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木材埋藏可能是目前唯一可行的碳中和方法

已有 1179 次阅读 2021-11-8 19:34 |系统分类:观点评述

木材埋藏可能是目前唯一可行的碳中和方法

 

1、碳中和方案的可行性问题

二氧化碳是最主要的温室气体,也是各国的主要减排对象。大气二氧化碳的主要增量来自化石燃料的使用,所以达到净零排放(即碳中和)有两条路径:减排和增汇。目前,大气每年的碳增量约为5×1015克,我国每年贡献增量约1.25×1015 [1, 2]。此外,碳中和可能是一个长达百年的路线。因此,可行的碳中和方案必须规模庞大、并能长期执行,这个方案就是在跟我国的工业能力进行长期比拼。碳中和已经成为国家战略,从国家层面考虑,如果一个方案的效果跟排放量差两个数量级,实际意义就很小;如果差三个数量级那就几乎没有实际意义;如果方案的效果可以达到排放量的10%,就具有很高的可行性。

 

2、减排带来巨大的经济压力

太阳能、风能和核能等新能源有诸多缺点和限制,这导致化石燃料在当前和今后几十年内都是全世界的主要能源。减少化石燃料的使用才能减排,因此,减排肯定会影响经济。各国国情差异很大、又不能一致行动,这必然对减排先行国造成很大压力,导致减排方案政策矛盾反复,浪费时间增加成本。我国北方供暖和限电问题已经凸显。因此,亟需可行的增汇方案给新能源的发展争取时间。

 

3、增汇方法分析对比

增汇是指将二氧化碳以无机碳或有机碳形式长期(至少百年尺度)存储起来。一个广受关注的无机方法是将二氧化碳液化后注埋到地下。然而,经历40多年发展,这种无机方法依然存在很多争议,且80%商业化失败 [3]。特别值得注意的是:液体二氧化碳在-20℃时密度与水接近,简单计算可知单位体积的液体二氧化碳的碳含量与干木材相当,而液体二氧化碳的生产和储存成本显然远高于木材。每立方米干木材的碳含量约0.25吨,如果某种无机方法的产品的单位体积碳含量低于干木材,那么用于增汇就不如木材。当然,液化二氧化碳方法有其独特优势,比如,不消耗氮磷钾营养。二氧化碳是弱酸性气体,添加碱性矿物将海水碱化将有助于海洋吸收更多二氧化碳,但这个方法需要全世界达成统一意见,并一致行动才行。大规模改变海洋环境,将对海洋生态造成巨大影响,极有可能招致大量反对。

有机方法是以二氧化碳为原料生产并长期存储有机物。工业合成有机物显然还达不到可以用于实质性增汇的规模,借助生物来生产有机物是目前的必由之路。所有的天然有机物主要由碳、氢、氧、氮、磷和硫六种元素组成,这六种元素约占活体的95%。天然有机物主要包含有四大类大分子,其中蛋白质富含氮,核酸和脂质富含氮磷;而碳水化合物的氮磷含量很低,比如木头的碳::磷摩尔比高达1360:8.5:1,远低于大部分的生物以及高等植物的叶片组织 [1]。因此,生产前三种有机物将消耗大量氮磷肥料,用于碳中和将造成新一轮的氮磷资源争夺,并冲击农业生产引起粮食短缺。包括美国在内的多个国家在19世纪掀起的鸟粪岛争夺战殷鉴不远。如果某种有机方法的产物的氮磷含量高于木材,那么用于增汇就比不上木材。

生物主要竞争氮磷营养,对富含营养的食物总是虎视眈眈,并进化出各种武器,这导致前三类生物大分子在自然环境中很快被吃掉(分解)。而地球上碳水化合物中占比最高的木头在天然环境下需要较长时间才能被分解,如果保持干燥木材可以保存几千年。除化石燃料外,地球上能大规模且长期存储的有机物只有两种:海洋溶解有机碳和木材 [1, 4]。这两种有机物碳库都大致与大气碳库相当,看起来都很有潜力。

海洋溶解有机碳主要分布在大洋深海,主要来源于沉降到海底的微型浮游植物。浮游植物初级生产力约占海洋总初级生产力的80%,至少80%的海洋初级生产力直接在表层海水中分解成无机物,剩余不到20%沉降到海底,沉降有机碳中至少80%被分解成无机物 [1]。因此,深海溶解有机碳库的积累效率极低。理论上,可以通过在大洋施肥来增殖浮游植物,进而增加溶解有机碳总量。但由于:(1)海洋太深太广,扩散效应导致施肥仅能短时间增加表层海水的营养浓度,势必造成极大浪费。施肥对海水氮磷总量影响较小,但对人类的影响却很大;(2)海洋浮游植物仅生活在氮磷营养极低的表层海水中,且单位体积的个数很低,导致施肥浓度不能过高,否则无法充分利用肥料。因此,大面积海洋施肥工程难度极大;(3)浮游植物的氮磷含量远高于木材,对肥料需求量大,并将大量宝贵的氮磷带到深海;(4)施肥的增汇效果需要很长时间才能得到检验和确认;(5)大洋属于公海,施肥需要统一全球意见,并可能引起生态和环保等方面的纠纷;(6)即使这个方法可行,但由于是在公海进行增汇,我国应得的贡献能否被认定存在较大的不确定。一个将无机和有机方法结合起来的思路是往海洋投放碱性无机矿物,一方面促进海洋吸收二氧化碳,另一方面将海底有机物封存起来减少分解。

通过上述分析可知,木材埋藏的优点有:(1)植物碳库与大气碳库相当,具有规模化优势,因此可行性极高;(2)干木材碳含量较高,约50%;(3)生产木材消耗的氮磷营养较少,对农业生产的影响较小;(4)能大规模长期保存,对保存环境要求低、技术含量低、成本低、易核算;(5)将全国森林和木材生产进行统一科学管理,可以减少森林火灾;(6)完全自主,不与他国产生纠纷;(7)我国有氮磷钾肥料的生产优势。人类活动总共向大气排放了350×1015克碳,其中约三分之二来自化石燃料(远古植物)的燃烧,三分之一来自热带森林砍伐 [4]。木材埋藏可将碳回归原位。有机碳是人类文明以及地球生态系统的基础,在综合利用方面木材远超其他形式的碳,极有可能是未来的稀缺资源。

 

4、木材埋藏方案

干木材密度取低值0.5吨每立方米、碳含量约50%,我国每年碳净排放量约1.25×1015克,相当于50亿立方米干木材。如果堆放高度为100米,大约每年需要50平方公里土地用于储存木材。除了氮磷,树木对钾元素需求也很高,碳:::磷摩尔比约为1360:8.5:4:1 [1, 5]。美国地质调查局数据显示全球氮、磷和钾肥产量分别约为150×1012克氮、34×1012克磷和32×1012克钾 [2]。因此,需要分别将每年全球氮、磷和钾肥产量的6.1%7.1%37.2%用于种树。如果木材埋藏是目前唯一可行的方案(我希望有更好的方法!),那么碳中和与农业的冲突已经不可避免,全球将面临氮磷钾资源的严重短缺。氮磷钾等营养元素主要在生长旺盛部位富集,为节流考虑需要回收叶片、嫩枝和树皮用于生产木材。此外还需要开源,比如将富含营养、并且净排放碳的非农业用地用于种树;用生物(比如养殖海草、大型海藻、红树林等)或化学方法从海水中获取钾。土壤有机碳库约为大气碳库的两倍,但木材碳:氮摩尔比值约为160,至少是土壤有机物的六倍[1, 4, 6],因此用于生产木材的潜力非常大。

 

5、感想

要想顺利实施碳中和,全球必须统一管理资源。如今学科和行业越来越细,信息爆炸导致莫衷一是,各种方法的优缺点有待公开、广泛和深入探讨。本文难免错漏,敬请批评指正!

 

文献

1.          Schlesinger, W.H. and E.S. Bernhardt, Biogeochemistry : an analysis of global change. 2020: Elsevier.

2.          Friedlingstein, P., et al., Global carbon budget 2019. Earth System Science Data, 2019. 11(4): p. 1783-1838.

3.          Abdulla, A., et al., Explaining successful and failed investments in U.S. carbon capture and storage using empirical and expert assessments. Environmental Research Letters, 2020. 16(1): p. 014036.

4.          Li, C., Biogeochemistry : scientific basis and modeling approach. 2016, Beijing: Tsinghua University Press.

5.          Taiz, L. and E. Zeiger, Plant physiology. 5th. 2010, Sundeland, Massachusetts: Sinauer Associates. 2.

6.          Tipping, E., C.J. Somerville, and J. Luster, The C:N:P:S stoichiometry of soil organic matter. Biogeochemistry, 2016. 130(1): p. 117-131.

 




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1 杨卫东

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