全球气候变暖正成为当今人类社会面临的最大威胁之一，受到世界各国的广泛关注，成为关系各国政治、经济、环境和外交领域的热点。为应对气候变化，致力于从大气中清除二氧化碳的碳汇研究近年来迅猛发展。
DDON笛东研究院从碳汇的科学理论研究、工业发展对地球碳循环的影响等多点切入，全面剖析碳汇与全球变暖之间的关系。以下内容摘自系列 章第一篇。
什么是碳汇？
碳汇的概念源于联合国大会于1992年5月9日通过的《联合国气候变化框架公约》，该公约将汇定义为：从大气中清除温室气体、气溶胶或温室气体前体的任何过程、活动或机制。
《联合国气候变化框架公约》将温室气体定义为：大气中那些吸收和重新放出红外辐射的自然的和人为的气态成分。因为二氧化碳是最主要的温室气体，相对于臭氧、氧化亚氮、甲烷、氢氟氯碳化物类、全氟碳化物、六氟化硫等温室气体，二氧化碳在大气中的含量要大的多，所以习惯于将二氧化碳作为温室气体的代表。碳汇，顾名思义，即是指从大气中清除二氧化碳的任何过程、活动或机制。
相对于汇，《联合国气候变化框架公约》将源定义为：向大气排放温室气体、气溶胶或温室气体前体的任何过程或活动。库的定义为：气候系统内存储温室气体或其前体的一个或多个组成部分。因此，碳源即是指向大气排放二氧化碳的任何过程和活动。同理，碳库是指气候系统内存储二氧化碳或其前体的一个或多个组成部分。
从大气中清除二氧化碳的过程、活动和机制不只有植物光合作用，还有直接从空气中捕获二氧化碳并封存到岩层中的物理化学过程，以及使大气中的二氧化碳与硅酸盐矿物反应生成碳酸盐岩的化学过程等等。
加拿大一家私营清洁能源公司——碳工程公司（简称CE）——采用一种经济节能的技术（直接空气捕获技术，简称DAC），从空气中直接移除二氧化碳，并将其转换为燃料，其投资者包括比尔.盖茨等知名人士。DAC技术非常的简约，适用风扇将空气引入过滤系统，将二氧化碳（占空气0.04%）吸收到氢氧化钾溶液中。含有氢氧化钾的溶液经过蒸馏，洗出沙粒大小的碳酸钙颗粒。当这些颗粒被加热到900摄氏度时，会释放出纯二氧化碳气体。CE公司选择在大不列颠省建立实验工程，因为那里有丰富的清洁水电资源。
2017年瑞士一家温室气体研究公司Climeworks在瑞士的小城欣维尔设立了第一座二氧化碳搜集设施，这 18个专属设备可每年可从空气中搜集约 900吨二氧化碳，并经过特殊处理后出售给温室栽培农作物的厂商。近期，Climeworks与冰岛的温室气体搜集公司Carbfix 合作，将直接从空气中捕获的二氧化碳，通过渠道输送到堆栈空间中，依次与水和泥浆混合，然后注入到冰岛当地的玄武岩中，实践证明，当二氧化碳的泥浆水与玄武岩混合后，只要大约 2年的时间就会形成坚硬的碳酸盐矿物。二氧化碳矿化封存自1990年Seifritz首次在《Nature》提出以来，一直被认为是具有大规模二氧化碳封存潜力及应用前景的减排技术。该技术利用自然界广泛存在的硅灰石、橄榄石、蛇纹石等富含Ca、Mg、Fe离子的原料与二氧化碳反应，将其转化成热稳定性高的固体碳酸盐。在早期的观念中，利用矿物封存二氧化碳的过程过于缓慢，往往需要成百上千年，这使得该方法不受重视。Carbfix公司发现，二氧化碳混合物会与玄武岩发生化学反应，在两到三年的时间里变成岩石，而不是人们认为的矿化过程需要几个世纪。因此，它将Climeworks公司的DAC捕获的二氧化碳通过钢质冰屋保护起来，使其不受恶劣环境的影响，并将其泵入地下。
谢菲尔德大学在《自然》杂志上发表了一项旨在减少大气中二氧化碳含量的新技术——“增强型岩石风化”技术，该技术主要是通过在土壤中洒上石粉，来增强土壤从大气中清除二氧化碳的能力。岩石在环境中分解时自然会吸收二氧化碳，而增强岩石风化是加强这一过程的一种方法，首先将岩石粉碎以增加其表面积，然后将粉尘添加到土壤中以加速封存过程。研究小组通过分析发现，在全球范围内，加强岩石风化每年可以从空气中吸取多达20亿吨的二氧化碳。这比全球航空和航运业排放的二氧化碳总量还要多，约占欧洲目前总排放量的一半。研究人员指出，最关键的是这项技术不会太难部署，因为无论如何，农民经常使用农业石灰等添加剂来处理他们的土壤。该团队呼吁各国政府建立国家石粉清单，并激励将石粉应用于农作物的做法。
科学家们在进行全球碳平衡研究和估算中发现，有近20%的CO?排放去向不明，这被称为“碳失汇”问题或“碳黑洞”问题。由中国科学家领衔的国家973计划项目——“干旱区盐碱土碳过程与全球变化”，团队成员包括中国、德国、比利时的58名科学家。2013年，团队证实了盐碱土对CO?的真实吸收，在世界上第一次论证了盐碱土无机碳吸收的复杂性，盐碱土无机碳吸收既包括化学过程，也有物理过程和生物过程，并提出了定量计算公式。揭示了无机碳汇形成的载体和通道，碳通过绿洲区农田灌溉淋洗和荒漠区洪水以及地下水波动，被带入地下咸水，地下咸水层就是干旱区物质的最终归宿地。无机碳的载体是灌溉洗盐的水，水接触盐碱土变为咸水，咸水溶解、携带大量CO?入渗进入地下咸水层，从而形成碳汇。干旱区盐碱土的开发必然需要洗盐，而洗盐过程形成碳汇。从这个角度看，干旱区人类活动的加剧意味碳汇的加强，是对自然和环境的良性反馈。发现干旱区巨大的地下无机碳库，干旱区地下咸水是一个巨大的活动无机碳库，是陆地上土壤、植物之外的第三个活动碳库，其量级初步估计可达1万亿吨。就其属性特征和形成特点看，这个无机碳汇(库)更接近海洋而非陆地上土壤、植物碳汇(库)。实测数据显示，沙漠下咸水的可溶性无机碳碳含量大于海水2倍。时至今日，此结论并没有在全球范围内得到较大范围的认可。
海洋吸收二氧化碳的主要机制包括“溶解度泵”（solubility pump，SP）、“碳酸盐泵”（carbonate pump，CP）、“生物泵”（biological pump，BP）及我国科学家新近提出的“微型生物碳泵”（microbial carbon pump，MCP）。溶解度泵的原理在于 CO? 在海水中化学平衡及物理输运。尤其是低温和高盐造成的高密度海水在重力作用下携带通过海气交换所吸收的 CO? 输入到深海，进入千年尺度的碳循环，构成了海洋储碳（Ravenand Falkowski，1999）。与溶解度泵相关联的碳酸盐泵主要基于海水 CO? 体系平衡和碳酸盐析出及沉降（Volk andHoffert，1985）。值得注意的是 , 碳酸盐析出会放出等当量的 CO?，只有碳酸盐的沉积才构成储碳（Elder?eld，2002）。生物泵指的是海洋中有机物生产、消费、传递等一系列生物学过程及由此导致的颗粒有机碳（particulate organic carbon，POC）由海洋表层向深海乃至海底的转移过程（Falkowski et al.，1998；Chisholm，2000）。生物泵的主要过程由浮游植物光合作用开始，沿食物链从初级生产者逐级向高营养级传递有机碳，并产生 POC 沉降，进一步将一部分碳长期封存到海洋中。生物泵对于海洋固碳与储碳至关重要，若无生物泵，大气 CO? 含量将比现在高出 200ppm。
由此可见，碳汇可以分为有机碳汇和无机碳汇，有机碳汇是指吸收空气中的二氧化碳，并生成有机质进行储存的任何过程、活动或机制，包括森林碳汇、海洋有机碳汇、土壤有机碳汇等。无机碳汇指的是吸收空气中的二氧化碳并以无机质的形式进行储存的任何过程、活动或机制，比如上 所讲的直接空气捕获、地质矿化封存、岩石风化和海水溶解大气二氧化碳等。
我们现在常说的碳汇往往指的是有机碳汇，其中又以陆地有机碳汇为主，主要是指森林吸收并储存二氧化碳的多少，或者说是森林吸收并储存二氧化碳的能力。
2020年12月11日，“全球碳项目”（GlobalCarbon Project, GCP）发布《2020年全球碳预算》（Global Carbon Budget 2020） 告指出，2020年全球总CO?排放量约为400亿吨CO?，其中，化石燃料和工业（FF＆I）的二氧化碳-包括燃烧化石燃料、制造水泥和其他工业过程的排放，与2019年相比将减24亿吨CO?，土地利用、土地利用变化和林业造成的二氧化碳排放“接近前十年的平均水平”，约为60亿吨CO?。陆地和海洋的碳汇吸收了排放到大气中一半以上的CO?（2020年为54%）。在2010—2019年，海洋每年吸收92亿吨CO?，陆地生态系统每年吸收125亿吨CO?。自然陆地的碳汇每年平均变化30亿吨以应对气候变率。每年约有45％的排放最终排入大气。
据《基督教箴言 》 道，美国林务局最新研究显示，全球森林在吸收大气中的温室气体方面发挥了主导作用，平均每年吸收约88亿吨二氧化碳，相当于从1990年到2007年化石燃料年排放量的约三分之一。在该时间段内，每年有大约24亿吨固体碳封存在木纤维中。
上个世纪末以来，全球范围内，陆地生态系统吸收的二氧化碳占每年排放到大气中二氧化碳的三分之一左右。因我国森林覆盖率较低，以及处于特定的经济社会发展阶段，二氧化碳排放强度和总量水平均较高，我国陆地生态系统吸收二氧化碳占排放二氧化碳的比重显著低于世界平均水平。2021年6月7日，国家林业和草原局副局长刘东生表示，陆地生态系统在二氧化碳排放当中，能大量吸收二氧化碳，扮演着很重要的角色。其中，森林大概吸收8%，草原大约是1%，农用地不到1%，湿地大约0.5%。生态碳汇在应对气候变化、碳达峰、碳中和过程中，扮演着十分重要的战略角色。“十三五”期间，我国平均每年增加的森林碳储量都在2亿吨以上，折合碳汇大约7亿到8亿吨。随着森林面积的扩大和森林蓄积量的提升，未来5年、10年乃至更长的时期，森林碳汇还将逐步提高。
——
工业革命同时也是能源的革命。随着工业技术的推广和发展，人类对化石能源的需求越来越大，全球二氧化碳排放也快速增长。下一期我们将介绍工业革命对地球碳循环带来的影响。
声明：本站部分 章内容系出于传递信息之目的源自于第三方 站转载，行业企业、终端用户投稿。若对稿件内容有任何疑问或质疑，请立即与本 站联系，本 站将迅速给予回应并第一时间做出处理（联系邮箱：jinwei@zod.com.cn）。