整体活动为系统边界，利用投入产出表提供的信息，通过建立多层次的环境投入产出表，描述经济主体碳流通情况[18]。当前投入产出法主要用于研究中宏观层次的碳流通情况，数据一般只要求为次级数据，对原始数据依赖度不高，有效降低了工作量。但该方法局限性在于计算基础是将不同的经济主体依据货币价值进行转换，并默认同价值量的主体具有同样的碳足迹，而现实中同价值量的经济主体生命周期碳足迹并非完全相同，极易产生计算误差。

(三)系统动力学。该方法基于动态假设碳流通影响因素，构建仿真模型设计、测试选择性方案，以求优化碳流通过程[20～21]。王喜平(2016)、Ercan(2016)等构建系统动力学模型，对钢铁、物流等行业碳流通进行仿真模拟。张俊荣(2016)等基于系统动力学构建了京津冀等较大区域的碳流通仿真模型。系统动力学主要用于处理高阶非线性系统，通过对碳流通系统的整体化定量建模，能较好挖掘碳流通系统要素的关联结构及反馈机制。但不足之处在于构造模型时，需要从碳流通最基本的微观结构入手，所需信息则依赖于模型设计者对实际碳流通系统运动机制的定性判断，影响了模型客观性。

(四)生态分室法。生态分室法通过设置模块标准分割生态系统中各分室，基于构建的各分室的状态关联网络，建立表征碳流通系统内部结构的数学方程，用于描述自然或社会区域子系统间的碳流通情况[22]。Manzoni(2014)、高君亮(2016)等基于典型陆地生态系统土壤碳储量的计算结果，分析了土壤碳流通的异质性。生态分室法假设碳按一级和二级动力学过程进行流动，较好地模拟了生态网络中的碳流通情况。但缺乏统一的模块分室标准，且分室过程容易割裂若干碳流通关联。

(五)物质代谢法。此方法是基于物质流平衡角度，分析核算区域系统内外碳流通情况[23]。Cabrera(2015)、梁靓(2017)等利用从微观角度构造碳物质绩效评价体系，分析了化工及钢铁企业的碳流通。物质代谢法通过描述区域碳流通方式，较为直观地评估了对象生命周期中的各个过程对环境产生的影响。但该方法需要沿着研究对象生命周期，全面收集各阶段物质流入流出数据，对于环境分析及数据收集工作有极高要求。

五、碳平衡

(一)碳氧平衡法。该方法主要用于研究大气中二氧化碳及氧气消耗量及排放量间的关联关系，以寻求研究区域的碳氧平衡[24]，Vaccari(2013)、毛艳辉(2015)等综合考虑能源、交通等影响因素，测度区域经济自然系统的碳氧消耗及释放量。碳氧平衡法可以较好地评价区域整体碳平衡状态，但由于仅从气体循环角度开展分析，未考虑区域内其他含碳状态物质，使得分析精度存在一定误差。

(二)碳平衡指标法。此方法通过设计统计指标，从具体数量方面概括分析系统碳平衡的规模及特征[25]。Aragao(2014)、孙鹏森(2016)等考虑了气候变化、土地状况影响因素，构建了碳平衡指标体系，分析山区、森林、河流等自然系统碳平衡情况。岳冬冬(2016)、王磊(2016)等结合观测数据及统计数据，构建了相关指标体系分析渔业、城市等系统的碳平衡。碳平衡指标法通过构建指标体系，直观地揭示研究对象的碳平衡情况，并可较为简单地对不同研究对象进行比较分析。但现有指标体系多是侧重于自然系统的某一侧面，或者针对人造系统的单一层面开展，核算体系尚不完整，今后仍需加强从整体角度对碳平衡指标系统的模拟研究。