2030年前要“碳達峰” 科學家有哪些辦法“中和”碳？

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浙江大學海洋學院師生在樂清市西門島進行紅樹林、鹽沼藍碳生態系統碳匯調查。

到2100年，海平面會上升逼近1米，而全球超過1.5億人居住在高於海平面不到一米的地方；

超過700種哺乳動物和鳥類正遭受滅絕的威脅，有袋類和人類“近親”靈長類動物是受影響最嚴重的群體；

一些食物和飲料有可能從人類餐桌上消失，比如吃貨們會喪失“巧克力自由”——原料可可樹會難以生存，可可豆最快會在30年內絕跡……

針對全球變暖問題，科學家們發出的警語不絕於耳。造成全球變暖的重要“元凶”，就是二氧化碳。

大國有擔當。繼去年中國首次向全球明確，力爭二氧化碳排放於2030年前達到峰值、2060年前實現“碳中和”後，2020年中央經濟工作會議明確指出“做好碳達峰、碳中和工作”是2021年重點任務之一。今年以來，在全國各地陸續召開地方兩會上，國家“碳達峰”、“碳中和”部署要求頻頻出鏡。包括浙江在內，實現“碳達峰”目標成為近20個省、自治區、直轄市當前和未來的一項重點工作。

“碳中和”作為減緩或控制全球變暖的有效手段被廣泛認知。那麼，“碳達峰”和“碳中和”是什麼？為什麼針對二氧化碳？實現“碳中和”的路怎麼走？

二氧化碳

增量驚人，地球被捂“中暑”

所謂“碳達峰”，就是指在某一個時點，二氧化碳的排放達到峰值，之後逐步回落，直到“碳中和”時，實現二氧化碳的人為產出和移除相互抵消。

沒有“碳達峰”，就沒有“碳中和”。最新資料顯示，目前全球已有54個國家碳排放實現達峰。占全球GDP75%、全球碳排放量65%的重要經濟體開始實踐“碳中和”目標。如，英國、美國、德國、法國、日本、意大利、加拿大等國陸續承諾在2050年實現零碳排放。中國為2060年。

世界各國之所以相繼投身“碳達峰”和“碳中和”事業，是因為全球正在快速升溫，亟須控制碳排放水平。

快速升溫，有多快速？

中國科學院大氣物理研究所的科學家曾指出，現在的地球平均溫度和100年前相比高出1.1℃。如果將地球比喻為人，“現在最大的問題是，地球不僅發燒了，而且還在持續發燒”。

至於危害，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）2018年發布的《全球升溫1.5℃特別報告》強調，必須將全球變暖控制在1.5℃以內，方可避免氣候變化造成的嚴重影響。

數據更加直觀。該報告指出，相比2℃，將全球變暖控制在1.5℃內，全球缺水人口將減少一半，遭遇極端高溫天氣的人口將減少約6400萬，珊瑚礁減少程度可控制在70%-90%而不是消失殆盡。

西門島國家海洋特別保護區。

另一個關鍵，是“控碳”。

太陽是地球能力的主要來源。大氣中的溫室氣體會吸收地球所獲得又輻射出去的太陽能量。溫室氣體像一層“被子”給地球保溫，讓其不至於在夜晚接受不到太陽能量的時候變成“冰球”。

要知道，距離太陽最近的行星水星，因為沒有溫室氣體“護身”，驟冷驟熱，晝半球平均溫度數百度，夜半球只有零下160度左右；法國數學家傅裏葉曾經做過測算，正常情況下，全球表面平均溫度應該在零下18度左右，但真實的情況是零上15度，高出的33度，就是因為溫室效應。

然而，大氣中的溫室氣體明明還有甲烷、水蒸氣、一氧化二氮等，為什麼偏拿二氧化碳“開刀”？

老子曰，天道即“平衡之道”。人太熱，會中暑。“被子”太厚，地球也會中暑。

過多的溫室氣體，會超出系統的承受能力，打破輻射平衡，導致全球氣溫上升，造成生態失衡。

雖然水蒸氣才是占比最大的溫室氣體，可自然界水循環響應迅速，所以大氣中的水蒸氣基本保持恒定。與之相似的，其他各種氣體也由於碳循環、氮循環等而保持相對恒定的量。

唯獨二氧化碳的量沒有維穩，增長驚人，自然界來不及“消化”。在過去100多年裏，全球的二氧化碳含量已經增加了45%左右。

科學界的基本共識是，人類活動釋放的二氧化碳是造成全球變暖的主要原因——當然不是指呼吸。

王建輝實驗室入口綠色可持續能源系統3D模型。西湖大學供圖

上世紀90年代末，“碳中和”概念第一次出現是在英國。這不無原因。2016年科學周刊《自然》發表的一項國際研究成果指出，全球變暖始於180年前，工業革命對氣候變化起到了關鍵影響。

在日前新華社的采訪中，生態環境部國家應對氣候變化戰略研究和國際合作中心戰略規劃部主任柴麒敏也認為，氣候變化主要是人類燃燒煤炭、石油為主的化石能源產生的二氧化碳等溫室氣體造成的。

受新冠疫情影響，原定2020年11月在英國舉行的第26屆聯合國氣候變化大會推遲一年。2月8日，聯合國秘書長古特雷斯公開強調，這屆氣候變化大會是世界努力避免氣候災難的里程碑，2021年也會成為“對抗氣候變化關鍵的一年”。

同時，他也警告，世界還遠沒有達到《巴黎協定》中關於減少全球變暖一致的目標，要實現將升溫幅度控制在1.5℃以內的目標，任重道遠。

有兩個方案擺在人們面前：第一，加大碳吸收；第二，控制碳排放。

海洋

捕碳“好手”，增收環保兩不誤

郊區遠離城市，綠樹成蔭。每一次呼吸都像在給肺部進行一次推拿……森林草木是吸碳釋氧的一把好手。陸域綠色植物通過光合作用固定二氧化碳，被稱為綠碳。

相比之下，海洋與二氧化碳之間的“纏綿”要低調多了。

“學界比較認可，藍碳是利用海洋活動及海洋生物吸收大氣中的二氧化碳，並將其固定、儲存在海洋中的過程、活動和機制。” 浙江大學海洋學院教授吳嘉平說。

近十年來，他領隊浙江大學海洋學院多名專家，聯合澳大利亞的西澳大學海洋研究院團隊完成了“中國海岸帶藍碳戰略、資源監測及環境效益評估”研究。2020年浙江省海洋科學技術進步獎獲獎成果近期公布，該項目獲一等獎。這是浙江省首度設立海洋科技方面的專門獎項和首個一等獎。

“藍碳概念是2009年由與我們合作的歐洲科學院院士、西澳大學教授Carlos M. Duarte（卡路斯·杜阿爾特）首次提出的。”吳嘉平介紹，當年以杜阿爾特為主編纂的《藍碳：健康海洋固碳作用的評估報告》指出，全球自然生態系統通過光合作用捕獲的碳中，超過一半（約55%）是由海洋生物捕獲的。全球估計年均藍碳碳匯量幾十億噸。

玉環紅樹林景區。
拍友 段俊利 陳盆峰 攝

紅樹林、鹽沼、海草床是國際學界公認的三大海岸帶藍碳生態系統。浙江海洋資源豐富。全國第一個國家級海洋特別保護區——西門島海洋特別保護區有“中國最北”的一片紅樹林。1957年，由當地漁民從福建引進，至今健康生長。

鹽沼植物是海邊能夠在周期性潮水淹沒環境下生長的草，在浙江沿海灘塗上均有較大面積的分布。

在我國海水較清澈的泥土中，例如海南島海域，生長的“草甸”就是海草床。浙江海域因為海水渾濁、陽光難以穿透等原因，海草床無法“落戶”。

相比陸地植被，海洋植物的單位面積固碳能力更強。紅樹林、鹽沼、海草床單位面積的固碳量，可以是亞馬遜原始森林的10倍-20倍。

觀察無色無形的二氧化碳，可以從土壤下手。含有機碳的土壤呈黑色。吳嘉平舉例，杭州植物園的黑土厚度一般是20厘米-30厘米，紅樹林或者鹽沼地均在200厘米以上。“陸地植物的葉子和果子掉到土表很快腐爛、分解，導致95%以上二氧化碳氣體重新返回大氣。海洋植物的枯枝落葉則被海水浸沒，部分被魚類吃了，或者掉到海底被埋起來了。”

此外，森林大火會把積累了上百年的林木和土壤碳燒毀，變成二氧化碳返回大氣。海洋區域不會著火。藍碳植物還會“捕獲”含碳顆粒物——入海泥沙。浙江沿海平均每年能夠被“墊高”灘塗2厘米左右，以“曲線求國”的形式與海平面上升“抗衡”。

無論理論還是實踐，實現“碳中和”，藍碳比綠碳更劃算。但是由於近五十年圍墾造陸等原因，“藍碳”面積急速縮減，全球範圍內的總量已不到原來一半。

這時候，擁有海帶、紫菜、羊棲菜、龍須菜、裙帶菜等成員的大家族——海菜（學名：大型海藻）出場了。這是中國目前這麼多年來唯一增長的藍碳。我國上世紀50年代開始大規模養殖的海菜，目前占世界三分之二總養殖量。

在全社會保護海洋植物的呼聲中，海菜怎麼做到逆勢上揚？答案是，經濟效益。

“陸地農民平均每畝收入500元左右應該算還可以了，你知道種海菜能賺多少嗎？”吳嘉平問道。

一個月前，他去了福建寧德。近二十年來，當地漁民們“見縫插針”養龍須菜，每畝海域平均收入大約1萬元。在浙江，靠紫菜、羊棲菜致富的案例也比比皆是。

這些年來，根據全國，特別是浙江省的情況，海菜碳匯及其生態環境效益逐漸成為他們團隊研究的另一個重點，成果迅速得到國際眾多學者和官員的關注，為世界藍碳資源開發與保護提供了“中國方案”。

近幾十年來，浙江沿海重要的經濟魚類，如野生大黃魚，幾乎滅絕。海域中氮磷營養物過剩導致赤潮頻發。他們的研究成果證明，海菜是強有力的海洋“清道夫”。它們大量吸收海水中的氮磷，固定二氧化碳，形成碳水化合物，為我們提供食物和工業原料，同時釋放出氧氣，顯著改善海洋生態環境。

“在我國，鼓勵和拓展海菜養殖是一條康莊大道，經濟效益、碳增匯、糧食安全和生態環境效益全部共贏！”吳嘉平說。

新能源

可持續的“終極方案”，研究路漫漫

從某種程度上說，靠吸碳達到“碳中和”，治標不治本。開發綠色可持續能源系統，不僅可從根本上改變人類依賴化石燃料的能源結構現狀，同時也可消除由化石燃料利用所引發的環境問題。

“相比環境破壞，火力發電和交通運輸，造成了全球約三分之二的碳排放。”西湖大學工學院特聘研究員王建輝認為，解決問題，要從開發清潔能源，以及研發高效率的能源存儲和轉化裝置入手。

風力、陽光、水力——自然界的清潔能源無處不在。“自然，換個詞形容，也就是靠天吃飯。內陸比沿海缺水、夏季比冬季少風、晚上沒有太陽……這意味著它們的供應並不穩定。另一方面，釋放的電能看不見摸不著，儲存和傳輸都是大問題。核能很清潔，也因潛在危險讓人又愛又怕”。

能否將這些不可控制的能量，轉化為一種像化石燃料一樣方便使用的化學能量載體？

氫能，能。

氫氣，“赤條條來赤條條去”，燃燒後除了水，什麼也不會留下。燃燒值是汽油的3倍。

但制氫不易。

目前的大部分氫氣依然來自化石能源，占大約世界產氫量的96%，從根本上說還是“死循環”。過去二三十年，科學家一直在研究，怎麼樣讓水在太陽底下曬出氫能源。“它需要在水裏放一塊特殊材料去催化反應。但目前的光-氫能源轉化率還只有3%左右。利用矽等太陽能電池材料，太陽能的光電轉換率能達到20%到30%。”

一個雖然成本依舊高昂，但有下降趨勢的“節約”方案是，在風、光能過剩的地區建設產氫設備，將多餘電力通過裝置轉化為氫氣儲存起來。

可儲氫更難。

燃料電池是把化學能轉化為電能的轉化裝置，但全世界科學家研究了數十年，卻尚未實現“物美價廉”。

豐田氫燃料電池車MIRAI誕生地。新華社記者 華義 攝

氫燃料電池的儲氫方式，分物理和化學兩種。物理儲存，即用高壓把氫氣“壓”進罐子，制成“高壓氫氣罐”。以汽車為例，日本豐田在近年開發的“Mirai”氫燃料電池車，一個罐子賣10萬元人民幣，一個為罐子加氫的加氫站投資成本為1500萬到2000萬元人民幣。

從2019年開始，中國氫能發展步入“快車道”，現投運加氫站70多座。中國石化銷售上海石油分公司總經理沈輝曾透露，加氫站每公斤氫只有十幾塊錢毛利，每年運營費高達200多萬，幾乎都處於虧損狀態。

“而且在大眾認知裏，氫氣容易爆炸。要開裝氫氣罐的車滿大街跑，老百姓適應起來恐怕有障礙。”過去十多年裏一直從事儲能研究工作的王建輝，主要的研究之一，是利用氫和其他材料的化學反應方式進行化學存氫。

鎳氫電池一度是市場主流，在早年的數碼相機、混動汽車裏應用廣泛。但很快，它的“霸權”地位被鋰電池後來居上。主要還是因為不實惠。

“一來，同等體積下，鋰離子電池比鎳氫電池的能量密度要高出近一倍。”王建輝說，過去十年，數碼相機、手機、手提電腦等科技產品越來越輕薄便攜，功能越來越多，對電池續航能力要求也就越來越高。

“二來，鎳氫電池中所需的稀土金屬開采成本高，全世界資源存儲分布不均。”他記得，早年日本從中國購買稀土原料制成產品後，又高價賣回給中國。

科學研究從來不是一蹴而就。

在研究氫能的同時，王建輝還一直關注著鋰離子電池相關研究。“鋰離子電池代表當下的主流，供給手機、小汽車等小型機器；氫能源代表未來的可能，供給卡車等大型機器——它們都是新能源存儲技術，可以很好互補。”如何提升其能量密度，以及解決“活潑”的鋰金屬易放熱而造成起火爆炸的安全問題，都還有待進一步研究。

於全人類，要在規定時間內完成“碳中和”任務，是一種自我拯救。這是一條迫在眉睫，卻又很長，卻也沒有捷徑的路。

於個人，先從日常小事著手：每天非電動牙刷能少排出48克二氧化碳；晾曬衣服代替滾筒幹衣機少排2.3公斤二氧化碳；下班關電腦代替待機少排三分之一二氧化碳……

所以，今天，你低碳了嗎？