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应对气候变化，低碳转型才能治本 | 图源：pixabay.com

导  读

负排放技术可直接移除大气中的二氧化碳，是否意味着人类可以高枕无忧不减排？清华大学地球系统科学系博士后张诗卉认为，负排放技术并不是气候危机的“救世主”，因为碳移除并不能马上消除碳排放带来的影响，而且负排放技术的大规模推广还存在很大的不确定性。

2018年以来，微软创始人比尔·盖茨、特斯拉创始人埃隆·马斯克和亚马逊创始人杰夫·贝索斯等科技投资人分别投资了专注负排放技术的高科技初创公司，最近一段时间更是动作频频 [1–3]。对于众多宣布要实现净零排放的大公司，购买负排放抵消额似乎正在成为潮流。

负排放技术，目前已知的方法主要是通过光合作用将大气中的二氧化碳固定在植物、土壤、湿地和海洋中，或通过化学手段将大气中的二氧化碳固定在矿物或者储存在地质层中。有专家预测，若突破现有的技术瓶颈，负排放技术的潜力甚至能够覆盖目前全球的碳排放 [4]。但是，负排放技术存在的环境、社会和健康风险，依然极具争议。

负排放的减排潜力到底如何？目前对该技术的争议点又集中在哪里？

1. 正排放与负排放  

碳循环是自然界中重要的物质交换过程。动植物的呼吸和化石燃料燃烧等过程产生的二氧化碳释放到大气中，成为大气中二氧化碳的 “源”；植物的光合作用和海洋溶解的无机碳等吸收了大气中的二氧化碳，形成二氧化碳的 “汇”。如果将大气中的二氧化碳视为一个碳账户，向大气中排放二氧化碳的行为就是增加正排放，将大气中的二氧化碳移除的行为就是增加负排放。也就是说，“源” 是正排放的来源，“汇” 是负排放的去处。 

工业革命以来，人类活动（尤其是化石燃料的燃烧）导致二氧化碳排放不断攀升，干扰了自然界中正常的碳循环，使得大气环境中年平均二氧化碳浓度从工业革命前的280ppm左右上升到了2020年的412ppm左右 [5]。二氧化碳吸收从地球表面向上辐射的能量，向低层大气重新释放热量，使地球表面变暖，也就是人们通常所说的 “温室效应”。 

图1 1750-2020年人类活动相关的二氧化碳排放和大气中二氧化碳浓度 | 图源[6] 

全球变暖会导致海平面上升、极端气候事件的增加等灾害，威胁人类的生产生活安全，以中国为例，国家气候中心副主任巢清尘指出，“我国高速发展的城市化进程和持续增暖的气候会进一步相互作用…… 比如城市化与极端高温事件复合，将加剧城市热浪的严重性，给城市用电带来巨大挑战…… 对沿海城市，极端降雨/极端河流量与更频繁的极端海平面事件复合，将加大沿海洪水发生的可能性。” [7] 

为了应对气候变化，科学家提出了一系列举措。这些举措可以从原理上分为两类：削减碳排放的“源”和增加碳排放的“汇”，也就是削减正排放和增加负排放。 

削减正排放的主要手段，包括可再生能源对化石能源的替代、提高能效、提高电气化率等。然而，人类的生产生活目前离不开能源的消耗，短时间内能源系统很难做到完全脱碳，这时，要实现能源系统的净零排放，负排放技术的抵消就提上了日程。 

另外，钢铁和水泥等工业过程产生的碳排放，通过能效提升、工艺流程改造和燃料替代等手段实现深度脱碳的潜力有限 [8]，这意味着这些高碳行业的净零排放将很大程度上依赖负排放技术的革新。

2. 如何移除大气中的二氧化碳？ 

如果说各种减少正排放的技术是对碳排放的 “釜底抽薪”，那么负排放技术就是 “亡羊补牢”。简单概括，负排放技术就是直接移除大气中二氧化碳的技术，因此也被称为碳移除技术。 

负排放技术种类繁多，并且还在不断的发展中。根据碳移除的不同原理，负排放技术主要可以分为两大类：一类是基于生物过程的负排放技术，利用光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将碳固定在植物、土壤、湿地或海洋中，主要包括植树造林、土壤固碳、生物质能-碳捕集与封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，下文简称BECCS）、生物炭、蓝碳和海洋施肥等技术；另一类是基于化学手段的负排放技术，利用化学或地球化学反应吸附或捕集大气中的二氧化碳，并进一步封存或利用，主要包括直接空气捕获（Direct Air Capture,下文简称DAC）和加速矿化两大类。

图2 主流负排放技术的原理、应用场景和储存介质 | 图源[9] 

其中，生物质能-碳捕集与封存、植树造林和直接空气捕获由于减排潜力相对较大，并且技术和成本相关的数据积累较为成熟，被目前大多数主流的气候变化综合评估（Integrated Assessment Model, IAM）模型纳入了未来情景模拟。 

值得一提的是，作为除二氧化碳以外最重要的温室气体，甲烷的移除技术也正在引起学术界的注意。其技术原理和直接空气捕获类似，是利用沸石或多孔聚合物网络等材料吸附大气中的甲烷，并在吸附以后将甲烷氧化为二氧化碳 [10]。 

由于甲烷的增温效应是二氧化碳的20倍以上，因此这种转化也是对温室效应的削弱。此外，甲烷还可以通过微生物氧化进行去除，例如通过植树造林加强土壤微生物对大气中甲烷的吸收，或者用甲烷氧化酶构建生物催化聚合物来吸收点源泄露的甲烷。 

不过，由于相关研究和技术的研发还处于起步阶段，已有文献还不足以支撑对甲烷去除的潜力、成本和影响的评估。 

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告将不同负排放技术的 “负排放” 潜力划分为三档：生物质能-碳捕集与封存、直接空气捕获、海洋人工碱化、加强风化、海洋铁元素施肥、植物造林等几类技术潜力最大，每年在3Gt二氧化碳以上；而土壤固碳、生物炭、泥炭地修复、人工海洋上流等技术的潜力在每年0.3-3Gt二氧化碳左右；蓝碳的潜力最小，每年不到0.3Gt。 

随着时间的变化，对土地需求较高的技术——如植树造林、生物炭和土壤固碳等技术面临来自粮食作物的土地竞争，其潜力可能会逐渐下降。而直接空气捕获技术由于需要的土地较少、选址灵活、对吸入气体中二氧化碳的浓度要求也低，被认为是潜力最大的负排放技术。如果能够实现技术和成本上的突破，其潜力可以达到每年40Gt，几乎相当于目前全球一年的碳排放总额 [4]。 

从碳封存的稳定性来看，不同技术的差别也十分显著 [11]。

生物质能-碳捕集与封存和直接空气捕获将二氧化碳直接储存在地质层中，稳定性最好，可以做到永久封存；其次是强化风化和海洋人工碱化这两种地化学手段，二氧化碳被转化为稳定的碳酸盐矿物，储存时间可达数万年到数十万年之久；然后是海洋施肥，二氧化碳通过光合作用固定在海洋上层的浮游生物当中，储存时间可达数百到数千年。 

储存时间最短的技术则是植树造林、土壤固碳、生物炭泥炭地恢复和蓝碳等技术，这些手段通过生物过程将碳固定在植物、土壤和湿地等介质中，储碳的稳定性取决于生物化学循环中这些碳被重新代谢释放出来的过程长短，储存时间仅在数十到数百年之间。 

在技术成本上，基于生物手段的负排放技术成本一般会小于基于化学/地化学手段的负排放技术 [4]。例如，植树造林目前的成本大约为每吨二氧化碳50美元以下，而直接空气捕获的成本则在每吨二氧化碳100-300美元之间。 

但也有学者认为，未来土地竞争加剧，通过光合作用将碳固定在植物和土壤中的负排放技术成本将随之上升；而化学类技术有望随技术的成熟形成规模效应，平摊初期的基础设施成本，整体技术成本逐渐下降。 

以直接空气捕获为例，2017年5月，瑞典Climeworks公司投建的世界上第一座商业化的直接空气捕获工厂已经开始工作，其成本约为每吨二氧化碳600美元，该公司预计在2030年之前将成本控制在每吨二氧化碳200-300美元 [12]。

3.超支的碳预算：负排放技术在深度减排情景不可或缺 

目前，全球各国的减排承诺，距离2度/1.5度的温升控制目标存在很大差距。 

碳预算是指将全球温升控制在一定范围以内可以排放的二氧化碳总量。根据IPCC第六次评估报告，当全球2020年以后的碳预算是500Gt时，将全球2100年的温升相比于工业革命前控制在1.5度的可能性为50%，而目前全球每年的碳排放接近40Gt [11]。联合国环境规划署（UNEP）发布的《全球排放差距2021》也提供了相似的结论，即使全球各国的净零排放承诺全部有效实现，全球2100年的温升也将达到2.2度 [13]。

图3 不同温升目标对应的碳预算，图源[11]

全球碳预算超支几乎是不可避免的事实，通过负排放抵消超支的排放，就成了 “不得不” 的政策选择。 

从IPCC第五次评估报告开始，以生物质能-碳捕集与封存为代表的负排放技术就成了深度减排情景中不可或缺的角色，主流气候变化综合评估模型都开始将其纳入情景分析。根据IPCC第五次评估报告第三工作组报告，能实现2度及以下目标的116个情景（将二氧化碳浓度限制430-480ppm）中，有101个情景需要部署生物质能-碳捕集与封存 [14]。IPCC 1.5度特别报告中，生物质能-碳捕集与封存以外还加入了直接空气捕获和植树造林两类技术 [15]。 

2020年发表在 Nature Climate Change 上的文章总结了目前主流气候变化综合评估模型的1.5度情景下负排放技术的部署情况，在全部119个情景中，有119个都考虑了生物质能-碳捕集与封存、24个考虑了植树造林、还有9个考虑了直接空气捕获 [16]。 

根据2018年发表在 Environmental Research Letter 上的一篇综述，2度温升目标下，全球需要部署的负排放技术规模在2050年和2100年预计分别为0-9Gt和0-20Gt [9]。Furhman等人根据综合评估模型的测算表明，1.5度情景下2050年需要部署的负排放技术是每年10-40Gt，取决于超支（Overshoot）的程度 [16]。超支指的是排放超过碳预算的程度。即便是 “低超支” 情景（low-overshoot）下，对负排放技术的需求也在10Gt左右。 

但目前的估计，没有考虑碳排放和碳移除相互抵消的 “不对称性”，可能低估了给定碳排放超支额度下所需的负排放技术部署规模。 

2021年6月发表在 Nature Climate Change 上的一篇文章通过多个地球系统模型的模拟发现，一吨二氧化碳排放对于大气中的二氧化碳浓度的增加，要大于一吨碳移除对于二氧化碳浓度的降低 [17]。换句话说，如果把大气中的二氧化碳看成一个碳账户，那么入账和出账的碳“汇率”并不是1：1，而是1：N（N>1）。

4.有了负排放技术，碳减排能“躺平”吗？ 

既然能够直接移除大气中的二氧化碳，是否意味着人类可以高枕无忧不减排？等着负排放技术去抵消大气中的二氧化碳就好了？答案是否定的，负排放技术并不是气候危机的 “救世主” [18]。 

有媒体把它形容为 “最后的猛药” [19]，但这剂药可能药效并不够猛，副作用也不小。 

首先，气候变化是一个长期过程，碳移除并不能马上消除碳排放带来的影响。 

如果在人类累积碳排放严重超支以后再 “临时抱佛脚” 用负排放技术抵消，可能会造成不可挽回的气候风险。根据IPCC 第六次报告的评估，碳移除以后对温升的影响可能需要数年显现，对永久冻土的影响需要数十年才能显现，而对海洋热膨胀的影响则完全不可逆 [11]。海水温度升高导致的热膨胀效应贡献了目前海平面变化的三分之一，给沿海、低洼和小岛屿地区带来了严重的气候威胁。 

其次，高排放造成的路径依赖有可能是不可逆的，而负排放技术的大规模推广还存在很大的不确定性。 

这种不确定性有技术上的，也有资金上的 [16]。前文列举的近十种负排放技术中，只有生物质能-碳捕集与封存、土地固碳和植树造林目前有大规模推广的技术实力，其他技术还处于小规模项目实验的阶段，成本居高不下 [20]。相比于近年来成本不断下降、与化石燃料正面竞争的可再生能源 [21]，负排放技术的大规模商业化之路还很漫长。 

而且，负排放技术还存在一定的环境、健康甚至社会风险。 

由于空气污染物与温室气体的主要来源都是化石燃料燃烧，存在协同排放——负排放技术为部分碳排放保留排放空间的同时，也为更多空气污染物的排放保留了空间。有研究发现，如果中国碳中和的路径将负排放的比例降到最低，相比于高比例负排放技术部署的路径，能够减少将近20%的空气污染物排放，降低中国人与空气污染暴露相关的发病和死亡，因此提升的人均预期寿命为0.5-1.2岁 [22]。 

部分负排放技术在固碳和储存碳的过程也会造成空气和水的污染。海洋施肥和海洋人工碱化等海洋负排放技术的储存过程可能导致污染物的跨境传输 [23,24]。这种效应小则表现为富营养化、赤潮频发、水质败坏、出现大面积缺氧区，导致渔业资源遭到破坏，沿海经济受损；大则影响气候变化，甚至引发灾难。 

另外，直接空气捕获技术的二氧化碳分离过程需要加热，会造成额外的能耗和冷却水消耗。数据显示，基于液体溶剂的直接空气捕获捕集一吨二氧化碳所消耗的水资源约为1-7吨，约等于美国生产一吨钢铁所需用水 [25]。 

而生物质能-碳捕集与封存等需要种植燃料作物的技术由于对土地的需求较大，达到一定规模以后可能会和粮食作物产生竞争，引发粮食安全问题。有学者曾经测算，在1.5度情景下，生物质能-碳捕集与封存的大规模部署可能会使2050年全球粮食价格相比2010年提高1-5倍，其中，在粮食危机最严重的非洲，粮食价格会提高4-5倍 [16]。 

出于对负排放技术可能削弱各国气候雄心、增加环境、社会与健康风险的担忧，不少国家在相关的气候目标中对负排放技术的贡献比例进行了限制。 

欧盟2021年5月最新出台的《气候法案》，就严格限定了负排放技术运用的比例：“要求在2030年前实现55%的温室气体净减排，其中碳移除技术在2021-2025年的第一阶段的贡献限额为2.25亿吨，在2026-2030年的第二阶段贡献限额为3.1亿吨。” [26] 这意味着，欧盟在2030年的减排目标中，将碳移除技术贡献的比例限制在4-6%左右 [27]。 

因此，负排放技术对于碳中和的实现必不可少，“超支” 的碳排放需要负排放技术来兜底。但是，人类并不能完全依赖负排放技术的抵消去 “肆无忌惮” 地排放，否则可能会面临不可逆的气候风险和负排放技术本身带来的各种副作用。 

应对气候变化，低碳转型才能治本。

作者：张诗卉（清华大学地球系统科学系）

参考文献：

1.Vidal, J. How Bill Gates aims to clean up the planet. The Observer (2018).

2.Groom, N. & Jin, H. Tesla CEO Musk puts $100 mln jolt into quest for carbon removal. Reuters (2021).

3.Jr, T. H. Why billionaires like Bill Gates and Jeff Bezos buy carbon offsets — and how they work. CNBC https://www.cnbc.com/2021/11/05/why-bill-gates-and-jeff-bezos-buy-carbon-offsets-how-they-work.html (2021).

4.Fuss, S. et al. Negative emissions—Part 2: Costs, potentials and side effects. Environ. Res. Lett. 13, 063002 (2018).

5.CO2_emissions_vs_concentrations_1751-2020_1400x700.gif | NOAA Climate.gov. https://www.climate.gov/media/12990.

6.NOAA. https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide. https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide.

7.中国气象局：全球气候变暖给我国带来显著影响--生态--人民网. http://env.people.com.cn/n1/2021/0820/c1010-32201750.html.

8.Paltsev, S., Morris, J., Kheshgi, H. & Herzog, H. Hard-to-Abate Sectors: The role of industrial carbon capture and storage (CCS) in emission mitigation. Applied Energy 300, 117322 (2021).

9.Minx, J. C. et al. Negative emissions—Part 1: Research landscape and synthesis. Environ. Res. Lett. 13, 063001 (2018).

10.Jackson, R. B., Solomon, E. I., Canadell, J. G., Cargnello, M. & Field, C. B. Methane removal and atmospheric restoration. Nat Sustain 2, 436–438 (2019).

11.Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (Cambridge University Press, 2021).

12.https://climeworks.com.

13.Environment, U. N. Emissions Gap Report 2021. UNEP - UN Environment Programme http://www.unep.org/resources/emissions-gap-report-2021 (2021).

14.AR5 Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change — IPCC. https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/.

15.Masson-Delmotte, V. et al. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty. 630.

16.Fuhrman, J. et al. Food–energy–water implications of negative emissions technologies in a +1.5 °C future. Nature Climate Change 10, 920–927 (2020).

17.Zickfeld, K., Azevedo, D., Mathesius, S. & Matthews, H. D. Asymmetry in the climate–carbon cycle response to positive and negative CO2 emissions. Nat. Clim. Chang. 11, 613–617 (2021).

18.Negative Emissions Won’t Rescue Us From Climate Change. Kleinman Center for Energy Policy https://kleinmanenergy.upenn.edu/news-insights/negative-emissions-wont-rescue-us-from-climate-change/ (2018).

19.地球工程 应对全球变暖最后的猛药-新华网. http://www.xinhuanet.com/science/2018-06/27/c_137283430.htm.

20.Nemet, G. F. et al. Negative emissions—Part 3: Innovation and upscaling. Environ. Res. Lett. 13, 063003 (2018).

21.He, G. et al. Rapid cost decrease of renewables and storage accelerates the decarbonization of China’s power system. Nature Communications 11, 2486 (2020).

22.Zhang, S. et al. Incorporating health co-benefits into technology pathways to achieve China’s 2060 carbon neutrality goal: a modelling study. The Lancet Planetary Health 0, (2021).

23.Boucher, O. et al. Rethinking climate engineering categorization in the context of climate change mitigation and adaptation. WIREs Climate Change 5, 23–35 (2014).

24.Johannessen, S. C. & Macdonald, R. W. Geoengineering with seagrasses: is credit due where credit is given? Environ. Res. Lett. 11, 113001 (2016).

25.Lebling, K., McQueen, N., Pisciotta, M. & Wilcox, J. Direct Air Capture: Resource Considerations and Costs for Carbon Removal. (2021).

26.European Commission. Land Use, Forestry and Agriculture. https://ec.europa.eu/clima/eu-action/european-green-deal/delivering-european-green-deal/land-use-forestry-and-agriculture_en.

27.ClimateWorksFoundation. New EU climate law delivers innovative policy framework to advance carbon removal and avoid moral hazard. ClimateWorks Foundation https://www.climateworks.org/blog/innovative-european-union-climate-law/.

（编辑：逍遥客）