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河北灤南縣，農民用剩余的稻草制作草捆。由這種農業殘留物制成的生物炭是一種已經成熟的技術，可以幫助去除大氣中的二氧化碳。圖片來源：Yongxin Zhang / Alamy

所謂碳中和目標，即人類活動造成的二氧化碳排放，與人為二氧化碳吸收量在一定時期內達到平衡的目標。為了實現它，各國的氣候變化減緩戰略，越來越依賴負排放技術。

2019年，政府間氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC）發布的1.5℃特別報告稱，到2100年，負排放技術累計大約能移除1000~10000億噸二氧化碳。

負排放技術對中國實現雙碳目標也十分重要。相關研究表明，中國在2050年或2060年的負排放需求最高達到每年約29億噸二氧化碳，中值為每年約10億噸，相當于目前中國能源相關碳排放的四分之一到十分之一。2022年，中國科技部也發布了通知，指出要提升碳捕集、利用與封存技術（Carbon Capture, Utilization and Storage，簡稱CCUS）、綠色碳匯等負碳技術能力。

負排放技術包括基于化學過程的負排放技術，和基于生物質的負排放技術。基于化學過程的負排放技術則包括直接捕集和封存空氣中的碳（Direct air carbon capture and storage，簡稱DACCS）、加速風化等；基于生物質的負排放技術，分別是植樹造林、生物能源結合碳捕集與封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，簡稱BECCS）、生物炭等。

目前，中國實踐中最成熟的二氧化碳去除方法是植樹造林。此外，鋼鐵等行業還開展了碳捕獲與封存的示范項目。該技術在二氧化碳產生點捕獲二氧化碳，然后將壓縮后的二氧化碳注入深部鹽水層或枯竭油氣藏等深層地質構造中。目前中國還沒有其他負排放技術商業化，雖然有生物炭項目，但主要關注利用最終產品的農業價值。制圖：James Round / 對話地球

生物炭外形類似于木炭，是在無氧條件下，將生物質在高溫下緩慢加熱產生的產品。由于其富含碳且可以保存數百年而不分解，生物炭是一種很有前景（且成熟）的負排放技術。

近日，筆者所在的清華大學能源環境經濟研究所的一項研究表明，中國生物炭負排放潛力最大可達到每年9.2億噸二氧化碳，如果加上森林碳匯的負排放潛力，中國有可能在不依靠其他未成熟技術的條件下實現碳中和。研究建議，可以優先選擇華中、華南和華東地區作為生物炭應用試點地區。

從改良土壤到應對氣候變化

生物炭是一種古老的技術，它起源于幾個世紀前的亞馬遜農田。稻殼、秸稈、林業殘留物等系列生物質資源，通過350°C至900°C的慢速熱解，就轉化為富含穩定有機質的生物炭（主要成分是碳）以及合成氣等副產品。

因其穩定性高、孔隙率大，生物炭最初被作為土壤改良劑，改良土壤質量，提升作物產量，也被稱為“黑色黃金”。

生物炭可以由不同類型的生物質，例如農業殘余物如秸稈或林業殘留物。生物質從大氣中捕獲二氧化碳，通過光合作用將其轉化為碳。它通過稱為熱解的過程轉化為生物炭，該過程涉及在沒有氧氣的條件下將材料在高溫下加熱。熱解可以產生有用的副產品，例如通常用于發電或供熱的合成氣。生物炭將生物質碳鎖定在一種類似木炭的物質中，這種物質可以穩定存在數百年。它通常被添加到土壤中，改善水分和養分保留，促進作物生長（圖表：James Round / 對話地球）。

生物炭的制造過程表明，這其實就是一種生物質負排放技術：首先通過生物質的光合作用從大氣中去除二氧化碳，然后經燃燒或者熱解，生物質中約30%~40%的有機碳轉化為不易分解的碳固定下來，百年后仍保存約3/4，從而實現碳固存。制成的生物炭可以返回土壤，合成氣副產品可以替代化石燃料。相比生物能源結合碳捕集與封存（Bioenergy with carbon capture and storage，簡稱BECCS），生物炭技術無需高昂的碳捕集與封存成本，熱解技術較為成熟，即便在未通電的偏遠鄉村也能順利制備。

在過去的二十年里，生物炭在減緩氣候變化領域嶄露頭角，被納入《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南2019年修訂版》，成為助力碳中和目標實現的新興力量。

負排放潛力巨大

此研究測算了中國16種農作物殘留物、10種林業殘留物、草類殘留物和潛在的能源作物資源量，估計了中國生物炭的負排放潛力。

結果表明，在考慮原料收集效率、保持生態平衡、扣除其他基本用途的可持續情景下，中國生物炭的負排放潛力最大可達到每年9.2億噸二氧化碳，幾乎能滿足所有符合2°C目標深度脫碳途徑的負排放要求，也就是每年0.1億噸~11億噸二氧化碳。

結合中值約每年6.27億噸二氧化碳的森林碳匯，以及生物炭的負排放潛力，中國有可能在不依靠BECCS或DACCS等未成熟技術的條件下實現碳中和，從而增加實現碳中和路徑的技術和戰略選擇。

成本優勢

生物炭的負排放成本可定義為，生物炭每捕獲一個單位的二氧化碳，所分攤的成本減去收益。數值越小，代表成本越低。生物炭提供負排放的成本包括，生物質原料的采購、運輸、儲存，熱解廠的投資、運行和維護，生物炭運輸以及施用，收益包括副產品合成氣的收入和施用后農作物增產收入。

研究表明，中國生物炭成本較低，平均凈負排放成本為每噸二氧化碳90美元，其中，農林殘留為原料的生物炭成本平均為每噸二氧化碳60~96美元，在有的地區甚至可以達到負值，即可以產生凈收益。相比之下，BECCS的凈成本通常為每噸二氧化碳30~400美元，DACCS為300~1000美元。

此外，由于原料類型與分布、土壤類型和PH等條件的不同，生物炭的負排放潛力與成本在區域層面差異很大，每噸二氧化碳在12~150美元不等。

由林業和農業殘留物制備的生物炭成本最低。在華東地區，農林殘留物占總可用生物質原料的比例為85%，因此這些地區的負排放平均凈成本也較低。由于生物炭還田可以提高土壤質量，在山東、河南和廣西的部分地區，將生物炭施用于高產谷物或甘蔗等其他高產作物時，甚至可帶來顯著的增產效益。而西北地區生物質資源稀少，生物炭的負排放成本也較高。這是因為相同的熱解工廠處理的生物質較少，導致單位投資成本較高，進而影響了生物炭的經濟性。

最后，與中等質地的土壤相比，粗質地和細質地土壤的增產協同效益更為顯著，酸性土壤比堿性土壤產生更大的效益。因此，南方地區，尤其是浙江以南各省的部分耕地，將從施用生物炭導致的作物增產中受益最多。總體而言，華中、華南和華東地區不僅生物質資源豐富，而且成本較低，可以優先選擇作為生物炭應用試點地區。

研究、核算和試點有待加強

目前，生物炭在中國很大程度上僅被視為一種可減少化肥投入、改善土壤質量和提高作物產量的綠色農業技術，在減緩氣候方面的作用被忽視，主要原因是生物炭的碳影響研究和實踐還不足。生物炭在中國僅產生每年50 萬噸二氧化碳的負排放，這不足中國負排放需求的萬分之四。

生物炭通過碳移除對減緩氣候變化有積極影響，但存在不確定性。生物炭發揮作用，除了取決于生物炭的特性，還取決于應用生物炭的土壤。生物炭施用后，會影響土壤碳通量，即碳在土壤和大氣間的移動情況。以及，生物炭在土壤中分解速度也需要納入考量，目前仍需進一步研究。

從核算的角度，生物炭的碳移除能力和包含增產效益在內的負排放成本，目前尚無成熟完善、可操作性強的方法加以核算。沒有可靠的核算方法，生物炭就無法被納入國家核證自愿減排量（China’s Certified Emission Reduction ，簡稱CCER）項目及未來全球碳市場中。

此外，落實生物炭的農業價值和能源價值，即增加經濟收益，也是關鍵問題。目前生物炭技術的主要收益來源于生物炭售賣和副產品收益，但其大規模實施仍然受制于較高的成本，特別是其熱解的副產品難以商業化利用。

筆者認為，生物炭負排放技術的規模化試點，可以優先在農林殘留物豐富的華東、華中和華南部分地區展開。這些地區的農業和林業殘留物具有高碳含量和生物炭轉化率，并且采收成本低，負排放成本較低。

山東、河南和廣西部分地區種植了高產谷物或甘蔗等其他高產作物，可以開展試點，以充分利用生物炭還田增產收益和副產品收益，降低生物炭成本、提高其經濟性。在生物炭試點地區還應著力改善合成氣管網連接，加強相關基礎設施建設，便于生物炭熱解廠的合成氣供應附近的工業供熱或發電，擴大生物炭試點的合成氣銷售收入，進一步降低其負排放成本。