中国科学院沈阳应用生态研究所郗凤明研究员团队和清华大学刘竹教授团队基于水泥材料的全生命周期，构建了水泥碳汇核算模型。结果显示，1930~2021年间中国水泥累积CO2吸收量约为7.06Gt，抵消同期水泥工业过程CO2排放量的50.7%。2021年中国水泥材料的碳吸收量达426.77Mt，相当于中国陆地碳汇的8.10%~45.40%，约占2020年全球陆地平均碳汇的2.51%~4.54%，是全球碳循环中长期被忽视的重要碳汇之一。近期，该成果发表于《中国科学：地球科学》。

水泥是全球用量最高、用途最广的建筑材料之一，同时水泥生产也是人为活动碳排放的重要来源（图1）。然而，水泥材料中的碱性化合物能缓慢吸收周围环境中的CO2发生碳化反应（图2），这一碳汇过程却一直被人们所忽视（Xi等, 2016）。中国是全球最大的水泥生产和消费国，2021年水泥产量达到23.8亿吨，约占全球总产量的一半（国家统计局，2022）。同时，中国也是碳排放大国，科学准确的碳收支数据对中国碳中和路径的制定与实施至关重要。

图1 混凝土颗粒在拆除阶段和二次使用阶段的三维碳化模型的二维示意图

图2 砌筑砂浆的碳化模型示意图

该研究通过构建水泥全生命周期碳汇核算综合分析模型，核算了1930~2021年中国水泥在生产、使用、拆除和二次利用全生命周期内的碳吸收量，并采用蒙特卡洛方法进行10万次模拟，完成了不确定性分析。同时，对中国水泥工业过程碳排放进行了数据更新，确定水泥的碳汇抵消比例。该研究可以为中国的水泥行业碳减排和碳中和路径规划提供数据支持和科学依据。

研究发现，中国水泥CO2吸收量随时间的变化呈指数上升趋势。从1930年的0.07Mt，不断上升到2021年的426.76Mt（95%置信区间CI：317.67~574.33Mt CO2）。1930~2021年，中国水泥累积CO2吸收量约为7.06Gt（95% CI：5.22~9.44Gt CO2），抵消同期水泥工业过程CO2排放量的50.7%。如果考虑水泥的碳吸收，1930~2021年水泥工业过程累积净排放量约为6.85Gt CO2，即一半以上的水泥工业过程产生的碳排放，又会被使用后的水泥重新吸收（图3）。

图3 水泥工业过程碳排放与碳吸收

水泥碳吸收的全生命周期包括三个阶段，即水泥生产阶段碳汇(指生产阶段副产物——水泥窑灰的碳吸收)、水泥使用阶段碳汇(指水泥建筑物的建设和使用阶段碳吸收)、水泥废弃及再利用阶段碳汇(指水泥建筑物拆除、废弃处置及再利用阶段碳吸收)。不同生命周期阶段水泥材料的碳吸收情况差异较大。水泥的生命周期碳吸收量主要发生在使用阶段，约占水泥碳吸收总量的90.03%，相比之下，生产和废弃处置阶段的碳吸收量相对较小，分别占7.63%和2.34%（图4）。

图4 水泥不同生命周期阶段碳吸收

水泥材料根据其利用情况分为混凝土、水泥砂浆、建筑损失水泥和水泥窑灰四类，不同类型水泥材料的年碳吸收量均随时间呈不断上升趋势(图5)，分别从1930年的0.006Mt CO2、0.05Mt CO2、0.003Mt CO2和0.007Mt CO2，增加至2021年的114.61Mt CO2、263.39Mt CO2、15.98Mt CO2和28.43Mt CO2。从累积碳汇来看，水泥砂浆对中国水泥碳汇总量的贡献最大，约为65.64%。混凝土是水泥碳汇的第二大贡献者，累积碳汇量约为1605.11Mt CO2，占水泥碳汇总量的22.97%。水泥窑灰和建筑损失水泥的碳汇累积量相对较少，分别占水泥碳汇总量的7.34%和4.05%。

图5 不同水泥材料碳汇量

水泥碳吸收存在明显滞后效应，如图6所示。根据水泥年碳吸收量的来源进行划分，水泥的年碳吸收量包含两部分：一部分是在某一特定年份内生产的水泥在同年所吸收的二氧化碳量(以下简称为“当年碳汇”)，另一部分是以往年份生产的水泥在当前年份所吸收的二氧化碳量(以下简称为“历史碳汇”)。以20世纪90年代产生的水泥材料为例，这一时期产生的水泥碳吸收量将在未来的30年不断吸收环境中的CO2，而且碳吸收量也会随着年碳化比例的降低而逐渐减少(图6绿色部分)。1930~2021年，水泥的“当年碳汇”占水泥碳吸收总量的72.99%，而历史时期产生的水泥在2021年仍然能够吸收二氧化碳，“历史碳汇”占碳吸收总量的27.07%。

图6 1930~2021年中国水泥碳吸收特征图不同颜色代表不同年份产生的水泥碳吸收随时间的变化

水泥生产过程碳排放是工业生产过程的重要排放源。然而，50.7%的水泥工业过程碳排放会在后期利用中被自身碳化重新吸收。中国水泥材料碳汇量巨大，尤其在上世纪90年代以来，水泥的年碳汇量迅速上升。在1990年至2021年的30年间，碳化水泥的封存率年均增长率约为8.33%。截至2021年，中国水泥材料的碳吸收量已达426.77Mt，相当于中国陆地碳汇的8.10%~45.40%（陆地碳汇量根据Piao等，2022），大约占2020年全球陆地平均碳汇的2.51%~4.54% （Friedlingstein等，2022），是全球碳循环中长期被忽视的重要碳汇之一。

尽管《IPCC国家温室气体清单指南》为水泥生产中CO2排放的量化提供了方法，但未考虑水泥材料的碳吸收。因此，应在研究和制定水泥碳排放方法学方面发挥更积极的作用，向IPCC申请将水泥碳吸收纳入核算体系，以弥补当前的方法学缺陷。此外，通过加强国际合作，争取中国水泥碳吸收量获得国际社会认可，抵消中国碳排放总量，进而增强中国在国际气候变化谈判中的话语权和影响力。

在水泥行业，科学和准确的碳排放与碳汇数据评估有助于企业设定碳中和目标及制定降碳计划，推动行业提前实现碳中和。未来在技术层面，碳达峰以前，可采用低碳生产技术、替代原料和燃料，以及强化能源管理可有效减少碳排放（Pan等，2020；韩力等，2022）。实现碳中和期间，应进一步加强水泥材料的生态效益，加速水泥及其废弃物的CO2矿化技术研发和产业化进程（Ren等，2022）。政策层面，政府应加大对水泥行业节能降碳技术的研发支持，通过财政激励如税收优惠和补贴，建立碳信用体系，并将水泥碳汇纳入碳交易，鼓励企业减少碳排放，从而促进水泥行业碳减排（田桂萍等，2023），助力中国早日实现碳中和目标。

马铭婧, 黄子, 王娇月, 牛乐, 张文凤, 徐晓伟, 郗凤明, 刘竹. 2024. 水泥碳汇核算及其对中国碳中和的贡献. 中国科学: 地球科学, 54, doi:10.1360/SSTe-2023-0062

【参考文献】

国家统计局. 2022. 中国统计年鉴2022. 北京: 中国统计出版社

韩力, 何光明, 李寅明, 顾军. 2022. 双碳目标下水泥行业碳减排策略. 水泥, 540: 1-3

田桂萍, 方艳欣, 崔源声. 2023.我国水泥工业发展现状及前景展望. 水泥, 551: 6-12

Xi, F M, Davis S J, Ciais P, Crawford-Brown D, Guan D, Pade C, Shi T M, Syddall M, Lv J, Ji L, Bing L, Wang J, Wei W, Yang K, Lagerblad B, Galan I, Andrade C, Zhang Y, Liu Z. 2016. Substantial global carbon uptake by cement carbonation. Nat Geosci, 9: 880-883

Pan S Y, Chen Y H, Fan L S, Kim H, Gao X, Ling T C, Chiang P C, Pei S L, Gu G W. 2020. CO2 mineralization and utilization by alkaline solid wastes for potential carbon reduction. Nat Sustain, 3: 399-405

Piao S, He Y, Wang X, Chen F. 2022. Estimation of China’s terrestrial ecosystem carbon sink: Methods, progress and prospects. Sci China Earth Sci, 65: 641–651

Ren M, Ma T, Fang C, Liu X, Guo C, Zhang S, Zhou Z, Zhu Y, Dai H, Huang C. 2022. Negative emission technology is key to decarbonizing China's cement industry. Appl Energy, 329: 120254

Friedlingstein P, O'Sullivan M, Jones M W, Andrew R M, Gregor L, Hauck J, Le Quéré C, Luijkx, I T, Olsen A, Peters G P, Peters W, Pongratz J, Schwingshackl C, Sitch S, Canadell J G, Ciais P, Jackson R B, Alin S R, Alkama R, Arneth A, Arora V K, Bates N R, Becker M, Bellouin N, Bittig H C, Bopp L, Chevallier F, Chini L P, Cronin M, Evans W, Falk S, Feely R A, Gasser T, Gehlen M, Gkritzalis T, Gloege L, Grassi G, Gruber N, Gürses Ö, Harris I, Hefner M, Houghton R A, Hurtt G C, Iida Y, Ilyina T, Jain A K, Jersild A, Kadono K, Kato E, Kennedy D, Klein Goldewijk K, Knauer J, Korsbakken J I, Landschützer P, Lefèvre N, Lindsay K, Liu J, Liu Z, Marland G, Mayot N, McGrath M J, Metzl N, Monacci N M, Munro D R, Nakaoka S I, Niwa Y, O'Brien K, Ono T, Palmer P I, Pan N, Pierrot D, Pocock K, Poulter B, Resplandy L, Robertson E, Rödenbeck C, Rodriguez C, Rosan T M, Schwinger J, Séférian R, Shutler J D, Skjelvan I, Steinhoff T, Sun Q, Sutton A J, Sweeney C, Takao S, Tanhua T, Tans P P, Tian X, Tian H, Tilbrook B, Tsujino H, Tubiello F, van der Werf G R, Walker A P, Wanninkhof R, Whitehead C, Willstrand Wranne A, Wright R, Yuan W, Yue C, Yue X, Zaehle S, Zeng J, Zheng B. 2022. Global carbon budget 2022. Earth Syst Sci Data, 14: 4811–4900

来源: 《中国科学》杂志社