生物炭：中国实现碳中和的可能路径

所谓碳中和目标，即人类活动造成的二氧化碳排放，与人为二氧化碳吸收量在一定时期内达到平衡的目标。为了实现它，各国的气候变化减缓战略，越来越依赖负排放技术。

2019年，政府间气候变化委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）发布的1.5℃特别报告称，到2100年，负排放技术累计大约能移除1000~10000亿吨二氧化碳。

负排放技术对中国实现双碳目标也十分重要。相关研究表明，中国在2050年或2060年的负排放需求最高达到每年约29亿吨二氧化碳，中值为每年约10亿吨，相当于目前中国能源相关碳排放的四分之一到十分之一。2022年，中国科技部也发布了通知，指出要提升碳捕集、利用与封存技术（Carbon Capture, Utilization and Storage，简称CCUS）、绿色碳汇等负碳技术能力。

目前，中国实践中最成熟的二氧化碳去除方法是植树造林。此外，钢铁等行业还开展了碳捕获与封存的示范项目。该技术在二氧化碳产生点捕获二氧化碳，然后将压缩后的二氧化碳注入深部盐水层或枯竭油气藏等深层地质构造中。目前中国还没有其他负排放技术商业化，虽然有生物炭项目，但主要关注利用最终产品的农业价值。制图：James Round / 对话地球

负排放技术包括基于化学过程的负排放技术，和基于生物质的负排放技术。基于化学过程的负排放技术则包括直接捕集和封存空气中的碳（Direct air carbon capture and storage，简称DACCS）、加速风化等；基于生物质的负排放技术，分别是植树造林、生物能源结合碳捕集与封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，简称BECCS）、生物炭等。

生物炭外形类似于木炭，是在无氧条件下，将生物质在高温下缓慢加热产生的产品。由于其富含碳且可以保存数百年而不分解，生物炭是一种很有前景（且成熟）的负排放技术。

工业生产的生物炭，用于土壤改善。图片来源Edwin Remsberg / Alamy

安徽的一家生物炭工厂。图片来源：Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences / Xinhua / Alamy

近日，笔者所在的清华大学能源环境经济研究所的一项研究表明，中国生物炭负排放潜力最大可达到每年9.2亿吨二氧化碳，如果加上森林碳汇的负排放潜力，中国有可能在不依靠其他未成熟技术的条件下实现碳中和。研究建议，可以优先选择华中、华南和华东地区作为生物炭应用试点地区。

从改良土壤到应对气候变化

生物炭是一种古老的技术，它起源于几个世纪前的亚马逊农田。稻壳、秸秆、林业残留物等系列生物质资源，通过350°C至900°C的慢速热解，就转化为富含稳定有机质的生物炭（主要成分是碳）以及合成气等副产品。

因其稳定性高、孔隙率大，生物炭最初被作为土壤改良剂，改良土壤质量，提升作物产量，也被称为“黑色黄金”。

生物炭可以由不同类型的生物质，例如农业残余物如秸秆或林业残留物。生物质从大气中捕获二氧化碳，通过光合作用将其转化为碳。它通过称为热解的过程转化为生物炭，该过程涉及在没有氧气的条件下将材料在高温下加热。热解可以产生有用的副产品，例如通常用于发电或供热的合成气。生物炭将生物质碳锁定在一种类似木炭的物质中，这种物质可以稳定存在数百年。它通常被添加到土壤中，改善水分和养分保留，促进作物生长（图表：James Round / 对话地球）。

生物炭的制造过程表明，这其实就是一种生物质负排放技术：首先通过生物质的光合作用从大气中去除二氧化碳，然后经燃烧或者热解，生物质中约30%~40%的有机碳转化为不易分解的碳固定下来，百年后仍保存约3/4，从而实现碳固存。制成的生物炭可以返回土壤，合成气副产品可以替代化石燃料。相比生物能源结合碳捕集与封存（Bioenergy with carbon capture and storage，简称BECCS），生物炭技术无需高昂的碳捕集与封存成本，热解技术较为成熟，即便在未通电的偏远乡村也能顺利制备。

在过去的二十年里，生物炭在减缓气候变化领域崭露头角，被纳入《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019年修订版》，成为助力碳中和目标实现的新兴力量。

负排放潜力巨大

此研究测算了中国16种农作物残留物、10种林业残留物、草类残留物和潜在的能源作物资源量，估计了中国生物炭的负排放潜力。

结果表明，在考虑原料收集效率、保持生态平衡、扣除其他基本用途的可持续情景下，中国生物炭的负排放潜力最大可达到每年9.2亿吨二氧化碳，几乎能满足所有符合2°C目标深度脱碳途径的负排放要求，也就是每年0.1亿吨~11亿吨二氧化碳。

结合中值约每年6.27亿吨二氧化碳的森林碳汇，以及生物炭的负排放潜力，中国有可能在不依靠BECCS或DACCS等未成熟技术的条件下实现碳中和，从而增加实现碳中和路径的技术和战略选择。

成本优势

生物炭的负排放成本可定义为，生物炭每捕获一个单位的二氧化碳，所分摊的成本减去收益。数值越小，代表成本越低。生物炭提供负排放的成本包括，生物质原料的采购、运输、储存，热解厂的投资、运行和维护，生物炭运输以及施用，收益包括副产品合成气的收入和施用后农作物增产收入。

研究表明，中国生物炭成本较低，平均净负排放成本为每吨二氧化碳90美元，其中，农林残留为原料的生物炭成本平均为每吨二氧化碳60~96美元，在有的地区甚至可以达到负值，即可以产生净收益。相比之下，BECCS的净成本通常为每吨二氧化碳30~400美元，DACCS为300~1000美元。

此外，由于原料类型与分布、土壤类型和PH等条件的不同，生物炭的负排放潜力与成本在区域层面差异很大，每吨二氧化碳在12~150美元不等。

由林业和农业残留物制备的生物炭成本最低。在华东地区，农林残留物占总可用生物质原料的比例为85%，因此这些地区的负排放平均净成本也较低。由于生物炭还田可以提高土壤质量，在山东、河南和广西的部分地区，将生物炭施用于高产谷物或甘蔗等其他高产作物时，甚至可带来显着的增产效益。而西北地区生物质资源稀少，生物炭的负排放成本也较高。这是因为相同的热解工厂处理的生物质较少，导致单位投资成本较高，进而影响了生物炭的经济性。

广西柳州，农民正在收割甘蔗，若制备和施用生物炭将提高产量和收入。图片来源：Cynthia Lee / Alamy

最后，与中等质地的土壤相比，粗质地和细质地土壤的增产协同效益更为显著，酸性土壤比碱性土壤产生更大的效益。因此，南方地区，尤其是浙江以南各省的部分耕地，将从施用生物炭导致的作物增产中受益最多。总体而言，华中、华南和华东地区不仅生物质资源丰富，而且成本较低，可以优先选择作为生物炭应用试点地区。

研究、核算和试点有待加强

目前，生物炭在中国很大程度上仅被视为一种可减少化肥投入、改善土壤质量和提高作物产量的绿色农业技术，在减缓气候方面的作用被忽视，主要原因是生物炭的碳影响研究和实践还不足。生物炭在中国仅产生每年50 万吨二氧化碳的负排放，这不足中国负排放需求的万分之四。

生物炭通过碳移除对减缓气候变化有积极影响，但存在不确定性。生物炭发挥作用，除了取决于生物炭的特性，还取决于应用生物炭的土壤。生物炭施用后，会影响土壤碳通量，即碳在土壤和大气间的移动情况。以及，生物炭在土壤中分解速度也需要纳入考量，目前仍需进一步研究。

从核算的角度，生物炭的碳移除能力和包含增产效益在内的负排放成本，目前尚无成熟完善、可操作性强的方法加以核算。没有可靠的核算方法，生物炭就无法被纳入国家核证自愿减排量（China’s Certified Emission Reduction ，简称CCER）项目及未来全球碳市场中。

此外，落实生物炭的农业价值和能源价值，即增加经济收益，也是关键问题。目前生物炭技术的主要收益来源于生物炭售卖和副产品收益，但其大规模实施仍然受制于较高的成本，特别是其热解的副产品难以商业化利用。

笔者认为，生物炭负排放技术的规模化试点，可以优先在农林残留物丰富的华东、华中和华南部分地区展开。这些地区的农业和林业残留物具有高碳含量和生物炭转化率，并且采收成本低，负排放成本较低。

山东、河南和广西部分地区种植了高产谷物或甘蔗等其他高产作物，可以开展试点，以充分利用生物炭还田增产收益和副产品收益，降低生物炭成本、提高其经济性。在生物炭试点地区还应着力改善合成气管网连接，加强相关基础设施建设，便于生物炭热解厂的合成气供应附近的工业供热或发电，扩大生物炭试点的合成气销售收入，进一步降低其负排放成本。