生活垃圾填埋场往往被视作城市重要的碳排放源，其碳资源储存量一直被忽视。本研究通过量化填埋场碳存量对城市碳循环的贡献，揭示了通过填埋场采矿与修复治理等手段实现城市“负碳”转型的重要路径。
导 读
生活垃圾填埋场不仅是全球第三大甲烷温室气体排放源，更是城市重要的碳资源储存场所，具有较大的碳减排潜力。本研究构建了填埋场有机碳的“固-液-气”三相耦合转化模型，对346个中国城市的填埋场碳存量进行了测算评估。研究表明，我国填埋场历史碳存量高达5亿吨，其中有机碳约占城市绿地的20%，化石碳能量通过转化可供应城市约1年的用电需求。情景分析的结果表明，综合使用填埋处置减量、填埋气收集和填埋场修复治理等干预措施，到2030年可实现我国生活垃圾填埋场的“负碳”转型，其中填埋场存量有机碳开采利用的贡献率占52.3%。本研究可以改变人们对垃圾填埋场的“负面”认知，为生活垃圾填埋场碳减排乃至碳中和提供了可行的技术-政策路径。
图1 图文摘要
1
填埋场有机碳存量的时空变化
过去20年间，中国填埋场累积输入的有机碳和化石碳达到5.4亿吨，其中76%进入了卫生填埋场，而24%则进入了简易垃圾堆场。这些碳输入中，约6.4%以填埋气的形式（如甲烷和二氧化碳）释放到大气中，约0.3%进入水处理系统或水环境中，剩余93.3%作为碳存量储存在填埋场中，主要以腐殖土（占55%）、塑料和橡胶（占31%）、纺织物（占3.6%）、废木竹（占3.4%）等形式存在（图2）。
图2 我国填埋场的累积有机碳存量（2001-2020年）
从2001年至2020年，填埋场的累积碳存量年从0.18亿吨上升到5.06亿吨，增长了近28.8倍。简易垃圾堆场处置量在2012年达到顶峰后逐步减少，卫生填埋场处置量呈线性增长趋势。我国城市生活垃圾填埋场的空间分布特征与“胡焕庸线”基本一致。胡焕庸线以东城市的填埋场碳存量显著高于西部地区，分别为4.1亿吨和0.9亿吨。我国31个省会城市的填埋场碳存量占全国总量的36.2%，其中北上广深四个经济发达城市占总量的12.7%（图3）。
图3 我国填埋场累积有机碳存量的空间分布
2
填埋场有机碳存量的资源环境效应
本文提出三项指标来评估填埋场碳资源存量的资源环境效应，包括腐殖土有机碳的利用潜力、化石碳能源利用潜力、城市甲烷排放贡献度（图4）。
首先，填埋场中有机碳含量丰富的腐殖土可作为土壤改良剂用于城市绿化。全国城市垃圾填埋场的有机碳存量占城市绿地有机碳存量的20%（四分位区间为9%-24%），东北地区最高可达39%，主要因为气温低有机碳降解缓慢。
其次，填埋场中可燃化石碳成分（如塑料、橡胶、纺织物和木材）具有较大的能源化利用潜力。超过81.5%的城市可通过转化填埋场化石碳存量为居民提供1年以上的电力需求，东北和西北部分城市甚至可以可到4年。
最后，填埋场碳存量将带来持续的甲烷排放。填埋场排放贡献占城市甲烷总排放量的3.9%。在华南地区温湿度和厨余垃圾产量高的城市，填埋场甚至可贡献约60%的城市甲烷排放。
图4 我国各地理分区下填埋场有机碳存量的资源环境效应
3
生活垃圾填埋场碳存量与碳减排的情景分析
为探讨填埋场的碳存量变化与碳减排效果，针对碳存量的主要形式及其环境效应，本研究基于填埋场碳资源利用与碳减排措施实施的难易程度，设定了四种情景：“现状情景”、“提高甲烷收集率情景”、“最小化填埋情景”、“填埋场修复治理情景”。在“现状”和“提高甲烷收集率”情景下，填埋场的碳存量在2025年和2030年分别达到6.15亿吨和7.27亿吨，增长幅度分别为16.9%和38.2%。而在“最小化填埋”情景下，通过实施“十四五”规划中的目标（如将填埋率降至12%，并提升垃圾焚烧和生物处理比例），填埋场的碳存量增长会显著减缓，仅年均增加2.2%（图5）。
图5 中国填埋场累积有机碳存量的情景分析（2001至2030年）
“填埋场修复”情景则是唯一可能实现“负碳转型”的情景。通过好氧稳定化、填埋场开采与存量资源利用等技术手段，考虑到甲烷减排和资源利用的“碳足迹”抵扣，预计到2030年填埋场碳排放可降至-0.57亿吨CO2eq/年。碳减排效果主要通过塑料、橡胶、纺织物和木材等化石碳的能量转化、腐殖土资源化替代化肥实现（图6）。
图6 中国填埋场累积温室气体减排的情景分析（2001至2030年）
本文进而研究了获得上述碳减排效益的经济可行性。我国生活垃圾填埋场修复治理的总成本估算约为5千亿元，但同时也能带来电力、肥料等潜在收益，净成本测算约为1.3千亿元（图7）。此外，考虑到土地复垦利用和填埋场周边地价升值等潜在增益，生活垃圾填埋场修复治理是经济可行的“负碳转型”模式。
图7 填埋场修复治理情景的成本效益分析
总结与展望
通过政策干预和技术创新，生活垃圾填埋场完全可能实现“负碳”转型，并带来环境与经济的双重收益。我国的生活垃圾填埋场修复治理仍然需要技术创新和投融资模式创新，建议推动填埋场修复治理碳减排标准的制定，采用碳市场等金融手段进一步推动填埋场“负碳”转型，助力城市实现“双碳”目标。
责任编辑
钟奇瑞 北京大学
徐国文 电子科技大学
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第3卷第1期以Article发表的“Carbon-negative transition by utilizing overlooked carbon in waste landfills” (投稿: 2024-01-25；接收: 2024-10-28；在线刊出: 2024-11-27)。
DOI:10.59717/j.xinn-geo.2024.100109
引用格式：Ma S., Lu M., Yang G., et al. (2024). Carbon-negative transition by utilizing overlooked carbon in waste landfills. The Innovation Geoscience 3:100109.
作者简介
周传斌，研究员，中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室。研究方向为资源循环利用的生态工程。
http://dse.rcees.cas.cn/yjzjs/csstxtybjlydkjsyj/csdxycystyjz/201211/t20121122_102212.html
往期推荐
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
| ||
|
The Innovation 简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
期刊官网：
www.the-innovation.org
www.cell.com/the-innovation
期刊投稿（Submission）：
www.editorialmanager.com/the-innovation
marketing@the-innovation.org
Logo｜期刊标识
See the unseen & change the unchanged
创新是一扇门，我们探索未知；
创新是一道光，我们脑洞大开；
创新是一本书，我们期待惊喜；
创新是一个“1”，我们一路同行。
The Innovation 姊妹刊
The Innovation
赞助单位