科学汇 | “碳中和”是啥意思?人类又是如何把排放的“碳”收回来的

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钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳

最近的新闻里,“碳中和”、“碳达峰”、“碳排放”等词汇成为热门。碳排放,指的是什么排放呢?对气候环境有什么影响?我们又如何能实现减排、碳中和的目标呢?

本期我们邀请浙江农林大学施拥军教授,为大家讲讲碳中和背后的科学知识。

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“碳排放”,不只排放二氧化碳

“全球变暖”,也可表现为忽冷忽热

当我们讨论碳排放时,同学们也许都想到了二氧化碳。它是导致温室效应的气体中最主要的气体成分。天然碳排放的最大来源是海洋与大气之间的二氧化碳交换;动植物还通过呼吸作用释放二氧化碳。自然状态下可以使大多数排放保持平衡。

但我们人类进入工业时代,通过燃烧化石燃料(煤,天然气和石油),燃烧固体废物、树木和其他生物材料以及某些化学反应,把许多额外的二氧化碳进入大气,大自然不能及时调整, 这就会导致灾难。

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“过多的碳排放会引起全球气候总体在变暖,从而导致极端天气频繁发生。”施教授说,“其实全球气候变暖是一种长期的趋势,不能因短时间的忽冷忽热而影响对全球气候变暖的认知。”因为“全球变暖”包括地表变暖、海洋变暖,进而使全球大气循环发生改变,导致高温、寒潮、干旱、暴雨、台风等极端灾害天气的频繁发生,因此,“全球变暖”,也可表现为忽冷忽热。

碳排放也不仅仅是二氧化碳的排放,还有其他几类主要的气体。

例如甲烷。在煤炭、天然气和石油的生产和运输过程中会排放甲烷。甲烷排放还源于牲畜和其他农业活动以及市政固体垃圾填埋场中有机废物的腐烂。

还有一氧化二氮。在农业和工业活动,化石燃料和固体废物的燃烧以及废水处理过程中排放。

另外还有氟化气体,可从各种工业过程中排放。这些气体通常排放量较小,但它们是强温室气体。

那么为什么所有这气体的排放都叫“碳排放”呢?

“这是简化后的通用称呼。”施教授说,“所有能对气候变暖产生效应的气体被称为温室气体,为了量化标准,它们的排放常常统称为碳排放。并且,这些不同的气体,每吨排放能产生的温室效应效果是不同的,它们都可以和二氧化碳的排放来做对比,所以有个‘二氧化碳当量’的指标。”

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“碳中和”有三种方法

森林固碳最经济有效

最近,大家在新闻里能频繁听到“碳中和”、“减排”这些词。它们就是人类试图减少,甚至完全消除额外碳排放而提出的概念。

如何才能减少碳排放,达到“碳中和”呢?施教授介绍,目前主要有三种方法。

第一种,是直接减少排放。“碳排放最厉害的是能源领域。”施教授说,“比如各种电力企业。其中核电是排放最少的,几乎是零排放;火力发电是排放最大的。所以说,所谓‘低碳生活’,其实本质上就是鼓励大家节约能源,少用电就能减排。”

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光伏发电

直接减排当然不止节约能源,还包括改变能源结构,比如多用水力发电、光伏发电等清洁能源和新能源;此外,减少废弃物和环境有害物排放也是减排的内容。这也是为什么,日前央视新闻聚焦南方电网出台21项举措助力碳达峰、碳中和目标,其中就包括在2025年以前,推动南方五省区新能源新增装机1亿千瓦,达到1.5亿千瓦。

第二种方式是人工碳捕获和碳封存。“利用专门的装备和技术手段,把空气中的二氧化碳捕捉下来,封存到岩层里去。”施教授说。

这种方法的问题在于,首先成本高昂;其次需要大面积铺设捕获设备;最后,封存在岩层中的二氧化碳,如果遇到地震等灾害,可能就瞬间释放出来,那么捕获工作就前功尽弃了。

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人工碳捕获和碳封存示意图

第三种方式是生物固碳,这是指植物通过光合作用吸收固定二氧化碳,并把它存储在植被、土壤和林木产品中,从而降低大气二氧化碳浓度。

相比人工捕获封存,生物固碳显然非常经济有效,其中森林植物是生物固碳的法宝。

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森林固碳

“树木每生长1立方米,就可以吸收1.83吨二氧化碳,释放1.62吨氧气。”施教授说,“要实现碳中和,使得我们排放出去的碳全部吸收回来,主要就靠森林植物的生物固碳。”

通过植树造林来固碳也叫“碳汇”。施拥军教授所在的浙江农林大学,多年来聚焦竹林碳汇。

“竹林的碳汇功能非常强大。”施教授介绍,“它属于禾本科植物,其光合速率高于普通乔木森林,可以快速吸收大气中的二氧化碳。”

以毛竹为例,一公顷毛竹林生态系统总碳储量达106.36吨;100公斤毛竹(干重)中,含有50.4公斤的碳。与同处于亚热带地区的其它森林相比,毛竹林的固碳能力排在首位,是针阔混交林的1.32倍,是马尾松林的3.90倍。换算下来,平均一株毛竹年可吸收固定8公斤二氧化碳,平均40棵毛竹就能够抵消掉一个人一年排放的二氧化碳,一公顷毛竹约可以抵消25辆小汽车一年的排放量。

“浙江省现有的毛竹林还具有巨大的提质增汇空间。”施教授说,“通过养分管理和结构优化等措施,可以使毛竹林固碳能力在现有基础上再增加约6~9吨二氧化碳/公顷。”

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竹林的碳汇能力

碳元素,为什么这么牛?

它是大自然的乐高积木

看到那么多“碳排放”、“碳中和”的科普,同学们是否想过,为什么“碳”成为这里面的核心呢?

碳是一种非金属元素,化学符号为C,在元素周期表中的序号(原子序数)是6,这表示碳原子的原子核中质子数量为6。

之所以碳元素如此重要,是因为地球上所有的生物都是“碳基”的。为什么生命选择了“碳基”,而不是其他元素,比如氧呢?

这就要说到碳的化学特点了。分子中的原子,都是通过化学键相互连接在一起的。可以把化学键想象成“手臂”,有了手臂,原子之间就可以手拉手连起来。

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不同的化学元素,拥有的手臂数量是不同的。比如,氢原子只有一只手,所以它一次只能和一个原子手拉手。氧原子有两只手,而碳原子,有四只手!

碳原子的四条胳膊就很厉害了,前后左右手拉手,可以连接成非常复杂的三维结构,创造出千变万化的碳骨架——这就成为了各种有机化合物的基础。

科学家把这种含碳的分子统称为“有机分子”,从最简单的碳氢化合物甲烷,到非常复杂的高分子有机物,比如DNA分子,碳元素为碳基生命的形成提供了丰富的物质基础。

生命,其实就像大自然在用碳元素搭乐高积木一样!

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有人可能会问,那比碳的手臂还多的元素不是就更丰富吗?“千手观音”不香吗?

千手观音是有的,但是,它们远远不如碳元素稳定。搭乐高积木,也不是最复杂的积木最好用不是吗?

正因为碳元素这种既丰富又稳定的“巧劲”,使得它在自然界如鱼得水,化合物种类最多。目前已知的纯有机化合物就有近1000万种,这还只是理论值的冰山一角。此外, 碳元素在地球地壳上含量排名第15,在整个宇宙里排名第4!

所以,碳元素以非常丰富的形式,在地球的大气、海洋、生物、土壤里进行规模庞大的循环,这就是“碳循环”。

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