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如何把二氧化碳“埋”入地下
——访中国地质环境监测院高级工程师程国明
来源:中国自然资源报 发布时间:2021-10-13 [打印本页] [关闭窗口]

近日,在2021年全国科普日自然资源部主场活动现场,自然资源首席科学传播专家、中国地质环境监测院教授级高级工程师程国明以“地质固碳与生态碳汇”为题,向观众普及“双碳”知识,讲解地质固碳的技术方法和土壤固碳的能力。

二氧化碳与变暖的地球

随着近年来越来越明显的气候变暖,北极地区很多原本被冰层覆盖的地方逐渐露出“真实面目”,过去永久冰封的地区居然开出了漫山遍野的鲜花。在俄罗斯北极海岸部分地区,气温自1998年以来上升了近5℃,远超《巴黎协定》中将全球气温升高幅度控制在1.5℃以内的底线。

2020年2月9日,南极半岛附近西摩岛上记录到的最高温度为20.75℃,这是南极气温首次突破20℃大关。该气温相当于3月的上海、5月的北京。根据联合国世界气象组织的数据,在过去的50年里,南极半岛的温度上升了近3℃。

在青藏高原,冰川融化使湖水上涨,冻土融化使原本封冻的水从地面冒了出来,它们都在威胁着高原居民的正常生活。

程国明介绍,地球的三极就像是地球的温度计,它们对温度的变化极为敏感,现在以雪线上升、冰川与冻土融化的方式告诉人类,地球正在变暖。

“大家都知道,以石油、煤炭和天然气为代表的化石能源,是现代工业的基础,它们都是由古代生物的遗骸经历一系列复杂变化形成。”程国明介绍,这些深藏地壳深处、花费成千上万年完成转化的富碳资源,在过去不到一百年的时间,被人类挖出、提炼、转化、焚烧,驱动人类文明走向物质繁盛,也成为二氧化碳的主要来源。

“自工业革命以来,大气中二氧化碳含量增加了25%,而且尚无减缓的迹象。”程国明说,人类燃烧煤、油、天然气和树木,产生大量二氧化碳、甲烷等温室气体,温室气体进入大气层后使地球升温,使碳循环失衡,改变了地球生物圈的能量转换形式。

把二氧化碳注入深层地质结构

碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人,在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,自己抵消自己产生的排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。

在众多碳中和技术路径中,有一个治理思路,因其可高效降低大气二氧化碳浓度的前景而格外引人注意,那就是碳捕捉及封存技术。那么,排出去的二氧化碳,怎么能捕捉回来呢?又怎样“埋”入地下呢?

“碳捕集与封存技术是一种将大型发电厂等排放所产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。”这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。程国明谈到,封存二氧化碳的方法之一是地质封存。地质封存一般是将超临界状态(气态液态的混合体)的二氧化碳注入深层地质结构中,常见的适宜碳封存的地质结构包括油田、气田、咸水层、不可开采的煤矿等。此外,地下深部咸水层具有分布广泛、储存量大等特点,也被视为二氧化碳长期封存的最优场地。

截至2020年底,全球目前共有26个正在运行的商业项目,合计捕集二氧化碳规模约4000万吨/年。就深部咸水层储集介质来看,截至2020年底,全球拟建和在建的地质封存项目超过了12个,且正在逐步从小规模示范向大规模集成过渡。

另据程国明介绍,自然资源部中国地质调查局在伊金霍洛旗实施了我国首个二氧化碳捕集、运输与深部地质封存全流程示范工程;建立了“大气—地表—地下”立体化监测系统。

该示范工程于2011年5月9日开始实施二氧化碳灌注实验,初步形成了10万吨/年的二氧化碳地质封存技术体系,同时为每年百万吨级规模化封存工程和产业化实施储备了一批关键技术。

图片来源:视觉中国

土壤固碳:基于自然的解决方案

中国陆地生态系统占全球陆地面积的6.40%,是全球和区域碳循环及其模式研究的重点地区。因此,开展中国陆地生态系统碳源、碳汇研究是国家改进生态系统管理、保障生态安全的急迫需求。其中,土壤固碳减排已成为全球气候变化研究热点之一。

“在光合作用下,植物吸收空气中的二氧化碳,将其转化为糖和其他碳分子,再通过根系和枯枝落叶等将碳传递给土壤。植物给土壤微生物输送碳,土壤微生物则会给植物带去矿物质营养。”程国明说,这就是碳被固定在土壤中的一种方式,换句话说,土壤有独特的能力,可以封存空气中的二氧化碳。

然而,农业文明的出现打乱了古老的土壤结构。人们开始排水,翻耕表土层,这就使得土壤中的碳与空气中的氧结合产生了二氧化碳,排入大气中。而饲养动物让情况变得更糟,家畜啃食了草原,甚至使地面完全裸露,植物消失了,光合作用停止了,土壤中的二氧化碳也就没有了。今天,农业和其他土地利用方式的改变排出的温室气体占世界温室气体排放量的1/3。“所有使用化肥的传统农业下的土壤几乎不含微生物。”程国明说。

不过,人们已经意识到这个问题,利用土壤固碳也有了很多有益的尝试。例如施用有机肥可改善土壤结构,使用多种管理方法,如免耕、秸秆还田、种植覆盖作物、轮作等,可以促进增加土壤中的有机质含量,使更多的碳返回土壤,不仅有助于提高土壤碳储存,还可提高生产率。

程国明以东北黑土地为例介绍。黑土地因含碳量高、土壤质地疏松、适耕性好,是世界上最肥沃的土壤之一,也是国家粮食安全的“压舱石”。但是传统的翻耕技术,破坏了地表秸秆保护层,改变了土壤微生物的分布,使土壤的生态和生产功能退化。

经过十余年科研攻关,中国农业大学等研发并创建了适合我国国情的玉米秸秆覆盖栽培技术,即“梨树模式”。该模式是以玉米秸秆覆盖为核心,建立秸秆覆盖、免耕播种、施肥、除草、防病及收获全程机械化技术体系,解决了东北黑土区玉米秸秆移除导致土壤退化的关键问题,用秸秆覆盖还田的自然解决方案有效保护了黑土层。

据测定,秸秆全覆盖免耕5年后,土壤有机质可增加20%左右,减少化肥使用量20%左右。同时,吉林省四平市梨树县梨树镇高家村十余年的定位试验结果表明,一般平均产量比对照高出5%至10%。

“面对粮食安全、气候变化、温室气体排放带来的越来越严峻的挑战,科学家们已经开始探索学习和模仿自然的方式解决多重危机。”程国明建议,未来还应强化中国农田土壤固碳与相关政策之间的反馈研究,为我国土壤资源可持续利用管理提供强大的战略决策支撑。 (王自堃)