負碳技術中地質碳匯的貢獻及湖北工作路徑建議

田 野， 萬 翔， 高婕妤， 居字龍， 吳姝涵

(湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034)

大氣中溫室氣體濃度增加造成的全球變暖可能導致一系列自然災害威脅[1]。國際社會近30年來作出巨大努力，相繼制定了一系列積極政策來抑制以CO2為主的溫室氣體的排放速率，但全球氣候變化問題依然存在惡化的趨勢，例如2010—2019年全球CO2排放量仍以年均1.2%的速度增長[2]。2020年中國作出承諾：中國CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。然而，總量大、時間短、轉型難是中國實現碳中和愿景所面臨的最直觀的挑戰。目前全球CO2排放量超過400億t/a，中國CO2排放量約100億t/a，是世界上碳排放量最大的國家[3]，而且由于發展慣性的制約，以煤炭為主的化石能源消費仍將持續增長一段時間[4]。目前中國實現碳達峰的窗口期不足10 a，然后再用30 a左右的時間實現百億噸級的CO2排放量快速清零，意味著中國需要采取更廣范圍和更大力度的清碳行動。

IPCC發布的特別報告《全球升溫1.5℃》[5]將碳中和定義為CO2凈零排放情景。碳中和技術路徑包括通過提高能效和零碳能源替代等方法減少溫室氣體排放，以及通過負碳技術(CO2移除技術)來中和不得不排放的CO2[6]。由于化石能源占能源總量的絕大部分，而零碳能源的大規模替代使用尚須解決技術不成熟、成本高、穩定性差、安全可靠性不足等一系列問題，因此在兼顧能源安全和經濟增長的情況下，以煤炭為主的化石能源還會存在較長一段時期[7]。據估計，到2050年中國通過提高能效和零碳能源轉型后，化石能源消費排放的CO2仍可能達到14億t/a以上[8]，這些不得不排放的CO2就要通過負碳技術去除[9]。負碳技術可以為工業等轉型困難領域的CO2排放留下余地，緩解因化石能源快速退出而引發的轉型風險和負面影響，在碳中和目標的實現中扮演著重要角色。

現有的負碳技術包括碳增匯、碳捕集利用與封存兩大類。目前絕大部分碳捕集利用與封存技術處于發展初期，需要考慮這些技術的可行性與經濟性、碳儲存的規模潛力和生態安全風險等問題，其大規模部署的可能性尚未得到證實。碳增匯技術是指利用自然界各種碳庫吸收CO2，人為修復或增強碳匯的技術，在具備較大減排潛力的同時，還能帶來生態環境保護等協同效益[10]。而在碳增匯技術中，地質碳匯的作用不容忽視，受到越來越多的重視[10-11]。

鑒于負碳技術，特別是地質碳匯在實現碳中和過程中的關鍵作用，本文在對負碳技術的重要性和地質碳匯可能的貢獻進行梳理后，以湖北省為例，提出該省地質碳匯工作路徑建議，以期為湖北省更好地發揮地質碳匯作用，助力碳中和目標的實現提供參考。

1 負碳技術中地質碳匯的作用

地球上的碳以不同的形態分布于大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈系統中并相互轉換、運移，從而形成碳循環。依據碳循環在各系統中的收支狀況，可以分為碳源和碳匯：前者表示系統的排放量大于吸收量，整體處于凈排放狀態；后者則代表系統的吸收量大于排放量，整體處于凈吸收狀態。碳源與碳匯是兩個相對的概念，與碳庫為儲量概念不同，其主要強調變化的量，環境條件的改變可使碳庫發生由匯到源或由源到匯的重大變化。

根據儲存CO2場地的不同，可以將碳匯分為海洋碳匯、陸地植被碳匯和地質碳匯等形式[11]。模型計算[12]表明，到2021年全球每年人為排放的CO2約23%被海洋碳匯吸收，31%被陸地植被碳匯和地質碳匯吸收，剩下46%留存在空氣中，造成大氣CO2濃度持續上升(圖1)。海洋是地球上最大的碳庫，但是海洋碳匯應用性較差，尚待開發。陸地植被碳庫主要包括森林、草地、灌叢、農田等植被碳庫，和土壤碳庫時空關系密切，一般一起作為陸地生態系統碳庫被研究和討論[13]。目前陸地植被碳匯估算等研究在各類碳匯中最為深入[14-15]。地質碳匯是指通過巖溶作用、礦物碳化、土壤等吸收CO2，或在儲層、咸水層、煤層等地下巖層中儲存CO2的過程、活動或機制。地質碳庫總量遠大于陸地植被碳庫，因此地質碳匯擁有巨大的增匯潛力和開發前景。

表1列舉了目前全球主要的負碳技術路徑及其效益情況，可以看出碳捕集利用與封存技術的經濟成本顯著高于基于碳增匯的負碳技術成本，這主要是因為農林業等碳增匯技術還能帶來農林業產量增加、生態系統服務功能提升等協同效益。從表1和圖2還可以看出土壤固碳等地質碳匯手段擁有和植樹造林相當的碳移除能力和經濟效益。Hepburn et al.[16]將土壤固碳、增強風化等地質碳匯手段列入到重要的負碳技術考量之中，主要原因在于其具有巨大的天然儲量、較低

圖1 全球CO2收支平衡變化圖[12]Fig.1 The diagram of global carbon budget

表1 負碳技術路徑及其效益統計表[5]Table 1 Statistical table of working path and benefit of negative carbon technologies

圖2 2050年全球負碳技術固碳潛力與成本估算[16]Fig.2 Global carbon sequestration potential and estimated costs of negative carbon technologies in 2050

的經濟運作成本以及可能的生態保護效益。這些都表明地質碳匯具有巨大的開發潛力和應用前景，可以在中國碳中和目標實現過程中發揮重要作用。

2 地質碳匯類型及潛力

2.1 土壤碳匯

土壤碳匯通常被列為陸地生態系統碳匯的組成部分，本文將其作為地質碳匯的重要類型之一進行討論。據統計，全球0～3 m土壤碳庫約為85 884億～102 592億t CO2，是陸地植被碳庫(～16 488億t CO2)的5倍以上[15]。土壤碳庫分為土壤有機碳庫和土壤無機碳庫，土壤有機碳庫占土壤碳庫總量的90%以上，也是陸地生態系統最大的活躍性碳庫。植物與微生物殘體是土壤有機碳的主要來源，土壤有機碳含量是衡量土壤肥力和碳庫儲量的重要指標之一[17]。土壤無機碳是指土壤中含碳無機物的總稱，在干旱、半干旱地區含量較高。

土壤碳匯大小受人為因素和自然因素的影響，自然因素較為復雜，主要包括地理、氣候、成土母質、土壤性質(如pH、黏粒含量)等；人為因素包括土地利用變化、土壤耕作措施等。大氣CO2濃度上升和氮沉降促進植物生長，可以加大土壤碳庫的輸入量。成土母質在一定程度上反映了土壤風化程度，與土壤質地具有很好的相關性，而土壤質地可以通過控制土壤有機碳的分解速率直接影響土壤有機碳的固定和儲存，土壤質地越粗糙其有機碳損失越嚴重。土地利用類型的變化會改變土地原有的覆蓋格局，能夠高強度、大范圍地影響土壤中碳的含量，是最主要的土壤碳匯影響因素。

中國從20世紀90年代中期開始關注和研究土壤碳庫及其變化問題，但由于估算方法和樣地資料的局限性，碳庫估算結果存在較大的不確定性。根據Xu et al.[18]的研究成果，中國1980—2010年土壤有機碳庫由3 059.4億t CO2增加到3 169.4億t CO2，相當于土壤有機碳匯約為3.7億t CO2/a；碳庫的增加主要來自0～20 cm表層土壤的固碳作用，其中森林土壤有機碳庫貢獻最大，增加了約91.6億t CO2，占整體增量的83.3%；草地、農田土壤有機碳庫分別增加了約14.6億、2.6億t CO2，占整體增量的13.3%和2.3%。此外，Xu et al.[16]估算中國1980—2010年陸地生態系統碳匯為7.4億t CO2/a，與楊元合等[15]估算的結果總體上一致。

對于未來增強土壤碳匯的方法，一方面是進一步合理地實施造林工程、生態系統恢復工程以及保護性耕作等土地管理措施，另一方面是使用土壤固碳、生物炭、增強風化等負碳技術增加土壤碳含量。據估計，到2050年全球土壤碳匯潛力為23億～53億t CO2/a，其中可利用潛力主要來自耕地和牧場的土壤固碳潛力，為9億～19億t CO2/a；生物炭大約可以提供2億～10億t CO2/a的可利用潛力[5]。預計2050年前，中國土壤固碳總潛力為403億t CO2，其中土壤有機碳庫固碳潛力為3.8億～7.3億t CO2/a，土壤無機碳庫固碳潛力為0.26億～5億t CO2/a[19]，取中間值的土壤碳匯大概為8.2億t CO2/a。另外，Yu et al.[20]估算中國農田土壤固碳的理論潛力為88億t CO2，但農業技術的實施能夠實現的潛力可能僅為理論潛力的1/3左右。因此，改善土壤管理和農田經營方式可能是提高土壤固碳潛力的關鍵。

2.2 巖溶碳匯

IPCC估算全球巖石風化碳匯約為14億t CO2/a[5]，如果按中國占世界陸地面積1/15估算，中國巖石風化碳匯為0.9億t CO2/a。中國巖溶區分布面積(包括裸露、覆蓋和埋藏)達344萬km2，約占中國國土面積的1/3，占世界巖溶區分布面積的16%。張春來等[24]估算，中國巖溶碳匯平均為0.4億t CO2/a，大約為中國陸地生態系統碳匯的5%。該估算數據相比于中國可能的巖石風化碳匯數據[5]偏小，這是由于該數據可能僅考慮了碳酸鹽巖巖溶地區的風化作用。碳酸鹽礦物的溶解速率較硅酸鹽礦物快數百倍，決定了碳酸鹽巖巖溶碳匯是巖石風化碳匯的最主要組成部分。蔣忠誠等[25]研究認為，巖溶碳匯的形成不限于碳酸鹽巖地區，其他巖石類型如頁巖、砂巖、酸性火山巖等分布區的巖石也含有碳酸鹽礦物，和硅酸鹽礦物一起經風化消耗的CO2也占有一定比例，因此僅考慮碳酸鹽巖分布區計算的巖溶碳匯是偏小的。如果按照全球數據[5]來推算，到2060年中國巖溶碳匯可能達到1億t CO2/a，并且未來還可以通過一些人工干預的手段進一步增加巖溶碳匯。

巖溶碳匯過程受到眾多環境因素的影響，除降水、溫度等自然條件外，土地利用方式、外源酸、地下水開發利用過程等人為條件也明顯影響巖溶碳匯進程和強度。未來可以通過以下人工干預方式增加巖溶碳匯：

(1) 植被恢復。植樹造林能顯著增加地表植被碳匯，并促進地下巖溶碳匯的增加。從灌叢到次生林地再到原始林地，巖溶碳匯可增加2～8倍。

(2) 土壤改良。碳酸鹽巖的溶蝕受土壤CO2濃度、水分含量、pH等因素影響。土壤改良增加巖溶碳匯的關鍵是在增加地上生物量的同時，提高土壤CO2濃度或水分含量，促使巖溶作用的正向發生。

(3) 外源水灌溉。非巖溶區的水體中CO2飽和指數越低，其侵蝕性就越強。外源水進入巖溶地下水系統后，水中溶解性無機碳(DIC)含量不斷升高，由不飽和達到飽和，巖溶碳匯可增加近10倍[26]。

2.3 礦物碳匯

巖石風化具有固定大氣CO2的巨大潛力，但受限于硅酸鹽礦物(巖石)與CO2較慢的反應速率，自然的風化過程在短時間尺度上無法緩解全球氣候變化問題。而礦物碳匯通過模擬或加快自然界天然礦物(巖石)的化學風化過程，利用含有Ca、Mg等金屬元素的礦物將CO2轉化為穩定的固體碳酸鹽礦物，從而實現CO2的負排放。從化學角度分析，含有Ca、Mg等金屬元素的礦物都可以作為礦物碳匯的原料，目前常見的原料包括工業固廢、天然基性—超基性巖石(礦物)和尾礦等。礦物碳匯的技術路徑大致分為3類，分別是工業CO2礦化、地質封存和增強風化。

工業CO2礦化方法主要適用于反應活性較高的工業固廢(如煤粉灰、磷石膏等)，而基性—超基性巖石礦化需要活化硅酸鹽中的金屬離子以加速礦化反應進行。目前的工藝流程大致是將基性—超基性巖石粉碎后放入反應釜與捕集的CO2混合，通過控制溫度、催化條件、反應物粒度等達到高效固碳效果，但這類礦化方法能耗大、成本高、規模小，尚難以實現大規模推廣應用[27]。

地質封存是指將捕集的CO2注入地下巖層(如深部咸水層、油氣田、煤層等)中，利用儲層上部的圈閉構造阻止CO2向上運移，并與周圍巖石發生反應形成穩定的碳酸鹽礦物，達到CO2封存效果[28]。據估計，中國地質封存潛力為1.2萬億～4.1萬億t CO2，主要封存場地包括油氣田、沉積盆地咸水層等。將CO2應用于開采中的油氣田能夠提高石油采收率，應用于無商業開采價值的深部煤層能夠提高煤層氣回收率。上述封存場地目前可以實現約0.01億t CO2/a的封存量，預計到2060年可以達到2億～3億t CO2/a的封存量[29]。相比于地表自然碳匯易遭受環境改變或人為擾動而發生源匯轉變，地質封存被認為是一種更加穩定的固碳手段，其封存時間可達百萬年尺度。然而，這類方法也存在許多爭議，如存在CO2泄漏、破壞生態平衡、誘發地震、造成地表起拱、破壞咸水層等風險[30-31]。

增強風化方法通過將基性—超基性巖石(礦物)應用于農業領域，加速天然硅酸鹽礦物風化速率來吸收CO2，并通過提升土壤礦物質含量、改善土壤質地等方式增加土壤固碳能力。該方法最大的制約來自現有硅酸鹽礦物溶解動力學研究的不確定性。統計了在不同試驗條件(土壤類型、農作物種類、巖性、粒徑、施用量等)下開展增強風化固碳效果研究的結果(表2)，可以看出所有研究都表明將基性—超基性巖石(礦物)施加到農用地中可以增加土壤固碳速率[32-37]。但是有研究表明過量使用超基性巖石或礦物(如橄欖石)可能會導致重金屬Ni和Cr的污染[38]。Kelland et al.[37]使用高負載量粗粒玄武巖粉末調節黏壤土，使高粱產量提高約21%，固碳速率達到2～4 t CO2/hm2，是未播撒粗粒玄武巖粉末的黏壤土固碳速率的4倍，并且沒有發生重金屬污染問題。基性巖(礦物)可能不會帶來重金屬污染風險，而且其獲取成本和儲量也比超基性巖石(礦物)更低，因此是更加理想的礦化原料。

根據模型[39]預測，假設2050年在全球耕地中推廣添加玄武巖粉末這一增強風化方法，每年可以移除大氣中的CO2約5億～20億t/a；其中，若在中國10%～55%的耕地中使用該方法，則每年可以貢獻的礦物碳匯約為1.3億～5.3億t CO2/a，取中間值為3.3億t CO2/a，相當于在全球升溫1.5℃情景下抵消中國每年5%～21%的碳排放量。在這種情景下，使用該方法預計每年需消耗7.7億～35億t玄武質巖石。此外，統計數據顯示，截至2017年中國尾礦堆積存量為195億t，增強風化方法可以充分利用其中的基性巖尾礦，不僅可以降低原料的預處理成本，還能緩解尾礦堆積造成的環境污染問題，是實現經濟與環保雙贏目標的潛在有效手段。

表2 不同試驗條件下的增強風化方法固碳效果統計表Table 2 Statistical table of carbon sequestration effect of enhanced weathering method under different test conditions

3 湖北省地質碳匯工作路徑建議

基于以上對地質碳匯的論述，結合湖北省實際情況，從地質行業角度出發，探討碳中和背景下湖北省地質碳匯的可能工作路徑。

3.1 土壤碳匯

(1) 開展區域土壤碳庫調查。目前湖北省僅在長江流域部分河湖濕地開展了有限的固碳潛力研究[40]，尚未系統全面地開展土壤碳庫調查和固碳潛力評價工作，相關科研工作也跟進不夠。建議圍繞長江經濟帶和湖北省區域發展布局，分層次、有步驟地實施土壤碳庫調查與固碳潛力評價項目，研究土壤碳庫特征、影響因素、儲量及固碳潛力。同時建立覆蓋全省、有序更新的土壤碳庫數據庫，優化土壤固碳潛力測算方法，形成調查評價技術規程和地方標準，支撐自然資源和區域碳收支管理。

(2) 開展土壤碳匯功能修復與保護。應有規劃地實施造林、生態修復、保護性耕作等工程和措施，同時建議將碳通量變化及碳匯能力評估納入生態保護和建設工程指標體系。重點圍繞湖北省“十四五”期間的生態修復工程需求，在區域性生態修復工程實施過程中，把提升生態系統固碳能力和適應氣候變化能力納入考量指標，探索土壤修復與固碳增匯相結合的修復技術，定期開展治理工程范圍內的土壤及生態環境調查和監測，為生態保護與建設工程中的碳匯價值實現提供依據。

(3) 開展濕地生態系統調查與開發利用。湖北省具有以長江、漢江為骨架，群帶交錯、湖庫交融、完整多樣的濕地生態系統，因此應重視濕地的生態功能，開展區域性濕地碳匯調查、資源生態價值評估，建立濕地碳匯監測網絡，厘清濕地的環境質量、資源價值和碳通量，有助于區域碳收支管理與生態產品價值實現，也為合理開發、利用、恢復和保護濕地提供科學支撐。

3.2 巖溶碳匯

開展巖溶碳循環及碳匯效應調查。湖北省境內水系發達，河網密布，長度>10 km的河流有1 700余條，湖泊總面積近3 000 km2。省內碳酸鹽巖裸露面積約4.5萬km2，占全省總面積近1/4，主要分布于鄂西武陵山區、長江三峽兩岸分水嶺、神農架等地。目前湖北省尚未開展過巖溶碳匯調查與研究工作，全省巖溶碳匯潛力有待挖掘。建議以重點流域為單元，開展流域尺度巖溶碳循環及碳匯效應調查，厘清巖溶作用的碳通量大小、空間分布和碳匯效應，通過適當人為干預手段提升巖溶碳匯能力。

3.3 礦物碳匯

(1) 開展地質碳封存資源潛力評價。湖北省地質儲碳空間資源豐富，如江漢盆地深部咸水層、鄂西頁巖氣層等，可利用的地質儲碳空間規模還需要進一步摸清。建議開展地質碳封存資源潛力評價，尋找具有碳封存潛力的地質構造有利區，優選目標靶區，評價地質碳封存潛力，實施地質構造、深部咸水層或基性巖層等CO2地質封存示范工程。另外，加強頁巖氣勘查開發與地質碳封存一體化調查研究，兼顧頁巖氣勘查開發的環境影響與承載能力評估工作，助力清潔能源開發利用與產業高質量發展。

(2) 開展固廢資源的碳封存利用。磷石膏、基性巖尾礦等固廢都含有大量堿性金屬離子，可以作為CO2礦化的原料。以磷石膏為例，湖北省是產生磷石膏最多的省份之一，現有堆存量近3億t，且每年新增量也有近3 000萬t，存在極大的生態環境風險隱患。2022年10月，湖北省在全國率先頒布《湖北省磷石膏污染防治條例》，表明加強磷石膏污染防治，推進磷石膏綜合利用刻不容緩。建議在查明磷礦尾礦庫數量及分布狀況的基礎上，評價其礦物固碳潛力，開展磷石膏等固廢CO2礦化固定技術攻關和技術成果轉化試點示范，建立尾礦庫固碳技術評價體系，既服務于碳中和目標實現，又能夠緩解尾礦堆積造成的生態環境風險。

4 結語

為實現2060年碳中和目標，負碳技術將發揮關鍵作用，其中地質碳匯由于固碳潛力大、經濟成本低、工程可實現性強，具有較好的應用前景。通過梳理地質碳匯中土壤碳匯、巖溶碳匯、礦物碳匯的作用和潛力，提出湖北省地質碳匯工作路徑建議。湖北省應結合省情，在土壤碳匯、巖溶碳匯、礦物碳匯方面加強工作部署，開展區域土壤碳庫調查、土壤碳匯功能修復與保護、濕地生態系統調查與開發利用、巖溶碳循環及碳匯效應調查、地質碳封存資源潛力評價、固廢資源的碳封存利用等工作。湖北省地質碳匯資源潛力巨大，有必要更好地發揮地質碳匯作用，加強相關領域的研究探索，開發對應的碳增匯技術，為實現碳中和目標作出重要貢獻。