碳循环

郗凤明

水泥生产过程排放的大量二氧化碳，一直被认为是全球大气二氧化碳重要的排放源。

然而，中国科学院沈阳应用生态研究所（以下简称沈阳生态所）牵头的国际研究团队却发现：水泥这种广泛应用的建筑材料吸收了大量的全球水泥生产过程排放的二氧化碳，也是重要的碳汇（从空气中清除二氧化碳的过程、活动、机制）。

“我们的新发现出乎意料。”沈阳生态所研究员郗凤明告诉《中国科学报》记者，“从1930年到2013年，全球消费的水泥吸收了43%的水泥生产煅烧过程中石灰石分解排放出的二氧化碳。”

11月21日，在国际顶级期刊《自然•地球科学》在线发表了研究论文《实质性的全球水泥碳化的碳吸收》，郗凤明是论文第一作者，他带领团队在全球水泥材料碳化的碳吸收研究方面取得重大进展。

被忽视的碳汇作用

郗凤明向记者介绍到，水泥混凝土和砂浆的碳化，又称中性化，指空气中二氧化碳渗透到混凝土或砂浆内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程。“在碳化过程中，空气中的二氧化碳被吸收并封存在水泥混凝土和砂浆材料中。”

产业生产和土地利用等人类活动对全球碳循环产生了巨大影响。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告表明，人类活动导致的大量碳排放是全球气候变化主要原因。

其中，水泥生产过程碳排放大，（这里的水泥生产过程排放特指碳酸盐在加热条件下分解的化学反应的碳排放，不包括用于加热水泥分解的能源消费的碳排放），增长速度快，一直受到广泛关注。

郗凤明团队的调研数据显示，水泥生产过程二氧化碳排放占全球二氧化碳排放的5%。我国水泥的生产和消费量占全球的一半以上，我国水泥生产过程的二氧化碳排放占我国总排放量的比例高达9%。

“然而，水泥材料在使用过程中，又不断吸收外界的二氧化碳，这一吸收过程的碳汇量一直没有得到重视和量化。”郗凤明指出，“IPCC在其清单编制指南中的碳排放核算方法，也未考虑水泥材料碳化过程的碳汇作用。”

因此，科学家们需要了解水泥材料在环境中的全生命周期中碳吸收量，量化其累积过程和效应，分析其对碳循环的影响。

影响碳排放基准值

于是，郗凤明的研究团队与哈佛大学、剑桥大学、加州理工学院、加州大学尔湾分校、沈阳建筑大学等国内外16家研究机构合作，阐明和量化了水泥材料全生命周期的二氧化碳吸收，发现水泥材料是重要的碳汇。

郗凤明向记者进一步补充说：“随着时间推移，近一半的水泥生产过程排放的二氧化碳（不包括能源燃烧碳排放）将被使用的水泥建筑材料吸收回来。”

这支国际团队的研究采用了生命周期评价和碳化模型方法，来研究水泥材料的二氧化碳吸收过程和影响因素。郗凤明介绍，我们的研究人员首次构建了水泥材料二氧化碳吸收核算方法，通过将水泥材料分为混凝土、水泥砂浆、建设过程中的水泥废弃物和水泥窑灰，分别量化不同环境条件下的不同水泥材料的二氧化碳吸收量。

研究发现，1930－2013年，全球水泥工业过程二氧化碳排放高达381亿吨，而同期水泥材料碳汇吸收量高达165亿吨，即这个时期内43%的水泥工业过程的二氧化碳排放又被使用后水泥材料吸收回来。

从全球不同国家和区域来看，1994年以前，欧洲水泥碳汇量最大，而后中国年碳汇量占比逐渐增大。郗凤明表示，从不同的水泥材料来看，水泥砂浆的碳汇量最大，这是由于水泥砂浆使用厚度小、暴露表面积大、碳化速度快。

数据显示，2013年全球尺度水泥碳吸收量占包括化石能源燃烧在内的人类活动碳排放的2.5%，中国2013年水泥碳吸收量占中国自身碳排放总量的5%，1930年累计至2013年的中国水泥碳吸收量占中国2013年排放总量的50%以上。郗凤明称：“这一结果将对全球和国家碳排放基准值产生重要影响。”

寻找“失踪的碳汇”

“我们的研究结果发现，水泥是全球一个大型的、被忽视、逐年增长的净碳汇。”论文的通讯作者、在哈佛大学和加州理工学院任职的刘竹博士说，“这个碳汇的量化对全球碳循环研究具有重要的科学意义”。

“与水泥工业过程二氧化碳排放相比，水泥材料的碳汇吸收的时滞效应非常明显，水泥在生产年份的二氧化碳排放，将在水泥使用后的几十年到几百年的时间内被吸收回来。”郗凤明认为，“由于水泥使用量的逐年增加和多年的累积效应，水泥材料碳化的碳汇量不容忽视。”

这项研究为人类活动对二氧化碳吸收的影响提供了一个新的视角，使科学家关注人类产业活动对于全球碳循环过程的巨大影响。“我们从事的研究为废弃混凝土等建筑垃圾作为碳捕捉的碳封存材料提供了一种潜在的方法，为我国应用建筑垃圾发展碳捕捉和碳封存技术提供了理论支持”，论文合作者、沈阳建筑大学校长石铁矛说，“我们的成果将有助于完善当前《IPCC温室气体清单编制方法》的水泥行业碳排放核算方法学的不足。”

在全球碳循环研究中，“失踪的碳汇”一直可科学家多年不断探索的重要科学难题。“研究成果为科学家寻找‘失踪的碳汇’提供了新的视角。”论文的合作者、沈阳生态所所长姬兰柱说，“对人类活动的碳汇过程及其对全球碳循环的影响具有重要的科学意义。” “研究成果也将为我国气候变化谈判提供重要的科学数据。”论文合作者、沈阳农业大学副校长吕杰说。

目前，该项研究工作已被自然杂志审稿专家高度评价为“一项创新性的工作，对全球碳循环、气候变化、碳减排的研究有重要意义”。美国的《科学》杂志采访了该论文在美国的合作者，并同期专门配发了报道文章。