消除大气中碳污染的 6 种方法

自工业革命以来，人类已向大气排放了超过 2,000 吉吨的二氧化碳。 （十亿吨是十亿公吨。）

空气中 CO2 和其他温室气体的浓度导致了我们今天正在经历的气候变化影响，从森林火灾到令人窒息的热浪和破坏性的海平面上升——而且国际社会每年排放的气体仍在增加。除非我们做出重大改变，否则气候影响只会继续加剧。

应对气候变化的当务之急是迅速遏制排放——例如，通过增加可再生能源、提高能源效率、停止砍伐森林和遏制氢氟碳化物 (HFC) 等超级污染物。然而，最新的气候科学告诉我们，仅靠这些努力是不够的。

为了将全球气温上升幅度控制在 1.5 摄氏度（2.7 华氏度）以内，科学家们认为这对于防止气候变化的最坏影响是必要的，我们不仅需要减少排放，还需要去除和储存一些已经存在的碳气氛。

什么是二氧化碳去除？

二氧化碳去除（或简称“碳去除”）旨在通过直接从大气中去除二氧化碳污染来帮助缓解气候变化。除碳策略包括种植树木等熟悉的方法，以及更新颖的技术，例如直接空气捕获，它可以清除空气中的二氧化碳并将其封存在地下。

除碳不同于碳捕获和储存 (CCS)，后者在源头捕获排放物——例如发电厂或水泥生产商——以防止它们首先进入大气层。碳捕获是一种减排方式，而不是碳去除方式。

碳去除在应对气候变化中有多重要？

最新的气候模型情景表明，所有将温度上升保持在 1.5 摄氏度（几乎没有或没有超调）的途径都需要碳去除。最终需要的数量将取决于我们在短期内减少排放的速度，以及我们是否——或超过多少——我们超过了气候目标。据估计，包括自然和技术碳清除方法在内，到 2050 年全球每年的排放量为 5 至 160 亿公吨。（作为背景，美国在 2021 年排放的温室气体刚刚超过 60 亿公吨。）在短期内减少排放，它对碳清除的依赖就越少。

虽然通过重新造林和森林管理加强自然碳去除长期以来一直受到关注，但最近才加大开发和部署新技术和方法的力度。在短短五年内，碳去除已从一个小众概念发展成为气候投资组合中广为接受的组成部分，并获得了数十亿美元的联邦资金和数亿美元的私人投资。

这一扩张主要是由政府间气候变化专门委员会 2018 年的一份报告推动的，该报告得出的结论是，到本世纪末，要实现全球气候目标，将需要数千亿吨的碳清除量。今天去除的碳水平仍远低于我们预计未来几十年所需的水平，这表明公共和私营部门的投资需要继续增长。

二氧化碳是如何从大气中去除的？

碳去除可以采取多种形式，从新技术到土地管理实践。最大的问题是这些方法能否在未来几十年以所需的规模实现碳去除。

每种碳去除方法都涉及权衡，包括对成本、资源需求（如能源、土地和水的使用）、当地利益或负面影响的程度以及技术准备等方面的考虑。世界资源研究所的系列工作文件探讨了使用碳去除来应对气候变化的可能性和挑战，并推荐了一套优先的美国联邦政策行动来加速它们的发展和部署。

以下是从大气中去除碳的六种选择：

1) 树木和森林

植物自然地从空气中去除二氧化碳，而树木特别擅长储存通过光合作用从大气中去除的二氧化碳。扩大、恢复和管理树木覆盖以鼓励更多的碳吸收可以利用光合作用的力量，将空气中的二氧化碳转化为储存在木材和土壤中的碳。

一些可以增加树木和森林碳清除的管理方法包括：

• 在被野火破坏或被清理用于农业或商业用途后，重新造林或恢复森林生态系统。
• 在因疾病或干扰而失去树木的地方重新放养或增加森林密度。
• 森林牧场，或将树木纳入动物农业系统。
• 农田混农林业，或将树木纳入中耕作物农业系统。
• 城市重新造林，或增加城市地区的树木覆盖率。

世界资源研究所估计，仅在美国，森林和林外树木的理论碳清除潜力就超过每年 50 亿吨，相当于美国农业部门的所有年度排放量。更重要的是，与其他碳去除方法相比，通过森林去除二氧化碳的方法相对便宜（通常每公吨二氧化碳不到 50 美元），并且在此过程中产生更清洁的水和空气。

信息图显示了五种基于树木的碳去除方法，例如在森林和城市种植和恢复树木。
一个主要挑战是确保一个地区的森林扩张不会以其他地方的森林为代价。例如，停止生产农田会减少粮食供应。这可能需要将其他森林转变为农田——导致更多的温室气体排放——除非提高农业生产力可以填补这一空白。同样，不从一片森林采伐木材可能会导致另一片森林过度采伐。这些动态使得恢复和管理现有森林，以及在农田以外生态适宜的土地上种植树木变得尤为重要。

2) 农场和土壤

土壤自然地固碳，但由于频繁耕作以及农业和放牧造成的侵蚀，农业土壤正面临着巨大的赤字，所有这些都会释放储存的碳。由于农业用地面积如此之大——仅在美国就有 9 亿多英亩土地，约占该国土地面积的 40%——即使每英亩土壤碳含量的小幅增加也可能产生影响。

有许多做法可以增加土壤中储存的碳量，尽管碳封存的数量和持续时间取决于区域气候和土壤类型等因素。

在田地光秃秃的时候种植覆盖作物可以延长全年的光合作用；使用堆肥可以提高产量，同时将堆肥中的碳含量储存在土壤中；科学家们正在培育根系更深的作物，使它们更能抵抗干旱，同时向土壤中沉积更多的碳。许多增加土壤碳的做法也可以改善土壤健康，并可以使农业系统更能适应气候变化。

然而，大规模管理土壤中的碳是一个棘手的问题。自然系统本质上是多变的，这使得预测、测量和监测特定土地上任何特定做法的长期碳效益成为一项真正的挑战。需要更多的研究来了解这些做法如何影响不同土壤类型和不同气候下的碳封存，以及碳储存的时间。

某些土壤固碳做法（例如覆盖作物和放牧管理）的功效也受到持续的科学争论。此外，逐年变化的条件或管理实践可能会抹去之前的收益。而且由于需要在大片农田上采用气候智能型耕作方式以去除大量碳，因此政府和市场系统需要激励土地所有者实施这些措施。

3）生物质脱碳与封存

生物质碳去除和储存 (BiCRS) 包括一系列过程，这些过程使用来自植物或藻类的生物质来去除空气中的二氧化碳，然后将其长期储存。这些方法旨在利用植物在其自然生命周期之外的碳储存能力：树木仅在死亡和分解之前去除和储存碳，而生物质碳去除和储存旨在更永久地封存植物捕获的二氧化碳。

使用生物质去除碳有许多不同的方法。其中包括生物炭的创造，它是通过在低氧环境中加热生物质制成的，可以产生一种类似木炭的土壤添加剂，可以隔离碳；生物油，它使用类似的过程来生产注入地下的液体；以及在拱顶中永久储存富含碳的生物质。生物能源碳捕获和储存 (BECCS) 是另一种碳去除途径，涉及使用生物质产生能量，然后捕获和封存由此产生的 CO2 排放。在许多经济范围内的脱碳情景中具有突出特点的一种 BECCS 是将生物质转化为氢气，这可能会产生负碳燃料。

虽然生物质碳去除和储存可以提供长期的 CO2 去除，但并非所有过程都必然提供净碳效益。

如果 BiCRS 过程使用不与粮食作物或生态系统争夺土地的生物质资源（例如藻类或废料），它们可以提供净碳清除。例如，树皮、坚果壳、玉米壳和秸秆等许多林业和农业废弃物被焚烧或任其分解；从气候的角度来看，使用这些材料代替生物质碳去除和储存可能是有益的。

但确定生物质是否真正可持续并不总是那么简单。例如，如果种植专门用于生物质碳去除的作物，它们可能会取代粮食生产或自然生态系统。这可能会导致农田扩张以及森林和草地的破坏，这两者都会释放碳，并且会消除 BiCRS 的气候效益，同时还会加剧粮食不安全和生态系统的丧失。为了充分利用 BiCRS 途径的碳去除潜力，需要政策和市场激励措施来鼓励使用废生物质，并抑制使用可能破坏森林和土壤固碳自然能力的目的种植作物。

4）直接空气捕获

直接空气捕获是通过化学方法从环境空气中清除二氧化碳，然后将其封存在地下或长寿命产品（如混凝土）中的过程。该技术类似于用于减少发电厂和工业设施等来源排放的碳捕获和储存技术。不同之处在于直接空气捕获去除了已经排放到大气中的多余碳，而不是在源头捕获它。

衡量和解释直接空气捕获的气候效益相对简单，其潜在部署规模巨大。然而，这项技术在今天仍然是昂贵且耗能的。

成本估算各不相同，但一般从每公吨二氧化碳去除 100 美元到 600 多美元不等；自愿购买直接空气捕获的碳清除额度从每公吨 CO2 225 美元到超过 1,000 美元不等，如果数据可用的话。随着项目的建设和技术的改进，预计这些成本将在未来十年及以后显着下降。

直接空气捕获还需要大量的热量和电力输入：从空气中清除 1 十亿吨二氧化碳可能需要当今总能源消耗的近 10%。因此，为了实现净碳去除，直接空气捕获技术需要由低碳或零碳能源提供动力。

投资于技术开发和部署经验，以及增加廉价、清洁能源的可用性，可以推进大规模直接空气捕获的前景。

近年来，直接空气捕获技术在公共和私人投资方面出现了显着增长，越来越多的公司正在开发这项技术。自 2019 年以来，用于 DAC 和其他碳去除方法的年度基础研究资金增长了十倍以上，具有里程碑意义的两党基础设施法和通货膨胀减少法案都为美国的直接空气捕获项目提供了关键资金和部署支持。私营部门也开始采取一系列新举措——例如，一些公司在 2021 年聚集在一起，承诺到 2030 年斥资近 10 亿美元用于永久性二氧化碳去除，包括但不限于 DAC，以通过创造有保障的需求来帮助刺激发展。

随着对直接空气捕获的兴趣和投资不断增加，注意力也开始转向实施。对于决策者和直接空气捕获项目的建设者而言，重要的是不仅要关注气候效益，还要关注该行业发展过程中的公平性和可持续性。

5）碳矿化

一些矿物质会自然地与 CO2 发生反应，将二氧化碳从气态转变为固态，并使其永久远离大气层。这个过程通常被称为“碳矿化”或“增强风化”，它自然发生得非常缓慢，需要数百年或数千年的时间。

但科学家们正在研究如何加速碳矿化过程，尤其是通过增加这些矿物质对空气或海洋中二氧化碳的暴露程度。这可能意味着让空气穿过含有正确矿物成分的大量矿山尾矿（采矿作业遗留下来的岩石）；粉碎或开发可分解矿物质以增加其表面积的酶；在农田或沿海地区撒播某些类型的岩石，在那里它会与二氧化碳发生反应并锁住二氧化碳；寻找某些工业副产品的方法，如飞灰、窑炉灰尘或钢铁矿渣，它们与 CO2 反应以隔离它。

碳矿化也可用于隔离已经捕获的二氧化碳，方法是将二氧化碳注入合适的岩石类型，在那里它会反应形成固体碳酸盐，并永久储存。其他应用可以封存碳并取代更多排放密集型的传统生产方法——例如，通过使用矿化作为混凝土生产的一部分，混凝土生产在全球范围内以数十亿吨的规模使用。

科学家们已经证明碳矿化是可能的，一些初创企业已经在开发方法，包括基于矿化的建筑材料。然而，还有更多的工作要做，以规划出具有成本效益和审慎的规模化部署应用，并改进碳封存的测量。

6）基于海洋的方法

已经提出了许多基于海洋的碳去除方法，以利用海洋的固碳能力并扩大陆地应用以外的选择组合。然而，几乎所有这些战略都处于发展的早期阶段，需要更多的研究，在某些情况下还需要实地测试，以了解它们是否适合在潜在的生态、社会和治理影响下进行投资。

每种方法都旨在加速海洋中的自然碳循环。潜在的解决方案包括利用沿海植物、海藻或浮游植物的光合作用；在海水中添加某些矿物质，与溶解的二氧化碳发生反应并将其锁住；或者在海水中通入电流以加速最终有助于提取二氧化碳的反应。

海洋可能提供潜在的碳去除选择，如海藻种植，这也可能具有生态效益。国家公园管理局摄

一些基于海洋的碳清除方案也可以提供共同利益。例如，沿海蓝碳（储存在红树林、海草和盐沼中的碳）和海藻种植可以去除碳，同时也支持生态系统恢复，而添加矿物质以帮助海洋固碳可以减少海洋酸化。然而，关于这些方法的更广泛的生态影响还有很多未知之处，需要进一步研究以更好地了解潜在风险，然后再以任何规模采用这些方法。

在短期内，养殖海藻还可用于食品、燃料和肥料等产品，这可能不会导致碳去除，但与传统生产相比可以减少排放，并提供支持该行业增长的经济回报。

除碳的未来

世界资源研究所的分析表明，提高碳去除能力的最具成本效益和最低风险的策略涉及串联开发和部署各种方法。

展望未来，必须将多种去除二氧化碳的方法纳入世界各地的气候变化战略，以避免全球变暖达到危险水平。在过去的几年里，我们已经朝着这个方向迈出了重要的一步，但要实现国家和全球气候目标还需要更多努力。

关键是要继续增加对碳清除方法组合的公共和私人投资，以确定哪些可以成为满足我们预计在未来几十年需要的清除规模的可行选择。

作者：James Mulligan、Gretchen Ellison、Kelly Levin、Katie Lebling、Alex Rudee 和 Haley Leslie-Bole

最初发表于世界资源研究所网站。

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