甲烷是重要的温室气体。2022年，全球大气甲烷浓度超过了1900 ppbv，这一浓度是工业革命以前的近三倍。而过去的十几年甲烷浓度更是呈现加速增长趋势；2020年和2021年的增幅达到有精确观测记录以来（1984年）的最大值。假使大气甲烷浓度继续以目前的趋势持续增长，将会在未来几十年大量抵消二氧化碳减排的正面效应，为实现巴黎协定的温控目标带来严峻挑战。作为“碳中和”战略的一部分，我国将制定一份有力度的甲烷国家行动计划，以控制和减少甲烷排放。准确地认识中国甲烷排放的现状，能为制定行动计划提供参考，也可为未来追踪减排的进程建立基准点。
大气中的甲烷来自一系列人类活动，包括化石燃料的生产和使用（煤、石油、天然气）、农业活动（水稻、畜牧）以及废物处理（垃圾填埋、污水处理）。与其它主要经济体（美国、印度、俄罗斯、巴西）相比，中国甲烷排放中煤炭和水稻生产的占比（两者总和超过50%）尤为突出。而煤炭与水稻生产又与中国的能源和粮食安全、环境污染等重要问题有紧密联系。
日前，西湖大学张羽中课题组与浙江工业大学方双喜课题组合作，利用卫星和地面长期观测数据量化了2010-2017年中国甲烷排放通量，解析了其空间分布与变化趋势，揭示了中国各地区的甲烷排放对能源、环境、农业政策的响应。该研究成果以“Observed changes in China’s methane emissions linked to policy drivers”为题发表于Proceedings of the National Academy of Sciences（美国国家科学院院刊）。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2202742119
甲烷大气浓度的空间梯度反映了特定区域的甲烷排放强度，但它同时也受到大气复杂的传输过程影响，使得浓度梯度与排放通量的关系盘根错节。本研究结合大气传输模型和优化算法，建立了东亚高分辨率反演系统，定量解析了浓度梯度与排放通量之间的关系，从而由甲烷浓度观测推导得到了甲烷排放通量的时空分布（图1）（研究数据可通过https://doi.org/10.57760/sciencedb.02269下载）。计算结果表明，2010-2017年期间全国甲烷排放总量为5400万吨/年，其中人为源排放5000万吨/年；且排放以每年73万吨的速率增长。
图1 由卫星和地面站点观测反演得到的2010-2017年中国甲烷排放空间分布和变化趋势
与以往研究相比，本研究引入了分布在中国各主要区域的地面站点的长期、高精度甲烷浓度观测，并与卫星观测结合。这些观测数据大大提高了反演对甲烷排放的约束能力，使研究人员能够在比国家尺度更精细的区域尺度（主要包括东北、华北、华东、华中和西南）可靠地分析甲烷排放及其变化趋势（图2）。研究人员进而根据排放源信息，将反演得到的甲烷排放通量分配到不同的排放源（如水稻、煤炭等），并基于此进一步分析了水稻、煤炭甲烷排放的变化趋势。
图2 全国及各地区2010-2017年甲烷排放和变化趋势的先验（prior）及后验（posterior）估计
该研究发现，2010-2017年中国各地区的煤炭甲烷排放呈现不同趋势：西南地区下降；华北地区总体上升，但山西南部的沁水盆地出现下降（图3）。西南地区多为小煤矿，且当地煤炭甲烷排放因子（单位煤炭产量的甲烷排放量）高于全国平均水平。“优先关停小煤矿”的能源政策在驱动西南地区煤炭产量下降的同时，也有效降低了当地甲烷气体的排放。而华北地区（尤其是山西、陕西）的上升趋势则与当地有较多大型煤矿，且煤炭产量仍保持增长一致。山西南部的沁水盆地作为中国最主要的煤层气产地，其观测到的甲烷排放下降，证实了“先采气，后产煤”的开采策略在增加能源供给的同时可有效降低甲烷排放。
图3 由反演分析推断的2010-2017年煤炭甲烷排放变化趋势
研究还发现，2010-2017年间华东、华中、东北的水稻甲烷排放呈上升趋势（图4）。华东、华中水稻甲烷排放的上升与普遍的认识并不一致（因为近年来这些地区的水稻种植面积保持稳定，甚至局部下降）。通过分析计算，该研究认为，华东、华中农田秸秆还田比例提高可部分解释观测到的上升趋势（图4）。秸秆还田增加了稻田中的有机碳，促进微生物在淹水条件下产生甲烷气体。大量田间实验都证实了这个现象，但本研究首次在国家和区域尺度观测到了该效应。秸秆还田比例的提高主要由环境（禁止秸秆燃烧）和农业（秸秆还田增加土壤有机碳和作物产量）政策推动，但它在甲烷排放上的“副作用”值得引起重视。
图4由反演分析推断的中国各地区2010-2017年水稻甲烷排放变化趋势及原因分析
本研究建立了东亚高分辨率甲烷排放反演系统，利用卫星和地面长期观测数据量化了2010-2017年中国甲烷排放通量，为准确认识中国甲烷排放的现状提供了详实的数据。同时，重点研究了煤炭和水稻甲烷排放的变化趋势，揭示了中国各地区甲烷排放对能源、环境、农业政策的响应，可为科学制定甲烷控制政策提供参考。
大气环境研究实验室
课题组研究大气污染和气候变化等环境问题，通过发展过程模型和统计模型等分析工具，挖掘来自卫星、飞机、地面监测网等多平台多参数的观测信息，阐释大气中关键化学成分在各个时空尺度的变化和相应机制，评估人类活动对大气环境的影响。
实验室目前招聘大气化学、环境科学、生态学及相关方向[副研究员]或[助理研究员] 1名，[博士后] 1名。欢迎大家与我们联系。
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