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2022 , Vol. 37 >Issue 5: 1233 - 1246

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20220509

“双碳”目标与可持续城市化

碳中和的缘起、实现路径与关键科学问题：气候变化与可持续城市化

  • 陈明星 , 1, 2 ,
  • 程嘉梵 1 ,
  • 周园 1, 2 ,
  • 丁子津 1 ,
  • 马海涛 , 1, 2
展开
  • 1.中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院可持续发展分析与模拟重点实验室,北京 100101
  • 2.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049
马海涛（1979- ）,男,山东滕州人,博士,副研究员,硕士生导师,研究方向为城市地理与规划。E-mail:

陈明星（1982- ）,男,安徽巢湖人,博士,研究员,研究方向为城镇化与区域可持续发展。E-mail:

收稿日期: 2021-07-12

  修回日期: 2022-01-05

  网络出版日期: 2022-07-28

基金资助

国家自然科学基金项目(42171204)

国家自然科学基金项目(42042027)

国家自然科学基金项目(41822104)

中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目(ZDBS-LYDQC005)

收起

Origin, realization path and key scientific issues of carbon neutrality: Climate change and sustainable urbanization

  • CHEN Ming-xing , 1, 2 ,
  • CHENG Jia-fan 1 ,
  • ZHOU Yuan 1, 2 ,
  • DING Zi-jin 1 ,
  • MA Hai-tao , 1, 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Regional Sustainable Development Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
  • 2. College of Resource and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2021-07-12

  Revised date: 2022-01-05

  Online published: 2022-07-28

Fold

摘要

碳中和是我国应对气候变化的新目标,提出以来引起国内外广泛关注。碳中和目标实现是一个复杂系统科学问题,涉及大气圈、岩石圈、水圈、生物圈、人类圈等多圈层耦合过程与作用机制,需要跨学科交叉、综合与协同研究。简要梳理碳中和提出的气候变化和温控目标缘起,归纳碳中和实现的碳源、碳汇的多元路径,强调从碳源的需求侧推动可持续城市化对于碳中和目标实现的重要作用,并且可能是成本低、潜力大、更直接有效的方案途径。提出适应与减缓气候变化下碳中和与可持续城市化研究领域8个方面的科学问题：气候变化—碳中和—可持续城市化关联关系、中国及各地区碳中和实现的路线图与时间表、城市区域尺度碳排放的精准核算、绿色生活方式与低碳社会、绿色生产方式与低碳经济、能源结构优化、风险与不确定性和碳中和长效机制的治理创新等,以及该领域当前研究面临的机遇和挑战。

关键词： 碳中和; 可持续城市化; 气候变化; 科学问题; 气候变化—碳中和—可持续城市化关联关系; 多圈层

本文引用格式

陈明星 , 程嘉梵 , 周园 , 丁子津 , 马海涛 . 碳中和的缘起、实现路径与关键科学问题：气候变化与可持续城市化[J]. 自然资源学报, 2022 , 37(5) : 1233 -1246 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20220509

Abstract

China's announcement of its "carbon neutrality" target is an important commitment in tackling climate change, which has attracted extensive attention at home and abroad. How to realize the target is a complex systematic science question, which involves the multi-layer coupling process and action mechanism of atmosphere, lithosphere, hydrosphere, biosphere and anthroposphere, requiring interdisciplinary, integrated and collaborative researches. This paper first briefly reviews the origins of carbon neutrality proposal including climate change and temperature control targets. Then it summarizes the multiple paths of carbon source and carbon sink to achieve carbon neutrality. It further emphasizes the importance of promoting sustainable urbanization from the demand side of carbon sources to the success of carbon neutrality, which is very likely to a direct and effective approach with low-cost and high potential. The core part of the target puts forward eight significant scientific topics: a nexus between climate change, carbon neutrality, and sustainable urbanization; the roadmaps and timetables for carbon neutrality of whole China and across regions; accurate accounting of carbon emissions at the urban regional scale; green lifestyles and low carbon society; green mode of production and low carbon economy; energy structural optimization; risk and uncertainty; and innovations of long-term governance mechanisms of carbon neutrality. Finally, the paper concludes opportunities and challenges of the field in the current situation.

Key words： carbon neutrality; sustainable urbanization; climate change; scientific topics; the climate change-carbon neutrality-sustainable urbanization nexus; multiple layers

2020年9月22日,习近平主席在第七十五届联合国大会上郑重宣布,“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,努力争取2060年前实现碳中和。”在2030年碳排放达峰承诺的基础上又一次升华,从碳达峰到碳中和,这一重要宣示为我国应对气候变化、绿色低碳发展提出了更高要求的新目标指引。碳中和新目标是中国向国际社会作出的庄严承诺,彰显我国积极应对气候变化、走绿色低碳发展道路的决心,为世界各国携手应对全球性挑战,共同保护好人类赖以生存的地球家园,共同构建全球人类命运共同体、人与自然命运共同体提供了中国方案,受到国际社会广泛认同和高度赞誉。中国是世界上人口最多的国家,中国碳减排行动对于全球碳减排进程起着举足轻重的影响、作用和意义。这也将对其他国家产生积极效应,有助于弥补不同国家在应对气候变化方面的分歧。
碳中和目标提出以来,引起了国内外学术界的广泛关注。充分肯定中国碳中和目标对全球及中国自身可持续发展的重要意义,预计可以使全球变暖降低0.2~0.3 ℃[1],促进中国未来十年的GDP增长率达到5%,并且通过降低清洁能源成本等,将间接对其他国家产生积极的“溢出效应”[2]。部分学者认为中国提出碳中和目标出乎意料、超出预期,对碳中和目标实现持谨慎态度,非常关注中国的能源消费转型状况,尤其是可再生能源、核电和碳捕集技术等,将其视为成功的关键[3]。煤炭仍然是最大的挑战,高碳的煤约占中国总能源消耗的58%、电力生产的66%[4]。通过计量模型模拟了碳达峰及碳中和的可能情景,一般认为碳达峰目标能够如期甚至超前完成[5⇓⇓-8],碳中和目标实现则需在能源高质量发展等方面作出更多努力[9⇓-11],包括节能提效、能源结构低碳转型[12]、推动消费终端电气化[13]以及电气部门的脱碳化[14]等,摆脱对煤炭等化石燃料依赖[15,16]。近年来,中国在清洁能源特别是可再生能源领域的技术进步与成本降低是能源转型的重要机遇[17,18]。此外,重点高排放行业,如工业、建筑业[19,20]、交通运输业[21]等的节能提效和电气化水平提高具有较大减排空间。降低高碳产业占比、发展绿色产业、实现产业结构转型是低碳甚至零碳生产的关键[22]。除了从源头深度减碳,生态系统碳汇[23,24]和碳捕集、利用与封存（CCUS）等负排放技术[25⇓⇓-28]也是重要的手段,未来还将有较大的发展潜力[29]。碳中和目标实现还有赖于推动政策创新[30]、加快技术创新[31⇓⇓-34]、产业创新[22,35]、发展绿色金融体系[36,37]和建立碳交易市场等[38⇓-40]。已有研究加深了对碳中和目标、内涵和路径的理解。但是,总体而言碳中和既是直接面向国家战略需求的重大问题,也是一个跨学科的重大科学问题。碳中和问题涉及学科面广、因素间关系交织、作用机理非常复杂。因此,对于碳中和交叉与综合研究亟待加强,以加强国家战略决策的科技支撑。本文尝试梳理分析碳中和提出的背景、气候变化与温控目标的缘起,分析碳中和的多圈层耦合交互作用特征及其实现的多元路径,提出可持续城市化作为非常重要又容易被忽视的重要路径,在此基础上重点提出适应与减缓气候变化下碳中和与可持续城市化研究的若干科学问题。

1 提出的缘起与实现路径

1.1 缘起是应对气候变化

美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA）发布的2020年全球气候报告[41]指出,2020年全球是在有气温记录以来141年中气温第二高的年份,比平均气温高出0.98 ℃,其中陆地气温是有记录以来最热的一年,比平均气温高出1.59 ℃。高温天气引发了热浪、火灾和干旱,严重影响了南美洲、南部非洲等地区人们的生活、生存和发展,极端降雨、洪水、风暴等极端天气也造成了南亚、东南亚以及非洲之角地区人们的流离失所和生命财产损失。《中国气候变化蓝皮书2021》[42]也指出,2011—2020年是有完整气象观测记录以来最暖的十年,全球海洋热含量和平均海平面均再创新高,冰川强烈消融,全球气候风险不断加剧。中国是全球气候变化的敏感区和影响显著区之一。20世纪中叶以来,中国区域升温率明显高于同期全球平均水平。2020年,我国暴雨洪涝、台风、干旱、强对流、高温等极端天气气候事件多发,气候风险趋高。
普遍认为气候变暖事实已经发生,气候变化已经成为全球可持续发展需要共同面对的严峻挑战。而且,人类活动尤其是工业化以来大规模城市化与社会经济活动,是造成气候变暖的重要驱动力。人类世提出的重要依据也是人类作用越来越成为一个重要的地质营力,人类活动对地球的影响超过自然系统本身变化的影响。一方面,人类在土地利用变化、大规模城市化[43]、地球表层重新塑造[44]等方面改变了地球环境。另一方面,人类活动改变了大气成分,化石燃料的巨量开采利用造成大气中温室气体浓度快速上升,温室效应进一步加速了全球变化。两个方面作用交织影响,共同塑造形成了对地球系统与气候变化的巨大影响。
IPCC在《全球1.5 ℃特别报告》[45]指出,CO2等温室气体浓度仍呈增长趋势,2020年CO2的全球平均摩尔分数已超过410 ppm。若继续保持目前温室气体排放速率,则全球升温很可能会在2030—2052年达到1.5 ℃,这将给全球带来风险。1995年,IPCC就在第二次评估报告[46]中提出2 ℃作为气温变化的阈值对全球的高风险情景,《巴黎协定》就更加满足全球可持续发展需要的1.5 ℃温控目标基本达成共识,以减少人类系统面临极端气候、粮食和卫生安全、沿海城市暴露,以及自然和生态系统物种多样性减少等风险。因此,通过人为清除人类排放到大气中的温室气体,使排放量和清除量达到平衡,以实现温室气体的净零排放[45],碳中和成为了全球应对气候变化风险的关键目标和首要任务。IPCC对碳排放路径和升温情景模拟后发现（图1）,若全球净CO2排放能够从2020年开始持续下降,实现2055年净CO2和累积CO2排放达到净零和不再增长,甚至在2040年就完成目标,则在21世纪末将温控限制在1.5 ℃的可能性更高,同时需要从2030年开始着手减少净非CO2辐射效应,否则将增加失败风险。
图1 累积CO2排放量和未来非CO2辐射效应决定1.5 °C温控的可能性（引自IPCC《全球变暖1.5 °C特别报告》[45]）

Fig. 1 Cumulative emissions of CO2 and future non-CO2 radiative forcing determine the probability of limiting warming to 1.5 °C

1.2 多元路径与可持续城市化

碳循环是碳元素在地球大气圈、岩石圈、水圈、生物圈、人类圈等多圈层之间循环迁移转化的复杂过程。可以划分为碳源与碳汇两个方面：从碳源来看,主要包括以大规模城市化为代表的人类活动,以及在此基础上形成的化石能源开发利用;从碳汇来看,主要包括以陆地与海洋生态系统碳汇,以及碳捕集技术研发（图2）。大气圈中的CO2是生物体碳元素的重要来源,岩石圈和水圈是最大的两个碳库,其中的碳元素周转时间长,储存量大。生物圈、人类圈的碳元素储存和转化机制最为复杂。碳中和以实现大气圈层中CO2碳排与碳汇达到平衡为目标,需要从碳循环过程的各个环节研究降碳方法与路径,有赖于跨学科从多角度进行多元路径的积极探索。
图2 碳循环与碳源碳汇主要路径

Fig. 2 The paths of carbon cycle, carbon source and carbon sink

工业化以来,人类活动对全球碳循环的动态变化影响巨大,主要通过大量化石能源开采利用及土地利用变化等方式增加了大量碳排放。大规模的城市化进程进一步加剧了人类生产生活的聚集性和强度,化石能源消耗和碳排放急剧增加。全球城市人口数量业已超过了农村人口,城市以较小的土地面积,创造了全球绝大部分的财富,但在此过程中不断发展的建筑业、工业、交通运输业以及电力部门也使城市成为了碳排放的主要源头。为了消除大气中的CO2,当前生态学、生物学和地质学等多学科都对固碳端展开了路径研究,包括陆地海洋生态系统的碳汇作用与碳捕集、利用和储存（CCUS）技术。学者们[23]探索了陆地和海洋生态系统各类碳库的现存储量格局、碳汇功能及速率格局,近年来也取得了一定的进展,基本掌握了中国陆地表层的碳储量和格局。碳捕集、利用和储存技术未来具有一定的发展潜力,也存在技术研发的不确定性,以及碳储存安全与泄露风险,方向是发展实现较低成本、风险可控的可操作推广的技术突破。IPCC评估报告[45]中指出,如果将碳中和重点聚焦到负排放技术而非实行能源减排行动,则碳中和及温控的方案灵活性相对较小,因为负排放技术面临着不同程度的技术、经济以及制度的限制,还有与土地利用和粮食布局等可持续发展发生冲突的风险。因此,选择以可持续城市化为牵引的对人类自身活动的调整与适应,通过行为改变和需求侧管理减少碳排放,可能是直接有效、成本低和潜力大的方案路径,预期在碳中和目标中发挥重要作用。
从国际经验和发展轨迹来看（图3）,大致在人均GDP水平达到1万美元之前,人均GDP与人均碳排放量之间存在相关关系,反映出随着生活水平提高能源消费呈现增长的趋势。而在人均GDP超过1万美元之后的国家,则呈现出明显分化,大致可以划分为三种典型：（1）以卡塔尔、科威特、沙特阿拉伯为代表的石油生产国,具有很高的人均能源消费量;（2）以加拿大、美国、澳大利亚等为代表的发达国家,人均能源消费量均达到高水平;（3）以英国、丹麦、瑞士为代表的发达国家,人均能源消费量处于较低水平。我国2019年的人均GDP为8242.1美元,人均能源消耗量为98.8 GJ,在国际中均处于中间地带。随着我国城市化和经济社会水平进一步提升,人均GDP还将持续增长,而人均能源消耗量发展正处于关键节点,向高人均GDP、低能源消费的先进国家学习经验,引导绿色生产生活方式,走低碳可持续城市化道路[49,50]。
图3 2019年世界主要国家人均GDP与人均能源消费量（据世界银行[47]及bp中国[48]数据绘制）

Fig. 3 GDP per capita and energy consumption per capita by country (region) in 2019

2 碳中和与可持续城市化的关键科学问题

2.1 气候变化—碳中和—可持续城市化关联关系

气候变化受城市化等人类活动持续影响,而气候变化又对城市化及人类活动产生影响与巨大风险。碳中和是适应与减缓气候变化的关键途径与调控目标,碳中和目标会对城市化与人类活动又产生一定程度的约束作用。工业革命以来全球大规模城市化进程是气候变化重要原因,可持续城市化是积极应对气候变化的人类自身的调整与适应策略,也是碳中和目标能否如期实现的关键。气候变化、碳中和与可持续城市化之间的复杂关系、传导机制与适应策略等并不清晰。
深刻认识CMIP6全球气候模式、局部气候模拟等对近长期气候变化趋势,并对其不确定性进行科学评估[51]。认识到以大规模城市化为代表的人类活动是造成气候变化的重要成因,包括温室气体排放,也包括城市化对地表植被、水文等自然生态系统要素影响加剧气候变化[52,53]。如何进一步科学定量评估自然要素和人为要素对气候变化的影响与归因[54],厘清全球、区域与城市尺度气候变化的人为因素影响程度及其作用机制,以及大规模城市化如何影响局部、区域及全球气候变化的多尺度效应。碳中和关键通过中和净零排放,控制持续增长的大气层温室气体浓度,达到21世纪全球变暖的温控目标,从而降低全球气候变化风险。加强基础研究,明确不同情景下全球、区域及城市尺度在温控目标下碳可排放量、碳减排量、碳汇量及碳中和实现之间的组合关系,为制定合理的全球、区域与城市碳排放额度及实现碳中和目标具有重要意义（图4）。
图4 气候变化—碳中和—可持续城市化关联关系

Fig. 4 The climate change-carbon neutrality-sustainable urbanization nexus

2.2 中国及各地区碳中和实现的路线图与时间表

中国在2060年前实现碳中和目标时间表已经明确,制定一套可实现目标具体方案的路线图迫在眉睫,研判碳中和目标下对我国碳减排从达峰到中和转型的阶段性变化特征与规律,以及可能遇到的风险与挑战。一般意义上讲,碳中和实现包括两个方面：碳源减排与碳汇增加。碳源减排主要包括三个方面：降低化石能源使用、绿色生产与低碳经济、节约消费与生活方式调整。碳汇增加也主要包括三个途径：陆地生态系统碳汇、海洋生态系统碳汇以及碳捕集技术研发（CCUS）。《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》及各省市“十四五”规划中碳中和的高频词云分析显示“绿色能源”“绿色技术”“绿色产业”“绿色设施”等治理和创新关键领域。中国碳中和目标提出以来,各地区、各行业及重点企业纷纷提出自身的碳中和方案,高碳地区、行业及企业“脱碳”是未来发展趋势。但值得注意的是,脱碳是一个系统工程,不仅是能源结构优化或其他某一方面,需要科学分析三个碳源减排与三个碳汇增长六个维度及其子维度的科学组合比例关系。而不是追求脱碳速度越快越好,不可以急躁冒进。例如,降低化石能源使用子维度,包括发展风能、水能、太阳能等可再生清洁能源,优化以煤炭为主体的能源消费结构,需要充分考虑各种利弊条件与影响因素,以及可能出现的新问题与新风险。此外,碳中和目标在不同类型地区实现的难易程度和进度并不相同,各地区应因地制宜,差异化研究设计碳中和实现的路线图与时间表。

2.3 城市区域尺度碳排放的精准核算

碳中和目标的实现离不开城市区域的落地,而城市区域尺度碳排放的精准核算则是落地的关键基础和前提。尽管IPCC提出的基于温室气体排放清单的一套标准程序的碳排放核算方法,并主要在全球和国家尺度层面得到广泛应用。但是,在相对精细化城市区域尺度核算时,受到可获取数据约束、不同区域或国家统计口径可比性等影响,目前并没有在城市区域尺度碳排放精准核算方面形成共识。大致有“自上而下”和“自下而上”两种实现核算的思路方法。“自上而下”的城市区域尺度碳排放估算,主要是基于省级尺度能源平衡表、分部门工业能源消费和工业生产过程等数据,利用可用的市级社会经济数据作为分配权重,弥补城市区域尺度碳排放数据缺失或质量参差不齐的问题[55]。“自下而上”的碳排放核算思路主要根据城市的工业部门、交通部门、家庭部门、商业部门、工业生产过程和固体废弃物的能源消费情况,直接核算出城市区域尺度的碳排放[56],主要生成格网尺度碳排放核算数据。利用2007年全球电厂数据库,结合夜间灯光数据,得到1980—2007全球1 km分辨率碳排放格网数据[57]。国际上碳排放格网数据集主要有欧盟的全球大气研究排放数据库（EDGAR）、美国碳排放格网数据[58]。基于发电厂、水泥厂和钢铁厂等点位数据,对中国进行格网尺度碳排放核算的CHRED数据产品[59,60]。亟待加强城市碳监测平台建设[23],建立城市区域尺度碳排放精准核算的一套标准规程,以及技术方法实现过程。

2.4 绿色生活方式与低碳社会

能源结构改革、技术革新等可以认为是供给侧减排。与之对应,绿色生活方式则是通过需求侧实现减排。与资源密集型生活不同,绿色生活方式更多强调节约型消费习惯和生活方式,从而降低能源需求以及土地、食物消费等引起的温室气体排放,是实现1.5 °C温控目标关键途径之一[45]。然而,由于这条碳中和途径涉及到每个个体,考虑个体数量众多其分散性、巨大的生活习惯差异性、消费心理不确定性等,往往会觉得这条途径难度非常大,而有意或无意被忽略。以个人或家庭为单位的碳排放研究,发现汽车和飞机等交通方式出行、肉类和乳制品的消费、供暖等是家庭碳足迹主要组成。个人和家庭收入水平、生活状况、住房面积等会极大地影响家庭碳足迹水平。有研究指出,仅凭短期个体自愿努力不足以实现1.5 °C温控目标所需的大幅度减排,个人和家庭需要一个支持其行为改变的监管框架[61]。中国人口总量大,人均资源占有量少,资源环境承载压力较大等基本国情,决定了绿色生活方式、合理节约消费对于中国中长期可持续发展的极端重要性。庞大人口规模也决定了必然存在巨大的减排潜力和空间。加强绿色低碳消费引导,遏制攀比性、炫耀性、浪费性等不合理的消费行为[62,63],树立勤俭节约的消费观,培养绿色低碳生活的日常行为和习惯,在衣、食、住、行等各个方面向绿色化转变,降低生活方式碳足迹,真正从源头降低不合理、不必要的碳排放量,建设低碳社会。

2.5 绿色生产方式与低碳经济

生产活动是能源消费与碳排放的主要来源。2019年,中国仅在工业、交通运输和建筑三个领域的碳排放占全社会碳排放比例已经超过一半,占比分别约为36%、9%和8%[64]。传统高耗能高碳工业需要从要素驱动转向创新驱动,开展相关领域关键技术创新,对传统企业开展绿色化和电气化改造,尤其是钢铁、化工、建材、有色、造纸、印染等。随着城市化进程的不断推进,交通运输业和建筑业快速发展,减排和调整的空间潜力巨大。交通运输业中,公路、铁路、航空及水运在交通出行中单位里程与碳排放量关系以及不同交通方式的比例结构等交通碳排放问题愈加重要[65,66],是交通电气化改造和节能技术应用的支撑。中国当前每年新增建筑面积约20亿km2[67],人口未来增长趋势与布局、城市化发展速度规模以及相应的建筑业未来变化趋势等,以及建筑业在供暖和制冷方面能耗的下降空间和潜力亟待探索。此外,通过创新驱动绿色产业发展,提高绿色技术标准与服务体系和供给能力,寻找绿色产业链与创新链的短板和关键风险点,探索绿色产业体系和空间布局优化的路径,都是重要发展方向。降低高碳产业比例是个中长期过程,面临着庞大的传统产业发展路径锁定等挑战,仍需留出一定时间,在行业发展与减排改造中探索平衡关系。农业与温室气体关系不是单向的,既发挥了陆地生态系统碳汇功能,也是非二氧化碳温室气体排放的重要来源。绿色生产方式还要发展循环经济,在生产、建设、流通和消费全产业链条中推进节能提效,关注整个产品全生命周期的碳排放过程。

2.6 能源结构优化

能源部门结构的优化和调整被视为实现碳中和目标实现的关键,而降低煤炭石油等化石能源消费、提高新能源比例则是能源结构优化调整的关键。对清洁能源和可再生能源的未来发展情景进行了预测和展望。国际能源署（IEA）在《2050年净零碳能源行业路线》[68]报告中指出,要实现碳中和目标,2050年可再生能源应占能源供应总量的三分之二以上。IPCC在《可再生能源与减缓气候变化特别报告》[69]中认为2050年在最理想情境下可再生能源的能源占比可达到77%。世界自然基金会（WWF）[70]则提出了“2050年100%可再生能源”构想。国际上煤电占比大约为36.4%,而中国煤电占比64.7%,超过国际水平两倍[50]。近年来,中国可再生能源发展迅速,太阳能光伏和风能等发电成本快速下降。但由于清洁能源的不稳定性,其提升不会是“线性”的[71],需要给技术进步留出一定的发展时间和空间,仍需要传统能源为基础,激进地大比例削减化石能源,可能会对能源系统的安全性造成威胁。提高可再生能源在电力系统中的比例,需要解决系统平衡和安全稳定性的关键问题。因此,科学合理的煤炭与新能源在电力结构中的占比关系研究非常重要,在2060年碳中和目标实现情景下,我国煤电是否应全面关闭还是保留一定比例?如果保留,合适比例是多少?此外,在新能源中,风能、光伏、水电及核电等之间比例关系又是如何?在新能源快速大规模发展的同时,是否会带来新的资源环境风险和挑战?

2.7 风险与不确定性

碳中和目标实现是个系统工程,在各个环节都存在风险与不确定性。在气候变化领域,未来气候变化情景、温室效应机理、温室气体排放与气温变化的关系、水汽对温室效应及增温的贡献、气候模式模拟、多模式本身的缺陷与比较、1.5 °C与2 °C阈值的物理意义与社会经济风险等,气候系统变化的复杂性决定了人类对气候变化问题的认识产生分歧和争议在所难免[72,73]。在社会经济活动碳排放领域,人口增长、结构变化、城镇化进程、城镇人口规模及消费活动等存在不确定性,有重大突发事件如全球新冠疫情等影响,以及后疫情时代全球政治格局不断变化,地缘政治风险不断升级、全球化与经济政策不确定性[74⇓-76],促使社会经济发展的未来情景更加难以预测。第三次气候变化国家评估报告（2015）[77]指出中国未来的CO2排放量有较大的不确定性,且将随着时间变化不确定性还将增加。在生态系统碳汇能力、新能源发展、碳捕集等技术进步研发方面,也存在巨大不确定性。目前,对于陆地和海洋生态系统的碳汇强度估算和未来潜力还未形成共识,存在明显差异[23]。潘家华等[9]认为绿色植物从长远来看是气候中性碳,森林和农田等生态工程对碳中和的作用十分有限。新能源发展的核心技术突破和成本降低等具有不确定性。CCUS等负排放技术既被认为是最具潜力的新兴技术,也被认为最具风险[78]。将捕集的CO2进行长期封存是关键的技术挑战和安全风险[79],当前仍以政府扶持为主[25],未来能否形成市场化及大规模地部署CCUS技术仍有待观察。这些风险与不确定性给构建气候变化—城市化与社会经济系统—碳排放碳达峰碳中和的综合分析与预测模型带来巨大挑战,亟待科学研究的突破。

2.8 碳中和长效机制的治理创新

诺贝尔经济学奖获得者威廉·诺德豪斯在2015年提出了气候俱乐部的构想,气候俱乐部的成员应当通过协调对其他国家进口的关税来促进碳减排。世界贸易组织（WTO）允许征收“碳边界调整”费用的规则也使这一构想成为可能。欧盟已承诺收紧碳定价体系,并引入碳边界调整,美国和中国也做了类似承诺,但碳边界调整措施的应用当前仅在加利福尼亚州进行尝试,要实现三大经济体及全球其他国家的合作仍任重道远[80]。全球层面的碳中和行动有赖于美国、中国、欧盟等碳排放主体的联合行动,否则全球非对称的减排政策可能造成严重的碳排放跨境转移（即碳泄漏）,不利于碳中和承诺国的减排效果。按照“共同但有区别的责任”原则,高收入发达国家应当比其他国家承担更多的减排责任,通过免除中低收入国家边境费用、转移中低收入国家气候技术等手段,帮助发展中国家实现碳中和目标。但未来的排放权如何公平合理分配,如何有效开展进行资金和技术的援助等仍有待推进,亟待建立气候变化、碳中和与社会经济系统适应的全球治理体系。国际组织与跨国发展平台也可以增加气候合作内容,推动大区域性的气候联合治理。各国对气候政策和碳排放立法是实现其自身减排目标的重要途径。此外,国家之间、区域之间的贸易和产业转移,使得碳排放问题在不同国别、不同区域间存在碳隐含流动、碳泄露和碳转移,因此,综合考虑生产端和消费端,根据国家和地区间经济社会发展实际,建立公平合理和协同的治理体系也至关重要。

3 面临机遇与挑战

作为国际热点、前沿科学问题和国家重大战略需求,碳中和与可持续城市化研究迎来了重大机遇,交叉综合研究和大数据方法应用为研究带来了创新潜力。
（1）适应和减缓气候变化的碳中和及可持续城市化近年来成为国际热点。气候变化问题是全球共性问题,是全球人类命运共同体面临的严峻挑战。联合国等国际组织、世界多国政府与管理者、科技界学术期刊以及多学科的科学技术人员等纷纷关注这一领域,希望通过基础科研领域认知深入、先进技术研发、生产管理优化、生活方式调整等,促进人类可持续发展、适应和减缓气候变化等目标的顺利实现。
（2）气候变化—碳中和—可持续城市化关联关系成为前沿交叉科学研究的新领域。碳循环过程、城市化过程都是地球表层的重要过程,集中反映了人地关系相互作用。深入探索气候变化、碳排放和城市化过程的相互作用、影响机制和实施路径,是全面认识地球表层系统多圈层耦合及界面过程的重要内容,有助于促进SDGs、碳中和与可持续城市化等多目标的协同效应。大数据发展与应用为该领域交叉综合研究提供了新路径。
（3）2060年碳中和目标是国家战略的现实需求。2060年碳中和新目标已经明确提出,这倒逼大规模粗放式城市化与生产生活方式的调整与转型。为了实现这一目标,需要各级政府、企事业单位、学术团队和人民群众各个行为主体的积极参与,共同倡导低碳绿色生产生活方式转型。多学科在气候变化、碳排放和城市化研究中取得一定进展,在面向政府决策方面发挥了积极作用,该领域研究深入推进将为这一目标提供科学理论和技术方法支撑。
当然,碳中和与可持续城市化研究还存在着明显瓶颈。一是基础研究积累难以满足当前科学决策需要。未来碳中和目标实现,从社会经济活动与可持续城市化过程来看有多大适应和调整的空间?才能既有效促进碳中和、碳达峰目标的如期实现,又不影响到人民生活质量提升和经济社会可持续发展。二是当前多学科研究内容分散、未成体系,学科间的交叉融合不够。三是面向碳中和目标的可持续城市化研究尚处于起步期,在相关国际问题上话语权不够。深入研究碳排放与可持续城市化,增进人类认知与科学应对能力,与经济社会可持续发展紧密相连,也有助于中国在碳中和领域的自主创新,积极构建与深度参与到国际治理体系之中,提升中国在碳中和国际事务中话语权与谈判主动权,确保中国等发展中国家合理必要的发展空间。

4 结论

（1）碳中和是跨学科的重大科学问题,涉及不同圈层耦合交互作用,亟待加强多学科协同。当前多学科在各自领域都已经取得了一些进展,但距离科学有效支撑国家战略需求还存在明显差距,学科间交叉融合不足、研究内容未成体系等。地球科学具有多圈层相互作用的综合交叉研究的学科传统和优势基础,在促进碳中和多学科协同研究上大有可为。
（2）可持续城市化对碳中和实现具有重要意义,从城市生产生活方式的需求侧管理方面,是从源头上减少化石能源消费和降低碳排放,以可持续城市化为牵引的城市生产生活方式的绿色低碳转型,是碳中和目标实现的关键路径,也有助于减少对技术研发等不确定性的依赖。土地利用变化与三生空间的统筹优化,国土空间规划与国土空间治理,以及面向可持续城市化的城市体检与科学管理等也是重要内容。地理科学与资源环境科学在这一领域有较好的基础与发展潜力。
（3）碳中和是面向国家发展战略需求的重大问题,2060年目标实现任重道远,适应和减缓气候变化下碳中和与可持续城市化研究是重要方向领域,建议相关机构能够加大对这一新领域的资助及支持,促进对碳中和与可持续城市化的科学认知,为推动碳中和目标的科学决策和如期实现提供坚实的科技支撑。

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