对于林业、农业等生产活动以及山火等自然灾害产生的生物质废料，我们通常都只是一烧了之，但焚烧会释放生物质废料内部存储的碳。要是不用焚烧的方式处理，转而把它们埋起来，是否就能阻止这些碳进入地球大气呢？
物尽其用 像这样掩埋没有商业利用价值的木头可以防止它们释放二氧化碳到地球大气中
古老而坚实 曾宁和同事在加拿大魁北克省开展生物质掩埋储碳先导项目时发现了这根3775年前倒下的原木
接近4000年前森林里的一棵树倒下，会发出声音吗？就如今加拿大魁北克省的一棵红雪松来说，答案是肯定的，因为它到现在都还在发出声音。
2013年，一支科学家团队在那里挖沟时碰巧发现了这根3775年前倒下的原木。尽管已经被埋了差不多4000年，但这根原木仍没有腐坏，甚至还能发挥作用。实际上，最近的相关分析揭示了一个完全不同的故事。
美国马里兰大学气候科学家曾宁领导的这支团队发现，相比刚刚砍倒的红雪松，这棵红雪松只损失了5%的碳。曾宁说：“这块木头还很结实好用，做件家具问题不大。”这棵红雪松之所以能保存得如此完好，是因为掩埋它的土壤高度不渗水。这就大大减少了原木与氧气和水的接触，抑制了微生物活动，而微生物的存在会使原木分解。
这块古老的原木相当引人注目，是“生物质掩埋”的一个绝佳案例。植物在分解或燃烧时，会将之前从地球大气中吸收的碳以二氧化碳的形式释放出来。因此，阻止这些二氧化碳重回大气的一条思路便是，将生物质废料掩埋在能够减缓甚至完全阻止生物分解过程的环境中，从而将这些碳困在地下数个世纪之久。
实际上，曾宁和他的同事之所以会发现这根原木，就是因为他们当时正在为掩埋35吨木材以验证上述想法而挖一条巨大的沟渠。9年后，他们又在这个地方提取了一些样本，结果发现埋起来的木头几乎完全没有腐败。进一步的分析显示，要是这些原木能这样继续掩埋1个世纪，相比它们倒下之时，只会损失大约3%的碳。
目前，我们已经开发或正在开发多种捕集、转化、存储二氧化碳的方法。每种方法的应用成熟度、减排潜力和存储时间跨度都不相同。这张改编自报告《除二氧化碳现状》（State of Carbon Dioxide Removal ）的图展示了已经实际投入应用或在相关文献中有分析的各种方法。总体而言，这些方法可分为两类：一是“传统方法”，已经大范围、大规模应用；二是“创新方法”，成熟度还较低，应用规模也较小。同时，这张表还展示了各种技术的技术成熟度水平、最大减排潜力（每年可封存多少二氧化碳）和存储时间跨度
报告对每种技术的定义如下：
造林：把之前不是林地的土地变成林地。
还林：把之前曾经是林地但后来用作他途的土地恢复成林地。
经济林：在农业用地上植树，同时保持土地上的农业生产。
森林管理：有效管理并利用现有森林。从计算二氧化碳清除（CDR ）量的角度考虑，森林管理必须在实践上提高现有森林系统的长期平均储碳量。
恢复泥炭地和海岸湿地：协助恢复永久性或季节性被水淹没或浸透的内陆生态系统（ 比如泥炭地 ）和沿海生态系统（ 比如潮汐沼泽、红树林和海草草甸 ）。从计算 CDR 量的角度考虑，相关恢复手段必须持续增加这些系统的含碳量。
生产耐用木制品：推广生产、使用满足一定耐用性要求的木制品，通常用于建筑领域。具体产品囊括锯木、复合板、复合梁等，但不包括像纸这样的不太耐用的木制品。
生物炭：在氧气受限环境中通过加热生物质产生的相对稳定的富碳物质。在没有特别说明的情况下一般默认是土壤改良剂。
矿产品：利用从大气中捕获的二氧化碳，生产用于骨料、沥青、水泥、混凝土等产品的固体碳酸材料。
增强岩石风化：通过在土壤或海滩上施用富含钙和镁的碎石，提高从大气中清除二氧化碳的自然过程发生速率。
生物质掩埋：在陆地上掩埋生物质，如土壤或废弃的矿山中。不包括与碳捕集和碳封存（ CCS ）相关的典型地质构造中的储碳方法。
生物油储存：将生物质转化成油，并置于地质存储结构中。
与碳捕集和碳存储相关的生物能源：从生物能源设施中捕集二氧化碳并进行地质存储的过程。
直接空气捕集和存储：直接从地球大气中捕集二氧化碳且随后进行地质存储的化学过程。
海洋施肥：通过向近海洋表面区域增添营养物质阻止生物生产的额外二氧化碳进入地球大气。具体方法包括直接添加微量营养素或宏量营养素。从计算 CDR 量的角度考虑，相关生物质必须进入深海区域，因为只有那里才有可能持久把碳隔离起来。
提高海洋碱度：在海洋表面播撒碱性物质，增加水的碱度，从而提高海水吸收二氧化碳的量。
生物质沉没：在海洋环境中沉没陆地生物质（ 比如稻草 ）或海洋生物质（ 比如大型藻类 ）。从计算 CDR量的角度考虑，相关生物质必须进入深海区域，因为只有那里才有可能持久把碳隔离起来。
直接海洋碳捕集和碳存储：直接从海水中捕集二氧化碳且随后进行地质存储的化学过程。从计算 CDR 量的角度考虑，这种方法必须提升海洋对二氧化碳的吸收量。
挖 洞
为了对抗气候变化，人们就如何移除大气中的碳争论不休。除了像恢复泥炭地、退耕还林这样的传统方法之外，我们还开发了各种各样的新技巧（参见上图），比如：直接空气捕集（DAC）、提高海洋碱度（调整海洋的化学成分，使其吸收更多二氧化碳）。不过，部分科学家——比如美国康涅狄格州碳遏制实验室的执行主管辛尼亚德 · 克罗蒂（ Sinéad Crotty）——认为，生物质掩埋是一种更方便、更便宜的固碳方法。
那棵3775年前倒下的红雪松表明，从原理上讲，通过生物质掩埋的方式可以把碳储存在地下长达几十个世纪，只不过掩埋的环境比较特别。曾宁说：“挖个洞，埋些树，这还能有谁不知道怎么做吗？但是，想想看，人类历史上埋了多少木制棺材，保留到现在的又有多少？要想把这些木头在地下保存数百年乃至数千年，必须找到适宜的条件。”
科学家检验生物质掩埋方法是否可行的关键在于创造低氧的干燥环境，类似加拿大魁北克的那种黏土环境。举例来说，2024年，克罗蒂和她的同事们在美国科罗拉多州的一个地点挖了100多个坑，接着用木质材料填满，最后再重新盖起来。他们计划在5年后把这些掩埋起来的生物质挖出来，看看有多少腐败了、腐败到什么程度。
这些坑的深度各不相同，掩埋生物质以及重新遮盖的方式也不一样，目的就是测试坑洞的打造方式和使用方式会如何影响生物质储碳效果。另外，研究人员还会计算运输、掩埋生物质等环节的碳排放量——包括挖坑时土壤释放的碳量。克罗蒂说：“我们在这个地方的任务不仅是了解究竟什么方法奏效、什么方法不奏效，更是要知晓我们可以怎样测量、报告、验证生物质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年内，这支团队每个月都会测量所有坑释放二氧化碳和甲烷的情况，同时还会持续不断地监测部分坑的情况。坑里还埋着湿度传感器和氧气检测装置，整个地点还专门设立了一座功能齐备的气象站。
克罗蒂说，有了这些数据，他们就能评估不同深度、掩埋方式、当地环境对坑内环境的影响。等到5年后把这些样本挖掘出来时，研究人员还会探索这样的生物质掩埋方式抑制了哪些类型的生物分解，以及没有抑制哪些类型的生物分解。具体方式会包括各种鉴定不同种类真菌、细菌的测试，以寻找与所有生物腐坏相关的微生物。
大问题
以克罗蒂实验为代表的这些尝试有助于回答萦绕在陆地生物质存储周围的诸多重要担忧中的一个：以这类方式储碳，可以储存多久？
2023年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）领导的一支团队大规模分析了美国除二氧化碳的潜力。最后的结论汇集成了报告《除碳之路》（Road to Removal）。这份报告简要概述了如何利用二氧化碳减排帮助美国实现净零目标（特朗普政府后来撤销了这些目标），重点关注直接空气捕集、提高森林和农业用地碳吸收量以及将生物质废料转化成燃料和二氧化碳等技术。
然而，这份报告没有提及生物质掩埋方法。报告的作者之一、LLNL除碳领域的专家萨拉 · 贝克尔（Sarah Baker）称，这是因为还没有充足证据证明这种方式能够在多长时间内储碳。这份报告中设定的最短储碳时间为100年。贝克尔还解释说，也没有充足的数据能够说明以生物质掩埋方式储碳这么长时间之后生物质内还留存多少碳。
美国能源部也在努力解决这个问题。为了填补储碳领域的部分认知空白，这个部门资助了一系列项目，其中就有贝克尔参与的，另外还包括美国国家再生能源实验室领导的一个项目，目的是测量生物质掩埋后在不同环境条件中究竟能储碳多长时间。
把问题埋起来
克罗蒂在科罗拉多的实验还有可能解决另一大问题：是否所有形式的生物质都同等适用生物质掩埋方法？为此，克罗蒂的团队用了各种各样的木制材料填充那100多个坑，其中包括各种类型的树木、木屑、压实后的木头以及一些“碎块”——小树枝、树叶、树皮以及其他在伐木等林业操作中产生的碎片。
实际上，克罗蒂和她的同事们认为，生物质存储对森林管理而言至关重要。尤其是在美国西部各州，受气候变化和积极火灾抑制政策（降低了小型火灾的发生率但同时也让森林变得杂草丛生）的双重影响，发生山火的风险增加了。克罗蒂说：“这样一来，整个地区都堆积了大量燃料。因此，在原本通常会发生大量低烈度火灾的区域，由于过于积极的防火政策，现在一旦发生火灾，就很有可能烈度极高。”
有鉴于此，美国国家森林管理局在2022年公布了一项跨度为10年的山火危机防治计划。为了削减发生高烈度山火的风险，美国政府计划清理或减薄20万平方千米的林地。另外还有8万平方千米的林地已经采取了类似措施。然而，这又带来了一个新的问题。
便宜但代价巨大 按照目前林业管理处理生物质废料的惯常做法，这堆位于美国亚利桑那州科科尼诺国家森林边缘的树木残枝被就地焚烧殆尽。这么做确实方便、廉价，但代价是会向地球大气释放大量二氧化碳
克罗蒂解释说：“就目前的市场需要来说，没有多大动力从这些森林中提取出各类残留物，因为这些木头通常又小又便宜。它们的售价甚至不足以抵消运送它们离开森林的成本。因此，在很多地区，通常的做法都是把它们堆在一起直接烧掉。”
克罗蒂最近与其他学者共同开展的一项研究表明，每年在美国森林中“堆起来焚烧”的木材释放的温室气体差不多包含200万吨二氧化碳和超过1100万吨微小颗粒物——这类物质导致的空气污染与一系列健康问题相关。按照碳遏制实验室的保守估计，美国国家森林管理局的10年危机防治计划清理的木材含有的二氧化碳当量差不多是20亿吨，大致相当于目前全球二氧化碳排放量的5%。
这个计划同样涉及成本问题。克罗蒂团队最近的分析结果显示，堆积森林残余物并焚烧的成本大约是每英亩（1英亩约合4000平方米）700美元～1300美元。克罗蒂说，提升森林残留物中的碳价并阻止其进入地球大气，生物质存储方案就可能为这些问题提供答案。
现在已经建立了一种围绕碳排放的交易机制，个人、公司和政府都可以买卖碳排放额度，这是一种从大气中除碳的激励措施。从本质上说，碳本身就自带附加价值，这意味着碳排放量太多的主体可以付钱给其他人代为捕集并存储相应的碳排放量。媒体最为推崇的价格是每储存1吨二氧化碳100美元。在很长一段时间内，我们一直认为，这个价格能够满足碳捕集事业的需要，推动碳捕集行动规模扩大到应对气候变化所需的程度。
碳遏制实验室的另一位执行主管贾斯汀 · 弗莱贝里（Justin Freiberg）解释说：“我们掌握的能够用于除碳事业的资金就这么多，因此，解决方案的成本越是低廉，我们能够产生的碳汇额度就越多，就能从地球大气中除去越多的碳。目前来看，100美元这个数字定得相对随意，但它很重要，提示我们要有这么一个目标：越是高质量的碳汇，价格就应该越低。”
直接空气捕集的方案还没有达到这个神奇的价格临界点。实际上，瑞士的“气候工厂”公司（目前最大的直接空气捕集技术公司之一）已经公开表示，到2030年，他们的捕集成本也还是要每吨300美元左右。
矿里的坟墓
不过，另一家除碳公司却声称，他们已经借助生物质掩埋方法实现了这个价格标准。这家公司就是由比尔 · 盖茨（Bill Gates）资助的美国公司“格拉菲特”。其首席技术官汉纳 · 莫能（Hannah Murnen）表示：“我们的第一批碳汇售价就是每吨100美元。”
格拉菲特公司相当自信，他们认为生物质掩埋技术大有可为。这家总部位于美国阿肯色州派恩布拉夫的公司在储存生物质废料之前会将其干燥并压缩成堆。莫能说：“我们会把生物质废料干燥到没有生命可以生存的程度，这可以有效遏制生物质分解。”
格拉菲特公司宣称，他们很快就能做到每年储存5万吨二氧化碳，目标是到2030年每年储存500万吨。莫能本人坦承，这个数字听上去“确实有些太大了”，尤其是考虑到目前的碳捕集水平。但她还是补充说：“但请看看碳捕集事业的目标吧，这就是我们应该达到的规模。”
碳捕集的需要
联合国政府间气候变化专门委员会表示，为了将全球平均气温较工业化前水平的升高幅度控制在1.5℃之内，碳捕集是必要操作。
按照2024年《除二氧化碳现状》的估计，为了实现《巴黎协定》设立的目标，到2050年，人类每年需要除去70亿～90亿吨二氧化碳。这份由牛津大学领衔、多所机构共同完成的报告同时指出，目前人类每年约除去20亿吨二氧化碳，大部分都是通过植树和恢复湿地等“传统方法”实现的。“创新方法”——比如直接空气捕集、以碳捕集为目的的生物能源开发以及增强海洋碱度——每年除去的二氧化碳大约为130万吨，不到总量的0.1%。
格拉菲特公司目前主要处理的还是锯木厂里的残渣和稻壳等生物质废料，但莫能说，他们未来计划接收各种各样的生物质废料。她还补充道：“出于除碳目的处理生物质废料的一大好处是，因为我们不会对这些废料做任何化学转化操作，所以可以接收各种类型的生物质废料。”
事实上，可供选择的生物质废料对象相当多。按照英国和印度研究人员的估计，全球林业和农业每年大约产生1400亿吨生物质废料。其中，大约三分之二的农业生物质废料来自小麦、大米、大麦、燕麦等谷物，第二大来源则是甘蔗茎和叶子，剩下的则由其他农作物的叶子、根茎、外皮、外壳构成。和林业生物质废料一样，大多数农业生物质废料的处理方式一般都是焚烧或任其自行分解，这个过程中肯定会释放碳。
地上的大洞 在距派恩布拉夫30千米的地方有一座废弃的老旧石矿，格拉菲特公司将其改造后用于储存压缩后的生物质废料
目前，格拉菲特公司在距派恩布拉夫约30千米的地方有一个生物质废料储存点。在那儿，他们把压缩后的生物质废料块埋到地下，封闭在一个防水的密闭层中。莫能说：“这个地方之前是一个石矿——也就是地上的一个大洞——我们把整块区域改造成了一座排列整齐的‘坟墓’，把生物质废料埋进去，然后封存起来。”
完成密封操作后，格拉菲特公司就会立刻开始监测“墓室”拱顶空间的二氧化碳和甲烷浓度，任何数量、种类、程度的生物质分解都会为监测人员所知晓。此外，当生物质废料进入整个设施时，这家公司也会对其做详细分析，以便追踪他们究竟储存了多少碳。莫能表示，锯木厂的生物质废料碳含量通常在50%上下，而稻壳的碳含量则接近35%。
格拉菲特公司认为这种生物质掩埋方法在物理层面上颇为可靠，且可以在莫能所说的“很长一段时间”内避免生物质废料内部的碳重新释放出来。不过，这家公司同时还在探索如何避免未来可能出现的各种意外事件影响埋藏起来的生物质废料——他们甚至考虑到了公司倒闭之后的情况。一种方法是为这个地点增加“保护地役权”——一种相当完善的美国法律机制，可以为土地提供长期保护。
莫能说：“我们有一种非常强烈的感觉，这个我们不断尝试、完善的除碳方法会是最有大规模推广潜力的方法之一。我们的方法在规模化推广操作中几乎没有什么大的障碍。我们的许可获取途径更为通畅、便利，在设备上我们不需要各种稀奇古怪的管道，用于掩埋的土地类型也非常灵活，对掩埋对象的要求也不高，我们可以把各种各样的生物质废料纳入我们的处理环节。”
简单的方案
视线回到LLNL，贝克尔表示：“虽然我手上没有太过精确的计算结果，同时也收到了很多提醒，但我觉得，生物质掩埋方法就是真正有效的除碳路径，因为这真的太简单了。”
贝克尔表示，一旦将相关上下游环节的碳排放考虑在内，许多呼声颇高的所谓除碳技术大概率就不适用了，因为它们在全部操作环节中释放的化石二氧化碳甚至要多于本身能储存的。
生物质掩埋方法不仅效果良好、操作简便，成本也比较低廉。按照《除碳之路》的分析，像高温分解这样的“热化学”技术，不但在除碳和储碳方面有极大的潜力，而且还有希望把生物质废料转化成氢以及其他可持续生产的航空燃料。然而，这样的技术需要海量的投资，需要极为庞大的设备，潜在花费以数亿美元计。从这个角度上说，生物质掩埋甚至可以成为一种过渡性储碳方式，等到相关设备、环节做好将碳转化成可持续利用的燃料的准备后，再把它们挖出来。贝克尔说：“这就相当于花一点小钱给我们自己买时间，等到更好的方案出现之后，再把它们挖出来利用。”
无论具体怎么应用，生物质掩埋未来在储碳领域都大有潜力，对地球环境保护来说也同样如此。贝克尔说：“我们越快启动这个方案，就越能有效地阻止地球气候滑向深渊。”
我们唯一需要确定的只是，这样的储碳方式确实可以维持相当长的时间——那棵3775年前倒下的红雪松或许正是一个提示，提示我们生物质掩埋方法可以储碳数百年乃至数千年。
资料来源 Physics World
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本文作者迈克尔·阿伦（Michael Allen）是一位科学作者
