2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和(以下簡稱“雙碳”)，是我國的重大戰略決策。實施“雙碳”戰略是破解資源環境約束、實現高質量可持續發展的必由之路，也是應對世界大變局、構建人類命運共同體、促進人與自然和諧共生的必然選擇。

實現“雙碳”目標，需要變革傳統的經濟社會發展模式，促進能源結構和經濟結構的轉型升級;需要轉變發展理念，立足國情，先立后破，穩中求進，科學理性，依靠科技進步，穩步建立經濟社會綠色發展的新格局。

實施“雙碳”戰略，將引發廣泛而深刻的系統變革，在最大化發展和最小化排放兩個臨界點之間實現各要素全方位平衡和協調;需要處理好發展和減排、整體和局部、長遠目標和短期目標、政府和市場四個基本關系;需要厘清氣候-生態系統、能源結構、產業結構、科技發展和社會經濟等多要素互動的復雜網絡關系，優化“雙碳”戰略布局，重塑自然-社會-經濟系統的相互關系，提高“雙碳”目標與經濟社會發展目標的協調優化能力。

實施“雙碳”戰略，迫切需要自然科學、技術、人文社會科學的綜合支撐。其中，當前面臨的基礎科學挑戰與關鍵技術瓶頸主要體現在圖1所示的六個方面：具有頂層戰略意義的“雙碳”路徑選擇和優化;支撐頂層戰略的政策與管理體系構建;支撐戰略決策和行動計劃的科學原理與科學數據;具有核心地位的能源結構重塑;基于新型能源體系的產業結構重構;適應能源結構轉型和產業結構調整的生態環境優化。

為應對以上挑戰，國家自然科學基金委員會在前期布局的基礎上，特制定《“雙碳”基礎研究指導綱要》，旨在加強上述六方面的基礎研究(圖1)，為優化完善“雙碳”戰略路徑、全面實現“雙碳”戰略目標提供基礎性、前瞻性和引領性的科技支撐。

《“雙碳”基礎研究指導綱要》是國家自然科學基金委員會組織相關領域專家進行廣泛調研、深入研討完成的，旨在統籌全委前期和未來的資助布局，引導各科學部深入凝練關鍵科學問題，科學遴選優先資助方向，著力促進多學科交叉和研究范式變革，為今后的項目資助提供方向性指導。該指導綱要也可能會隨著環境目標的推進和技術路徑的發展有所變化和調整。

一、“雙碳”戰略路徑選擇

總體目標：

圍繞“雙碳”目標與經濟社會協同發展的路徑選擇和優化等關鍵科學問題，建立健全全球-全國-區域-地方多層次經濟社會復雜系統戰略路徑選擇的理論與方法體系，提升隨時可根據技術和資源可及性科學優化“雙碳”戰略路徑的能力。

重點領域與優先方向：

(1)全球視野下的“雙碳”目標與路徑措施：國際應對全球氣候變化挑戰的最佳路徑;因地制宜的、與產業結構相協調的“雙碳”現實路徑分析等。

(2)現有能源結構、科技和經濟社會背景下的潛在路徑：實現“雙碳”目標的各主要路徑的碳足跡、碳成本和碳效應評價模型構建;高碳領域的低碳發展路徑;低碳領域碳排近零發展路徑;固碳端負碳化發展路徑;多路徑耦合的儲能技術路徑量化調控研究等。

(3)“雙碳”目標變革性技術與發展路徑：面向“雙碳”目標的現實綜合路徑;新型能源體系構建路徑;新能源高效安全利用的變革性技術路徑;各種先進儲能技術的基礎研究及技術比較等。

(4)“雙碳”路徑預測與動態優化：“雙碳”路徑新研究范式的構建;多層次多要素相互作用復雜網絡構筑;預測系統與路徑動態優化研究。

二、“雙碳”政策與管理

總體目標：

圍繞實現碳中和的成本、效益、風險及激勵約束機制等關鍵科學問題，研究不同“雙碳”戰略路徑下優化經濟社會發展和保障國家安全的政策與管理體系，探索貫徹人類命運共同體理念的全球氣候治理機制，提升基礎治理能力。

重點領域與優先方向：

(1)綜合影響評估與數值模擬：碳排放與社會經濟互饋機理;碳減排的社會經濟影響評估;極端氣候和天氣事件的社會經濟影響評估;面向構建人類命運共同體的氣候-經濟復雜系統綜合評估建模及數值模擬等。

(2)碳中和經濟政策與管理：碳社會成本評估;碳定價及監管機制設計;碳減排產業組織;綠色金融激勵機制;宏觀經濟周期與碳減排協同管理;碳減排中的社會公正等。

(3)碳中和技術政策與管理：碳移除技術政策;商業模式與監管機制;顛覆性能源技術政策;碳中和技術標準和規范管理等。

(4)碳中和實施方案設計：區域協同減排方案與激勵機制;重點行業協同減排方案與激勵機制;二氧化碳和非二氧化碳協同減排方案;碳減排與保障經濟社會安全協同等。

(5)氣候適應策略研究：氣候適應能力評估和宏觀策略;企業和居民適應行為及策略;氣候適應技術與政策管理等。

(6)氣候治理：構建人類命運共同體的全球氣候治理機制;國際碳泄露評估及對策;國際氣候治理與合作;國際低碳技術和資金政策;碳中和法律法規體系建設等。

三、科學原理與數據

總體目標：

圍繞氣候變化與碳循環的互饋機制及氣候變化的敏感度等關鍵科學問題，構建“可測量、可報告、可核查”的“雙碳”觀測與數據系統，發展新一代地球系統模式，實現碳排放空間的準確預估，為“雙碳”戰略路徑的選擇和優化提供支撐。

重點領域與優先方向：

(1)“雙碳”背景與氣候變化：氣候變化的敏感度;氣候彈性與閾值;碳中和措施的氣候效應;“雙碳”路徑對未來氣候的影響等。

(2)碳循環及其與氣候變化的互饋：自然碳匯的形成與維持機制;碳循環與氣候變化的互饋機理;不同溫室氣體的協同效應;不同溫控目標的排放空間評估等。

(3)新一代地球系統模式：基于多層次復雜結構網絡的新一代全球及區域地球系統模式關鍵子系統研發;數據同化方法與相關技術研發;通用支撐技術研發等。

(4)觀測與數據：陸地碳循環參數立體化觀測;海洋和近海碳循環參數立體化觀測;溫室氣體觀測與反演;排放因子數據庫及高分辨率排放清單等。

四、能源結構重塑

總體目標：

圍繞清潔低碳安全高效能源體系的構建和優化等關鍵科學問題，突破可再生能源規模發展、核電安全高效利用、智能電網調控、各類儲能等關鍵技術背后的基礎科學瓶頸，研發支持可再生能源發展的能量儲存和轉換特性的材料與器件，支撐從化石能源為主向可再生能源為主的能源結構轉型。

重點領域與優先方向：

(1)可再生能源的高效利用：光伏、風電等清潔能源高效生產及大規模并網構建的理論與技術;濾儲、電網智能高效調控體系構建;多能互補模塊化體系構建;多能多附加值利用原理;地熱資源高效利用原理等。

(2)核電共性關鍵技術：低品位核資源開采理論與技術;高性價比核安全體系構建;利用可控高反應性快中子干式核嬗變-增殖-產能的可調燃燒機制;核燃料全閉環循環體系構建;抗快中子輻照材料研制;可控熱核聚變機制;高效熱發電原理等。

(3)氫能等二次能源與低碳化工協同體系構建：化石能源低碳高效制氫原理;氫能“制儲輸用”一體化產業體系構建及關鍵材料研制;高效經濟的氫燃料電池的過程機理;高值流程制造業體系構建等。

(4)電網調控及儲能配套理論：水力智能電網調控原理;水電快速啟動、經濟長壽固定電池機理;間歇性可再生能源智慧調配機制;電熱氫多源儲能系統構建理論;新型電力系統實現途徑等。

(5)移動儲能電源及交通應用：移動電池的高效安全利用原理;鋰資源高效開采理論;高效儲能材料研制;高效相變儲熱材料研制等。

(6)能源資源綜合開發與固碳：陸相油氣等能源資源高效勘探開發原理;煤炭清潔化利用機制;二氧化碳高效驅油機制;地質碳捕獲與碳封存原理;水電資源綜合開發原理等。

(7)碳中和能源結構動態優化：重大變革性技術預判;能源革命關鍵技術評估;轉型風險評估與關鍵環節優化等。

五、產業結構重構

總體目標：

圍繞碳氫氧化學鍵重構、工藝過程與系統、材料結構調控、電氣化流程、智能化管控等關鍵科學問題，以綠色碳科學理念及多層次、多尺度研究范式，探索石化、冶金、建材、交通等產業的全生命周期碳減排機制與轉型路徑，實現基于未來能源結構和供給方式的產業重構與技術突破。

重點領域與優先方向：

(1)低碳流程工業：低碳化學化工過程耦合機制;綠氫煉化流程調控機制;碳基資源催化轉化機理;電化學零碳負碳機制;全廢鋼電爐流程高能效與品質耦合原理;低碳流程再造的物化原理與調控機制等。

(2)低碳建筑體系：碳酸鹽分解耦合原位還原機制;綠氫及生物質燃料替代過程機制;冶金廢渣利用機理;柔性智能碳中和建筑設計與運行維護機制等。

(3)綠色交通體系：車輛體系能效提升與減排策略;新能源汽車關鍵材料與系統優化機制;基于交通大數據的運輸結構優化機制等。

(4)產業低碳轉型路徑：產業低碳轉型新技術路徑選擇策略;氫基流程與電氣化流程變革路徑;智能控制與資源循環利用的全產業生態系統等。

(5)碳化工與碳利用：基于綠色合成理念的人工光合作用機制;二氧化碳化工轉化途徑機制;生物質碳氧結構聯用高效定向轉化;熔鹽電解耦合固碳機制等。

(6)低碳工業智能化：大數據和機理分析相結合的工業碳排放智能預測與溯源;生產全流程智能低碳運行控制機制;工業低碳制造的協同優化機制;重大耗能設備智能低碳運行控制機制等。

六、生態環境優化

總體目標：

圍繞“雙碳”目標、生態環境和人類健康的互饋機制等關鍵科學問題，研究生態系統碳匯鞏固和提升的科學原理及適應能源和產業結構變化的生態環境優化措施，評估“雙碳”目標下的生態環境污染治理成效、生物安全、生物多樣性和人群健康效益等。

重點領域與優先方向：

(1)陸地生態系統碳匯精準計算及預測：陸地生態系統(森林、草地、農田、灌叢)全組分碳源匯的精準評估與比較;人為管理措施下和氣候變化背景下陸地生態系統碳匯潛力評估等。

(2)陸海生態系統碳匯穩固：生態系統碳匯的穩定性及維持機制;生態系統碳循環動態過程與驅動機制;國家自然保護地體系的碳匯功能;生物多樣性保護與碳匯鞏固協同的理論與技術原理等。

(3)陸海生態系統碳匯提升：生物和生態系統碳捕獲、利用與封存前沿技術;區域生態工程增匯原理與效應;生態工程增匯技術的模式系統集成;生態工程增匯效益及區域示范;碳匯國土空間管理的科學基礎等。

(4)治污增碳和減污降碳協同：固碳減污微生物分子機制及應用設計;農業“雙減”與“雙碳”關系;農業種植系統減排增匯與糧食安全;海洋污染防治與藍碳增匯原理與技術;城市污染防治與降碳增匯等。

(5)“雙碳”目標與生物安全：植物高效光合固碳機制與分子設計;新型高光效生物碳捕獲與利用;生物入侵和遷移與碳匯;有害生物流行與碳匯;“雙碳”目標下的生物安全評估等。

(6)“雙碳”目標與人類健康：碳中和與人類健康收益及潛在風險;碳中和行動的新型污染物的健康危害;人群病原生物流行的監測及健康風險預警評估;極端氣候變化與人類健康風險等。

圖1 《“雙碳”基礎研究指導綱要》重點研究方向概覽

在“雙碳”目標約束下，實現發展與減排、整體與局部、長遠目標與短期措施、政府與市場等多層次復雜網絡系統的優化與調控