什么是二氧化碳移除？

众所周知, 由人类活动排放到大气中的二氧化碳（CO₂）正在导致气候变化（更多内容可参阅这篇文章）, 我们必须采取行动应对。科学界明确表示, 要阻止全球变暖, 必须在 2050 年前实现“净零”排放 [例如 [1]、[2]]。换言之, 我们必须确保不再向大气中增加 CO₂。本文将阐述二氧化碳移除（CDR）如何成为有效应对措施之一。想象一个正在注水的浴缸: 如果不关闭水龙头, 浴缸内的水很快就会溢出来, 这正是当前地球大气中 CO₂排放的现状（图 1）。如果维持现有排放量不变, 距离“ 水溢出来”只剩不足 6 年时间, 这意味着要将全球变暖控制在 1.5°C 以内, 我们应当减少 CO₂ 排放量。设定 1.5°C 目标是因为一旦超过这个数字, 气候变化造成危害的风险将加剧, 人类社会与地球甚至可能遭受不可逆的损害。好在 CDR 技术能从大气中捕获并封存部分 CO₂, 就像用拖把擦干溢出来的水。

CDR 主要通过两种方式发挥作用: 首先, 它能处理难以完全消除的 CO₂ 排放。用浴缸比喻来说, 就是当水龙头仍在缓慢流水时, 用水桶舀出一些水来阻止水位上升；其次, 如果 CO₂ 排放已超标, 导致全球升温超过 1.5°C, CDR 可尝试逆转这部分额外升温, 相当于擦干从浴缸溢出来的水。

不过, 我们还是要优先避免水溢出来。关闭水龙头远比事后清理更有效, 如果持续溢水, 清理能力终究有限！因此, 我们必须优先减排而非过度依赖 CDR。要知道, 某些气候变化影响（如物种灭绝）具有不可逆性, 即使能控制升温趋势也无法挽回。所以, 我们的核心目标应是预防 CO₂ 排放过量, 而非事后补救。现在有多种从大气中移除 CO₂ 的方法（图 2）, 后文将简要介绍其中部分方法。这些方法都各有其优缺点 [3], 如图 3 所示。

植树吸收 CO₂

最直接的 CDR 方法是造林, 就是多种树, 利用光合作用移除大气中的 CO₂。该方法存在若干优势: 植树无需复杂材料, 操作简单方便, 成本也远低于其他 CDR 方法。造林还有多重附加效益, 例如扩大并连通野生动物栖息地, 促进生物多样性, 以及降温和净化空气, 以改善局部气候。

除植树外, 我们还可种植能源作物来替代化石燃料发电, 这种方法称为生物质能碳捕集与封存（BECCS）。在这一过程中, CO₂ 被作物吸收并用于发电, 关键是在燃烧作物发电时要捕获 CO₂ 并封存至地下。BECCS 的优势在于既能发电又能永久封存 CO₂, 但目前运输与封存 CO₂ 所需的基础设施尚未完全成熟。如果政府能出台支持政策, 推动这项技术社会化应用, BECCS 将发挥更大效益。

BECCS 也存在一些劣势: 如果实施不当, 可能破坏森林提供的生物多样性、水流量等重要生态要素。森林本来就面临气候变化威胁, 一旦发生野火或树皮甲虫等虫害导致树木死亡, 封存的 CO₂ 又将立刻释放。此外, 大规模实施 BECCS 需占用大量土地, 与全球日益增加的粮食需求和野生动物栖息地保护需求产生冲突。

将碳埋起来

其他基于土地的 CDR 方法包括将碳储存于土壤中: 例如在农田中种植覆盖作物, 或减少翻耕频率。这些方法可提升粮食产量, 让农民受益, 又因成本低廉且无需额外占用土地, 相比造林和 BECCS 更具优势。

在无氧环境中加热生物质（称为热解）可产生生物炭。这种特殊木炭能储存大量 CO₂, 可混入土壤或建材等产品。如果在大型设施中制备生物炭, 这一过程中产生的气体和热量还可用于发电。将生物炭埋入土壤可带来多重附加效益, 包括改善土质、过滤雨水中的有害物质等。早在 4000 年前, 南美洲原住民就会用生物炭来改良土壤！

发挥化学之力

地球矿物（如岩石中的矿物）的自然分解过程称为风化, 通常十分缓慢（需要数千年）, 这一过程会吸收大气中的 CO₂。研磨矿物可增强自然风化作用, 通过增大表面积使矿物在更短时间内吸收更多 CO₂。若将研磨后的矿物撒在田里, 还能提高作物产量。但目前需要更多实验来验证大规模应用的效果和副作用。此外, 研磨过程需消耗大量能源, 生产这些能源时必须实现零碳排放。

还可利用海洋吸收 CO₂。碱化作用的具体做法就是向海洋投放可吸收 CO₂ 的矿物碎末（和增强风化的原理差不多）, 此举还能降低海洋酸度, 保护海洋生物免受溶解 CO₂ 的危害。但同样需要进一步研究该方法对生态系统的潜在影响以及可能造成的意外损害。

运用技术

直接空气碳捕集与封存（DACCS）是一种对土地需求极低的 CDR 方法。其工作原理是: 将含 CO₂ 的空气吸入收集装置, 通过特殊过滤器吸附其中的 CO₂；当过滤器饱和后, 系统会封闭并加热至 100°C, 使 CO₂ 从过滤器中释放并进行捕获封存。与 BECCS 类似, DACCS 的大规模应用需要配套建设 CO₂ 运输和地下封存设施。该技术目前面临的主要挑战是能耗较高, 并且依赖的能源尚未完全实现脱碳, 导致运营成本居高不下。但值得注意的是, DACCS 正获得巨额资金支持和多家企业的研发投入, 发展势头强劲。

关于可持续性的思考？

正如前文所述, 所有碳清除方法都存在劣势: 有的需要大量土地（这些土地本可用来种粮食）, 有的能耗巨大, 还有的因潜在副作用未知而无法大规模推广。最终解决方案很可能是根据地理条件、时机和碳清除目标, 组合使用多种方法。但最重要的一点是: 只有通过快速彻底的减排, 才能从根本上减少需要处理的 CO₂ 量。再次借用浴缸比喻, 预防溢水远比事后清理更重要！拥有碳清理技术绝不意味着我们可以继续加剧污染。因此, 在推进 CDR 技术发展的同时, 我们必须不断努力从源头上减少 CO₂ 排放。

术语表

二氧化碳移除 (CDR) (Carbon Dioxide Removal (CDR)): ↑ 人类从大气中移除并封存 CO₂ 的行为。

排放 (Emissions): ↑ 由人类活动释放到大气中并危害地球的温室气体（如 CO₂）。

造林 (Afforestation): ↑ 在原本无森林的土地或遭砍伐的林地上种植树木。

生物质能碳捕集与封存 (BECCS) (Bioenergy With Carbon Capture and Storage (BECCS)): ↑ 生物质能指通过燃烧植物（而非化石燃料）产生的能量。碳捕集与封存则是在 CO₂ 进入大气前将其捕获并埋存于地下的技术。

热解 (Pyrolysis): ↑ 在无氧条件下加热木材等材料, 使其无法燃烧, 最终产生可长期保存的特种木炭, 埋起来可实现碳封存。

生物炭 (Biochar): ↑ 通过无氧燃烧树木和植物生成的一种木炭。

风化 (Weathering): ↑ 矿物分解并吸收 CO₂ 的自然过程, 通常需要数千年时间。加速风化可能有助于减少大气中的 CO₂。

碱化 (Alkalinisation): ↑ 通过向海洋添加矿物质来提高海水吸碳能力的化学过程。

直接空气碳捕集与封存 (DACCS) (Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS)): ↑ 直接从空气中过滤 CO₂ 并将其封存于地下的技术。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

感谢英国气象局的 George Burningham 负责图 1 设计, 以及 MCC 的 William Lamb 协助完成图 2。Ingrid Schulte （IS）感谢德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的 CDRSynTra 项目（资助编号: 01LS2101A）提供的资金支持。Sabine Fuss（SF）感谢欧盟“ 地平线欧洲”研究与创新计划（资助编号: 101081521, UPTAKE 项目）的资金支持。

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