埋了，別燒：讓生物質(zhì)廢料掩埋成為碳減排新方案

對于林業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動以及山火等自然災(zāi)害產(chǎn)生的生物質(zhì)廢料，我們通常都只是一燒了之，但焚燒會釋放生物質(zhì)廢料內(nèi)部存儲的碳。要是不用焚燒的方式處理，轉(zhuǎn)而把它們埋起來，是否就能阻止這些碳進(jìn)入地球大氣呢？

接近4000年前森林里的一棵樹倒下，會發(fā)出聲音嗎？就如今加拿大魁北克省的一棵紅雪松來說，答案是肯定的，因為它到現(xiàn)在都還在發(fā)出聲音。

2013年，一支科學(xué)家團(tuán)隊在那里挖溝時碰巧發(fā)現(xiàn)了這根3775年前倒下的原木。盡管已經(jīng)被埋了差不多4000年，但這根原木仍沒有腐壞，甚至還能發(fā)揮作用。實際上，最近的相關(guān)分析揭示了一個完全不同的故事。

美國馬里蘭大學(xué)氣候科學(xué)家曾寧領(lǐng)導(dǎo)的這支團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，相比剛剛砍倒的紅雪松，這棵紅雪松只損失了 5% 的碳。曾寧說：“這塊木頭還很結(jié)實好用，做件家具問題不大?！边@棵紅雪松之所以能保存得如此完好，是因為掩埋它的土壤高度不滲水。這就大大減少了原木與氧氣和水的接觸，抑制了微生物活動，而微生物的存在會使原木分解。

這塊古老的原木相當(dāng)引人注目，是“生物質(zhì)掩埋”的一個絕佳案例。植物在分解或燃燒時，會將之前從地球大氣中吸收的碳以二氧化碳的形式釋放出來。因此，阻止這些二氧化碳重回大氣的一條思路便是，將生物質(zhì)廢料掩埋在能夠減緩甚至完全阻止生物分解過程的環(huán)境中，從而將這些碳困在地下數(shù)個世紀(jì)之久。

實際上，曾寧和他的同事之所以會發(fā)現(xiàn)這根原木，就是因為他們當(dāng)時正在為掩埋35噸木材以驗證上述想法而挖一條巨大的溝渠。9年后，他們又在這個地方提取了一些樣本，結(jié)果發(fā)現(xiàn)埋起來的木頭幾乎完全沒有腐敗。進(jìn)一步的分析顯示，要是這些原木能這樣繼續(xù)掩埋1個世紀(jì)，相比它們倒下之時，只會損失大約 3% 的碳。

我們是否準(zhǔn)備好了？

報告對每種技術(shù)的定義如下：

造林：把之前不是林地的土地變成林地。

還林：把之前曾經(jīng)是林地但后來用作他途的土地恢復(fù)成林地。

經(jīng)濟(jì)林：在農(nóng)業(yè)用地上植樹，同時保持土地上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

森林管理：有效管理并利用現(xiàn)有森林。從計算二氧化碳清除（CDR）量的角度考慮，森林管理必須在實踐上提高現(xiàn)有森林系統(tǒng)的長期平均儲碳量。

恢復(fù)泥炭地和海岸濕地：協(xié)助恢復(fù)永久性或季節(jié)性被水淹沒或浸透的內(nèi)陸生態(tài)系統(tǒng)（比如泥炭地）和沿海生態(tài)系統(tǒng)（比如潮汐沼澤、紅樹林和海草草甸）。從計算CDR量的角度考慮，相關(guān)恢復(fù)手段必須持續(xù)增加這些系統(tǒng)的含碳量。

挖洞

為了對抗氣候變化，人們就如何移除大氣中的碳爭論不休。除了像恢復(fù)泥炭地、退耕還林這樣的傳統(tǒng)方法之外，我們還開發(fā)了各種各樣的新技巧（參見上圖），比如：直接空氣捕集（DAC）、提高海洋堿度（調(diào)整海洋的化學(xué)成分，使其吸收更多二氧化碳）。不過，部分科學(xué)家—比如美國康涅狄格州碳遏制實驗室的執(zhí)行主管辛尼亞德·克羅蒂（SineadCrotty）一認(rèn)為，生物質(zhì)掩埋是一種更方便、更便宜的固碳方法。

那棵3775年前倒下的紅雪松表明，從原理上講，通過生物質(zhì)掩埋的方式可以把碳儲存在地下長達(dá)幾十個世紀(jì)，只不過掩埋的環(huán)境比較特別。曾寧說：“挖個洞，埋些樹，這還能有誰不知道怎么做嗎？但是，想想看，人類歷史上埋了多少木制棺材，保留到現(xiàn)在的又有多少？要想把這些木頭在地下保存數(shù)百年乃至數(shù)千年，必須找到適宜的條件?！?/p>

生產(chǎn)耐用木制品：推廣生產(chǎn)、使用滿足一定耐用性要求的木制品，通常用于建筑領(lǐng)域。具體產(chǎn)品囊括鋸木、復(fù)合板、復(fù)合梁等，但不包括像紙這樣的不太耐用的木制品。

生物炭：在氧氣受限環(huán)境中通過加熱生物質(zhì)產(chǎn)生的相對穩(wěn)定的富碳物質(zhì)。在沒有特別說明的情況下一般默認(rèn)是土壤改良劑。

礦產(chǎn)品：利用從大氣中捕獲的二氧化碳，生產(chǎn)用于骨料、瀝青、水泥、混凝土等產(chǎn)品的固體碳酸材料。

增強(qiáng)巖石風(fēng)化：通過在土壤或海灘上施用富含鈣和鎂的碎石，提高從大氣中清除二氧化碳的自然過程發(fā)生速率。

生物質(zhì)掩埋：在陸地上掩埋生物質(zhì)，如土壤或廢棄的礦山中。不包括與碳捕集和碳封存（CCS）相關(guān)的典型地質(zhì)構(gòu)造中的儲碳方法。

生物油儲存：將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成油，并置于地質(zhì)存儲結(jié)構(gòu)中。

與碳捕集和碳存儲相關(guān)的生物能源：從生物能源設(shè)施中捕集二氧化碳并進(jìn)行地質(zhì)存儲的過程。

直接空氣捕集和存儲：直接從地球大氣中捕集二氧化碳且隨后進(jìn)行地質(zhì)存儲的化學(xué)過程。

海洋施肥：通過向近海洋表面區(qū)域增添營養(yǎng)物質(zhì)阻止生物生產(chǎn)的額外二氧化碳進(jìn)入地球大氣。具體方法包括直接添加微量營養(yǎng)素或宏量營養(yǎng)素。從計算CDR量的角度考慮，相關(guān)生物質(zhì)必須進(jìn)入深海區(qū)域，因為只有那里才有可能持久把碳隔離起來。

提高海洋堿度：在海洋表面播撒堿性物質(zhì)，增加水的堿度，從而提高海水吸收二氧化碳的量。

生物質(zhì)沉沒：在海洋環(huán)境中沉沒陸地生物質(zhì)（比如稻草）或海洋生物質(zhì)（比如大型藻類）。從計算CDR量的角度考慮，相關(guān)生物質(zhì)必須進(jìn)入深海區(qū)域，因為只有那里才有可能持久把碳隔離起來。

直接海洋碳捕集和碳存儲：直接從海水中捕集二氧化碳且隨后進(jìn)行地質(zhì)存儲的化學(xué)過程。從計算CDR量的角度考慮，這種方法必須提升海洋對二氧化碳的吸收量。

科學(xué)家檢驗生物質(zhì)掩埋方法是否可行的關(guān)鍵在于創(chuàng)造低氧的干燥環(huán)境，類似加拿大魁北克的那種黏土環(huán)境。舉例來說，2024年，克羅蒂和她的同事們在美國科羅拉多州的一個地點挖了100多個坑，接著用木質(zhì)材料填滿，最后再重新蓋起來。他們計劃在5年后把這些掩埋起來的生物質(zhì)挖出來，看看有多少腐敗了、腐敗到什么程度。

這些坑的深度各不相同，掩埋生物質(zhì)以及重新遮蓋的方式也不一樣，目的就是測試坑洞的打造方式和使用方式會如何影響生物質(zhì)儲碳效果。另外，研究人員還會計算運(yùn)輸、掩埋生物質(zhì)等環(huán)節(jié)的碳排放量一包括挖坑時土壤釋放的碳量?？肆_蒂說：“我們在這個地方的任務(wù)不僅是了解究竟什么方法奏效、什么方法不奏效，更是要知曉我們可以怎樣測量、報告、驗證生物質(zhì)掩埋方法是否真的可以降低碳排放。”

在挖坑、掩埋、重填之后的5年內(nèi)，這支團(tuán)隊每個月都會測量所有坑釋放二氧化碳和甲烷的情況，同時還會持續(xù)不斷地監(jiān)測部分坑的情況?？永镞€埋著濕度傳感器和氧氣檢測裝置，整個地點還專門設(shè)立了一座功能齊備的氣象站。

克羅蒂說，有了這些數(shù)據(jù)，他們就能評估不同深度、掩埋方式、當(dāng)?shù)丨h(huán)境對坑內(nèi)環(huán)境的影響。等到5年后把這些樣本挖掘出來時，研究人員還會探索這樣的生物質(zhì)掩埋方式抑制了哪些類型的生物分解，以及沒有抑制哪些類型的生物分解。具體方式會包括各種鑒定不同種類真菌、細(xì)菌的測試，以尋找與所有生物腐壞相關(guān)的微生物。

大問題

以克羅蒂實驗為代表的這些嘗試有助于回答縈繞在陸地生物質(zhì)存儲周圍的諸多重要擔(dān)憂中的一個：以這類方式儲碳，可以儲存多久？

2023年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）領(lǐng)導(dǎo)的一支團(tuán)隊大規(guī)模分析了美國除二氧化碳的潛力。最后的結(jié)論匯集成了報告《除碳之路》（RoadtoRemoval）。這份報告簡要概述了如何利用二氧化碳減排幫助美國實現(xiàn)凈零目標(biāo)（特朗普政府后來撤銷了這些目標(biāo)），重點關(guān)注直接空氣捕集、提高森林和農(nóng)業(yè)用地碳吸收量以及將生物質(zhì)廢料轉(zhuǎn)化成燃料和二氧化碳等技術(shù)。

然而，這份報告沒有提及生物質(zhì)掩埋方法。報告的作者之一、LLNL除碳領(lǐng)域的專家薩拉·貝克爾（SarahBaker）稱，這是因為還沒有充足證據(jù)證明這種方式能夠在多長時間內(nèi)儲碳。這份報告中設(shè)定的最短儲碳時間為100年。貝克爾還解釋說，也沒有充足的數(shù)據(jù)能夠說明以生物質(zhì)掩埋方式儲碳這么長時間之后生物質(zhì)內(nèi)還留存多少碳。

美國能源部也在努力解決這個問題。為了填補(bǔ)儲碳領(lǐng)域的部分認(rèn)知空白，這個部門資助了一系列項目，其中就有貝克爾參與的，另外還包括美國國家再生能源實驗室領(lǐng)導(dǎo)的一個項目，目的是測量生物質(zhì)掩埋后在不同環(huán)境條件中究竟能儲碳多長時間。

把問題埋起來

克羅蒂在科羅拉多的實驗還有可能解決另一大問題：是否所有形式的生物質(zhì)都同等適用生物質(zhì)掩埋方法？為此，克羅蒂的團(tuán)隊用了各種各樣的木制材料填充那100多個坑，其中包括各種類型的樹木、木屑、壓實后的木頭以及一些“碎塊”—小樹枝、樹葉、樹皮以及其他在伐木等林業(yè)操作中產(chǎn)生的碎片。

實際上，克羅蒂和她的同事們認(rèn)為，生物質(zhì)存儲對森林管理而言至關(guān)重要。尤其是在美國西部各州，受氣候變化和積極火災(zāi)抑制政策（降低了小型火災(zāi)的發(fā)生率但同時也讓森林變得雜草叢生）的雙重影響，發(fā)生山火的風(fēng)險增加了。克羅蒂說：“這樣一來，整個地區(qū)都堆積了大量燃料。因此，在原本通常會發(fā)生大量低烈度火災(zāi)的區(qū)域，由于過于積極的防火政策，現(xiàn)在一旦發(fā)生火災(zāi)，就很有可能烈度極高?！?/p>

有鑒于此，美國國家森林管理局在2022年公布了一項跨度為10年的山火危機(jī)防治計劃。為了削減發(fā)生高烈度山火的風(fēng)險，美國政府計劃清理或減薄20萬平方千米的林地。另外還有8萬平方千米的林地已經(jīng)采取了類似措施。然而，這又帶來了一個新的問題。

克羅蒂解釋說：“就目前的市場需要來說，沒有多大動力從這些森林中提取出各類殘留物，因為這些木頭通常又小又便宜。它們的售價甚至不足以抵消運(yùn)送它們離開森林的成本。因此，在很多地區(qū)，通常的做法都是把它們堆在一起直接燒掉?！?/p>

克羅蒂最近與其他學(xué)者共同開展的一項研究表明，每年在美國森林中“堆起來焚燒”的木材釋放的溫室氣體差不多包含200萬噸二氧化碳和超過1100萬噸微小顆粒物—這類物質(zhì)導(dǎo)致的空氣污染與一系列健康問題相關(guān)。按照碳遏制實驗室的保守估計，美國國家森林管理局的10年危機(jī)防治計劃清理的木材含有的二氧化碳當(dāng)量差不多是20億噸，大致相當(dāng)于目前全球二氧化碳排放量的 5% 。

這個計劃同樣涉及成本問題?？肆_蒂團(tuán)隊最近的分析結(jié)果顯示，堆積森林殘余物并焚燒的成本大約是每英畝（1英畝約合4000平方米）700美元～1300美元?？肆_蒂說，提升森林殘留物中的碳價并阻正其進(jìn)入地球大氣，生物質(zhì)存儲方案就可能為這些問題提供答案。

現(xiàn)在已經(jīng)建立了一種圍繞碳排放的交易機(jī)制，個人、公司和政府都可以買賣碳排放額度，這是一種從大氣中除碳的激勵措施。從本質(zhì)上說，碳本身就自帶附加價值，這意味著碳排放量太多的主體可以付錢給其他人代為捕集并存儲相應(yīng)的碳排放量。媒體最為推崇的價格是每儲存1噸二氧化碳100美元。在很長一段時間內(nèi)，我們一直認(rèn)為，這個價格能夠滿足碳捕集事業(yè)的需要，推動碳捕集行動規(guī)模擴(kuò)大到應(yīng)對氣候變化所需的程度。

碳遏制實驗室的另一位執(zhí)行主管賈斯汀·弗萊貝里（JustinFreiberg）解釋說：“我們掌握的能夠用于除碳事業(yè)的資金就這么多，因此，解決方案的成本越是低廉，我們能夠產(chǎn)生的碳匯額度就越多，就能從地球大氣中除去越多的碳。目前來看，100美元這個數(shù)字定得相對隨意，但它很重要，提示我們要有這么一個目標(biāo)：越是高質(zhì)量的碳匯，價格就應(yīng)該越低?！?/p>

直接空氣捕集的方案還沒有達(dá)到這個神奇的價格臨界點。實際上，瑞士的“氣候工廠”公司（目前最大的直接空氣捕集技術(shù)公司之一）已經(jīng)公開表示，到2030年，他們的捕集成本也還是要每噸300美元左右。

礦里的墳?zāi)?/p>

不過，另一家除碳公司卻聲稱，他們已經(jīng)借助生物質(zhì)掩埋方法實現(xiàn)了這個價格標(biāo)準(zhǔn)。這家公司就是由比爾·蓋茨（BillGates）資助的美國公司“格拉菲特”。其首席技術(shù)官漢納·莫能（HannahMurnen）表示：“我們的第一批碳匯售價就是每噸100美元?！?/p>

格拉菲特公司相當(dāng)自信，他們認(rèn)為生物質(zhì)掩埋技術(shù)大有可為。這家總部位于美國阿肯色州派恩布拉夫的公司在儲存生物質(zhì)廢料之前會將其干燥并壓縮成堆。莫能說：“我們會把生物質(zhì)廢料干燥到?jīng)]有生命可以生存的程度，這可以有效遏制生物質(zhì)分解?！?/p>

格拉菲特公司宣稱，他們很快就能做到每年儲存5萬噸二氧化碳，目標(biāo)是到2030年每年儲存500萬噸。莫能本人坦承，這個數(shù)字聽上去“確實有些太大了”，尤其是考慮到目前的碳捕集水平。但她還是補(bǔ)充說：“但請看看碳捕集事業(yè)的目標(biāo)吧，這就是我們應(yīng)該達(dá)到的規(guī)模?！?/p>

碳捕集的需要

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會表示，為了將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平的升高幅度控制在 1.5^°C 之內(nèi)，碳捕集是必要操作。

按照2024年《除二氧化碳現(xiàn)狀》的估計，為了實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》設(shè)立的目標(biāo)，到2050年，人類每年需要除去 70 12～90 億噸二氧化碳。這份由牛津大學(xué)領(lǐng)銜、多所機(jī)構(gòu)共同完成的報告同時指出，目前人類每年約除去20億噸二氧化碳，大部分都是通過植樹和恢復(fù)濕地等“傳統(tǒng)方法”實現(xiàn)的。“創(chuàng)新方法”—比如直接空氣捕集、以碳捕集為目的的生物能源開發(fā)以及增強(qiáng)海洋堿度一—每年除去的二氧化碳大約為130萬噸，不到總量的 0.1% 。

格拉菲特公司自前主要處理的還是鋸木廠里的殘渣和稻殼等生物質(zhì)廢料，但莫能說，他們未來計劃接收各種各樣的生物質(zhì)廢料。她還補(bǔ)充道：“出于除碳目的處理生物質(zhì)廢料的一大好處是，因為我們不會對這些廢料做任何化學(xué)轉(zhuǎn)化操作，所以可以接收各種類型的生物質(zhì)廢料。”

事實上，可供選擇的生物質(zhì)廢料對象相當(dāng)多。按照英國和印度研究人員的估計，全球林業(yè)和農(nóng)業(yè)每年大約產(chǎn)生1400億噸生物質(zhì)廢料。其中，大約三分之二的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢料來自小麥、大米、大麥、燕麥等谷物，第二大來源則是甘蔗莖和葉子，剩下的則由其他農(nóng)作物的葉子、根莖、外皮、外殼構(gòu)成。和林業(yè)生物質(zhì)廢料一樣，大多數(shù)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢料的處理方式一般都是焚燒或任其自行分解，這個過程中肯定會釋放碳。

目前，格拉菲特公司在距派恩布拉夫約30千米的地方有一個生物質(zhì)廢料儲存點。在那兒，他們把壓縮后的生物質(zhì)廢料塊埋到地下，封閉在一個防水的密閉層中。莫能說：“這個地方之前是一個石礦一也就是地上的一個大洞一我們把整塊區(qū)域改造成了一座排列整齊的‘墳?zāi)埂?，把生物質(zhì)廢料埋進(jìn)去，然后封存起來?！?/p>

完成密封操作后，格拉菲特公司就會立刻開始監(jiān)測“墓室”拱頂空間的二氧化碳和甲烷濃度，任何數(shù)量、種類、程度的生物質(zhì)分解都會為監(jiān)測人員所知曉。此外，當(dāng)生物質(zhì)廢料進(jìn)入整個設(shè)施時，這家公司也會對其做詳細(xì)分析，以便追蹤他們究竟儲存了多少碳。莫能表示，鋸木廣的生物質(zhì)廢料碳含量通常在 50% 上下，而稻殼的碳含量則接近 35% 。

格拉菲特公司認(rèn)為這種生物質(zhì)掩埋方法在物理層面上頗為可靠，且可以在莫能所說的“很長一段時間”內(nèi)避免生物質(zhì)廢料內(nèi)部的碳重新釋放出來。不過，這家公司同時還在探索如何避免未來可能出現(xiàn)的各種意外事件影響埋藏起來的生物質(zhì)廢料他們甚至考慮到了公司倒閉之后的情況。一種方法是為這個地點增加“保護(hù)地役權(quán)”—一種相當(dāng)完善的美國法律機(jī)制，可以為土地提供長期保護(hù)。

莫能說：“我們有一種非常強(qiáng)烈的感覺，這個我們不斷嘗試、完善的除碳方法會是最有大規(guī)模推廣潛力的方法之一。我們的方法在規(guī)?；茝V操作中幾乎沒有什么大的障礙。我們的許可獲取途徑更為通暢、便利，在設(shè)備上我們不需要各種稀奇古怪的管道，用于掩埋的土地類型也非常靈活，對掩埋對象的要求也不高，我們可以把各種各樣的生物質(zhì)廢料納入我們的處理環(huán)節(jié)。”

簡單的方案

視線回到LLNL，貝克爾表示：

“雖然我手上沒有太過精確的計算結(jié)果，同時也收到了很多提醒，但我覺得，生物質(zhì)掩埋方法就是真正有效的除碳路徑，因為這真的太簡單了?！?/p>

貝克爾表示，一旦將相關(guān)上下游環(huán)節(jié)的碳排放考慮在內(nèi)，許多呼聲頗高的所謂除碳技術(shù)大概率就不適用了，因為它們在全部操作環(huán)節(jié)中釋放的化石二氧化碳甚至要多于本身能儲存的。

生物質(zhì)掩埋方法不僅效果良好、操作簡便，成本也比較低廉。按照《除碳之路》的分析，像高溫分解這樣的“熱化學(xué)”技術(shù)，不但在除碳和儲碳方面有極大的潛力，而且還有希望把生物質(zhì)廢料轉(zhuǎn)化成氫以及其他可持續(xù)生產(chǎn)的航空燃料。然而，這樣的技術(shù)需要海量的投資，需要極為龐大的設(shè)備，潛在花費以數(shù)億美元計。從這個角度上說，生物質(zhì)掩埋甚至可以成為一種過渡性儲碳方式，等到相關(guān)設(shè)備、環(huán)節(jié)做好將碳轉(zhuǎn)化成可持續(xù)利用的燃料的準(zhǔn)備后，再把它們挖出來。貝克爾說：“這就相當(dāng)于花一點小錢給我們自己買時間，等到更好的方案出現(xiàn)之后，再把它們挖出來利用。”

無論具體怎么應(yīng)用，生物質(zhì)掩埋未來在儲碳領(lǐng)域都大有潛力，對地球環(huán)境保護(hù)來說也同樣如此。貝克爾說：“我們越快啟動這個方案，就越能有效地阻止地球氣候滑向深淵?！?/p>

我們唯一需要確定的只是，這樣的儲碳方式確實可以維持相當(dāng)長的時間一那棵3775年前倒下的紅雪松或許正是一個提示，提示我們生物質(zhì)掩埋方法可以儲碳數(shù)百年乃至數(shù)千年。

資料來源PhysicsWorld本文作者邁克爾·阿倫（MichaelAllen）是一位科學(xué)作者