关于利用临时二氧化碳移除补偿短寿命气候驱动因子的研究报告

本文于2026年在线发表于《自然》（*Nature*）期刊，通讯作者为Thomas Gasser（国际应用系统分析研究所，IIASA）。主要作者还包括来自北京大学、IIASA、马里兰大学全球可持续发展中心、中国科学院青藏高原研究所等机构的Yue He, Keywan Riahi, Matthew J. Gidden, Shilong Piao, Tao Wang。

本研究属于气候变化减缓与气候政策交叉领域。其背景在于，二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal, CDR）被视为实现《巴黎协定》长期温控目标及国家净零排放目标的关键技术。然而，现有CDR方法的碳封存持久性差异巨大，从数十年到理论上的永久封存不等。目前部署的CDR以临时性方法为主，而永久性解决方案在大规模应用上仍面临可行性和成本挑战。当前气候政策在整合临时CDR时，通常假设其与永久CDR在抵消二氧化碳排放方面具有等价性，但这种假设与气候系统的物理科学相悖：二氧化碳引起的变暖与其累积排放量成正比，且二氧化碳在大气中存留数百年至上千年；永久CDR能减少这种累积负担，而临时CDR只能产生瞬时的碳减少，并不改变长期的碳总量。因此，临时CDR无法像永久CDR那样完全抵消二氧化碳排放。然而，临时CDR这种瞬时的气候效应，暗示了其在气候核算框架内可能有其他应用场景。本研究的核心目标正是基于物理气候科学，提出一个量化框架，以评估临时CDR在补偿非二氧化碳气候驱动因子（特别是短寿命物种）方面的潜力，从而为临时CDR在气候政策中（尤其是在农业等非二氧化碳排放占主导且直接减排困难的部门）的合理核算与信用机制提供科学依据。

本研究建立了一个基于物理学的核算框架，其核心是利用气候系统的脉冲响应函数（Impulse Response Functions, IRFs）——这也是IPCC报告中全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）和全球温变潜势（Global Temperature change Potential, GTP）等标准气候指标的基础。研究将临时CDR建模为一个两阶段过程：从大气中移除二氧化碳（视为一个负的脉冲），然后经过一个特定的封存时间尺度后，二氧化碳以某种形式（本研究主要假设为指数衰减形式）释放回大气。永久CDR则被视为封存时间尺度趋于无穷大的特例。研究通过计算绝对全球温变潜势（Absolute GTP, AGTP）的时间积分（即iAGTP），来量化单位脉冲排放的物种（如CH₄、N₂O等）所产生的累积变暖效应，以及单位临时CDR（移除1千克CO₂）在特定封存时间尺度下产生的累积冷却效应。

研究流程与对象如下：首先，研究者选取了多种具有代表性大气寿命的非二氧化碳温室气体和气候驱动因子作为研究对象，包括黑碳（BC）、氢氟碳化物（HFC-32, HFC-134a）、甲烷（CH₄）、氯氟烃（CFC-11）、氧化亚氮（N₂O）以及全氟化碳（PFC-14），并将二氧化碳（CO₂）作为长寿命参照。这些物种的大气寿命从几天（BC）到数万年（PFC-14）不等。其次，研究者定义了补偿比率α，其物理意义为：在选定的时间范围内，为抵消1千克某物种X的脉冲排放所造成的累积变暖效应，所需的具有特定封存时间尺度τ的临时CDR的量（以千克CO₂计）。计算公式为：α(th, τ) = - iAGTP_x(th) / iAGTP_tCDR(th, τ)。研究者系统地计算了在不同时间范围和不同封存时间尺度下，临时CDR抵消上述各种气候驱动因子所需的α值。此外，研究还探讨了除指数衰减外，其他可能的碳释放廓线（如线性释放、恒定泄漏、延迟脉冲释放）对补偿比率的影响，并分析了为实现“累积温度中和”而非“年度温度中和”时，残余年度温度波动的问题，进而提出了区分短寿命与长寿命物种的临界寿命阈值概念。

本研究的主要结果如下： 1. 补偿比率α的量化：研究计算并展示了针对不同物种，α值如何随封存时间尺度（τ）和时间范围（th）变化。核心发现是，对于短寿命物种（如CH₄），α值在时间范围超过约20年后趋于相对稳定，而对长寿命物种（如CO₂、N₂O），α值强烈依赖于时间范围的选择。例如，在100年时间范围内，抵消1千克CH₄排放，需要封存时间为20年的临时CDR（如用于工业机械的生物塑料）移除498千克CO₂，或需要封存时间为100年的临时CDR（如用于住宅建筑的耐用木制品）移除101千克CO₂。然而，对于CO₂排放，随着时间范围趋近于无穷，所需的临时CDR量也趋于无穷，这从物理上证明了临时CDR无法永久抵消CO₂排放。 2. 临界寿命阈值的提出：研究指出，由于临时CDR的冷却峰值时间由其封存时间尺度决定，而被补偿物种的变暖峰值时间由其大气寿命决定，两者在时间上的错配会导致年度温度偏差。分析发现，存在一个临界寿命阈值（在默认指数释放廓线下，对于100年封存，阈值约为12.7年；对于近无限期封存，阈值上限约为30.9年）。大气寿命低于此阈值的物种（如CH₄、HFCs、BC）被视为“短寿命”物种，用临时CDR补偿时，通过优化α和τ的组合，可以显著减少累积净温度偏差，实现更有效的“同类补偿”。而寿命长于此阈值的物种（如N₂O、CFC-11），其变暖峰值晚于即使是最长效的临时CDR的冷却峰值，导致大的年度温度偏差不可避免。 3. 优化补偿策略：研究以CH₄为例，展示了如何通过同时调整临时CDR的量（α）和封存时间尺度（τ），在满足累积温度中和（净零累积温变）约束的同时，最小化累积净温度偏差。研究找到了一个最优组合点（例如，在100年时间范围内，α=120，τ=82.6年），能够比单纯满足累积中和的任意组合（如P1，P2点）更有效地平滑年度温度波动。 4. 与现有政策框架的兼容性：研究强调，该框架基于IPCC采用的IRFs和AGTP/iAGTP指标，与《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）下现有的气候计量学基础直接兼容。同时，研究警告不应将临时CDR的补偿比率简单等同于GWP并用于与所有温室气体（特别是CO₂）进行互换，因为这会造成物理上的不准确和政策扭曲。相反，研究建议采用“双篮”核算方法，将长寿命和短寿命气候驱动因子分开报告，以准确反映其不同的物理行为，从而为临时CDR的合理纳入提供精确且物理正确的度量标准。

本研究的结论是，临时CDR凭借其瞬时的气候效应，可以稳健地补偿短寿命非二氧化碳气候驱动因子（如CH₄），但不能完全抵消长寿命的CO₂排放。基于此原理构建的物理核算框架，能够量化不同封存时间尺度的临时CDR所需的补偿比率，为实现“同类补偿”策略提供了实践基础。该框架对于农业等非二氧化碳排放主导的部门具有 immediate relevance，可为利用临时CDR（如通过耐用木制品、生物炭等）补偿畜牧业甲烷排放等难以减排的源提供定量指导。同时，该框架也可用于补偿因减少硫酸盐气溶胶等短寿命冷却剂而“解锁”的变暖效应，从而在改善空气质量的同时不损害气候目标。

本研究的亮点在于： 1. 重要的范式转换：明确挑战了将临时CDR与永久CDR在抵消CO₂排放上等价的主流政策假设，提出了临时CDR更合理的应用场景——补偿短寿命气候驱动因子。 2. 坚实的物理基础：基于标准气候指标（GWP/GTP）所依赖的脉冲响应函数理论，构建了透明、可追踪且与现有UNFCCC框架兼容的量化方法，增强了其被政策采纳的可行性。 3. 创新的量化指标：引入了补偿比率α和临界寿命阈值的概念，为评估和比较不同临时CDR技术对不同温室气体的抵消效力提供了统一、清晰的度量工具。 4. 实用的政策含义：提出的“双篮”核算建议，为解决当前气候核算中混淆不同寿命温室气体的问题提供了具体方案，并为将已存在于国家温室气体清单（如 harvested wood products）中的临时碳储存纳入信用体系提供了直接途径。

其他有价值的内容包括：研究讨论了连续排放情景下临时CDR的部署策略，承认了该框架实施中需注意的操作和制度考量（如逆转风险、道德风险、需持续部署以匹配排放模式），并指出了未来可将该物理补偿指标与成本分析结合，在综合评估模型中进行更全面分析的研究方向。