賀晨旻 遲遠英 向翩翩 徐楊梅 吳亞珍 焦玉捷 胡宇 姜克雋

摘要 近期發(fā)布的IPCC第六次評估報告再次強調(diào)了短壽命期溫室氣體減排對溫升減緩的作用。甲烷是最重要的短壽命期非CO2溫室氣體。在各國提出各自新的減排目標之后，針對甲烷減排的行動方案也越來越多。甲烷減排正在成為下一階段各國和全球合作的重點領(lǐng)域之一。本文在我國碳減排目標下的能源轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)上，結(jié)合其他非能源活動的減排排放源的減排技術(shù)選擇基礎(chǔ)上，利用IPAC模型對未來甲烷的排放情景進行了分析。在模型設(shè)定的兩個情景分析基礎(chǔ)之上，研究發(fā)現(xiàn)，到2050年的能源轉(zhuǎn)型可明顯減少能源活動的甲烷排放，和2015年相比能源活動的排放可減少67%。和其他行業(yè)相比，能源部門的甲烷減排具有更好的協(xié)同性。如果考慮進一步減排甲烷，則需要在考慮其他大氣污染物減排的基礎(chǔ)上，可通過實現(xiàn)天然氣的進一步減排來實現(xiàn)。同時其他部門的甲烷減排也具有很大潛力，低甲烷排放情景可以實現(xiàn)到2050年將甲烷排放減少到1 494萬噸，和2015年相比全范圍排放可減排58%。

關(guān)鍵詞能源轉(zhuǎn)型;甲烷排放;碳中和;短壽命期溫室氣體;減排

1 背景

巴黎協(xié)定目標的實現(xiàn)，取決于溫室氣體排放的減排。非CO2溫室氣體的研究也越來越受到重視。非CO2溫室氣體特別是短壽命期溫室氣體的濃度對近期溫升有明顯影響，而且很大程度上具有區(qū)域性。在中國，針對短壽命期溫室氣體的研究還很有限，特別是針對實現(xiàn)巴黎協(xié)定目標下的排放情景的分析。

甲烷（CH4）的壽命一般為8～14 a。目前CH4是排名第二的人為排放溫室氣體，人為來源占全球CH4排放總量的50%～65%（Schwietzke et al.，2016）。在20 a的時間范圍內(nèi)，CH4的全球變暖潛力（Global Warming Potential，GWP）值為86，100 a的GWP為28（IPCC，2020）。全球CH4排放量每年以較快的速度增長，2019年CH4排放量增加了1.3%（Olivier and Peters，2022）。作為一種短壽命期溫室氣體（SLCPs），CH4減排為解決短期全球變暖提供了重要機會，并在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標（SDG）中發(fā)揮了重要作用（Mora et al.，2018;Teng et al.，2019;IPCC，2022）。

本文將分析在我國碳減排目標下的能源轉(zhuǎn)型路徑中，甲烷排放相關(guān)行業(yè)的甲烷的排放情景，同時考慮了針對甲烷減排的多種潛在技術(shù)可能性，進一步分析了甲烷減排的能源轉(zhuǎn)型路徑。

2 我國甲烷排放

全球和國家級的甲烷排放清單和CO2排放清單相比存在較大的不確定性，不同的計算來源的甲烷排放差別較大。根據(jù)中國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》（生態(tài)環(huán)境部，2018），2014年中國CH4排放5 529.2萬噸，占中國溫室氣體排放總量的10.4%，其中能源活動排放2 475.7萬噸，占44.8%;工業(yè)生產(chǎn)過程排放0.6萬噸;農(nóng)業(yè)活動排放2 224.5萬噸，占40.2%;土地利用、土地利用變化和林業(yè)排放172.0萬噸，約占3.1%;廢棄物處理排放656.4萬噸，占11.9%（生態(tài)環(huán)境部，2018）。減少CH4的排放已成為中國長期氣候戰(zhàn)略的基本戰(zhàn)略。

根據(jù)其他的一些研究，過去的幾年中，中國約占全球人為CH4排放量的14%～22%（Janssens-Maenhout et al.，2019）。2019年中國的CH4排放量增加了約2.2%，其中CH4排放量增加主要是由于煤炭開采（主要是地下采礦），其排放量增加了5%，所占份額為32%;中國第二大CH4來源是水稻種植，約占22%;導(dǎo)致總產(chǎn)量增加的另一個來源是天然氣，其CH4排放增加了11%（Olivier and Peters，2022;BP，2020）。圖1給出了荷蘭評估署的溫室氣體排放報告中給出的中國甲烷排放趨勢，可以看出中國甲烷排放在持續(xù)增長，某些時段出現(xiàn)下降（Olivier and Peters，2022）。圖2給出了2010—2015年中國多個行業(yè)的CH4排放情況（橘色代表煤炭行業(yè)，紫色代表大米生產(chǎn)業(yè)，藍色代表以反芻動物養(yǎng)殖為主的農(nóng)業(yè)，紅色代表廢品處理行業(yè)，淺綠色代表油氣行業(yè)，灰色代表自然排放及其他排放），可以展示各行業(yè)的增長趨勢。由于分析參數(shù)的差別，這些結(jié)果并不完全一致。

自2010年起，中國就已陸續(xù)出臺與煤層氣開發(fā)、利用和監(jiān)管相關(guān)的政策規(guī)劃。2011年，中國發(fā)布《煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十二五”規(guī)劃》（以下簡稱“十二五”規(guī)劃），提出到2015年煤層氣的抽采量要達到140億立方米，利用量達到84億立方米，利用率60%以上?！笆濉币?guī)劃再次制定目標，到2020年，煤礦瓦斯抽采140億立方米，利用量70億立方米，利用率50%以上。根據(jù)國家安監(jiān)總局統(tǒng)計司的數(shù)據(jù)，2017年，中國煤層氣的利用率為38.2%。除各項規(guī)劃以外，中國還制定了一系列相關(guān)財政補貼方案和優(yōu)惠措施等作為激勵，包括提高補貼、上網(wǎng)標桿電價、煤層氣發(fā)電增值稅即征即退等。

3 模型方法

本文利用IPAC-AIM/技術(shù)模型進行分析。IPAC-AIM/技術(shù)模型是IPAC模型研究團隊自1994年開始構(gòu)建的IPAC模型組的一個模型。目前在幾個研究機構(gòu)得到應(yīng)用。該模型采用自底向上模型分析方法，利用基于線性規(guī)劃的最小成本優(yōu)化，分析未來實現(xiàn)一定服務(wù)需求的各種技術(shù)的組合，進而得到能源消費量，以及相關(guān)的各種污染物排放量。模型包括自礦石開采，能源加工轉(zhuǎn)換、終端需求等全范圍的能源活動。模型已經(jīng)在之前的文獻中進行了介紹（Jiang et al.，1998，2005，2006，2013，2018）。這里為了分析甲烷排放，模型根據(jù)甲烷排放源增加了一些非能源活動，如污水處理甲烷排放、農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)甲烷排放等。IPAC-AIM/技術(shù)模型可以較好地仿真能源活動，并和政策需求相匹配。

本文將主要分析甲烷的排放情景。根據(jù)數(shù)據(jù)可獲得性和模型方法論，排放源主要包括能源活動中的排放，工業(yè)生產(chǎn)過程中的排放，土地利用過程中的排放，農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)排放，垃圾排放，以及污水處理排放等。

本文的分析區(qū)間為2015—2050年，將著重分析我國未來在能源、氣候變化決策，五年規(guī)劃，以及國際合作過程中的關(guān)鍵年份。

目前模型中包括的部門有61個，見表1。為了分析甲烷排放，根據(jù)甲烷排放源，對IPAC模型的部門和技術(shù)進行了擴展，以分析更加詳細的能源活動的甲烷排放，以及非能源活動的甲烷排放。

研究中將采用兩個情景，即能源轉(zhuǎn)型情景，以及低甲烷排放情景。能源轉(zhuǎn)型情景主要反映了IPAC模型針對我國實現(xiàn)2060年前碳中和路徑下的能源轉(zhuǎn)型所帶來的甲烷的排放，考慮了能源轉(zhuǎn)型下的甲烷排放。低甲烷情景這是在能源轉(zhuǎn)型情景下分析的甲烷排放情景基礎(chǔ)上，分析進一步降低甲烷排放的潛力。在低甲烷情景中，同時也進一步考慮了農(nóng)業(yè)甲烷排放控制措施，如現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水稻灌溉方法優(yōu)化、畜牧業(yè)飼料管理等。

4 技術(shù)參數(shù)

4.1 排放源和減排技術(shù)

4.1.1 煤炭開采、開采后活動、廢棄煤礦

中國是煤炭的主要生產(chǎn)國和消費國。2019年煤炭消費量占能源總消費量的57.7%，原煤占能源生產(chǎn)總量的68.6%，地下煤礦則生產(chǎn)了90%以上的原煤（袁寶榮等，2006;中華人民共和國國家統(tǒng)計局，2020）。煤礦開采產(chǎn)生的CH4排放是中國CH4排放的主要來源，2014年煤礦開采活動排放了約2 214萬噸CH4，約占中國CH4總排放量的40%，高于許多主要發(fā)達國家的人為CH4排放總量之和（Olivier and Peters，2019）。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2005—2018年，我國井下瓦斯抽采量、利用量和利用率如圖3所示（司榮軍和李潤之，2020）。從圖3可以看出，我國井下瓦斯抽采量和利用量逐步增加，但利用率卻增長緩慢。

目前，我國煤礦低濃度瓦斯利用技術(shù)主要有低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)、低濃度瓦斯提純技術(shù)、低濃度瓦斯燃（焚）燒技術(shù)以及礦井乏風(fēng)瓦斯利用技術(shù)等。其中，對低濃度瓦斯提純增濃的主要方法有：變壓吸附技術(shù)、低溫精餾技術(shù)、膜分離技術(shù)和水合物技術(shù)等。乏風(fēng)瓦斯的氧化按照氧化過程的反應(yīng)動力學(xué)可分為蓄熱氧化技術(shù)和催化氧化技術(shù)，同時按照燃料主次又可分為主要燃料技術(shù)和輔助燃料技術(shù)（劉文革等，2022）。IPAC模型中劃分的技術(shù)包括礦前瓦斯抽采、高濃度瓦斯利用技術(shù)、低濃度瓦斯利用技術(shù)等。

4.1.2 石油、天然氣開采、運輸

2020年石油和天然氣生產(chǎn)中的CH4排放量可能占全球人為排放量的23%（Olivier and Peters，2020）。除了化石燃料燃燒排放CH4，其生產(chǎn)、傳輸、儲存和分配過程排放溫室氣體中主要包括天然氣、石油中的逃逸CH4（薛明等，2019）。

計算國內(nèi)石油天然氣上游行業(yè)的甲烷排放還存在很大的不確定性。根據(jù)Gao et al.（2022）的評估，中國石油天然氣行業(yè)的甲烷排放在各個排放清單的基礎(chǔ)上平均值從1980年的760萬噸上升到2 015～2 180萬噸。

石油產(chǎn)業(yè)的主要減排技術(shù)包括通過強化收集利用減少開采活動的伴生氣排放、提升閥門和氣動泵密閉度、減少設(shè)備泄漏等。天然氣相關(guān)活動的主要減排技術(shù)包括：綠色完井技術(shù);柱塞舉升系統(tǒng)技術(shù);三乙二醇脫水排放控制技術(shù);干燥劑脫水技術(shù);離心式壓縮機干密封技術(shù);氣動控制器技術(shù);管道維修技術(shù);蒸氣回收裝置技術(shù);泄漏監(jiān)測與修復(fù)技術(shù)。采用這些技術(shù)，可以將天然氣相關(guān)活動的甲烷排放減少85%左右。石油天然氣行業(yè)的甲烷減排技術(shù)很多都屬于低成本方式。

IPAC模型中的技術(shù)包括天然氣開采設(shè)備泄漏控制技術(shù)、天然氣開采密封技術(shù)、石油開采天然氣回技術(shù)、石油開采火炬燃燒、天然氣運輸密封技術(shù)、石油運輸密封技術(shù)等。

4.1.3 農(nóng)業(yè)排放

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)，中國農(nóng)業(yè)活動CH4排放2 224.5萬噸，其中動物腸道排放占44.3%，動物糞便管理排放占14.2%，水稻種植排放占40.1%，農(nóng)業(yè)廢棄物田間焚燒排放占1.4%（生態(tài)環(huán)境部，2018）。張學(xué)智等（2021）計算的2018年我國農(nóng)業(yè)活動甲烷排放為1 821.67萬噸，其中畜禽腸道發(fā)酵的甲烷排放約占總排量的50.69%，其次是水稻種植，約占總排放量的35.17%，畜禽糞便管理排放約占總排量的14.14%。

動物糞便管理，集中式畜牧場采用沼氣發(fā)電，可以明顯減排甲烷排放，減排率可以達到85%以上，并且已經(jīng)具有成本效益。另外其他小規(guī)模生產(chǎn)的牲畜糞便的處理，采用糞肥以固體形式（例如成堆或干燥地）處理或沉積方式，幾乎沒有CH4排放。

水稻種植，通過耕作管理，可以減少甲烷排放。玉米水稻輪作、稻田養(yǎng)魚（蝦）養(yǎng)鴨、適當?shù)氖┑剑?10～280 kg·hm-1）、減少有機肥或?qū)⒂袡C肥堆肥發(fā)酵后還田、控釋肥或配施生物抑制劑、適當?shù)纳锾窟€田、非傳統(tǒng)淹田灌溉模式以及免耕少耕等條件更有助于水稻季節(jié)溫室氣體CH4減排（李晶等，1998;唐志偉等，2022）。

IPAC模型中的減排技術(shù)包括養(yǎng)豬場廢棄物沼氣發(fā)電、養(yǎng)牛方式管理、養(yǎng)牛飼料管理、牛舍甲烷回收、水稻種植管理等。

4.1.4 廢棄物

根據(jù)中國國家信息通報，2014年中國廢棄物CH4排放656.4萬噸，占溫室氣體總排放的11.9%，其中固體廢棄物處理排放占58.5%，廢水處理排放占41.5%。蔡博峰等（2015）估算中國2012年所有污水處理廠的CH4排放量。結(jié)果表明，中國污水處理廠總CH4排放為52 642 t，其中生活污水處理廠排放39 921t，占75.84%，工業(yè)污水處理廠排放12 721 t，占24.16%。固體廢棄物的估算CH4排放源自IPCC方法基于一階衰減（FOD）方法。用于測量廢水中有機成分的常用參數(shù)是生化需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）。在相同條件下，COD（或BOD）濃度較高的廢水通常會比COD（或BOD）濃度較低的廢水產(chǎn)生更多的CH4。污水處理廠CH4排放計算的活動水平數(shù)據(jù)主要受兩個因素影響，一是COD的去除量，另一個是COD去除工藝（鄭思偉等，2016）。

城市垃圾減排的主要途徑是分類處理，減少填埋量。對于填埋來說，主要減排技術(shù)為甲烷氣抽采（李錚等，2010;鄭思偉等，2013;趙鵬姝等，2016）。IPAC模型中廢棄物甲烷減排的技術(shù)包括垃圾埋存甲烷抽采發(fā)電、污水處理采用厭氧工藝甲烷回收，以及好氧工藝。

4.2 甲烷的排放系數(shù)

4.2.1 煤炭開采、開采后活動、廢棄煤礦

根據(jù)《中國煤炭生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》，CH4的逃逸排放總量等于井工開采、露天開采和礦后活動CH4逃逸排放量之和。根據(jù)相關(guān)研究（國家發(fā)展和改革委員會，2012;Gao et al.，2020，2021，2022;柳君波等，2021;任世華等，2022），表2給出了用于IPAC模型的不同井工開采，以及露天開采和礦后活動的CH4排放因子。

4.2.2 石油、天然氣開采、運輸

石油天然氣生產(chǎn)和運輸系統(tǒng)中甲烷排放的計算有很大的不確定性。不同的研究給出的排放系數(shù)也有較大不同。余晨等（2014）對中國油氣供應(yīng)系統(tǒng)中的甲烷泄漏計算的不同研究進行了評述，并根據(jù)其他相關(guān)研究（仲佳愛等，2015;孫永彪，2020;崔翔宇等2021;劉殊呈，2021;仲冰等，2021），本文中采用的排放系數(shù)見表3。

4.2.3 農(nóng)業(yè)排放

農(nóng)業(yè)排放采用省級清單指南中的數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)研究進行了修改（唐志偉等，2022），見表4。

4.2.4 廢棄物

根據(jù)2006年IPCC指南的建議與《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》，固體廢棄物和廢水處理排放采用T1、T2以及排放因子D與CS。根據(jù)我國垃圾填埋場和污水處理廠的技術(shù)，國內(nèi)已經(jīng)有多個研究分析了各種技術(shù)的排放系數(shù)。《IPCC指南》中我國的人均BOD推薦值為40 g·d-1。最大甲烷生產(chǎn)能力表明污水中的有機物能產(chǎn)生最大的甲烷排放量?！禝PCC指南》中住宅區(qū)污水每千克BOD產(chǎn)甲烷推薦值為0.6 kg。甲烷修正因子表示不同處理排放途徑或系統(tǒng)達到最大甲烷生產(chǎn)能力的程度，也反映系統(tǒng)的厭氧程度?！妒〖墱厥覛怏w清單編制指南》建議全國平均MCF值為0.165。一些研究對于一些污水處理廠進行了實測值進行計算，實測值比IPCC推薦值計算的甲烷排放要高（王欣暢等，2021），說明了污水處理廠甲烷排放的不確定性比較大（閆旭等，2015;張星等，2018）。本研究采用了蔡博峰等（2015）對污水處理廠的研究中的排放系數(shù)（表5），并在模型中設(shè)置相同的技術(shù)，垃圾填埋場采用劉俊蓉、蔡博峰等研究結(jié)果（劉俊蓉等，2014;蔡博峰，2016）。

廢棄物的排放因子見表5和表6。

4.3 兩個情景之間的減排技術(shù)

為了體現(xiàn)進一步的甲烷減排潛力，低甲烷排放情景給出了進一步減排甲烷的技術(shù)潛力。兩個情景的主要差別在于低甲烷情景采用了減少源活動，以及一些變革性的技術(shù)。表7給出了兩個情景的區(qū)別。

5 能源轉(zhuǎn)型和甲烷排放情景

根據(jù)IPAC模型組對未來經(jīng)濟發(fā)展、能源技術(shù)進步、能源資源等因素的分析，得到中國在碳中和目標下的能源轉(zhuǎn)型情景（姜克雋等，2016;Jiang et al.，2018），如圖4、5所示。這些研究已經(jīng)在之前的論文中討論過，這里僅簡述主要的發(fā)現(xiàn)。

為了實現(xiàn)我國2060年前碳中和的目標，我國的能源系統(tǒng)需要出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)型（圖6）。到2050年非化石能源占一次能源比重達到75%以上（按發(fā)電煤耗方法折算），化石能源特別是煤炭和石油需求量明顯下降。煤炭、石油、天然氣需求量的下降，也帶來其相應(yīng)的甲烷排放的下降。

電力轉(zhuǎn)型更為明顯。到2050年，非化石能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的90%以上。和其他模型組不同的是，IPAC模型組給予核電更大的發(fā)展空間，到2050年，發(fā)電裝機容量達到5.6億千瓦，加上其他核能的使用，裝機能力將達到7.5億千瓦（Jiang etal.，2018）。到2050年之前，電力系統(tǒng)就實現(xiàn)凈零排放，2050年左右實現(xiàn)負排放。實現(xiàn)負排放的技術(shù)方式主要為生物質(zhì)能發(fā)電加上碳捕獲和埋存技術(shù)（BECCS）。這樣的話，其他終端部門就盡量利用電力，大力提高各部門的電力化水平，就可以更好實現(xiàn)終端部門的減排。同時，電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型，未來光伏、風(fēng)電為主的可再生能源，以及核電的發(fā)電成本都會明顯低于目前的燃煤發(fā)電，更低于天然氣發(fā)電，因而，即使在考慮電網(wǎng)穩(wěn)定供電的系統(tǒng)成本下，總體電價水平是下降的。

圖6—10給出了兩個情景中甲烷排放情景。由于能源轉(zhuǎn)型，到2050年我國煤炭、石油、天然氣消費明顯下降，這也是能源轉(zhuǎn)型的主要特征。因而和煤炭、石油、天然氣相關(guān)的甲烷將會出現(xiàn)下降。圖7、圖9給出了能源活動的甲烷排放趨勢。由于能源轉(zhuǎn)型，到2050年能源活動的甲烷排放可以從2020年的2 200萬噸下降到712萬噸，下降幅度達到67%。如果考慮進一步的減排需求，到2050年進一步控制開采煤礦和廢棄礦井的甲烷排放，以及減少天然氣需求，并進一步控制天然氣開采活動中的甲烷排放，在低天然氣情景中能源活動的甲烷排放可以進一步下降到378萬噸。

能源轉(zhuǎn)型情景中沒有納入進一步的非能源活動的減排措施，因而到2050年，非能源活動的甲烷排放維持在2 400萬噸左右，其中一些低成本的甲烷回收利用措施得到應(yīng)用，如垃圾埋存和養(yǎng)豬場甲烷回收技術(shù)。而在低排放情景中，農(nóng)業(yè)活動和廢棄物處理中的甲烷可以利用的則大幅度提升利用水平，稻田和動物腸道排放甲烷則通過稻田種植管理和飼料以及養(yǎng)殖管理得到減排。

6 甲烷減排潛力

6.1 其他研究結(jié)論

根據(jù)相關(guān)研究，我國甲烷低成本減排潛力巨大。分行業(yè)來看，煤炭開采行業(yè)20歐元/噸以下的減排和利用技術(shù)潛力達1 500萬噸，油氣行業(yè)達193萬噸以上，其次為養(yǎng)殖行業(yè)（66萬噸）、垃圾處理（38萬噸）、水稻種植行業(yè)（37萬噸）和污水處理（34萬噸）。

甲烷減排行業(yè)總體上技術(shù)成熟度較好，許多行業(yè)都已經(jīng)形成了一批可用于實踐的甲烷減排和綜合利用技術(shù)。煤炭開采行業(yè)的典型技術(shù)包括高濃度甲烷發(fā)電技術(shù)、低濃度煤礦甲烷發(fā)電技術(shù)、超低濃度甲烷鍋爐混燒技術(shù)等;油氣行業(yè)的典型技術(shù)包括伴生氣、套管氣回收技術(shù)、綠色完井技術(shù)、管線減排技術(shù)、壓縮機減排技術(shù)等;垃圾處理行業(yè)的典型技術(shù)包括原位減排技術(shù)、資源化利用技、末端控制技術(shù)等。多數(shù)技術(shù)在我國已獲得示范性應(yīng)用。

國際社會普遍將油氣行業(yè)作為重點開展甲烷減排。美國、加拿大和墨西哥將油氣行業(yè)作為重點，在甲烷監(jiān)測、排放標準等方面做出了詳細規(guī)定。此外，出現(xiàn)了許多由石油公司組成的自愿性組織，通過設(shè)置減排目標等方式促進企業(yè)層面甲烷的減排。英國石油公司（BP）、殼牌公司（Shell）、中石油等13家世界主要油氣企業(yè)成立了全球油氣行業(yè)氣候倡議組織（Oil and Gas Climate Initiative，OGCI），并將甲烷控排作為一項工作重點。油氣行業(yè)氣候倡議組織已經(jīng)承諾，在2025 年將其油氣供應(yīng)鏈上游的甲烷排放減少至0.25%，相當于每年減少35 萬噸的甲烷排放。同時在未來10 年內(nèi)投資至少10 億美元鼓勵甲烷減排創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化，以實現(xiàn)甲烷近零排放。北京燃氣集團簽署了全球能源行業(yè)應(yīng)對氣候變化的《天然氣行業(yè)全價值鏈甲烷減排指導(dǎo)原則》，承諾進一步減少運營天然氣設(shè)施的甲烷排放（張建宇等，2019;鄭文茹和莫菲菲，2022）。

農(nóng)業(yè)的減排措施主要包括間歇灌溉，使稻田能降低甲烷排放又可增加水稻產(chǎn)量;南方地區(qū)垅作栽培有利于減少冬水田甲烷排放，而北方地區(qū)旱種可減少甲烷排放;有機肥能促進甲烷排放，但稻田分蘗期和孕穗期施用硫酸銨和尿素能抑制甲烷排放。

減少反芻家畜胃腸道甲烷排放的關(guān)鍵在于促進瘤胃內(nèi)氫的利用，以及阻斷瘤胃內(nèi)的氫被甲烷菌利用合成甲烷。甲烷減排的日糧營養(yǎng)調(diào)控策略包括優(yōu)化日糧組成、改善飼料品質(zhì)、提高瘤胃流通速率、添加氫池和甲烷抑制劑等。大多數(shù)營養(yǎng)調(diào)控策略的甲烷減排效果小于40%，最新研制的3-NOP抑制劑的甲烷減排效果最高可達80%。但是，一些減排策略的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還受添加劑殘留、抗生素禁用、食品安全、產(chǎn)品價格和消費者喜好等因素影響。牧場管理和遺傳選育也是降低甲烷排放量的重要手段，過去100年來已實現(xiàn)每千克標準乳的甲烷排放量減排效果為57%。

污水處理減排甲烷的主要措施包括采用厭氧反應(yīng)器處理廢水后排放，同時加上一個甲烷回收器。這樣可以減排污水處理甲烷排放的75%。

6.2 本文結(jié)果

本研究分析了能源轉(zhuǎn)型下的甲烷排放情景，通過結(jié)果可以看出，能源轉(zhuǎn)型本身可以帶來很明顯的能源領(lǐng)域的甲烷排放的下降。能源轉(zhuǎn)型的明顯特征是煤炭、石油天然氣需求量的下降，會帶來相應(yīng)活動的甲烷排放的下降。在即使不采取進一步的減排政策的情況下，加上能源部門低成本減排措施，到2050年，能源活動的甲烷排放會從目前的2 100萬噸下降到2050年的712萬噸，下降67%。如果采取進一步的減排措施，加上更低的天然氣需求，在低甲烷情景中可以到2050年下降到378萬噸，下降82%。

在能源轉(zhuǎn)型情景中，加上其他非能源部門的排放，由于沒有考慮其他部門的正成本的減排選擇，到2050年人為活動甲烷排放可以從2015年的3 600萬噸下降到3 013萬噸。如果納入進一步的減排技術(shù)，非能源部門的甲烷也可以出現(xiàn)明顯的下降，到2050年下降到1 494萬噸，具有明顯的減排效果。

7 結(jié)論

能源轉(zhuǎn)型可以實現(xiàn)明顯的碳排放下降，到2050年稍后整個能源系統(tǒng)的CO2排放進入凈零，同時這樣的能源轉(zhuǎn)型也可以帶來明顯的能源活動甲烷排放的下降，具有很好的協(xié)同減排效果。到2050年由于天然氣相對較低的CO2排放因子，同時可以提供較好的調(diào)峰功能，在能源轉(zhuǎn)型情景中，到2050年天然氣的需求量還會在4 000億立方米以上。但是由于天然氣開采和輸配系統(tǒng)具有較高的甲烷排放，同時也會帶來NOx的排放，NOx也是現(xiàn)在大氣霧霾的重要污染物臭氧的前驅(qū)物，如果要大力度壓減臭氧的生成，就需要大力度的消減NOx的生成，因而更低的天然氣消費可以帶來減排甲烷和減少臭氧的共同效果，因而也可以考慮未來能源轉(zhuǎn)型中更少的天然氣需求。減少2050年天然氣需求不會對能源轉(zhuǎn)型帶來更大的要求，基本格局是一樣的。同時還可以減少天然氣的進口需求，可以進一步提升由于能源進口帶來的能源安全問題。

非能源行業(yè)也有巨大的減排甲烷的潛力，并且可以實現(xiàn)。甲烷也是一種能源，因而煤層氣利用、礦井低濃度甲烷利用、垃圾埋存、養(yǎng)殖場沼氣發(fā)電，以及污水廠甲烷回收等利用甲烷具有雙重效益，而且目前已經(jīng)具有成本效益。如果能夠有進一步的政策激勵，會有更快的減排效果。煤層氣發(fā)展目前不如預(yù)期，主要是由于雖然已經(jīng)具有成本效益，但是還不是很明顯，因而，在考慮溫室氣體減排需求下，給予一定的支持，和大量CO2減排項目相比，會有更好的減緩溫升的效果。

農(nóng)業(yè)源的甲烷減排一直被認為成本較高，但是目前各國已經(jīng)開始推進農(nóng)業(yè)減排項目，并在科研上大量投入。由于減排甲烷可以有短期明顯的控制溫升的效果，可以預(yù)期，未來十幾年內(nèi)，農(nóng)業(yè)甲烷減排會出現(xiàn)更進一步的成效。

同時，在IPAC模型研究中，也進一步考慮了在綠氫成本明顯下降的前提下，不少農(nóng)業(yè)產(chǎn)品未來將來自于化工廠，這樣可以減少農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需求，從而進一步減少農(nóng)業(yè)甲烷的排放。IPAC模型組的相關(guān)研究正在進行中。

參考文獻（References）

BP，2020.Statistical review of world energy[R].

蔡博峰，2016.中國垃圾填埋場2012年甲烷排放特征研究[J].環(huán)境工程，34（2）：1-4. Cai B F，2016.Analysis of the features of methane emissions from landfills of China in 2012[J].Environ Eng，34（2）：1-4.doi：10.13205/j.hjgc.201602001.（in Chinese）.

蔡博峰，高慶先，李中華，等，2015.中國城市污水處理廠甲烷排放因子研究[J].中國人口資源與環(huán)境，25（4）：118-124. Cai B F，Gao Q X，Li Z H，et al.，2015.Study on the methane emission factors of wastewater treatment plants in China[J].China Popul Resour Environ，25（4）：118-124.doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2015.04.015.（in Chinese）.

崔翔宇，劉光全，薛明，等，2021.“碳中和”目標下我國油氣行業(yè)甲烷管控的挑戰(zhàn)與應(yīng)對[J].油氣與新能源，33（2）：43-45. Cui X Y，Liu G Q，Xue M，et al.，2021.“Carbon neutrality” targeted regulation of methane in petroleum industry[J].Petroleum New Energy，33（2）：43-45.（in Chinese）.

Gao J L，Guan C H，Zhang B，et al.，2021.Decreasing methane emissions from Chinas coal mining with rebounded coal production[J].Environ Res Lett，16（12）：124037.doi：10.1088/1748-9326/ac38d8.

Gao J L，Guan C H，Zhang B，2020.Chinas CH4 emissions from coal mining：a review of current bottom-up inventories[J].Sci Total Environ，725：138295.doi：10.1016/j.scitotenv.2020.138295.

Gao J L，Guan C H，Zhang B，2022.Why are methane emissions from Chinas oil & natural gas systems still unclear？A review of current bottom-up inventories[J].Sci Total Environ，807：151076.doi：10.1016/j.scitotenv.2021.151076.

國家發(fā)展和改革委員會，2012.中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報[R]. National Development and Reform Commission，2012.The second national communication on climate change of the peoples Republic of China[R].

IPCC，2022.IPCC AR6 WGIII：mitigation[R].Cambridge，United Kingdom and New York：Cambridge University Press.（in press）.

IPCC，2020.IPCC AR6 WGI：climate science[R].Cambridge，United Kingdom and New York：Cambridge University Press.

Janssens-Maenhout G，Crippa M，Guizzardi D，et al.，2019.EDGAR v4.3.2 Global Atlas of the three major greenhouse gas emissions for the period 1970—2012[J].Earth Syst Sci Data，11（3）：959-1002.doi：10.5194/essd-11-959-2019.

Jiang K J，Hu X L，2005.Emission scenario of non-CO2 gases from energy activities and other sources in China[J].Sci China C Life Sci，48：955-964.

Jiang K J，Hu X L，Matsuoka Y，et al.，1998.Energy technology changes and CO2 emission scenarios in China[J].Environ Econ Policy Stud，1（2）：141-160.doi：10.1007/BF03353898.

Jiang K J，Hu X L，Zhu S L，2006.Multi-gas mitigation analysis by IPAC[J].Energy J，27：425-440.doi：10.5547/issn0195-6574-ej-volsi2006-nosi3-22.

Jiang K J，Zhuang X，Miao R，et al.，2013.Chinas role in attaining the global 2 ℃ target[J].Clim Policy，13（S1）：55-69.doi：10.1080/14693062.2012.746070.

姜克雋，賀晨旻，莊幸，等，2016.我國能源活動CO2排放在2020—2022年之間達到峰值情景和可行性研究[J].氣候變化研究進展，12（3）：167-171. Jiang K J，He C M，Zhuang X，et al.，2016.Scenario and feasibility study for peaking CO2 emission from energy activities in China[J].Progressus Inquisitiones De Mutat Clim，12（3）：167-171.doi：10.12006/j.issn.1673-1719.2015.200.（in Chinese）.

Jiang K J，He C M，Dai H C，et al.，2018.Emission scenario analysis for China under the global 1.5 ℃ target[J].Carbon Management.doi：10.1080/17583004.2018.1477835.

李晶，王明星，陳德章，1998.水稻田甲烷的減排方法研究及評價[J].大氣科學(xué)，22（3）：354-362. Li J，Wang M X，Chen D Z，1998.Studies on mitigation methods of methane emission from rice paddies[J].Sci Atmos Sin，22（3）：354-362.（in Chinese）.

李錚，劉春蘭，陳操操，等，2010.北京市垃圾填埋場甲烷排放及利用對策[R]//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會. Li Z，Liu C，Chen C C，et al.，2010.Methane emission and utilization countermeasures of beijing municipal solid waste landfill[R]//Annual academic meeting of Chinese society of Environmental Sciences.（in Chinese）.

柳君波，徐向陽，霍志佳，等，2021.中國煤炭格局變化對煤礦甲烷排放的影響及原因[J].生態(tài)經(jīng)濟，37（7）：176-182. Liu J B，Xu X Y，Huo Z J，et al.，2021.Influence of coal pattern change on methane emission from coal mines in China and its causes[J].Ecological Economy，37（7）：176-182.（in Chinese）.

劉俊蓉，馬占云，張艷艷，等，2014.我國城市生活垃圾填埋處理CH4排放關(guān)鍵因子[J].環(huán)境科學(xué)研究，27（9）：975-980. Liu J R，Ma Z Y，Zhang Y Y，et al.，2014.Key methane emission factors from municipal solid waste landfill treatment in China[J].Res Environ Sci，27（9）：975-980.doi：10.13198/j.issn.1001-6929.2014.09.05.（in Chinese）.

劉殊呈，粟科華，李偉，等，2021.油氣上游業(yè)務(wù)溫室氣體排放現(xiàn)狀與碳中和路徑分析[J].國際石油經(jīng)濟，29（11）：22-33. Liu S C，Su K H，Li W，et al.，2021.Greenhouse gas emission status of oil and gas upstream business and analysis on carbon neutrality path[J].Int Petroleum Econ，29（11）：22-33.doi：10.3969/j.issn.1004-7298.2021.11.005.（in Chinese）.

劉文革，徐鑫，韓甲業(yè)，等，2022.碳中和目標下煤礦甲烷減排趨勢模型及關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報，47（1）：470-479. Liu W G，Xu X，Han J Y，et al.，2022.Trend model and key technologies of coal mine methane emission reduction aiming for the carbon neutrality[J].J China Coal Soc，47（1）：470-479.doi：10.13225/j.cnki.jccs.2021.1962.（in Chinese）.

Mora C，Rollins R L，Taladay K，et al.，2018.Bitcoin emissions alone could push global warming above 2 ℃[J].Nat Clim Change，8（11）：931-933.doi：10.1038/s41558-018-0321-8.

Olivier J，Peters J，2019.Trends in global CO2 and total greenhouse gas emissions[R].

Olivier J，Peters J，2022.Trends in global CO2 and total greenhouse gas emissions：2020 report[R].

生態(tài)環(huán)境部，2018.中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告[R].北京. Ministry of Ecological Environment，2018.The second biennial update report on climate change of the people's Republic of China[R].Beijing.（in Chinese）.

任世華，謝亞辰，焦小淼，等，2022.煤炭開發(fā)過程碳排放特征及碳中和發(fā)展的技術(shù)途徑[J].工程科學(xué)與技術(shù)，54（1）：60-68. Ren S H，Xie Y C，Jiao X M，et al.，2022.Characteristics of carbon emissions during coal development and technical approaches for carbon neutral development[J].Adv Eng Sci，54（1）：60-68.doi：10.15961/j.jsuese.202100924.（in Chinese）.

Schwietzke S，Sherwood O A，Bruhwiler L M P，et al.，2016.Upward revision of global fossil fuel methane emissions based on isotope database[J].Nature，538（7623）：88-91.doi：10.1038/nature19797.

司榮軍，李潤之，2020.低濃度含氧瓦斯爆炸動力特性及防控關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，48（10）：17-36. Si R J，Li R Z，2020.Dynamic characteristics of low-concentration oxygen-containing gas explosion and prevention and control key technologies[J].Coal Sci Technol，48（10）：17-36.doi：10.13199/j.cnki.cst.2020.10.002.（in Chinese）.

孫永彪，張春香，解東來，等，2020.天然氣系統(tǒng)甲烷排放測量與估算研究現(xiàn)狀[J].油氣田地面工程，39（10）：30-37. Sun Y B，Zhang C X，Xie D L，et al.，2020.Current status of measurement and estimation of methane emission in natural gas system[J].Oil Gas Field Surf Eng，39（10）：30-37.doi：10.3969/j.issn.1006-6896.2020.10.007.（in Chinese）.

唐志偉，張俊，鄧艾興，等，2022.我國稻田甲烷排放的時空特征與減排途徑[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，30（4）：582-591. Tang Z W，Zhang J，Deng A X，et al.，2022.Spatiotemporal characteristics and reduction approaches of methane emissions from rice fields in China[J].Chin J Eco Agric，30（4）：582-591.（in Chinese）.

Teng F，Su X，Wang X，2019.Can China peak its non-CO2 GHG emissions before 2030 by implementing its nationally determined contribution？[J].Environ Sci Technol，53（21）：12168-12176.doi：10.1021/acs.est.9b04162.

王欣暢，汪天蕾，陳申威，等，2021.城市污水處理廠甲烷排放研究：以蕪湖市為例[J].地球科學(xué)前沿（5）：677-689. Wang X C，Wang T L，Chen S W，et al.，2021.Study on methane emission from wastewater treatment plants：a case study of Wuhu City[J].Frontier of Geoscience（5）：677-689.（in Chinese）.

薛明，翁藝斌，劉光全，等，2019.石油與天然氣生產(chǎn)過程甲烷逃逸排放檢測與核算研究現(xiàn)狀及建議[J].氣候變化研究進展，15（2）：187-195. Xue M，Weng Y B，Liu G Q，et al.，2019.Current status on fugitive methane emission measurements and inventory during oil and gas production[J].Clim Change Res，15（2）：187-195.doi：10.12006/j.issn.1673-1719.2018.118.（in Chinese）.

閆旭，韓云平，李琦路，等，2015.污水處理過程中溫室氣體產(chǎn)生研究進展[J].環(huán)境化學(xué)，34（5）：853-862. Yan X，Han Y P，Li Q L，et al.，2015.Greenhouse gas emission during wastewater treatment processes[J].Environ Chem，34（5）：853-862.doi：10.7524/j.issn.0254-6108.2015.05.2014092401.（in Chinese）.

余晨，唐旭，張寶生，2014.頁巖氣開發(fā)利用過程中甲烷排放的研究[J].資源與產(chǎn)業(yè)，16（6）：78-84. Yu C，Tang X，Zhang B S，2014.Methane emission during shale-gas development[J].Resour Ind，16（6）：78-84.doi：10.13776/j.cnki.resourcesindustries.2014.06.012.（in Chinese）.

袁寶榮，聶祚仁，狄向華，等，2006.中國化石能源生產(chǎn)的生命周期清單（Ⅰ）：能源消耗與直接排放[J].現(xiàn)代化工，26（3）：59-62. Yuan B R，Nie Z R，Di X H，et al.，2006.Life cycle inventories of fossil fuels in China（Ⅰ）：energy sources consumption and direct pollutant emissions[J].Mod Chem Ind，26（3）：59-62.doi：10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2006.03.017.（in Chinese）.

張建宇，秦虎，汪維，2019.中國開展甲烷排放控制關(guān)鍵問題與建議[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，44（5）：105-108. Zhang J Y，Qin H，Wang W，2019.Key issues and suggestions on methane emission control in China[J].Environ Sustain Dev，44（5）：105-108.doi：10.19758/j.cnki.issn1673-288x.201905105.（in Chinese）.

張星，陳敏東，高慶先，等，2018.生活污水處理廠甲烷的釋放通量及其影響因素[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，40（3）：657-662. Zhang X，Chen M D，Gao Q X，et al.，2018.Methane release flux from domestic sewage treatment plants and its influencing factors[J].Acta Agric Univ Jiangxiensis，40（3）：657-662.doi：10.13836/j.jjau.2018084.（in Chinese）.

張學(xué)智，王繼巖，張?zhí)冫?，等?021.中國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)甲烷排放量評估及低碳措施[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，44（3）：200-208. Zhang X Z，Wang J Y，Zhang T L，et al.，2021.Assessment of methane emissions from Chinas agricultural system and low carbon measures[J].Environ Sci Technol，44（3）：200-208.doi：10.19672/j.cnki.1003-6504.2021.03.026.（in Chinese）.

鄭思偉，唐偉，谷雨，等，2013.城市生活垃圾填埋處理甲烷排放估算及控制途徑研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，38（7）：45-49. Zheng S W，Tang W，Gu Y，et al.，2013.Estimation and control of methane emissions in landfills[J].Environ Sci Manag，38（7）：45-49.doi：10.3969/j.issn.1673-1212.2013.07.012.（in Chinese）.

鄭思偉，唐偉，徐海嵐，等，2016.城市污水處理廠甲烷排放量估算及控制對策研究[J].水處理技術(shù)，42（12）：46-49. Zheng S W，Tang W，Xu H L，et al.，2016.Study on estimation of methane emissionand ontrol measures from municipalwastewater treatment plant[J].Technol Water Treat，42（12）：46-49.doi：10.16796/j.cnki.1000-3770.2016.12.011.（in Chinese）.

鄭文茹，莫菲菲，2022.美國甲烷減排情況及啟示[J].世界環(huán)境（2）：74-79. Zheng W R，Mo F F，2022.Methane emission reduction in the United States and its implications[J].World Environ（2）：74-79.（in Chinese）.

趙鵬姝，周一明，田里，等，2016.生活垃圾衛(wèi)生填埋甲烷排放及減排研究進展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，32（18）：104-108. Zhao P S，Zhou Y M，Tian L，et al.，2016.Methane emission and emission reduction in domestic waste sanitary landfill[J].Chin Agric Sci Bull，32（18）：104-108.（in Chinese）.

中華人民共和國國家統(tǒng)計局，2020.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社. National Bureau of Statistics of the Peoples Republic of China，2020.China statistical yearbook[M].Beijing：China Statistics Press.（in Chinese）.

仲佳愛，陳國俊，張中寧，等，2015.四川盆地氣礦天然氣開發(fā)過程中溫室氣體的排放特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，28（3）：355-360. Zhong J A，Chen G J，Zhang Z N，et al.，2015.Greenhouse gas emissions from natural gas development process in a gas field in Sichuan Basin[J].Res Environ Sci，28（3）：355-360.doi：10.13198/j.issn.1001-6929.2015.03.04.（in Chinese）.

仲冰，張博，唐旭，等，2021.碳中和目標下我國天然氣行業(yè)甲烷排放控制及相關(guān)科學(xué)問題[J].中國礦業(yè)，30（4）：1-9. Zhong B，Zhang B，Tang X，et al.，2021.Methane emission controls and related scientific issues in Chinas natural gas industry under the goal of carbon neutrality[J].China Min Mag，30（4）：1-9.（in Chinese）.

CH4 emission scenario analysis for China：IPAC results

HE Chenmin1，CHI Yuanying2，XIANG Pianpian2，XU Yangmei2，WU Yazhen3，JIAO Yujie2，HU Yu2，JIANG Kejun2

1Zhejiang Carbon Neutral Innovation Institute，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China;

2Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;

3School of Environmental Science and Engineering，Peking University，Beijing 100091，China

The recently published IPCC AR6 once again emphasized the importance of CH4 mitigation in global warming abatement.CH4 is one of the most important short-life GHGs.Since many countries committed to the new CO2 emission reduction targets of carbon neutrality either by 2050 or before 2060，programs focusing on CH4 emission reduction have been increasing，and consequently CH4 emission reduction is becoming one of the key areas for national and global GHG mitigation and international collaboration.This paper presents CH4 emission scenarios for China based on the energy transition with the carbon neutrality target，together with mitigation technology options in other non-energy activities，by applying the IPAC model.With the two scenarios used in the modeling analysis，it is found that，with the energy transition，there will be significant CH4 emission reduction by 2050.The reason for this is the reduced use of fossil fuels in the transition，with 67% CH4 emission reduction compared with that in 2015.Compared with other sectors，CH4 emission reduction in energy sector has better synergy.If more CH4 mitigation is required，then reduced demand for nature gas may be a contributor.By combining this with O3 reduction，and since NOx is a precursor of O3，by 2050 NOx emission will mainly originate from natural gas combustion in the energy transition.In the meantime，CH4 emission mitigation from non-energy sectors also bears great potential.In the low-CH4 emission scenario，CH4 emission could be reduced by 14.94 Mt by 2050，with 58% reduction compared with 2015.

energy transition;CH4 emission;carbon neutrality;short-life GHGs;mitigation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220524008

（責(zé)任編輯：張福穎）