大学校园年度碳中和测算和减碳策略研究——以南京林业大学为例

杨景峰，田思雨，陈永霞

(南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

1 引言

2020年习近平总书记在第七十五届联合国大会上向全世界宣布“中国二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，在2060年前实现碳中和”。2021年7月12日，教育部发布《高等学校碳中和科技创新行动计划》，明确了高校为“双碳目标”的实现提供科技创新型人才的重要任务。纵观世界，不少知名大学都提出了校园碳中和的规划方案，例如，密歇根大学计划在2025年通过抵消机制实现碳中和、2040年实现净零排放；哥伦比亚大学，采取双控，对每五年减排比例和总排放量都进行控制，计划在2050年实现碳中和。自2020年以来，我国许多高校也开始纷纷制定一系列措施来响应国家的“双碳目标”。作为为社会输送人才的高校，人口密度大，学生的消费方式和消费行为相对单一。本文以南京林业大学为例，对校园的碳源和碳汇进行核算，旨在进一步明确校园内主要的碳源以及植物碳汇的作用，为低碳校园的建设提供参考。

2 碳汇的研究现状

2.1 国外碳汇研究现状

21世纪以来，世界各国都加强了对温室效应的关注。虽然美国在2001年3月从自身利益出发而拒绝签署《京都议定书》，但是美国对温室效应的关注从未下降。2020年，美国波尔州立大学的Jeffrey D.Haight等使用碳估算的社会成本评估了美国的每项政策所带来的碳汇效益现值，发现植树造林和再造林将提供最大的碳效益边际增长，远远超过政策成本[2]。同年，西切斯特大学的Polohovich Sarah量化了宾夕法尼亚州东南部部分森林的碳积累和储存，同时评估了其未来是否会具有碳储存的能力[3]。2022年，自然资源大学的Magerl在研究美国森林转型的驱动因素的过程中，发现美国森林生物量碳储量的增加与森林生态系统服务被以化石燃料为基础的生产系统取代、社会资源使用和碳动态的多方面增加有关[4]。

2015年英国的G.D.Clay测量并分析了英格兰北部焚烧遗址的碳储量和碳通量，发现虽然所有的焚烧遗址都是碳的来源，但是最近的焚烧遗址与较老的焚烧遗址相比，是更小的碳来源[5]。2016年菲律宾的Mukul Sharif A测定了菲律宾某高原地区次生林地上生物量碳沿休耕梯度的分布和恢复情况，得到的结果表明退耕后的次生林是大量的碳汇，碳储存能力随退耕年限的增加而增加[6]。2017年，法国的Mathieu Jonard长期在森林监测样地通过重采样土壤来量化土壤有机碳储量随时间的变化，研究发现，土壤有机碳固存率随林龄而下降[7]。2021年，意大利的Grossi Giampiero通过对意大利某自然公园排放的温室气体数据的采集和分析，首次提出了一种定量和定性估算自然公园产生的年度温室气体排放量和清除量的方法[8]。

2.2 国内碳汇研究现状

自1998年5月签署《京都议定书》以来，中国加强了对于温室效应的关注，国内对碳汇的研究也明显增多。于佳等对不同植物固碳量及碳汇功能进行分析比较，确定了适合提高城市绿地碳汇功能的植物[9]。弓素梅研究了郑州市不同种类园林植物的净碳汇及其积极价值，对园林绿地管理找到了合适的园林植物[10]。近几年，王永华等分析了当前绿地碳汇研究的不足，对城市绿地碳汇研究发展提出了相关建议[11]。Zhang Ying等对我国4个绿地的固碳和碳排放进行了评估，并讨论了最大化净碳汇的管理做法，研究发现乔木和灌木为碳汇，而草坪为碳源。同时明确了公园碳排放的主要来源为灌溉和农药使用[12]。Fang Yuxin以杭州市为例，把自然碳汇空间和土壤纳入测量范围，构建了自然碳汇能力测量系统，测量了自然碳汇，并评价了碳中和对城市的贡献。得出建设区域的土壤和绿地的碳汇能力会影响测量结果的数量和空间格局，应将其纳入测量系统[13]。

总体来说，国外研究主要针对全球环境与碳汇之间存在的联系，对碳汇的基础理论和评价方面的研究相对较多。而中国以研究林业、农业碳汇的资料居多，在研究校园碳汇和碳足迹测算的资料较少。教育部公布的全国高校数量有2956所，大学校园人数众多，规模庞大，每个高校自身已经构成了一个简化版的现代社会，大学里人们的日常生活使得学校具备了构成社会的所有必要因素。因此研究高校的碳汇和碳排放，不仅可以为城市的碳排放提供参考的价值，更可以为中国的双碳目标的实现贡献一些力量。

3 大学校园碳源和碳汇模型和计算方法

3.1 大学校园碳源和碳汇模型

在参考方精云[14]1998年给出的中国陆地生态系统的碳循环模式的基础上(见图1)，以南京林业大学为例，计算校园的碳汇和碳源，可以构筑一个大学校园碳源和碳汇计算模型(见图2)。在影响校园碳循环的主要因子中，由于大学生不具备使用私家车的条件，所以参考因素中取消了城市活动中的化石原料的燃烧。因而和城市或者地球碳循环的模型相比，大学校园的碳循环模型中的碳排放会有较大程度的减少。大学校园碳源和碳汇模型的主要因子包括大学校园人员的平时生活能耗、人体、校园植物和土壤由于呼吸产生的温室气体、校园植物固碳作用程度等因素形成大学校园生态系统的碳源和碳汇。

图1 中国陆地生成系统的碳循环(方精云，1998)

图2 大学校园碳源和碳汇模型

3.2 大学校园碳源和碳汇的计算方法

.2.1 人体呼吸产生的碳源计算

根据宋永昌等编著的《城市生态学》提供的成人每天排出的CO2量为0.9 kg计[15]，成年人平均每天呼吸产生的碳排放量等于每人每天产生的碳排放量(0.9 kg)×(12/44)×365天。

3.2.2 校园人员生活能耗的碳源计算

大学校园的生活能耗来源主要有水电、饮食和快递三个方面。在水电方面，主要有宿舍、教学楼、图书馆、办公楼等用水用电场所。由于图书馆、教学楼等场所用电数据不易获取，因而以宿舍水电能耗为代表，对大学校园水电方面能耗进行估算。

由于生命周期分析法(Life Cycle Assessment)在实际应用中会需要分析商品本身的碳足迹，并且需要核算商品本身的时间流转，因而通过此方式测算生活能耗比较具体，数据也比较可信。在应用生命周期分析法的流程中，也可以利用现有的碳排放因子进行核算[16]。在应用生命周期分析法进行估值的时候可以根据以下公式：CF=∑Qi(EFi)，其中CF为碳足迹，Qi为物质或活动的数量或强度数据(质量/体积/千米/千瓦时)，EFi代表单位碳排放因子(CO2eq/单位)。

3.2.3 校园植物产生的碳源计算

2001年英国Manchester大学的V.Whitford发表了《城市的自然过程形态—城市区域生态运行的指示剂研究》，作者提出了计算树木碳排放量的计算公式：校园植物每年碳排放量(吨/公顷/年)=8.275×10-3×绿化覆盖率。此公式根据估算树冠单位面积而得到，所以公式的准确性得到了一定程度的保障[17]。

3.2.4 校园土壤产生的碳源计算

2002年美国Arizona州立大学的B.Koemer等发表了《干旱城市环境人类活动CO2排放的研究》，引用其中的大学校园中土壤进行呼吸作用时产生CO2速率为28.11(Mg/ha/year)的数据[19]。以此为基础可以得到大学校园每年土壤碳排放速率的计算公式：

大学校园每年土壤碳排放速率=28.11(Mg/ha/year)×(12/44)×校园面积(ha)。

3.2.5 校园植物碳汇计算

2003年，徐永荣等在研究人工植被的平均累计速率过程中得到了灌木群落、草本群落等的平均碳净积累速率[18]。对其研究的各个群落的碳净积累速率取平均，可以得到植物碳汇的均值：2.322 5 t/hm2·a。

因此得到植物碳汇计算公式：校园植物碳汇=校园植物碳净积累速率+校园植物每年碳排放量=2.322 5 t/hm2·a×校园绿化面积+校园植物每年碳排放量。

4 大学校园碳源、碳汇计算分析——以南京林业大学为例

4.1 南京林业大学的碳源和碳汇计算

4.1.1 南京林业大学每年人体产生的碳源计算

根据南京林业大学官网上提供的统计资料显示(2019年)，校园共有 32 296人。根据成年人平均每天呼吸产生的碳排放量的计算公式可以得到南京林业大学校园总人口产生的总碳量：人口呼吸碳排放总量=人口数×每人一日呼吸碳排放量×365天=2893.43吨/年。

4.1.2 南京林业大学每年校园人员生活能耗的碳源计算

①碳排放因子。在计算大学校园生活能耗时，对应碳排放因子的数据可以通过许多工具获得[20]。在计算南京林业大学生活能耗时，使用到的碳排放因子数据如表1所示：

表1 碳排放因子数据说明

②问卷调查。本次调研主体选择的是南京林业大学学生。该问卷调查了学生购买衣物、外卖打包 、快递、食堂用餐、生活用水用电、废旧书处理、平时出行选择的方式等情况。调研时间选择在2020年6～7月，本校学生在该时间段处于在校备考阶段，方便对其进行调研。调研过程采取随机邀请学生在问卷星平台进行问卷回答以及线下访谈。本次调研活动，问卷累计发放500份，回收问卷469份，其中有效问卷427份，无效问卷42份。问卷有效回收率91%,符合问卷回收的基本要求。此外在被调查者中，有男生183人，女生244人，各年级调查对象分布较为均匀。

计算最终得到南京林业大学每年校园人员生活能耗约为 49 441.31 吨/年。

4.1.3 南京林业大学每年植物产生的碳源计算

据南京林业大学官网给出的数据(2019年)，校园的实际占地面积为 798 770 m2(79.877 hm2)，校园的绿化面积为 429 700 m2(42.97 hm2)，绿化覆盖率达到了53.8%。

根据计算校园植物每年碳排放量公式可得：

南京林业大学每公顷年植物碳排放量=8.275×10-3×绿化覆盖率=0.004 451 95 吨/公顷·年。

南京林业大学的植物每年呼吸产生的碳排放量=0.004 451 95吨/公顷·年×校园面积(公顷)=0.355 61 吨/年。

4.1.4 南京林业大学每年土壤呼吸产生的碳源计算

根据计算土壤呼吸产生的碳排放计算公式可得：

南京林业大学的土壤呼吸产生的碳排放量=28.11(Mg/ha/year)×校园面积(公顷)=612.37吨/年。

4.1.5 南京林业大学每年植物碳汇的计算

根据植物碳汇计算公式可得：

南京林业大学每年的植物碳汇=2.322 5 t/hm2·a×校园绿化面积+校园植物每年碳排放量=100.15吨/年。

4.2 南京林业大学碳源和碳汇分析

碳源和碳汇的计算结果结合图2得到模型如下(见图3)：

图3 大学校园碳源和碳汇模型

南京林业大学主要的碳源有人体呼吸产生的碳排放(2 893.43吨/年)、校园生活能耗 (49 441.31吨/年)、校园植物呼吸产生的碳排放 (0.004 451 95吨/年)、土壤呼吸产生的碳排放(612.37吨/年)，碳源总和为 52 947.11 吨/年。南京林业大学的主要碳汇为植物固碳作用吸收的碳(100.15吨/年)。因而南京林业大学的净碳源为 52 846.96 吨/年。

南京林业大学因其学校特色，校园绿化覆盖率远超一般高校，南京林业大学每年碳汇量较高。尽管如此，南京林业大学的碳汇量和校园产生的巨大碳排放量相比，碳汇起到的作用依旧十分有限，校园植物产生的碳汇才占到总碳源的0.19%。因而中国大学想要依靠校园植物来实现碳中和是极为困难的。降低净碳源量，主要在于减少大学校园的碳排放量。保护和增加学校已有的绿化，可以在一定程度上实现局部碳源和碳汇的平衡，同时适当优化校园的乔木、灌木、草本结构和垂直绿化的配植，尽可能地提高碳储存量。

5 减少碳排放策略研究与总结

从南京林业大学校园碳源和碳汇的计算结果中可以得到，最主要的碳源还是校园工作、学习、生活能耗，这个部分占到了总碳源的75.58%，因而实现碳中和的重心应该放在如何优化全体教职工和学生的日常能耗。主要措施如下：①使用节电节水设备。在硬件设备层面，部分高校的节能节电设施存在因设计不合理、技术不够成熟等问题而无法发挥预期效果的现象。因而高校可对老旧或存在问题的设施进行更新换代，从而提高能源利用率。同时实现对教学区域能耗数据的监测，完成水、电、气等各类能耗资源的分类分项计量，实时监测各区域的能耗详情。②提高教职工和学生的节能意识。有研究表明，开展节能减排宣传教育能够明显提升高校学生对节能减排的认知程度与行为意愿，从而有利于其节能减排行为的培养。高校可通过开展节能减排专题活动或课程来宣讲节能减排的知识和技能，并以奖励素质拓展学分的形式，来帮助学生养成节能减排的习惯。③在教学楼和学生宿舍的屋顶安装光伏板，利用太阳能发电。在我国，电力来源主要以煤电为主，但由于煤电不仅效率不高而且会对环境带来很大的污染，所以使用新能源是未来的必然趋势。光伏发电作为新能源的一种，不仅发电效率高，而且具有安全可靠、无噪音、无污染排放等优点。高校可通过对学生宿舍或教学楼等用电场所进行安装光伏板，利用太阳能发电，从而提高能源利用率、减少碳排放。

以下两点还有待讨论：①在寻找计算碳源和碳汇的方法上，由于研究的环境条件不同会造成参考系数不同，本文计算时选择了其中限制条件较少的公式或者条件相对单一的公式来计算，这在一定程度上会造成计算结果精度低，因此有待今后进行深入研究，进一步提高计算的精度。②由于我国部分大学校园不仅包括了教学区、学生生活区还包括了居民区和家属区，而且各大学的绿化率也不同，因此对不同的大学校园，碳源和碳汇的计算范围可能会有所不同。