為二氧化碳尋找「出路」

2013年12月30日 10:30
來源：《自然與科技》雜誌 作者：吳曉江

「藍色碳匯」「綠色碳匯」，還有「碳捕獲和儲存」工程，哪一個能解決CO2的出路問題？

從享用貝類海鮮話說「海洋碳匯」

「如果你酷愛食用貝類海鮮，那麼在享受美食的同時，你可能正在為低碳事業做出貢獻。」2011年在滬舉行的「低碳之道」環保沙龍上，有專家告訴公眾：在海洋生物大家族中，貝類、藻類看來不起眼，其實它們是擁有強大「捕碳、固碳」能力的「高手」。

覆蓋地球表面71%面積的海洋，是大量吸收人類活動排放的二氧化碳、減緩氣候變暖的頭等「功臣」。人類燃燒礦物燃料向大氣每年排放百億噸的碳，其中約三分之一被海洋吸收，陸地生態系統僅吸收約五分之一。海洋中浮游生物、海藻、貝類、海草、鹽沼植物和紅樹林等生物碳捕獲、碳彙集的數量超過陸地生物。有數據顯示，地球上生物約55％的碳捕獲是由海洋生物完成的。單位面積海域中生物固碳量是森林的10倍，是草原的290倍。

人工大規模養殖貝類、藻類，明顯有利於淺海區域的碳捕獲。尤其是貝類，其吸收的碳有相當一部分被固化在貝殼裡，很長時間內不會重新回到大氣中。收穫一批貝類后，還可以繼續養殖新一批貝類，繼續「吸碳」，從而減少大氣中的碳總量。1999年到2008年間，通過收穫養殖貝類，我國每年從近海移出的碳量為70萬到99萬噸，其中67萬噸碳以貝殼的形式長期封存。據此，有專家認為海洋能夠成為一個巨大的固碳容器，通過發展水產養殖和漁業生產促進海洋生物吸收海水中的二氧化碳，發展「碳匯漁業」。

「藍碳」美景面臨碳排放帶來的雙重困境

「海洋碳匯」，其實就是國際科學界所稱的「藍色碳匯」或「藍碳」——藍色大海中的碳捕獲和碳儲存。然而，人們嚮往的「藍碳」美景近年來遭遇碳排放過度帶來海洋生態退化的雙重困境。

第一重困境是海洋酸化日趨嚴重，海洋生物深受威脅。

最近，國際海洋現狀計劃和國際自然保護聯合會發布的報告令人震驚：由人類燃燒礦物燃料每年釋放的二氧化碳約達300億噸，這至少是大約5500萬年前地球上一次大規模物種滅絕之前的碳排放速度的10倍。海洋作為天然的二氧化碳儲存庫，其容量是有限的，而且吸收的二氧化碳與海水反應後會形成碳酸，使本來偏鹼性的海水不斷酸化。科學家測算，至2012年海水的酸度已經比工業化初期的1800年提高了30%，並且現在仍以每小時約100萬噸的速度吸收著。如果過量碳排放趨勢延續下去，預計到本世紀末海水酸度將比1800年高150%。該報告警示，目前海洋酸化程度至少是3億年以來絕無僅有的。海洋酸化使海水中碳酸鈣含量不斷降低，而碳酸鈣則是貝類、甲殼類海洋生物吸收用以生長外殼、珊瑚製造骨骼的原料。日益酸化的海水使以鈣元素為主的貝殼面臨著巨大威脅。五年多前，英國南極考察隊就發現南冰洋部分海域中貝類生物出現貝殼溶解現象。珊瑚在酸化海水中不但難以生長，而且易遭溶解。目前世界20％的珊瑚礁已被嚴重破壞。海水酸化已干擾了海洋甲殼類磷蝦卵孵化的能力。

近期國外海洋生物學家測試高濃度二氧化碳海水中珊瑚礁魚類行為，發現它們的中樞神經系統出現嚴重混亂，聽覺和嗅覺變差，躲避天敵的能力變弱。諸如小丑魚和少女魚的幼魚嗅覺下降，很難找到珊瑚礁或聞到天敵的氣味。聽覺變弱的魚極易成為天敵的口中美餐。科學家還發現在酸度高的海洋環境中，烏賊的孵化速度變慢。尚未完成孵化的小烏賊沒有任何防禦能力，易被天敵吃掉。即使它們完成孵化后，體型比在正常海水中生活的烏賊小，易受捕食者傷害。

第二重困境是海水含氧量下降，「海域死區」猛增。

海洋作為減緩全球氣候變暖步伐的頭等「功臣」，還在於它吸收了90%以上因溫室氣體排放而困於地表的熱量。但這一功勞的代價卻是隨著海洋上層水溫升高，海水溶氧量降低。魚類在升溫的海洋中代謝率會加快，需求更多的氧。而升溫的海水中含氧減少，影響魚類生長。加拿大海洋研究團隊考察了世界各海域600多種魚類生長和分佈狀況，發現不少魚類體型縮小與海水溫度上升存在密切關係。他們用計算機模型預測，如溫度持續上升，到2050年魚類體型將縮小14%~24%。英國科學家發現，由於水比空氣的含氧量低，在同等升溫狀況下，相比陸地動物，海洋動物更難獲得充足的氧氣。科學家比較了不同溫度條件下百餘種陸地動物和海洋動物成年體，發現每升高1攝氏度，海洋動物體型縮小5%，而陸地動物體型僅縮小0.5%，兩者縮小比率相差10倍。

近年來，海藻成為人們心目中「海洋碳匯」的理想主角之一。不錯，海藻在生長過程中會通過光合作用吸收二氧化碳放出氧氣，將太陽能轉化為化學能，以碳水化合物和油脂形態儲存起來，成為可供開發的生物質能。如海藻纖維素可製成乙醇燃料，海藻油可以提煉成生物柴油。然而，凡事都有個限度。二氧化碳排放增量過度，海溫升高過快，促使海藻大量瘋狂生長和繁殖，爾後又不斷死亡，沉入海底並腐敗，成為海底泥潭中細菌豐富的食物來源。細菌在分解這些海藻時會大量消耗水中的氧氣。而海藻生長中產生的氧氣比細菌消耗的氧氣少得多。再因氣候變暖加劇暴雨洪澇災害，更多的農田肥料被沖刷入海中，促使浮游生物大量生長，進而引發海底細菌分解浮游生物腐敗物，大量消耗水中氧氣。海水含氧量減少使魚類等海洋生物無法生存，形成「海洋死區」。據聯合國環境規劃署發布的海洋調查報告，最近十年全球海洋中這樣的「死區」面積翻了一番，死區數量超過400個。

「藍碳」之外，碳匯出路何在

「藍碳」困境逼促我們加快減碳、低碳的行動步伐。加緊改變我國能源消費結構的「高碳」狀況是當務之急。目前我國使用礦物燃料占能源消費總量的90.9%，其中碳排放量最大的燃煤佔68.5%（年耗煤36億噸，遠超過北美、歐洲和前蘇聯地區年耗煤總量的19.8億噸），而同等熱值比煤減排一半二氧化碳的天然氣僅佔4.7%。非礦物能源只佔9.1%，其中核電為0.8%，水力發電為7.1%，太陽能、風能、生物質能等可再生清潔能源只有1.2%。我國政府承諾到2020年比2005年二氧化碳排放量下降40%~50%，非礦物能源上升到15%。然而，應看到非礦物能源中核電發展受核燃料供應、核安全等不確定因素制約，水電建設受乾旱天氣、流域生態破壞和移民困難的制約，積極開發太陽能、風能、生物質能等可再生清潔能源是大勢所趨。令人憂慮的是，我國到2020年礦物能源比重仍佔85%，如此比重的碳基燃料所排放的巨量二氧化碳如何處置？

你也許會說，擴大植樹造林，發展「綠色碳匯」是解決「藍碳」困境的好出路。不錯，我國早已規劃到2020年完成造林4000萬公頃，而且鼓勵生產礦物能源的大企業捐資數億元營造「碳匯林」。然而，你別忽略除了海洋、森林兩大「碳庫」之外，還有第三大「碳庫」——濕地。全球濕地面積有514萬平方公里，雖然僅佔地球表面的6%，卻生存著地球上20%的物種。我國有記載的濕地植物達2760餘種。濕地吸收碳的能力超過森林，碳儲量約為770億噸，占陸地生物圈碳元素的35%。保護和恢復濕地就是低成本實現「綠色碳匯」的途徑。

「綠色碳匯」的更深意義在於讓碳匯植物成為開發綠色新能源的原料庫。上海張江高科技園區眾偉生化科技公司在外省不宜種糧食的鹽鹼地、荒地種植纖維素含量高的麻類植物，既擴大了「綠色碳匯」，又可將麻類植物纖維素煉製成清潔的「生物汽油」——乙醇燃料。

無疑，火電廠和鋼鐵、水泥等製造業燃煤大量集中排放的二氧化碳，僅靠林地、濕地植物吸收是遠遠不夠的。目前國內外正開展「碳捕獲和儲存」工程建設，將收集的二氧化碳輸入采空的油氣田、廢棄的煤田地下封存。有趣的是，碳封存與油田二三次開採可以一舉兩得。當二氧化碳被200個大氣壓注入油田千米深處，原本黏稠厚重的石油迅速稀釋、膨脹，紛紛從岩石孔隙中溢出，變得更易開採。美國共有70多座油田注入二氧化碳驅油，年封存二氧化碳達3000萬噸，增產石油10%。我國先後有六七座油田嘗試了這一技術，二氧化碳一次性最大封存量達11萬噸。

碳匯出路不僅是碳捕集和和封存，更在於碳利用。藻類確實是生長最快、碳匯效率較高的植物，是煉製生物柴油和乙醇的理想原料之一。目前國外利用海藻捕碳、固碳的方法是，將工廠集中排出的二氧化碳廢氣與含養分的水混合，在透明的人造閉合水渠中，或在封閉的池塘等水體中養殖海藻。這比完全自然放養效率高，也避免了造成海水缺氧後果。


目前全球回收的二氧化碳約有40％用於生產化工產品，如作為能源的甲烷、甲醇，以及具有永久固碳性質的碳纖維、工程塑料、瀝青、建材等。回收二氧化碳還可用於製冷和碳酸飲料生產。

近來國外科學界多途徑開發將二氧化碳轉化為新能源原料的生物技術。有科研團隊已培養出一種能光合作用的轉基因細菌，比藻類更快地將二氧化碳轉化為可煉製生物柴油、乙醇的原料。由於利用生物質能可以實現碳循環而不增加碳排放，歐盟計劃到2020年生物質燃料占能源消費結構的14%，占可再生能源總量的60%。這一方略是值得我們借鑒的減碳之道。

（作者繫上海社會科學院科技哲學特色學科研究員、上海市低碳科技與產業發展協會專委會專家顧問