全球 16 城碳代谢新解：实体与虚拟碳整合分析打开减排新视角

发布人：碳中和与绿色发展研究院 发布日期：2025-09-19

      城市作为人类生产生活的核心载体，贡献了全球 70% 以上的碳排放，其碳代谢过程（碳的输入、转化、储存与输出）是全球气候治理的关键切入点。然而，传统城市碳核算长期聚焦于 “territorial 范围” 内的气态排放（如化石燃料燃烧直接排放），却忽略了两大核心环节：一是实体碳（材料、产品中的真实碳）的跨边界流动与长期储存，二是虚拟碳（上游供应链隐含的排放，如异地发电、原材料开采）的转移效应，导致对城市碳代谢的认知存在显著 “盲区”，难以支撑精准减排政策的制定。​

      针对这一研究缺口，中山大学陈绍晴教授团队及北京师范大学、美国马里兰大学等机构团队联合攻关，提出了一套整合 “实体碳平衡” 与 “化石燃料衍生虚拟碳足迹” 的统一代谢分析框架，并以 16 个全球代表性城市（涵盖北京、香港、纽约、伦敦、东京、圣保罗等，覆盖高、中、低收入水平及不同地理区域）为研究对象，完成了城市碳代谢的全链条解析。该成果以《Physical and virtual carbon metabolism of global cities》为题发表于《Nature Communications》，为城市碳管理提供了全新的学术范式与实践依据。​

Fig. 2
通过多种指标可呈现全球 16 个城市的总碳流入（TCIs），其涵盖实体碳与虚拟碳两部分。与城市经济相关的实体碳和虚拟碳的贡献差异显著，进而导致各城市的碳表现（以人均流入量、碳强度及空间密度为表征指标）存在差异。

       该研究的核心创新在于打破了传统碳核算 “单一维度、局部范围” 的局限，通过多方法耦合实现了碳代谢的系统刻画：一方面，采用物质流分析（MFA）追踪实体碳的完整路径 —— 从 “输入”（市外进口、本地生态提取、材料回收）到 “分配”（农业、制造、建筑等部门消耗），再到 “去向”（气态排放、固体废弃物、家庭储存、城市存量、出口），确保实体碳流动的物质平衡；另一方面，结合生命周期评估（LCA）与投入产出分析（IOA），量化化石燃料衍生的虚拟碳 —— 即城市进口商品 / 服务在 upstream 供应链中产生的 CO₂排放，并将其精准分配至家庭消费、资本形成、出口等最终需求端。在此基础上，研究定义 “总碳流入（TCI）” 作为综合指标（实体碳输入 + 虚拟碳输入），首次实现了对城市碳代谢规模与结构的全面量化。​

      基于这一框架，研究揭示了全球城市碳代谢的三大关键规律，直指传统核算的认知盲区：其一，实体碳高度依赖外部 “碳外包”，16 个城市的实体碳输入中，88%-92% 来自城市边界外的进口，仅 2%-6% 源于本地生态系统提取（如城市森林生物质），3%-8% 来自材料回收。即便是斯德哥尔摩、维也纳等回收体系较完善的城市，回收碳占比也仅约 8%，且低于总碳流入的 5%；而莫斯科、曼谷等城市的进口实体碳占比更是超过总碳平衡的 50%，凸显城市对全球供应链的深度依赖。其二，虚拟碳成为总碳流入的重要组成，占比达 33%-68%（香港最高、圣保罗最低），平均贡献近一半的总碳流入。从需求端看，30%-53% 的虚拟碳由城市本地消费与投资驱动（如东京、纽约等高收入城市的家庭消费占比超 30%），北京、德里等发展中城市则因基础设施建设需求，45% 左右的虚拟碳源于资本形成，这意味着忽略上游排放将严重低估城市碳代谢的实际影响。其三，城市存量碳构成 “隐性排放源”，16 个城市中，8%-24% 的碳以耐用消费品（家具、纺织品）或城市存量（建筑、基础设施）的形式储存，人均存量碳达 0.6-1.5 t C，是全球平均水平的 2 倍以上，且其排放具有显著时滞性 —— 这些碳将在未来数年至数十年内，通过废弃物焚烧、填埋等途径缓慢释放，成为未来减排不可忽视的靶点。

Fig. 4
为全面刻画城市经济的广义碳影响，我们将实体碳核算与化石燃料衍生虚拟碳核算整合到统一的碳代谢框架中。具体而言，研究分为两部分：首先，追踪城市所占用的实体碳 —— 其来源包括市外进口的商品或原材料（IM）、城市生态系统的本地供给（LS）、材料回收（RE）；同时追踪这些实体碳在城市经济系统内的分配路径，明确其最终转化为家庭储存（HS）、工业部门存量变化（SC）、气态排放（GE）、固体废弃物（SW），还是以实体商品形式出口（EX）。其次，模拟城市通过进口产品所关联的虚拟碳排放，并进一步将其分配至本地（家庭与政府）消费（HG）、资本形成（CF），以及作为最终需求的出口（EP）三大领域。

      ​该研究的学术与实践价值尤为突出：在理论层面，其整合 MFA、LCA 与 IOA 的方法论，填补了大尺度城市样本下 “实体 - 虚拟碳” 耦合研究的空白，深化了对 “城市碳代谢系统复杂性” 的认知；在实践层面，研究为城市减排提供了精准方向 —— 需从 “仅控本地排放” 转向 “供应链虚拟碳管控 + 城市存量碳优化” 双轨并行，且需针对不同类型城市制定差异化策略（如高收入城市聚焦消费端虚拟碳，发展中城市关注资本形成相关排放与存量碳管理）。对于全球气候治理而言，该研究不仅揭示了城市碳代谢的 “隐藏账本”，更为不同发展水平城市协同减排提供了可参考的路径，助力实现全球碳中和目标。

      论文链接：Physical and virtual carbon metabolism of global cities | Nature Communications