摘要：林业工作、农作物生产和野火缓解产生的废弃生物质通常被简单地燃烧，释放出其中储存的碳。但是，如果我们可以通过掩埋生物质来阻止这些碳进入大气呢？迈克尔·艾伦 （Michael Allen） 调查
林业工作、农作物生产和野火缓解产生的废弃生物质通常被简单地燃烧，释放出其中储存的碳。但是，如果我们可以通过掩埋生物质来阻止这些碳进入大气呢？迈克尔·艾伦 （Michael Allen） 调查
不浪费像这样掩埋不需要的木材可以防止一氧化碳2被释放到大气中。（图片由 Shutterstock/mmpixel91 提供）
如果一棵树在大约 4000 年前倒在森林里，它会发出声音吗？嗯，以现在加拿大魁北克省的东部红雪松为例，它今天肯定仍在发出声音。
那是因为在 2013 年，一组科学家在挖沟时发现了这根有 3775 年历史的原木。尽管被埋藏了近四千年，但这些木头并没有腐烂和无用。事实上，最近的分析发现了一个完全不同的故事。
由美国马里兰大学大气科学家 Ning Zeng 领导的团队发现，与新鲜切割的东部红雪松原木相比，这种木材的碳仅损失了 5%。“木材又好又结实——你也许可以用它做一件家具，”Zeng 说。这根原木之所以能保持如此出色的形状，是因为它埋在其中的粘土是高度不透水的。这限制了到达木材的氧气和水量，抑制了微生物的活动，否则这些微生物会使其分解。
坚固而古老宁曾和同事在加拿大魁北克省进行生物质埋葬试点项目时发现了这根保存完好的原木，树龄为 3775 年。（图片由 Mark Sherwood 提供）
这根古老的原木是“生物质埋葬”的一个引人注目的例子。当植物分解或燃烧时，它们会释放出二氧化碳 （CO2）它们已经从大气中吸收了。防止这种 CO 的一个想法2被释放回大气中是将废弃的生物质埋在阻止或减缓分解的条件下，从而将碳困在地下几个世纪。
事实上，曾和他的同事在挖一条巨大的沟渠埋葬 35 吨木材时发现了这根雪松原木，以验证这个想法。九年后，当他们挖出一些样本时，他们发现这些木材几乎没有分解。进一步的分析表明，如果这些原木被埋藏一个世纪，它们仍然能容纳 97% 的碳。
为了应对气候变化，关于如何从大气中去除碳的讨论经常很多。除了恢复泥炭地和重新种植森林等传统技术外，还有各种技术性方法正在开发中（图 1）。这些方法包括直接空气捕获 （DAC） 和海洋碱度增强，后者涉及调整海洋的化学成分，使其吸收更多的 CO2。但一些科学家——比如美国康涅狄格州碳遏制实验室（Carbon Containment Lab）的常务董事西内德·克罗蒂（Sinéad Crotty）——认为生物质掩埋可能是一种更简单、更便宜的碳封存方法。
1 准备好与否（改编自 Smith 等人。 (2024)二氧化碳去除状况 – 第 2 版。DOI：10.17605/OSF。IO/F85QJ）
目前正在开发多种方法用于捕获、转化和储存二氧化碳 （CO2），每个都处于不同的部署准备阶段，具有不同的移除能力和存储持久性时间尺度。
该图改编自《二氧化碳去除状况》报告，显示了已在研究文献中部署或分析的方法。它们被归类为“传统”过程，即广泛建立和大规模部署的过程;或“新颖”，即准备水平较低，因此仅在较小规模上使用的过程。该图还对他们的技术成熟度 （TRL）、最大减排潜力（数十亿吨 （109吨）2可以每年封存）和存储时间尺度。
该报告对每种技术进行了如下定义：
植树造林 – 将以前不是森林的土地转换为森林。重新造林 – 将以前被砍伐的土地转换为森林。农林业 – 在农业用地上种植树木，同时保持农业生产。森林管理 – 管理和使用现有森林。要算作二氧化碳去除 （CDR），森林管理实践必须提高森林系统的长期平均碳储量。泥炭地和沿海湿地恢复 – 协助恢复永久或季节性被水淹没或饱和的内陆生态系统（如泥炭地）和沿海生态系统（如潮汐沼泽、红树林和海草草甸）。要算作 CDR，这种回收必须导致这些系统的碳含量持久增加。耐用木制品 – 满足给定耐久性阈值的木制品，通常用于建筑。这些可以包括锯材、木板和复合梁，但不包括纸张等不太耐用的产品。生物炭 – 通过在氧气有限的环境中加热生物质而产生的相对稳定、富含碳的材料。除非另有说明，否则假定作为土壤改良剂应用。矿物产品 – 使用 CO 生产用于骨料、沥青、水泥和混凝土等产品的固体碳酸盐材料2从大气中捕获。增强岩石风化 – 提高 CO 的自然去除率2通过将富含钙和镁的碎石涂抹在土壤或海滩上，从大气中释放出来。生物质掩埋 – 将生物质掩埋在土壤或枯竭的矿井等陆地地点。不包括与碳捕获和封存 （CCS） 相关的典型地质构造中的储存。生物油储存 – 通过生物质转化制成的石油并置于地质储存中。具有碳捕获和储存的生物能源 – 生物 CO 的过程2从生物能源设施中捕获，随后进行地质储存。直接空气碳捕获和储存 – CO 的化学过程2从环境空气中捕获，随后进行地质储存。海洋肥沃化 – 增加对近表层海洋的营养供应，以封存额外的 CO2来自通过生物生产刺激的大气。方法包括直接添加微量营养素或宏量营养素。要算作 CDR，生物量必须到达深海，在那里碳有可能被持久封存。海洋碱度增强 – 碱性物质在海洋表面扩散以增加水的碱度，从而增加海洋 CO2吸收。生物质沉没 – 陆地（例如稻草）或海洋（例如大型藻类）生物量在海洋环境中的沉没。要算作 CDR，生物质必须到达深海，在那里碳有可能被持久封存。直接海洋碳捕获和储存 – CO 的化学过程2直接从海水中捕获，随后进行地质储存。要算作 CDR，这种捕获必须导致海洋 CO 增加2吸收。这份有 3775 年历史的日志表明，碳可以在地下储存几个世纪，但木材必须在特定条件下掩埋。“人们往往会想，'谁不知道怎么挖个坑埋一些木头呢？'曾说。”但想想人类历史上埋葬了多少木棺。他们中有多少幸存下来？在数百年或数千年的时间尺度上，我们需要合适的条件。
对于寻求测试生物质埋藏的科学家来说，关键是创造干燥、低氧的环境，类似于魁北克粘土中的环境。例如，去年，Crotty 和她的同事在美国科罗拉多州的一个地点挖了 100 多个坑，用木质材料填充它们，然后再次覆盖它们。他们计划在五年内将生物质从坑中挖出来，看看它分解了多少。
这些坑的深度各不相同，并且以不同的方式重新填充和包装，以测试它们的构建如何影响碳储存。研究人员还将计算运输和掩埋生物质等过程的碳排放量——包括挖坑时从土壤中释放的碳量。“我们在这里试图做的是了解什么有效，什么无效，以及我们如何测量、报告和验证我们正在做的事情是真正的负碳，”Crotty 说。
在接下来的五年里，该团队将持续测量表面 CO2以及来自几个矿坑的甲烷通量，而每个矿坑都会有其 CO2以及每月测量的甲烷排放量。坑中还埋有湿度传感器和氧气探针，现场还有一个完整的气象站。
Crotty 说，所有这些数据将使他们能够评估不同的深度、填充方式和当地环境如何改变腔室中的条件。当样本在五年内被挖掘出来时，研究人员还将探索埋葬抑制了哪些类型的分解，没有抑制哪些类型的分解。这将包括识别不同真菌和细菌特征的测试，以揭示与任何腐烂有关的微生物。
像 Crotty 这样的实验将有助于回答关于生物质陆地储存的一个关键问题：碳可以储存多长时间？
2023 年，由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 （LLNL） 领导的一个团队做了一个对 CO 潜力的大规模分析2在美国移除.由此产生的 Road to Removal 报告概述了 CO 如何2清除可用于帮助美国实现其净零目标（这些目标后来被特朗普政府撤销），重点是直接空气捕获 （DAC） 等技术，增加森林和农田的碳吸收，以及将废弃生物质转化为燃料和一氧化碳2.
然而，该报告并未关注生物质埋藏。报告作者之一 Sarah Baker – 脱碳和 CO 专家2在 LLNL 移除 – 告诉 Physics World，这是因为缺乏关于所储存碳的耐用性的证据。贝克解释说，该报告对碳储存的最低要求是至少 100 年，并且没有足够的数据来显示在此期间之后生物质中将保留多少碳储存。
美国能源部也在努力解决这个问题。它资助了贝克参与的一系列项目，以弥合碳去除途径方面的一些知识空白。其中包括由国家可再生能源实验室领导的一项项目，该实验室测量埋藏生物质中的碳在不同条件下储存的时间。
Crotty 在科罗拉多州的实验还解决了另一个问题：所有形式的生物质都同样适合埋葬吗？为了验证这一点，Crotty 的团队用一系列木质材料填充了坑，包括不同类型的木材和木屑以及压缩木材，以及“砍伐”——伐木和其他林业工作产生的小树枝、树叶、树皮和其他碎屑。
事实上，Crotty 和她的同事认为生物质储存对于管理我们森林的人来说至关重要。特别是美国西部各州，由于气候变化和激进的灭火政策的结合，野火风险增加，这些政策不允许较小的火灾燃烧，从而产生杂草丛生的森林。“这导致整个景观中的燃料堆积，”Crotty 说。“因此，在通常发生大量低严重程度火灾的森林中，它已将火灾状况转变为非常高强度的火灾。”
这些担忧导致美国林务局在 2022 年宣布了一项为期 10 年的野火危机计划，该计划旨在通过疏伐和清理 5000 万英亩的林地来降低火灾风险，此外还有 2000 万英亩的林地已经计划进行处理。但这带来了一个新问题。
“目前，需要从这些森林中产生的残留物类型的市场很少——通常是小直径、低价值的木材，”Crotty 解释说。“它们通常无法支付离开森林的费用，因此在许多地区，通常的做法是简单地将它们堆成一堆并焚烧。”
便宜但成本高通常，森林管理产生的废弃生物质会被焚烧，就像亚利桑那州科科尼诺国家森林（Coconino National Forest）边缘的这堆砍伐物一样，但这样做会释放二氧化碳。（图片由Josh Goldstein/科科尼诺国家森林提供）
Crotty 最近与人合著的一项研究表明，美国国家森林每年的“桩焚烧”排放的温室气体相当于近 200 万吨一氧化碳2，以及超过 1100 万吨的细颗粒物——与一系列健康问题有关的空气污染。碳遏制实验室的保守估计表明，根据林务局的 10 年危机计划计划清除的材料将包含大约 2 十亿吨 （Gt） 的一氧化碳2等价物。 这大约是当前全球年度 CO 的 5%2排放。
还有成本影响。Crotty 最近的分析发现，堆放和焚烧森林残留物的成本约为每英亩 700 至 1300 美元。Crotty 说，通过增加森林残留物中的碳价值并将其排除在大气之外，生物质储存可能会为这些问题提供解决方案。
作为从大气中去除碳的激励措施，存在个人、公司和政府可以买卖碳排放的交易机制。从本质上讲，碳是有附加价格的，这意味着排放过多的人可以付钱给其他人来捕获和储存等量的排放，经常被吹捧的数字是每吨 CO 100 美元2数据处理。 长期以来，这一直被视为碳捕获变得负担得起的代价，从而能够扩大规模以应对气候变化所需的数量。
“我们用于 [碳去除] 的资金有限，因此解决方案越便宜，我们能够产生的信用就越多，我们能够从大气中去除的碳就越多，”碳遏制实验室的董事总经理贾斯汀·弗莱伯格 （Justin Freiberg） 解释说，“100 美元相对武断，但重要的是要有一个目标，并以低价为目标获得高质量的信用。
DAC 未能达到这个神奇的价格点。事实上，瑞士公司 Climeworks（最大的 DAC 公司之一）表示，到 2030 年，其成本可能在每吨 300 美元左右。
矿井中的坟墓然而，另一家碳去除公司声称，它使用生物质掩埋达到了这一基准。“我们以每吨 100 美元的价格出售我们的第一批信用额度，”比尔·盖茨支持的美国公司 Graphyte 的首席技术官 Hannah Murnen 说。
Graphyte 相信生物质掩埋具有巨大潜力。该公司总部位于阿肯色州派恩布拉夫，在储存之前将废弃的生物质干燥并压缩成块。“我们将其干燥到可以存在生命的水平以下，”Murnen 说，这有效地阻止了分解。
该公司声称，它很快就会储存 50,000 吨一氧化碳2每年，目标是到 2030 年每年 500 万吨。Murnen 承认，这些是“非常重要的数字”，尤其是与迄今为止在碳捕获方面取得的成就相比。尽管如此，她补充说，如果你看看碳捕获的目标，“这就是我们需要达到的规模”。
碳捕获的需求政府间气候变化专门委员会表示，碳捕获对于将全球变暖限制在比工业化前水平高 1.5 °C 以内至关重要。
为了保持在《巴黎协定》的气候目标范围内，《2024 年二氧化碳去除状况》报告估计，7-9 吉吨 （Gt） 的一氧化碳2到 2050 年，每年都需要清除。根据这份由牛津大学牵头的多个机构汇总的报告，目前有 20 亿吨一氧化碳2每年被清除，主要是通过植树和湿地恢复等“传统”方法。“新颖”的方法，如直接空气捕获 （DAC）、生物能源和碳捕获以及海洋碱度增强，每年可去除 130 万吨二氧化碳，不到总量的 0.1%。
Graphyte 目前正在处理锯木厂残留物和稻壳，但 Murnen 表示，未来它计划接受各种生物质废弃物。“生物质在除碳方面的一大优点是，因为我们不对生物质进行任何形式的化学转化，所以我们对生物质的类型非常灵活，”Murnen 补充道。
而且似乎有很多可用的。英国和印度研究人员的估计（NPJ气候和大气科学2,35）表明，全球每年约有 140 Gt 的生物质废弃物来自林业和农业。大约三分之二的农业残留物来自谷物，如小麦、大米、大麦和燕麦，而甘蔗茎和叶是第二大来源。其余的由其他作物的叶子、根、果皮和贝壳等组成。与森林残留物一样，这些废物中的大部分最终会被焚烧或任其腐烂，从而释放出碳。
目前，Graphyte 在距离 Pine Bluff 约 30 公里的地方有一个储存点，其压缩的生物质块储存在地下，封闭在防止水进入的不透水层中。“我们取了曾经的旧砾石矿——所以基本上在地上挖了一个大洞——我们建造了一个带衬里的储藏坟墓，我们在那里放置生物质，然后将其密封，”Murnen 说。
地上的大坑Graphyte 正在使用距离阿肯色州 Pine Bluff 30 公里的旧砾石矿来储存其压缩生物质砖。（图片由 Graphyte 提供）
密封后，Graphyte 会监测 CO2以及拱顶空间的甲烷浓度，以检查生物质是否有任何分解。该公司还在生物质进入设施时对其进行分析，以跟踪其储存了多少碳。Murnen 说，木材残留物（如锯木厂废料）的碳含量通常约为 50%，但稻壳的碳含量接近 35%。
Graphyte 相信，它的存储是物理坚固的，并且可以避免在 Murnen 所说的“非常长一段时间”内发生任何重新排放。然而，它也在探索如何防止未来对生物质的意外干扰——可能在公司不复存在很久之后。一种选择是在该地点增加保护地役权，这是一个完善的美国法律机制，用于增加对土地的长期保护。
“我们非常强烈地感觉到，我们处理 [碳去除] 的方式是最具可扩展性的方式之一，”Murnen 说。“就规模化的障碍或障碍而言，我们有一条更容易的许可途径，我们不需要管道，我们在可用于储存地点的土地类型上非常灵活，而且我们有各种各样的原料可以用于这个过程。”
回到 LLNL，贝克说，虽然她没有 “计算数字”，而且有很多注意事项，但她怀疑生物质掩埋是 “真正的碳去除，因为它太简单了”。
她说，一旦考虑到相关的上游和下游排放，许多人们称之为碳去除的技术可能就不是了，因为它们排放了更多的化石 CO2比他们存储。
生物质掩埋也很便宜。正如 Road to Removal 分析发现的那样，“热化学”技术，如热解，在将生物质转化为氢气和可持续航空燃料的同时，具有去除和储存碳的巨大潜力。但它们需要大量投资，大型设施可能花费数亿美元。生物质掩埋甚至可以充当临时储存，直到设施准备好将碳转化为可持续燃料。“为自己争取时间，以后再利用，”Baker 说。
无论哪种方式，生物质掩埋对碳储存的未来以及我们的环境都有巨大的潜力。“我们越早开始做这些事情，对气候的影响就越大，”贝克说。
我们只需要知道储存是耐用的——如果那根 3775 年历史的原木有任何迹象，那么生物质有可能储存数百年，也许数千年。
来源：人工智能学家
