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Nature:向农田施加硅酸盐岩粉应对全球变化
2020-09-15 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  温室效应及其导致的气候变暖是当前人类面临的全球性环境问题。科学家认为,全球平均气温上升2将是灾难性气候变化的开端,意味着全球将面临农作物减产、水资源短缺、海平面上升、物种灭绝、疾病增多等众多危害(IPCC, 2014)。为应对气候变化,国际社会于2015年达成《巴黎协定》,目标是在本世纪末将全球升温控制在较工业化前2(力争1.5)以内,但就目前所采取的措施而言很难实现该目标ETC, 2016。人类应对措施的核心在于从源头减少温室气体排放,但另一方面,通过植物造林、生物固碳、地质封存等措施将温室气体固定封存起来,也是减少大气温室气体的重要途径。因此,寻求各种切实可行的减排增汇技术和方案成为当务之急。 

  对此,英国谢菲尔德大David J. Beerling教授及其团队近期提出了通过向农田施加硅酸盐岩粉进行固碳的方案,研究成果发表在近期Nature上(Beerling et al., 2020)。该方法的原理是,通过把粉碎的玄武岩或其它类型硅酸盐岩粉撒入农田中,促进硅酸盐与土壤中的碳酸CO2+H2O发生化学反应,生成碳酸氢根HCO3-,从而将大气/土壤中的CO2以溶解无机碳DIC的形式溶于水体中,并最终经由地表径流输送到海洋而长期贮存(超过10万年)。受土壤类型和pH值影响,大气CO2衍生的DIC也可能会直接形成碳酸盐沉淀而保留在土壤中,但这种形式的固碳效率较低(沉淀发生时,一半HCO3-将转为CO2返回大气)在自然环境中,硅酸盐化学风化是目前已知的在百万年时间尺度上唯一可以吸收和平衡地球内部CO2释放的负反馈机制Gaillardet and Galy, 2008,维持着大气CO2浓度及温度在地质历史上始终相对稳定。 

  基于各国现有农田面积及能源政策作者应用化学风化模型估算了世界主要国家包括美国印度中国巴西及欧洲国家农田土壤剖面的岩石风化速率及其大气CO2消耗量同时考虑方案实施过程中矿石采集、加工、运输、播撒等环节所产生的额外CO2释放量,从而获得净CO2消耗量(图1)。结果显示,此方案在全球范围内每年5亿到20亿吨大气CO2,与自然界全球硅酸盐风化的碳汇效应相近(5-6亿吨CO2/年;Hartmann et al., 2009)。同时,与其它几种人工措施的固碳潜力也基本一致Fuss et al., 2018),如土壤有机碳封存(5-50亿吨/年)、生物能源碳捕获和储存(BECCS, 5-50亿吨/年)、植树造林(5-36亿吨/年)等。研究还发现,中国、美国和印度得益于拥有大面积农田是此方法固碳潜力最高的三个国家。欧洲国家的农业用地较少,固碳潜力比这三个国家要低一个数量级(图2)。印度尼西亚和巴西的固碳潜力也相对较高,其中一个重要原因在于当地湿热气候有助于提升岩石风化速率。总体上,各国通过此方案获得的净固碳量将随着农田作业面积的增加而增加(2)。在加拿大,农田面积增加意味着更冷的地方被用来作业,那里岩石风化速率低,能源消耗大,导致净固碳量达到峰值后反而会下降(图2)。 

图1 农田中施加硅酸盐岩粉方案的固碳潜力估算模型(Beerling et al., 2020)

图2 全球主要国家通过农田施加硅酸盐岩粉可获得的固碳潜力(纵坐标为固定的CO2量,横坐标为施加硅酸盐岩粉的耕地面积占该国总耕地面积的比率)。图中显示了控制升温2℃和不控升温两种能源政策情景下的估算结果(分别为绿色和黑色实线,绿色虚线包围的区域和灰色区域分别为两种估算结果的90%置信区间)(Beerling et al., 2020)

  《巴黎协定》各缔约方以自主决定贡献(NDC)方式承诺了各自的减排目标,而本方案的实施有助于各国兑现减排承诺,同时可使各国NDC目标提高10%-40%,从而显著增加2温控目标的成功概率(UNEP, 2015)。通过详细成本核算表明,应用此方法每固定1CO2约需80-180美元,其中在发展中国家如中国、印度、巴西等则成本更低,约需75-100美元。这与BECCS100-200 美元)直接空气捕获(DAC, 100-300美元)生物碳(biochar, 30-120美元)等固碳方法的成本比较接近,但高于土壤有机碳封存和植树造林(0-100美元)。据世界银行预测,到2050年每吨CO2的市场交易价格为100-150美元。因此,农田硅酸盐岩粉固碳具有参与碳交易的潜力,而市场化操作将有利于该方案的快速部署。另外,该方案所需的硅酸盐岩石在自然界广泛存在,易于获取;且各国在采矿、钢铁制造、建筑等行业会产生大量硅酸盐副产品(如炉渣、废弃混凝土等),通常作为固体废弃物排放并需要花钱去处置,而它们经简单加工处理就可能成为农田固碳的优良材料。 

  向农田施加硅酸盐岩粉不仅具有固碳作用,同时可改善土壤质量,提高农业生产力(Kelland et al., 2020)。目前全球范围内有很多农田存在土壤酸化和肥力下降问题,如在中国由于土壤退化造成的经济损失每年达120亿美元(UN, 2017)。硅酸盐风化的产物HCO3-呈弱碱性,可以有效防治土壤酸化,而风化过程中释放的钙、镁、硅、钾等可以为植物生长补充重要的营养元素,从而显著提升农作物的产量和质量。尤为重要的是,该方案与其它基于农田的固碳方案(如土壤有机碳封存、植树造林)非但没有冲突,反而具有协同作用。例如,农作物增产有利于更多有机质残留物累积在土壤中,而硅酸盐风化产生的Ca离子有助于土壤CO2的固定。此外,硅酸盐风化还具有提高土壤水分保持能力、限制有毒微量元素迁移、减缓海洋酸化等正面环境效应。 

  以上从技术、经济、社会角度分析了通过农田施加硅酸盐岩粉进行固碳的可行性,但该方案仍存在相当的不确定性和潜在风险。首先,岩石风化速率受岩石类型、岩石新鲜面暴露面积、坡度、温度、降雨、生物作用等多种因素的制约,影响机制十分复杂,而不同地域的气候、地质、地形地貌、农田管理等方面又存在巨大差异,因此,应用风化模型估算全球范围内农用地土壤剖面的硅酸盐风化速率显然过于简化,估算结果具有较大不确定性。其次,农业用地一般坡度较小,物理侵蚀较弱,产生径流的能力小,这可能导致硅酸盐矿物新鲜面暴露不足,从而限制风化的持续进行,同时也不利于风化产物向海洋输送,从而无法实现风化的长期碳汇效应(Goudie and Viles, 2012)。再次,农田中加入硅酸盐岩粉,其风化过程形成的各类次生矿物、溶解盐等物质在土壤环境中会发生怎样的生物地球化学作用?是否影响农业生产甚至粮食安全?这些问题目前尚不明确(Lehmann and Possinger, 2020),需要进一步研究。另外,该方案的实施需要获得广大农民的支持,制定配套政策以保证农民能够获益至关重要,同时也要获得公众及利益相关方的理解和支持,而这些问题的解决并非易事。 

  正如作者所指出的那样,鉴于该方案涉及粮食安全和农民问题在实施前应首先开展一些示范工程,以验证理论研究的有效性和准确性并在实践中发现、解决各种可能出现的问题,因地制宜制定配套政策和工作流程,调动农民的积极性和主动性,只有在此基础上本方案的大规模实施才有可能获得成功。 

  【致谢:感谢矿产室刘建明研究员对本文提出的宝贵修改意见。】 

  主要参考文献 

  Beerling D J, Kantzas E P, Lomas M R, et al. Potential for large-scale CO 2 removal via enhanced rock weathering with croplands[J]. Nature, 2020, 583(7815): 242-248.链接 

  Energy Transitions Commission (ETC). Pathways from Paris: Assessing the INDC Opportunity[R]. 2016 

  Fuss S, Lamb W F, Callaghan M W, et al. Negative emissions—Part 2: Costs, potentials and side effects[J]. Environmental Research Letters, 2018, 13(6): 063002.链接 

  Gaillardet J, Galy A. Himalaya-carbon sink or source?[J]. Science, 2008, 320(5884): 1727.链接 

  Goudie A S, Viles H A. Weathering and the global carbon cycle: Geomorphological perspectives[J]. Earth-Science Reviews, 2012, 113(1-2): 59-71.链接 

  Hartmann J, Jansen N, Dürr H H, et al. Global CO2-consumption by chemical weathering: What is the contribution of highly active weathering regions?[J]. Global and Planetary Change, 2009, 69(4): 185-194.链接 

  IPCC. Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability[M]. Cambridge University Press, 2014. 

  Kelland M E, Wade P W, Lewis A L, et al. Increased yield and CO2 sequestration potential with the C4 cereal Sorghum bicolor cultivated in basaltic rock dustamended agricultural soil[J]. Global Change Biology, 2020, 26(6): 3658-3676.链接 

  Lehmann J, Possinger A. Atmospheric CO2 removed by rock weathering[J]. Nature, 2020, 583: 204-205.链接 

  United Nations (UN). Global Land Outlook[M]. Bonn: Germany, 2017. 

  United Nations Environment Programme (UNEP). The Emissions Gap Report 2015[R]. 2015.    

  (撰稿:孙会国/新生代室)

 
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