碳減排與生物質資源利用

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劉 偉 上海交通大學環境科學與工程學院 上海 200240

所謂碳減排就是減少CO2排放。隨著全球氣候變暖，碳排放必須減少，以緩解人類面臨的氣候危機，維持人類賴以生存的自然環境。合理開發利用生物質資源是人類可持續發展的碳減排方式[1-4]。

1 CO2 的性質以及在自然界中的循環

CO2是大氣成分之一，占大氣總體積的0.03%～0.04%。CO2具有吸熱和隔熱功能，使太陽輻射到地球表面的熱量無法有效向外擴散，是造成大氣層溫室效應的主要氣體。CO2的化學性質不活潑，熱穩定性高，難以光照分解。CO2在自然界中的去向或循環方式有：無機循環和有機循環兩種。

（1）CO2無機循環是指CO2以無機形態轉化的循環方式，如環境溫度降低或大氣CO2濃度升高時，大氣中CO2溶解于環境水體（主要是海水）形成碳酸；環境溫度升高或大氣CO2濃度降低時，碳酸又分解釋放出CO2回到大氣中，自然界中碳酸鹽的形成與分解也是CO2的一種無機循環形式。CO2溶于水，可以促進水生植物如藻類的光合作用，但其進入水體形成碳酸，會導致環境水體酸度升高。

（2）CO2有機循環是指CO2被植物光合作用吸收利用，形成以碳元素為基本構架的有機物，光合作用產生的有機物被動植物和微生物利用、或被空氣氧化分解、或被燒毀，有機物中的碳元素最終以CO2形式回到大氣中，形成循環。光合作用不但將無機物CO2轉化為有機物，還實現了將太陽能進行生物質能（化學能）的轉化，為動植物、微生物及人類生存提供了營養及能量，實現了CO2在地球上可持續的有生命的循環。地球因CO2的有機循環即植物光合作用而生生不息。

人類除了利用植物光合作用產生的有機物作為食物以獲得營養及能量外，還使用植物光合作用產生的生物質能作為能源。工業革命之前，人類主要靠燃燒生物質（如柴薪）作為能源的主要來源，滿足生產、生活的需要。人類長期以來對生物質的合理利用作為自然界碳循環中的組成部分，一定程度上加快了大自然碳循環的速度，但沒有破壞大自然碳循環的平衡，故在工業革命前，大氣中的CO2含量長期保持了相對穩定，產生了適度的溫室效應，為地球生物生存提供了適宜的氣候環境。據科學家估計，如果不存在溫室效應，地表平均溫度可能是零下20℃，而不是現在的實際年平均15℃（且變化不大）。

2 化石能源的利用以及導致的環境問題

隨著社會經濟的發展，人類對能源和物質的需求持續增長，并不斷創新能源和物質利用方式。工業革命以來，煤炭、石油、天然氣等化石能源被大量開采利用，且保持了逐年上升的趨勢，支持了經濟的發展。人類對化石能源的利用方式大致可以分為兩類：一是作為能源使用，如燃煤燃氣發電、燃煤燃氣供熱（包含工業供熱和生活供熱）、發動機用汽油柴油等；二是作為原料使用，用于生產各種化學品、塑料、聚酯等。

煤炭、石油、天然氣主要含碳元素和氫元素，其它還包含氧、氮、硫等（煤炭中還含有硅、鈣、錳、鋁、鐵、鈉等），與生物質相近，兩者存在相互替代性。由于化石能源具有能量密度高、組成相對固定、礦藏相對集中分布等特點，其開采、使用和加工易于規?；?，迅速和絕對性地取代了生物質在能源領域和材料領域的主導地位，成為工業革命之后推動人類社會快速發展的主要因素之一[5-8]。

根據BP 世界能源統計年鑒（2021|第70 版），2020 年全球能源消費總量合計556.63 艾焦，其中石油173.73 艾焦、天然氣137.62 艾焦、煤炭151.42 艾焦，合計占比83.14%，化石能源支撐了現代社會的能源體系。在物質材料生產領域，化石能源的利用更是大大豐富了材料種類和物質總量，不管是與日常生活相關的紡織服裝、家具家私、醫藥日化、辦公日雜，還是與工業生產相關的建筑材料、交通工具、涂料染料、化肥農藥、電子通訊等，以化石能源為原料生產的物質材料均占有非常高的比重，且長期以來呈逐漸上升的趨勢。

現代工業和經濟大發展取得的成就，是以大量開采和利用化石能源為基礎。如果沒有化石能源的大量使用，第一次工業革命的代表產品蒸汽機、第二次工業革命的代表產品電動機、內燃機就無法在世界范圍內大規模轉動起來?？梢哉f工業革命至今的時代也是化石能源的時代。

化石能源的大量使用加速了人類社會的發展，但也帶來了嚴重的環境問題：一是加工過程的三廢排放，以及產品進入環境產生的污染；二是碳排放導致溫室效應的氣候問題。

化石能源大量含碳，特別是煤炭的碳元素含量高。化石能源的開采利用使其中的碳元素從地質埋藏轉移到了地球表面，最終形成CO2排放，主要有兩種形式：一是作為能源燃燒后產生大量CO2排放至環境大氣，如燃煤電廠煙氣、鍋爐尾氣、汽車尾氣等；二是化石能源生產的物質，使用后產生的垃圾進行焚燒或丟棄被氧化分解形成的CO2排放。無論是作為燃料還是原料，化石能源一經開采使用，其碳元素最終要么形成垃圾、要么形成CO2排放，均增加了地球或大氣的負擔。根據BP 世界能源統計年鑒（2019|第68 版），2018 年全球化石能源消費總量合計117.43 億噸（折合油當量，下同），其中石油46.62 億噸、天然氣33.09 億噸、煤炭37.72億噸，共計形成CO2排放338.91 億噸。化石能源使用產生的CO2排放是大氣CO2循環的增量，破壞了原始平衡，導致大氣CO2含量上升，產生溫室效應，已對人類產生了負面影響，如氣候及海水變暖、冰川消融、海平面上升、極端天氣增多等，且趨勢逐漸向惡，未來不容樂觀。

化石能源利用所導致的溫室效應不如環境污染帶來的感觀直接，但已引起了全社會的關注。從1997 年的《京都議定書》到2009 年的哥本哈根氣候變化大會，再到2015 的巴黎氣候大會，以及2020 年的七十五屆聯合國大會，碳減排已經由最初的倡議演進到制定可執行計劃并得到實質性推進。

降低大氣CO2增量最有效、最直接的方式是減少甚至停止使用化石能源，掐斷進入大氣CO2循環圈的增量。但人類的生產生活伴隨著無時無處的能源和物質消耗，無法做到為了保護地球而犧牲自己，但需要做到為了保護賴以生存的自然環境而創新資源、能源的利用方式，逐漸減少甚至停止化石能源開采及使用，開發可再生資源能源，減少并停止CO2循環的增量，實現大氣中CO2的總量平衡，最大限度地避免人為導致的溫室效應。目前，部分歐洲國家已大幅降低對化石能源的依賴度，取而代之的是大力開發利用包括生物質在內的可再生資源。

3 生物質資源及利用

根據國際能源機構（IEA）的定義，生物質（biomass）是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物。它是伴隨生命過程而產生的可循環、可再生的有機物質，是人類廣泛運用且無法脫離的物質。生物質存在形式豐富多樣，人體也是生物質。生物質能來源于太陽能，形成于光合作用，是儲存于生物質中的化學能，是人類賴以生存的重要能源之一，屬于可再生能源。生物質和生物質能是生物存在的形式，也是人類存在的基礎。人類飲食攝入生物質，人體能量來源于生物質能。本文討論的生物質主要指農林作物等植物資源，討論的生物質能主要指農林作物及剩余物、有機廢棄物中的生物質能[9-12]。

生物質資源豐富多樣，其利用方式也不勝枚舉，但大致可以分成三大類：一是作為材料使用，二是作為能源使用，三是作為原料使用。

（1）生物質資源作為材料使用的歷史可以追溯到遠古人類，比如利用木棒作為武器狩獵。社會發展至現代文明，人類仍然在大量使用生物質材料，比如利用木材建造房屋、利用竹子制作家具、利用棉麻進行紡織等等。隨著人類文明的積淀和科學技術的進步，生物材料的利用方式還在不斷創新，但生物質材料存在改性困難、規模化生產加工性不強、原料供給不易人為控制等缺點，難以滿足人類日益增長的物質需求，已被金屬材料、化工材料及礦物材料等部分取代。

（2）生物質資源作為能源使用是隨著人類對火的認識、使用和掌握而開始的，在人類文明發展史上有著極其重要的意義。生物質能是人類最早可控性使用的能源，最常見的方式就是燃燒薪柴煮食取暖，此外還用于照明、燒制陶器、冶煉銅器等。目前，生物質能源依然是人類重要的能源形式，在廣大農村及部分城鎮，仍舊在燃燒薪柴烹飪取暖。隨著科技進步，生物質能的利用方式不斷拓展，如生物質燃燒發電，利用有機垃圾、秸稈、人畜糞便產生甲烷，以及利用生物質制取生物柴油、燃料乙醇等。但生物質能存在能量密度不高，供應分散，規模化存儲運輸困難等缺陷，難以滿足工業化對能源的高強度需求，隨著化石能源的大量開采使用，目前生物質能在整個人類能源消費結構中的比重已遠遠低于化石能源的比重。

（3）生物質資源作為原料使用是指利用生物質生產其它產品，通常包含化學變化。其利用方式也多種多樣，比如利用糧食釀酒就是最常見的方式。在化石能源日漸枯竭以及化石能源利用帶來嚴峻環境及氣候問題的當今，以生物質為原料大力發展生物質化工日益受到全世界重視，生物質化工也將逐漸形成相對獨立且具有支撐和帶動作用的工業門類。

4 利用生物質資源的必要性和可行性

如前第2 節所述，化石能源的大量使用帶來了嚴重的環境污染和氣候變化問題，長此以往，將與人類追求幸福生活的目標背道而馳，甚至使人類的可持續發展受到威脅。尋找綠色低碳可持續的發展道路是當今人類必須開始共同努力的課題，全球也因此提出了“碳減排”和“碳中和”的目標。在“碳減排”“碳中和”的道路上，除了“增強全民節約意識，倡導簡約適度、綠色低碳的生活方式” （2021年中央經濟會議精神），“實施可再生能源替代行動，大力發展風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等，不斷提高非化石能源消費比重”（《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，還應拓展和創新生物質資源作為材料、原料的其它利用方式，更大范圍和程度地替代化石能源。

如前第3 節所述，所有生物質皆有生命周期，在生命周期結束后，生物質即使不被人類利用，也會在環境中被氧化、被微生物分解、被山火燒毀，最終生物質中的大部分碳元素又以CO2的形式回到大氣中，或在厭氧條件下形成甲烷氣體（也是一種溫室氣體）進入大氣。合理利用生物質資源，人為參與到CO2有機循環的過程中，加大生物質的開發利用滿足人類適度的消費需求，并不會造成大氣CO2含量的趨勢性升高。生物質雖然不及化石能源集中度高、規格也千差萬別，但相對風能、太陽能、潮汐能等其它可再生資源，其除了具有能源屬性外，還具有材料和原料屬性，而且更易于收集、儲存、運輸，是最接近于化石能源的一種可再生資源，大力開發利用生物質資源進行碳減排具有高度可行性和獨特優勢性。

生物質資源豐富，據生物學家估算，地球陸地生產1000～1250 億t/a 生物質，海洋生產500 億t/a生物質，生物質能源的年生產量遠遠超過全世界總能源需求量，相當于目前世界總能源消耗的10 倍[13]。目前，全球的生物質資源并沒有得到合理利用，大部分放任其自生自滅形成資源浪費。雖然如此，歐美發達國家已開始提前布局生物質資源的開發利用。以瑞典為例，從2009 年開始，其生物質能源消費量就已超過了石油，成為第一大能源。目前，瑞典的生物質能使用量超過了水電和核電的總和，約占能源消費總量的34%[14]。美國也于2003 年出臺了《生物質技術路線圖》，計劃2020 年使生物質能源和生物基產品較2000 年增加20 倍，達到能源總消費量的25%，2050 年達到50%[15]。

5 生物質資源開發利用建議

大力開發、利用生物質資源，既能滿足人類對資源能源的需求，還能解決碳排放導致溫室效應的問題。全社會應就如何開發、利用生物質資源問題進行思考，以下建議供參考：

一是科學索取合理利用。生物質資源雖然屬于可再生資源，但生物質伴隨生命過程而形成，有其獨特的再生規律和再生周期。生物質資源的開發利用必須科學、合理、可持續優先，堅決杜絕“吃糧不留種”的掠奪性開發行為，應按照“先種后收、邊產邊用”的原則控制性開發使用，使用存量資源的前提是確保再生補充。

二是因材制宜、材盡其用。生物質資源種類豐富、規格多樣，其利用應因材制宜、材盡其用，如大型喬木木材可以替代化工建材建造房屋、灌木木材可以替代塑料制品制造家具、棉麻絲毛可以替代聚酯纖維紡織制衣、農林余物可以替代燃氣烹飪取暖、有機垃圾可以替代燃煤焚燒發電、人畜糞便可發酵制甲烷代替燃氣、薯類作物可以生產乙醇代替燃油。

三是延長周期梯次利用。高品質生物質資源應“梯次”利用，比如優質木材可以先作為建筑材料使用，使用后可作為家具用材，家具報廢后還可以作為生產生物質碳的原料使用，生物質碳作為吸附劑使用后還可以燃燒當能源利用。延長生物質資源的使用周期，不但可節省資源，還能拉長碳元素固定碳形態存續時間，從而實現對大氣的“負碳”功能。

四是開發技術拓展利用。主要包含大力發展生物質化工和實施生物固碳的“負碳”工程。生物質化工是以生物質為原料，采用化學加工方法生產產品。大力發展生物質化工，建立和完善適應生物質原料特點的化工技術及行業體系，進行石油化工（含煤化工、天然氣化工）替代工程也是碳減排的重要有效手段。生物固碳的“負碳”工程可以通過如下方式進行：利用植物光合作用吸收大氣中的CO2，將CO2轉化為固體形態的生物質，生物質經過碳化處理變成生物質碳。生物質碳性質穩定，難以被空氣氧化和微生物分解。生物質碳還田不但可以維持上千年不被氧化分解，其高比表面積和高孔容率還可以增加土壤透氣性，吸附鎖住土壤營養減少肥力流失，起到改良土壤提高土壤生物質再生能力的作用。

五是跨界融合全面使用。充分認識生物質資源的生命屬性，融合生物基因技術、農林種植技術、生物化工技術、生物能源技術，打開生物質資源利用的新天地，實現生物質對化石能源的全面替代，實現人類活動的CO2凈零排放，根治碳排放導致的氣候問題。目前自然界現有植物的光合作用效率較低，即將CO2轉化為有機物和將太陽能轉化為生物質能的速度較慢，特別是寒冷地區，植物光合作用酶在低溫下活性差，效率低，植物生長緩慢。未來人類可依托現代生物基因技術，通過轉基因技術開發多種適合世界各地不同氣候及土壤特點的能夠快速生長又可控繁殖的轉基因植物。轉基因植物作為“CO2抓捕機”進行高效光合作用消耗大氣中的CO2，像“生物質機器”一樣快速地規?；禺a生生物質資源，制造“生物碳礦”。在轉基因技術實現生物質資源規?；幕A上，生物質資源全面替代化石能源便成了可能。配套研發生物質材料、生物質化工、生物質能源加工技術，打通生物質資源生產、加工、利用整個產業鏈，構建以生物質為基礎的綠色循環經濟體系，將開啟人類生存發展的新天地。