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  • 生态聚焦|土壤修复产业碳达峰碳中和路径研究

    • 2022年02月25日
    • 来源:环境工程
    • 阅读量:706
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    本文作者:薛成杰1  方战强1,2*
    (1. 华南师范大学环境学院,广州 510006;2. 广东省环境修复产业技术创新联盟,广州 510006)



    研究背景

    碳达峰(peak carbon dioxide emissions)是指碳排放进入平台期后,进入平稳下降阶段,实现二氧化碳的收支平衡。碳中和(carbon neutrality),主要是指企业、团体或个人测算在一定时间内,直接或间接产生的温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,抵消自身产生的二氧化碳排放,实现二氧化碳的“零排放”。

    我国长久以来坚持减少碳排放,支持低碳生活,控制温室气体。中国城市温室气体工作组已经建立中国全口径城市2005,2010,2015,2018年CO2排放清单,包括工业、交通、间接排放、服务业、农业、城镇生活和农村生活等部门。20世纪以来,我国参与的部分改善世界气候、减排路线的相关文件见表1。

    表1 我国碳排放重要事件一览表

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    根据BP数据,2019年我国二氧化碳排放量为98.26亿吨,占世界的28.8%。从我国与欧盟、美国等历史碳排放量和预期增长趋势看(图1),欧盟、美国、日本在1979年、2007年、2008年已实现碳达峰。我国十八大报告指出,要大力推进生态文明建设,坚持节约资源和保护环境的基本国策,坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针,着力推进绿色发展、循环发展、低碳发展,形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式,从源头上扭转生态环境恶化趋势,为人民创造良好生产生活环境,为全球生态安全作出贡献。

    图1 世界碳排放量及增长趋势示意图

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    生态文明与碳中和、碳达峰的意义相同,就是要保护环境,恢复自然生态。土壤是自然生态的重要部分,是人类活动的主要场所,是连接大气圈、水圈、生物圈的重要途径,是地球大气碳库、海洋碳库、岩石圈碳库、陆地生态系统碳库的主要组成之一。土壤碳库和植被碳库是陆地生态系统碳库的主要组成,土壤碳库占90%以上,是大气碳库的2~3倍。这要求我们加大自然生态系统和环境保护力度,具体到土壤修复产业中,体现为恢复土壤碳库容量,减少土壤修复过程中的能源消耗、碳排放等。可预见的,土壤修复可以恢复破坏土壤原有的容碳能力,植被恢复后提高土壤碳容量。

    2020年9月,习近平总书记在第七十五届联合国大会上首次宣布,我国二氧化碳排放在2030年前力争达到峰值,2060年前努力争取实现碳中和。土壤碳汇是削减碳排放、缓解全球气候变化的重要途径。聚焦土地可持续利用和管理,对土壤修复产业的碳排放进行分析,对土壤修复产业碳达峰碳中和路径分析,对实现土壤修复提高土壤容碳能力、降低修复工程等过程中的碳排放具有重要意义。

       摘要    

    土壤修复产业迎来爆发式增长,未来即将突破万亿市场,是环保产业中最具发展潜力的行业。二氧化碳排放影响世界气候变化,关乎人类生存。我国提出在2030年实现碳排放达到峰值,2060年达到碳中和这一目标,旨在优化能源结构,维护全球二氧化碳平衡,保护地球家园。土壤修复产业中碳排放量随土壤修复市场发展逐渐增加,若不采取碳减排措施,势必会增加实现“双碳”目标的压力。土壤修复产业碳达峰碳中和路径研究对土壤修复产业中“双碳”时间节点进行了预测,分析了土壤修复产业中的碳排放量,并提出土壤修复产业中实现“双碳”目标的路径。


    01土壤修复产业碳排放分析



    1 我国二氧化碳排放

    近年来,国家战略层面的生态文明建设,城市的发展扩张使土地资源变得尤为紧缺,用地污染问题逐渐暴露。为实现污染地块的安全利用,土壤修复产业迅猛发展。尤其是2016年《土壤污染防治行动计划》的发布,拉开了土壤修复产业飞跃式发展的序幕。2018年《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》与2019年《中华人民共和国土壤污染防治法》的实施,标志行业有法可依、有标准限制的阶段。通过这几年的政策导向,近一年土壤修复企业增加了近16%。同时,碳排放将会更加严格控制,碳交易也将成为重要的二氧化碳控制手段。由于我国碳交易市场刚刚建立起来,土壤修复企业的碳排放基本没有进行过碳核算、碳排放校核,但从国外相关行业可以由经验分析其碳排放量。

    长全等人在人口、国内生产总值、人均能耗、第二产业占GDP比重、第三产业占GDP比重、城镇居民人均可支配收入、城镇新建住宅面积、能源强度8个指标与碳排放的关系,发现GDP与碳排放的相关性指数在0.815以上。李国志认为碳排放随经济增长呈现出先增加后降低的变化趋势,当经济增长到达一定水平后,将有利于实现碳减排,中国碳排放与经济增长之间的关系可以分为2个明显阶段:1989年以前为U型曲线关系,而1990年后则表现出典型的倒U型EKC关系。根据近年来我国GDP的变化,可以粗略算出单位产值所产生的二氧化碳。美国2019年GDP为21.43万亿美元,二氧化碳排放量为4964.69亿吨,折合二氧化碳排放系数为3.5887 kg/万元GDP。预测未来我国的二氧化碳排放系数会下降至3 kg/万元GDP左右,2030年前后保持在9 kg/万元GDP左右,2060年会下降到0.2 kg/万元GDP左右(图2)。鉴于目前土壤修复主要为政府引导的政策导向性产业,土壤修复产业的资金来源主要为政府拨款,而二氧化碳排放与资金投入有直接关系,资金投入又与政府的GDP息息相关,因此土壤修复行业的二氧化碳在目前没有较好的数学模型预测情况下,我们可以根据单位GDP产值排放二氧化碳数预测土壤修复产业的二氧化碳排放量。

    图2 我国二氧化碳排放量与二氧化碳排放系数

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    2 土壤修复技术碳排放分析

    土壤修复包括建设用地修复、农田修复以及矿山修复,其中农田修复与矿山修复主要恢复土地植被,对污染土壤的修复产生的二氧化碳,在修复后的植被光合作用下中和,因此土壤修复中碳排放主要考虑建设用地的碳排放。

    建设用地土壤污染主体为焦化、石化、医药、金属冶炼等企业,污染物主要为多环芳烃、卤代烃、石油烃、镉、砷等重金属。建设用地土壤修复中常用的技术有热脱附技术、气相抽提技术、固化/稳定化技术、化学淋洗技术、化学氧化/还原技术、水泥窑协同处置技术等物理化学方法。通过对环境修复工程企业调研,针对有机物污染土壤的修复常用技术为热脱附、化学氧化/还原、水泥窑协同处置、化学淋洗等,对重金属污染土壤的修复技术主要有固化/稳定化、植物修复等。根据各修复工程的修复费用或能源消耗,可以计算出所产生的二氧化碳排放量。

    热脱附技术通过直接或间接加热土壤,使土壤中有机污染物受热从土壤介质中挥发或分离后,进入气体处理系统的过程。热脱附技术由于要加热受污染的土壤,其带来的能源消耗必然是巨大的。由国内某焦化厂土壤修复案例分析,热脱附每吨土壤消耗天然气45~48 m3,电34.1~40.8 kW∙h,由此可大致估算每吨土壤修复排放了124.1~136.8 kg二氧化碳。但热脱附修复土壤总工程量还包括土壤挖掘、运输、回填等其他方面的能源消耗,其最终产生的二氧化碳排放可能超过200 kg/t土。

    气相抽提技术是利用负压风机形成负压,在污染土壤区域的抽气井将有机污染物抽提后,经过活性炭或催化氧化后降低土壤中污染物浓度的方法。国内某地块被苯和C10~C12脂肪烃污染约200 m3,采用气相抽提技术实现了87.4%的修复率。项目历时7个月,使用了55 kw风机和总功率为72 kw的催化燃烧室,还包括离心式引风机、泵、尾气处理装置等。按每天8小时工作,每月20个修复工作日核算,该修复工程耗电量约为14万kW∙h。按中国电网电力(各种电力混合后的平均值)1度电的CO2排放是960 g左右,该修复工程折合碳排放量约136吨,平均修复每吨污染土壤排放二氧化碳约500 kg。通常气相抽提会与热处理相结合,产生的碳排放进一步增加。

    水泥窑协同处置是进行危险废物处置的一种方法,可以处置污泥、重污染土壤等,可以完全消除有害气体,最终转化为水泥熟料,无废弃物遗留。根据某地水泥窑协同处置建设项目环评报告,该项目总装机容量约1000 kw,计算负荷900 kw,处理能力约15~30 t/d。核算后平均处理每吨重污染土壤约耗电240~480 kW∙h,折合排放二氧化碳230~460 kg。此二氧化碳排放不包含加热过程中有机物燃烧后排放的二氧化碳。

    化学淋洗技术通过表面活性剂的加入,使铜、铅、镉等重金属或与表面活性剂性质相近的有机污染物迁移到化学溶剂中,并进一步分离、处理的技术。该过程的能源消耗远低于热脱附技术、气相抽提、水泥窑协同处置等需要高温的高能耗技术。化学淋洗中主要应用设备淋洗筛分机、搅拌反应泵、清水输送泵等低能耗设备。上海市某修复项目修复总工程土方量为36768.4 m3,清水输送泵功率3 kw,淋洗液搅拌机功率1.5 kw,两台淋洗液输送泵1 kw,筛分设备13 kw,总工程设备计算负荷约153.8 kw。最终淋洗修复108.6 m3重金属污染土壤,消耗9500 kW∙h,折合修复每吨土壤排放64.5 kg二氧化碳。

    固化/稳定化技术利用添加剂,通过添加剂与土壤中的有害成分结合使其转化为其他物理或化学形式,消除或减小其危险性质。固化/稳定化工程中主要用到的设备包括挖机、破碎筛分机、搅拌机等。国内某化工厂汞污染土壤经固化/稳定化处理后,土壤中重金属汞硫酸硝酸浸出浓度未检出。该工程修复约4000 kg汞污染土壤,采用了PC 60挖机、Allu破碎筛分设备等。PC 60挖机功率约为40.7 kw,Allu破碎筛分设备可以连接在挖机上,没有额外能源消耗,搅拌机功率约5.5 kw。修复每吨污染土壤耗能约46.8 kW∙h,折合修复每吨土壤排放44.9 kg二氧化碳。

    化学氧化/还原技术是指向污染土壤添加氧化剂或还原剂,通过氧化或还原作用使土壤中的污染物转化为无毒或相对毒性较小物质的过程。根据处置地点不同,化学氧化/还原技术可分为原位和异位两种工艺。原位化学氧化/还原系统主要包括注射井、氧化剂/还原剂输送管道和监测井三部分。化学氧化/还原中用到的设备以挖掘机,搅拌机为主,其修复土壤能耗与固化/稳定化技术相似,估算其修复每吨土壤排放50 kg二氧化碳左右。

    生物修复技术主要分为:植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术三大类。但目前实现技术应用的有植物修复和微生物修复技术,其中植物修复技术通过特定植物的生物富集作用,将土壤中重金属元素富集到植株体内,再对收获植株进行处理,降低二次污染。整个修复过程包括植物幼苗的培育、植株移栽养护、植株回收、植株遗体处置(焚烧)。植物本身可以固炭养地,因此基本可以中和修复过程中的二氧化碳排放,估算其修复每吨土壤排放-10~30 kg二氧化碳左右。

    表2 土壤修复部分技术案例碳排放对比

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    3 土壤修复产业碳排放

    随着《土壤法》的落地,目前全国建设用地土壤修复市场迎来爆发增长,建设用地土壤修复地块达到2.5万块,修复面积达到1000万亩,如果采用热脱附、水泥窑协同处置、气相抽提等技术,势必会对碳达峰碳中和的目标形成一定压力。2016年我国土壤修复市场规模为42.09亿元,2017年增长至151.45亿元,涨幅高达259.98%,2018~2020年土壤修复市场规模总计超千亿,同时2021~2024年我国土壤修复市场规模将会超过2500亿元。若不采取任何碳减排措施,土壤修复产业中碳排放会随土壤修复市场规模持续增加,在2030年达到113152.2吨,在2060年达到483856.5吨。在巨大的土壤修复市场,使用碳排放量高的修复技术,大大增加了碳中和压力。固化/稳定化技术、化学淋洗技术、化学氧化/还原技术等虽然修复效率略低,但是其碳排放量少,投入小。选用此类技术可以有效降低土壤修复产业中碳排放量,使得更多的土壤得到修复,同时提高了土壤碳库容量。采取了必要的碳减排方式后其二氧化碳排放会在2030年前后达到顶峰,在2060年之后达到碳中和。

    图3 国内土壤修复产业订单及二氧化碳排放量测算

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    从当前主流场地土壤修复工程对比,热脱附技术、气相抽提技术、水泥窑协同处置技术等技术是高能耗、高效率、高投入的修复技术,同时也是高碳排放技术。国内土壤修复产业订单(图3),显示我国土壤修复行业近年来异军突起,成交额增长迅速。如果按现在土壤修复技术对土壤进行修复,其预估的二氧化碳排放采用土壤修复产值规模进行估算,到2024年将会排放近8万吨二氧化碳。这么多的二氧化碳排放势必对我国2030年碳达峰,2060年碳中和目标的实现造成一定困难,所以有必要调整土壤修复产业中的主流土壤修复技术,对土壤修复产业中碳达峰碳中和路线进行预测。


    02  土壤修复未来的技术发展趋势



    当前国内外土壤修复发展现状,土壤修复在技术上从单一的物理、化学、生物修复方法到两种修复技术的联用;从有机污染物、重金属单一污染发展到多种有机物、多种重金属甚至有机物与重金属复合污染物;从异位物理化学修复到原位低风险污染修复发展。面对复杂的土壤污染状况,修复技术也在不断改进。根据“双碳”目标的要求,土壤修复技术的发展也需要向低碳排放,低能源消耗方向发展。

    1 土壤修复技术中的碳汇

    土壤修复可以恢复污染土壤原本的功能,土壤修复后其表面生长的植被,对于二氧化碳的固定,以及土壤二氧化碳排放都有积极的作用。土壤修复技术中物理修复、化学修复难免用到能源与化学药剂,能源的消耗,化学药剂的使用,都不同程度地增加了二氧化碳的排放。生物修复,在污染土壤上种植高积累植株,其本身就能不同程度的固定二氧化碳,同时恢复了土壤的植被,是一种增加土壤碳汇的修复技术。

    2 向技术联合应用发展

    对于污染地块,不同区域的土壤污染程度一般是不同的,针对不同污染程度的土壤,采用不同修复技术联合使用可以降低二氧化碳的排放。在重污染区域先采用物理修复技术,如热脱附修复、气象抽提修复等。污染程度降低到一定风险后,物理化学修复的二氧化碳排放更多,低浓度污染往往消耗的能源更多,采用生物修复技术,种植修复植物,施用微生物修复试剂等低二氧化碳排放技术,使得修复工程中综合碳排放达到最优。

    2 向绿色可持续修复技术发展

    化学修复与物理修复对环境造成二次污染或者改变土壤的原始性质,当前急需研究新的化学试剂或是物理方法,使在土壤修复过程中尽量减少对土壤功能的破坏。当前有潜力的修复材料有零价铁、生物炭、固化稳定材料,这些修复试剂的研究对土壤修复中二氧化碳碳减排具有积极作用。当然,利用生物或者植物修复污染的土壤环境是一种更为绿色更加环境友好的方法,这种方法在农田土壤污染与矿山修复中较为常用。在满足地块环境功能、使用功能和风险控制的基础上,减少修复本身所带来的负面影响,最大化降低土壤修复中二氧化碳的排放,全面发展绿色可持续修复技术,是土壤修复发展的唯一方向。


    03  土壤修复产业碳达峰碳中和路径分析



    土壤修复产业的组成主要包括了环境咨询服务类公司、环境修复类公司、修复设备类公司、修复药剂类公司、环境监测类公司以及环境修复研究院等主要6类企事业单位。其中环境修复企业在资金、企业规模、企业数量方面成为土壤修复产业引领者(图4)。环境咨询服务、环境修复药剂生产、环境监测以及环境修复技术研究主要为咨询服务类和环境检测类企业,能源消耗较少,相对产生的二氧化碳量少。同时土壤调查项目、土壤环境状况评估、环境采样检测项目相比土壤修复项目数量大致相同。环境修复、环境修复设备制造主要为高能耗、高投入类产业,能源消耗高、产生的二氧化碳多。其中又以土壤修复项目远多于土壤修复设备制造企业,从而土壤修复产业中碳排放以土壤修复工程为主。目前土壤修复项目以建设用地修复为主,近两年,无论是项目金额或项目数量,建设用地修复都遥遥领先。农用地修复项目较少,但其正酝酿等待爆发。根据北极星环境修复网资料,建设用地修复成本为20~50万/亩,其中包含土壤调查、工程实施、风险评估等诸多环节。这些环节产生的二氧化碳数基本为净碳排放量,只有少数土地修复后被建设为公园、湿地等绿化用地。

    图4 土壤修复产业各类公司占比

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    环境咨询类公司可为地方各级政府、社会企事业单位、工业园区提供预评估、环境影响评价、环境监理、竣工环保验收咨询、清洁生产审核、上市核查、区域规划、风险评估、应急方案、污染源调查与评估、区域和企业环保综合整治方案等,也可以结合环保实践和环境管理需要,参与研制环境标准、环境管理政策等,积极为政府社会经济发展和企业立项、建设、运营等提供全过程的环境咨询服务。其服务过程主要会使用办公设备以及现场考察、沟通企业与政府信息等。可通过减少与政府、企业三方奔波频次,通过视频会议沟通事件进展,减少现场考察次数、通过无人机等实现远程5G考察,无纸化办公,减少纸质材料的使用等方面减少碳排放。

    土壤环境修复企业通过热脱附技术、气相抽提技术、固化/稳定化技术、化学淋洗技术、化学氧化/还原技术、水泥窑协同处置技术等技术对污染地块进行修复达到环境改善、生态修复、地块利用的目的。企业在技术选型过程中应尽量避免高能耗、高二氧化碳排放的热脱附、水泥窑协同技术,采用低能耗、低碳排放的植物修复技术和微生物修复技术等绿色可持续修复技术。针对污染程度不同区域,选择联合修复技术,对重污染区域可以选择必要的热脱附技术、化学氧化还原技术,对中污染、轻污染区域选择生物修复技术。同时土壤环境修复工程是土壤修复产业中最重要的环节,也是碳排放量最多的环节,如果不加以政策干扰,其碳排放量会逐年上升(图5)。

    绿色可持续修复是指在满足地块环境功能、使用功能和风险控制的基础上,为了减少修复本身所带来的负面影响,综合考虑修复全生命周期内的环境、社会、经济因素,采取使修复净效益最大化的方案和措施。土壤修复工程使用技术类型向低碳排放技术和绿色可持续技术转变,降低异位修复技术的使用率,提高原位修复技术的使用率,可以最大程度、最有效的降低土壤修复产业中碳排放量,对我国碳达峰、碳中和的“双碳”目标的早日达成做出贡献。

    图5 土壤修复产业各行业碳排放预测

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    根据土壤修复行业中各产业分布情况,对土壤修复行业碳排放预测按比例分配,预测出土壤修复行业中各产业碳排放量,如图5。

    环境修复设备制造企业涉及钢铁冶炼、车床加工、精密制造、计算机辅助、控制系统开发等方面,其主要企业为传统制造业与部分设计公司。其生产设备过程的碳排放不容忽视,生产的设备在使用过程中也有一定碳排放,通过技术升级或控制系统的改进,进一步提高其智能化,小型化,低能耗化,降低生产过程以及使用中的碳排放。

    环境检测是指通过对人类和环境有影响的各种物质的排放量的检测,跟踪环境质量变化,确定环境质量水平,为环境污染治理等工作提供基础和保障。环境监测工作通常包括背景调查、确定方案、优化布点、现场采样、样品运送、实验分析、数据收集、分析综合等过程。环境监测服务公司在以上各个环节产生的二氧化碳可以通过调查方案的整体优化,通过数据共享减少现场采样调查的频次,与环境咨询类公司的共享合作,有利于整体碳排放的减量,检测分析过程一次性完成,减少大型仪器的频繁启动,检测报告减少纸质版的输出等降低碳排放。

    环境修复研究机构围绕污染监测与评估、土壤污染治理与修复等领域开展环境保护与污染控制应用技术研究,已在环境土壤修复领域形成了系列关键技术、成套处置装备、修复药剂、修复检测等核心技术体系。在技术研究过程中,试验过程的碳排放可以有效通过优化试验方案,改进修复技术,提高修复过程中效率,进而降低碳排放。

    作为土壤修复产业链中核心环节,土壤修复工程应放在土壤修复产业碳排放控制的首位,应对修复工程中修复技术择优选择,选择低碳排放或负碳排放修复技术。调整后,土壤修复工程的碳排放量会减少90%以上,其变化趋势由实线曲线增加转变为先增加后减少至稳定趋势(图5,虚线曲线)。其次,对于土壤修复产业链中上游环节,应对于碳排放量第二的环境监测类企业与第三的环境咨询类企业进行碳减排控制,应用5G新技术、视频会议、数据共享等可以降低碳排放。对于环境修复工程、环境监测项目、咨询服务项目这三项的碳排放控制,使土壤修复产业中“双碳”目标的实现可以快速实现。最后,对土壤修复产业链中下游行业,对于修复设备制造公司、修复药剂制备公司以及研究中心等的碳排放进行监测,技术升级等,减少二氧化碳的释放。通过对土壤修复产业链的三个环节的综合控制,针对环境修复类企业的技术导向,同时加强对环境检测与咨询服务类行业数据共享等使碳排放量可以在2030年前后达到峰值,2060年前达到碳中和。

    图6 土壤修复产业碳达峰碳中和路径选择

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    我国土壤修复行业与发达国家相比,发展较晚,修复技术本土化差。发达国家碳达峰是经济社会发展的自然过程,进入了后工业化阶段或信息化阶段,土壤修复发展对碳排放的增长贡献稳定。我国目前尚未完成工业化进程,GDP增长仍依赖能源消费的增长,因此短时间内我国土壤修复产业中碳中和要减少二氧化碳排放,同时要满足土壤修复的社会需求。我国“双碳”目标的提出,使得我国环境修复工程需要及时改进与选择符合低碳发展的土壤修复技术,如生物技术、化学氧化技术、固化稳定化等技术。保留部分热脱附技术、气相抽提技术等可以保证重污染土壤的修复。针对咨询服务行业与环境检测行业,推进数据共享、5G技术、视频会议,无纸化等措施可减少碳排放。针对我国土壤修复产业碳达峰碳中和路径选择可参考图6。


    04  结论



    碳达峰碳中和目标的提出,势必对我国土壤修复产业产生不小的影响。从原来20世纪初引进国外高效、快速的土壤修复技术、设备等,逐步发展适用于我国土壤特征的修复技术,采用碳排放少的土壤修复技术。2008~2016年,我国土壤修复项目以68%占比的污染介质治理技术为主,污染介质治理技术主要包括了热脱附、气相抽提、热解、电渗析等高能耗技术,增加了“双碳”目标的压力。为实现碳中和目标,我国土壤修复产业将会从开始的高效率、高能耗修复技术转向低碳排放、低能耗、绿色可持续修复技术。同时,随着纳米技术、零价铁技术、生物修复技术等其他绿色可持续修复技术发展,土壤修复产业通过结合大数据、云计算、5G物联网、数据共享等跨学科、跨领域技术,实现我国土壤修复行业的高效率,低成本、低碳排放,早日实现“双碳”目标。


    来源:薛成杰,方战强.土壤修复产业碳达峰碳中和路径研究[J].环境工程.

    全文下载链接(网络首发版):https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=HJGC20220209



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