城市道路交通碳中和措施系統的概念與架構

卜政滔

（成都農業科技職業學院，四川 成都 611130）

0 引言

據UNESCO（聯合國教科文組織）于2022 年11月發布的《World Heritage Glacier Report》指出“無論采用何種氣候情景，到2050 年，有1/3 的世界遺產地冰川將消失，而在既有的排放情景中，到2100年，大約有1/2 的遺產地冰川將幾乎完全消失?！备鶕蘒PCC 在第六個評估周期內發布的第三工作組報告《Climate Change 2022》指出：“過去十年的溫室氣體排放量處于人類歷史的最高水平。除非所有部門立即大幅減排，否則將全球變暖限制在1.5℃的目標將遙不可及，同時使得將全球變暖限制在2℃以下也變得更加困難?！爆F實情況已經表明，降碳減排的緊迫感從未像現在這樣明晰而深刻，各國政府應對氣候問題給予高度關注，如果人類對于氣候變化的應對措施仍然不夠積極和主動，那么由氣候導致的自然危機（干旱、洪災、酷熱以及冰川消融等）將會持續加劇。減少溫室氣體排放，減緩全球升溫速度是應對全球冰川大量消融的最有效途徑，各國政府必須信守承諾、落實行動，才有可能實現《巴黎協定》預定的溫控目標。2022 年11 月6 日《聯合國氣候變化框架公約》第27 次締約方大會（COP27）在埃及沙姆沙伊赫召開，會議中達成了“沙姆沙伊赫行動計劃”，旨在幫助發展中國家應對氣候災難，同時也重申了將全球變暖幅度控制在比工業化前水平高1.5℃的溫控目標。從2015 年通過的《巴黎協定》到2030 年實現碳達峰目標，預定的時間期限已經過半。根據當前的形勢來看，要實現《巴黎協定》所設定的溫度控制目標，全球氣候治理工作還面臨著漫長而艱巨的挑戰。根據IEA（International Energy Agency）公開的數據表明，我國碳排放結構中最主要的三大碳排放來源分別為電力、工業和交通運輸，其中交通運輸行業CO2排放量在全國總排放量中的占比超過9%。因此，交通運輸行業已成為我國三大高消耗、高排放的碳源之一，而城市道路交通系統作為交通運輸大系統的子系統之一，也是應對全球溫室效應、實施降碳行動的重要領域之一。在當前這種緊迫的形勢下，與“碳”相關的研究課題持續保持較高的研究熱度，與此同時，一系列全新的與“碳”相關的新概念、新路徑、新措施、新策略等不斷涌現。在這些眾多的碳治理舉措、路徑或方法中，明確各種碳相關概念的內涵與外延，理清各種措施、路徑或方法之間的關系，構建一個清晰的研究框架，將有助于更有效的進行碳中和行動，推動碳中和目標按期或提前實現。

1 城市道路交通碳中和措施體系的研究對象與研究現狀

1.1 城市道路交通碳中和措施體系的研究對象

由于城市對航空、水運、公路、鐵路交通運輸不具備管理權限，因此，研究中所指的交通其實是指市域道路交通，而不包括上述交通類型。凡行駛在我國道路上的汽車可以分為乘用車和商用車兩大類，其中商用汽車包括客車、載貨汽車和專用汽車[1]。因此，城市道路交通的主要構成見圖1。據生態環境部公開數據可知，交通運輸行業中，汽車的四項污染物（CO、HC、NOx、PM）的排放量所占比例占機動車總排放量的90%以上，見圖2。很明顯，在機動車的四項污染物排放總量中，汽車是污染物排放的主要來源。因此，城市道路交通碳中和措施系統的研究重點在于針對運行中的汽車所產生的直接能耗和排放，以及圍繞汽車產業為核心的全產業鏈所產生的間接能耗和排放進行研究。

圖1 城市交通碳排放研究對象圖

圖2 汽車四大污染物排放量（2021）圖

1.2 城市道路交通碳中和技術體系的研究現狀

通過使用包括CNKI 和WOS 等具有代表性的國內外學術期刊數據庫進行檢索，并從中篩選出與主題高度相關的文獻以供進一步研究。經過文獻分析發現，在碳中和背景下，近十年來，國內外學者在城市交通低碳領域進行了廣泛而深入的研究。其研究內容主要可以概括為以下四個方面，一是城市交通碳排放預測與建模[2]，這是碳中和研究的重要基礎，通過對城市交通碳排放的準確預測，有助于制定有效的碳減排策略或措施；二是城市低碳交通體系的構建研究[3]，該方向主要針對雙碳目標，研究城市交通運輸的減排治理策略，包括政策、技術、經濟等方面的措施，是實現雙碳目標的重要研究方向之一；三是國際大城市交通碳排放的經驗與啟示[4]，通過研究發達國家的大城市的交通減碳策略，為國內城市交通碳治理提供借鑒；四是城市客運交通各情景碳減排研究，以預測各情節下城市客運交通的減碳效果，關于CCUS 技術的研究文獻，在研究中針對的捕集源主要集中在能源和材料生成等上游行業，而直接以城市道路交通為捕集源的研究文獻相對很少，這種現象可能歸因于多種因素，例如隨車捕集的難度較大、研究成本相對較高或者碳源處于移動且分散狀態難以集中處理等，這些因素在一定程度上限制了以城市道路交通為捕集源的CCUS 技術的發展。近些年，關于生態碳匯的研究熱度一直較高，研究的方向主要集中在森林或林業碳匯、海洋碳匯、草地或濕地碳匯、農業碳匯以及廣義的金融碳匯等方面，而關于城市綠地碳匯方面的研究文獻相對較少，且研究內容與方法比較分散。經過對檢索到的相關文獻進行分析后發現，關于城市綠地碳匯方面的文獻，其研究內容主要集中在以下幾個方面，首先是綠地碳匯的計算方法研究[5]，這一領域的研究在碳匯固碳能力的量化與評價中起著關鍵作用；其次是綠地碳儲量的影響因素研究[6]，這些因素涵蓋了氣候、土壤、植被等多個方面，它們的相互作用對綠地碳儲量的形成和變化有著重要影響；再者是對不同類型綠地的碳匯量估算研究[7]；最后是評價指標體系研究，該體系在評價和提升城市綠地碳匯功能方面具有重要的指導意義。

2 城市道路交通碳中和措施系統的概念與架構

為了如期實現習近平總書記在2020 年9 月的聯合國大會上提出的雙碳自主貢獻目標，即“力爭在2030 年前實現碳達峰，并努力爭取在2060 年前實現碳中和”，這不僅需要汽車上游的能源供應端和汽車工業相關生產企業實現近零排放，還需要依賴于負排放技術措施和負排放生態措施來抵消短期內難以完全削減的溫室氣體。這一目標的實現不僅需要能源供應端作出變革，也需要汽車工業及相關生產企業的積極響應。若城市道路交通領域要能不逾期實現碳中和目標，就必須構建一個有效的、可行的系統性解決方案，這一方案至少應由兩個相互關聯的分系統組成：首先是碳中和措施分系統，該系統主要由負排放措施子系統（包括CCUS 組件和生態碳匯組件）和降碳排措施子系統（包括降碳措施組件和減排措施組件）構成；其次是保障輔助措施分系統，該系統的主要功能是為碳中和措施分系統的高效運行提供保障和服務，內容涉及法律、政策、管理、標準、碳交易及碳稅等眾多維度。這兩個分系統相互作用、相互支持，為實現碳中和目標提供系統性保障。因此，可以將城市道路交通碳中和系統性解決方案理解為通過構建兩個相互關聯的分系統，包括由負排放措施子系統和降碳排措施子系統構成的碳中和措施分系統，以及為碳中和措施分系統的高效運行提供保障及服務的保障輔助措施分系統構成。該系統性解決方案與各分系統之間的關系見圖3，采用這種架構方式利于更好地理解和實施碳中和措施。因此，在研究與實踐中應把握其主要方向，在各種措施、路徑和策略中，圍繞以“負排放和降碳排”為主軸，以碳中和措施分系統為基石的碳治理理念進行不斷優化與改進，從而推動城市道路交通達成碳中和目標。

圖3 城市交通碳中和系統性解決方案框架圖

由于目前國內碳相關學科體系尚未健全和完善，因此許多與碳相關的概念，仍存在不同的理解和分歧。中國環境科學學會發布的《二氧化碳捕集利用與封存術語》（T/CSE 41—2021）標準中將碳中和定義為“國家、企業、團體在一定時間內，通過植樹造林等增加碳匯的方式或CCUS 等碳移除技術的使用，抵消自身直接或間接產生的CO2排放量，達到邊界范圍內CO2零排放的狀態”[8]?；凇抖趸疾都门c封存術語》（T/CSE 41—2021）中碳中和的概念，研究中將碳中和措施分系統定義為一種通過技術措施（如CCUS、DACCS、BECCS）和生態措施（如綠碳和藍碳等），以達到固碳或除碳目的的負排放措施子系統與以降碳減排為目的的降碳排措施子系統所構成的分系統，該系統的合理使用可以幫助國家、企業、團體在一定時間內抵消自身直接或間接產生的CO2排放量，從而達到邊界范圍內CO2零排放的狀態。需要注意的是，諸如城市交通能源結構優化、交通運輸結構調整、城市出行結構優化、客運裝備共享化與智能化等舉措雖然在降碳減排方面也具有顯著的正向作用，但是這些措施的核心功能在于降碳排，而非固碳或除碳。因此，與此性質相同或相似的一系列措施、策略或途徑均可劃歸于降碳排措施子系統的范疇。根據圖3 可知，負排放子系統和降碳排子系統構成了整個系統性解決方案的內核，即碳中和措施分系統，該分系統與各子系統的關系可以用圖4進行描述。對于城市道路交通領域而言，除非位于行業上游的能源行業和汽車工業相關生產企業能夠實現深度脫碳，否則要實現零碳排狀態，就必須依賴具有負排放功能的子系統的支持，因此，城市道路交通領域將難以達成碳中和目標?；谶@一事實，在構成碳中和措施分系統的兩個子系統中，負排放子系統對實現零排放起著決定性作用，而減碳排子系統則起著輔助性作用。其中，負排放子系統主要由基于技術的CCUS 組件和基于生態的碳匯組件構成。綜上所述，由圖3 和圖4 共同構成了城市道路交通碳中和系統性解決方案的基本架構，在該架構中碳中和措施分系統是內核，負排放措施子系統（圖4 中的藍軸）和降碳排措施子系統（圖4 中的紅軸）是主軸，在碳中和措施分系統中起決定作用的是藍軸，即基于技術的CCUS 負排放組件和基于生態的碳匯組件的負排放子系統。

圖4 城市交通碳中和措施系統架構圖

2.1 基于技術的負排放措施——CCUS 組件

隨著電動汽車保有量的持續增長，道路交通的部分碳排放將逐步轉移到上游的電能供應端。因此，在中后期實現雙碳目標的過程中，汽車電能供應端可能會成為城市交通的主要碳源之一。電能供應端的碳排放量占總排放量的比例將取決于能源的清潔程度。因此，在雙碳時限的中后期，積極構建零碳能源供應系統將成為一種必然選擇。在推動能源行業實現化石能源低碳利用方面，CCUS（Carbon dioxide capture，utilization and storage）技術具有不可替代的優勢，并且CCUS 技術還包含了負排放技術DACCS（Direct air carbon capture and storage） 和BECCS（Bio-energy with carbon capture and storage）。CCUS技術是指“將CO2從大氣、工業或能源相關的排放源中分離或直接加以利用或封存，以實現CO2減排或消除的工業過程”[8]。CCUS 概念是在CCS 基礎上增加了“Utilization”部分，因此在概念內涵上CCUS 已包含了CCS。DACCS 是指直接從大氣中進行CO2 捕獲、利用和儲存的技術，從CCUS 的定義來看，廣義的CCUS 概念也包含了DACCS 的內容。BECCS 是指將CCUS 應用于生物質燃燒或轉化過程的技術，故BECCS 技術仍可以劃歸于廣義的CCUS 技術的范疇。因此，廣義的CCUS 組件包括DACCS、BECCS和傳統CCS 技術。IEA 研究報告指出，若要實現2℃和1.75℃的溫升目標，CCUS 的累計減排貢獻分別可達到14%和32%[9]。IPCC 與IRENA 等研究機構也發布了關于CCUS 貢獻度的研究數據，雖然各機構對不同情景中CCUS 的貢獻度預測存在一定差異，但其研究結論總體趨勢具有一致性，即在2050 年實現凈零排放的情景下，CCUS 將是一不可或缺的技術途徑。據現有技術預測，中國若在2060 年實現碳中和目標，需CCUS 組件貢獻減排量10～18 億t[10]。其中，CCUS 組件中各技術措施的CO2減排量及平均占比如圖5 所示。

圖5 中國2060 年碳中和CCUS 系各措施貢獻度預測

近十年來，國內在CCUS 技術領域取得了長足的進步，但技術代差問題也比較突出。目前，燃燒前物理吸附技術相對比較成熟，已處于商業運用階段；燃燒后化學吸附技術目前處于中試階段，相對于國際水平稍顯滯后；燃燒類技術整體發展相對遲緩[11]。根據工程實踐，CCUS 技術的各個環節（收集、運輸、利用和封存）的成本投入相對較高，其中收集環節的成本投入最大。盡管隨著技術水平的不斷提高，CCUS技術的成本會逐漸降低，但目前來說，其成本仍然偏高。CCUS 技術的規?；?、商業化受到了高成本問題的嚴重制約，這已經成為了一個主要瓶頸。為了解決這一問題，針對CCUS 技術提出了明確的發展目標，如圖6 所示，充分體現了我國對CCUS 技術的重視程度。CCUS 技術不僅是上游電能供應端和汽車工業相關生產企業實現深度降碳的關鍵技術手段，對于運行中的傳統燃油汽車來說，進行隨車集成的CCUS技術同樣至關重要。盡管當前隨車尾氣捕集技術尚未成熟，且遠未達到商業化應用階段，但是隨車CCUS 技術對于實現交通領域的凈零排放仍具有重要意義，并具有顯著的市場前景。因此，加速研發與燃油汽車尾氣成分（CO、HC、NOx、PM）相適配的新型吸附劑、新型過濾膜以及尾氣復合捕集等隨車捕集材料與技術，對整個汽車工業產業鏈形成全面碳捕集具有重要的影響。

圖6 中國政府設定的CCUS 技術發展目標

2.2 基于生態的負排放措施——碳匯組件

生態碳匯通常涉及森林碳匯、農田碳匯、濕地碳匯、城市綠地碳匯以及海洋碳匯等多種形式。從空間分布的角度來看，這些生態碳匯可以被概括為綠碳（陸地碳匯）和藍碳（海洋碳匯）?；谘芯恐黝}，研究中僅關注城市綠地。城市綠地不僅具備美化城市環境、提供休閑游憩場所和防災避險等多種功能，而且還擁有良好的碳匯能力。根據《城市綠地分類標準》（CJJ/T 85—2017）可知，城市用地范圍內的城市綠地包括公園綠地、防護綠地、廣場綠地和附屬綠地四類，其中城市道路與交通綠地、市政公用設施綠地均屬于附屬綠地的范疇。在城市綠地空間中，地被、土壤和微生物群落都具有從大氣環境中吸收并完成碳固定的能力，當綠地系統的固碳量大于其排碳量時，該系統則呈現碳匯特征。碳匯這個概念源自于《聯合國氣候變化框架公約》的締約國簽訂的《京都議定書》，它被定義為一種過程、活動或機制，即從大氣中清除二氧化碳的過程、活動或機制。值得注意的是，在研究中所指的碳匯是一種生態措施，并不包含廣義碳匯概念中與碳交易相關的內容。從碳中和目標的中后期階段來看，城市道路交通行業在碳達峰之后，若要實現碳中和目標將面臨更大的挑戰。此時，除了主要依賴技術組件CCUS 的貢獻，也需要借助生態組件（如綠地碳匯）來完成對剩余碳的抵消。作為自然資源的城市綠地，就固碳成本而言，是一種相對經濟且可行的方案。據國家統計局公開數據可知，從2015 至2021 年中國城市綠地面積同比增長率保持在4.5%左右，截止2021 年全國城市綠地面積達到了345.8 萬hm2，如圖7 所示。根據文獻[12]研究結論，可假設城市綠地的平均碳足跡為0.15 kgC/m2·a。據此，可粗略估算出2021 年全國城市綠地新增的碳匯量約為520 萬t。如果城市綠地的面積保持年增長率為4.5%，那么每年城市綠地的碳匯量遞增約24 萬t。雖然該碳匯量相當可觀，但這僅是基于傳統城市綠地的碳匯估算。由于傳統城市綠地在規劃、設計、建造及后期管養過程中并未充分考慮碳匯方法學的相關內容，因此城市綠地的碳匯能力仍有巨大的提升空間。文獻[13]研究表明，通過對既有綠地喬、灌、草覆蓋率的優化調整，使得綠地的碳密度得以大幅提升（如圖8 所示），從而實現了在有限用地面積內獲得更大碳匯量的可能。因此，在后續城市綠地的新建和改造過程中，應適度弱化城市綠地景觀要求，增強城市綠地的碳匯意識，著重考慮如何在有限的綠地空間內獲得更好的碳匯能力。對城市綠地的新建和改造項目，如何提升綠地碳匯能力給出以下幾點建議：其一，持續提高城市綠地率或人均綠地面積，這是擴大城市綠地碳匯能力的基本手段。并根據不同的綠地類型采用不同的綠地率并適度提高喬木占比，例如道路防護林地，由于不考慮景觀及休閑游憩功能，因而可以采用較高的綠地率；相反，對于廣場綠地則應該采用相對更低的綠地率，這是由其功能所決定的。其二，由于喬木的固碳能力大于灌木而地被及草本植物的固碳能力最小[14]，因此在城市綠地設計階段應在保障生長需要的前提下應盡量提高喬木的種植密度，并優先選擇碳匯量較高的喬木（如黃連木、香樟等）。其三，在綠地地形設計中，應盡量減少土石方工程量，同時應優先選擇本土植物，不僅易于種植，還可減少運輸過程中的碳排放。其四，城市綠地規劃與設計階段，應注重綠地土壤固碳能能力的設計。研究認為，城市綠地碳總儲量由植被固碳量和土壤固碳量兩部分組成，且土壤的有機碳密度高于植被碳密度[15]。因此，在進行城市地面鋪裝設計時，應盡可能確保地表的透氣性，這意味著更加注重將地面鋪裝設計與海綿城市理念、土壤碳匯理念進行融合。

圖7 全國城市綠地面積及同比增長態勢圖

圖8 城市綠地結構及覆蓋率優化前后碳密度對比

3 結 論

為了理清碳治理活動中各種措施、路徑或方法之間的關系，構建一個明晰的治理框架，并把握研究與實踐的關鍵路徑，以便于更有效的碳中和行動。研究中搭建了城市道路交通系統性解決方案和碳中和措施分系統的基本架構，明確了從系統、分系統、子系統到關鍵組件的關鍵線路，強調了碳中和措施分系統以及負排放措施子系統在整個碳治理路線中的核心作用。并分別對具有負排放能效的技術措施和生態措施進行了深入分析。研究主要側重于碳中和措施分系統的構建以及負排放措施子系統的研究，而未對保障輔助措施分系統和碳減排措施子系統開展同步研究，這可能使得城市道路交通碳中和措施分系統在實踐過程中被過于樂觀地估計。因此，后續應持續開展針對保障輔助措施分系統和碳減排措施子系統的相關研究。綜上所述，要實現城市交通領域的零碳排狀態，需要強化碳中和措施分系統的基石作用，堅持以負排放和降碳排為碳治理主軸，并持續優化與改進碳中和措施分系統，從而推動城市道路交通達成預定碳中和目標。