从稀薄的空气中提取碳能减缓气候变化吗？

在 1997 年末的一个晚上，11 岁的克莱尔·拉克纳走进她父亲的书房，想为她的六年级科学课寻找一个实验想法。她的父亲克劳斯·拉克纳碰巧是一位在洛斯阿拉莫斯国家实验室从事核聚变研究的物理学家。他越来越怀疑聚变能否取代肮脏燃料，并开始思考如何将温室气体从大气中去除。因此，他建议克莱尔尝试从空气中捕获二氧化碳。她买了一个水族箱泵，将空气鼓入装有碳酸钠（一种碱）的试管中，碳酸钠与气流中的酸性 CO₂ 结合，一夜之间去除了约 10% 的二氧化碳。克莱尔在县科学展览会上获奖，她的父亲后来撰写了一篇论文，认为从空气中提取 CO₂ “在降低全球变暖方面具有合理的成功概率”。

自 20 世纪 50 年代以来，科学家们就知道如何去除潜艇和宇宙飞船内的 CO₂，以防止船员窒息。但拉克纳的论文是第一个提出我们可以从大气中去除 CO₂，以保持地球这艘宇宙飞船适宜居住的观点。他说，克莱尔的实验表明，“这并不那么难。”

几年后，拉克纳与人共同创立了一家名为 Global Research Technologies 的公司，并于 2007 年首次演示了一项从周围空气中提取 CO₂ 的技术，这种方法现在称为直接空气捕获 (DAC)。该设备是一个高高的有机玻璃箱，里面装有涂有干燥的 CO₂ 吸收树脂的塑料片。箱门像衣柜一样打开，让空气流过塑料。当门关闭时，塑料片会被喷上水雾，释放出 CO₂，CO₂ 被捕获在一个罐中，以用于工业或秘密埋藏在地下。同年，维珍大西洋航空公司老板理查德·布兰森宣布为一项“商业上可行”的去除大气中温室气体的技术设立了 2500 万美元的奖金。

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尽管化学原理可能“并不那么难”，但 DAC 需要大量的设备和大量的能源——因此也需要大量的资金。2008 年金融危机爆发后，Global Research Technologies 耗尽了资金。布兰森从未颁发他的奖金；一位发言人在 2010 年表示，2500 个参赛作品中没有一个准备好吸走任何大量的 CO₂，他还承认公众对干预大气层越来越感到“不安”。尽管一些初创公司继续开发他们的技术并开设小型工厂，特别是瑞士的 Climeworks 和加拿大的 Carbon Engineering，但 DAC 还是淡出了人们的视线。

然而，自 2000 年代以来，全球排放量仍在持续上升，地球也变得越来越热。科学家们越来越认识到，要将升温幅度限制在《巴黎气候协定》设定的高于工业化前温度 1.5 摄氏度的目标之内，不仅需要大幅削减排放，还需要在本世纪从大气中抽出数千亿吨的 CO₂。最明显的方法是植树。但即使是一万亿棵树也远远不够，而且树木可能会燃烧或死于疾病，释放出它们储存的碳。拉克纳说，在 2000 年代，世界还没有为 DAC 做好准备。“现在我认为我们已经太晚了，不能没有它。”

为了实现到 2050 年达到净零排放的目标，拜登政府正试图通过建设可再生能源、将汽车到家庭供暖的一切电气化，以及鼓励发电厂的碳捕获和封存来大幅减少碳污染。但是，难以消除的排放，例如来自长途航空旅行、航运、农业以及水泥和钢铁生产的排放，可能必须从大气中去除，因此政府正试图加快 DAC 的发展。人类制造了造成混乱的机器；现在我们将建造更多的机器来清理它。如果世界能够开始去除比排放更多的排放——即所谓的负排放——碳去除甚至可能开始略微降低全球气温。

美国计划到 2050 年每年减少和储存超过 10 亿吨的 CO₂，超过目前排放量的五分之一。为了实现这一目标，碳去除必须在短短几十年内成为世界上最大的产业之一，每年扩张超过 40%。这远快于大多数技术的发展速度——尽管这与太阳能电池板和电动汽车的发展速度相当。“这将是人类有史以来做过的最伟大的事情之一，”威斯康星大学麦迪逊分校公共政策学教授格雷戈里·F·内梅特说，他写了一本名为《太阳能如何变得廉价》的书。“我们有史以来做过的最困难的事情之一。但并非史无前例。”

2021 年和 2022 年的关键气候法律包括一项针对 DAC 的重大税收减免和 35 亿美元的资金，用于建设几个区域性 DAC 中心。与此同时，大公司开始寻求购买碳去除信用额度，以抵消其碳足迹。企业可以购买一个信用额度，用于 DAC 公司封存的一公吨 CO₂，而不是自己减少相同数量的排放。为此，美国已提议建立 130 多个商业 DAC 工厂。几乎所有这些工厂都是由一家石油公司计划的，该公司将 CO₂ 地下注入，以从旧矿床中挤出更多原油。美国能源部长珍妮弗·格兰霍姆将 DAC 描述为“巨型真空吸尘器，可以将数十年前的旧碳污染直接从天空中吸走”。但现在的问题是，它是否也会最终将新的碳污染排放到大气中？

今年早些时候，我驱车向东一小时，从旧金山前往参观美国第一家商业 DAC 工厂，这家工厂是硅谷初创公司 Heirloom Carbon 在加利福尼亚州特雷西郊外的农田里与格兰霍姆部长一起揭幕的。在听取了安全简报并戴上安全帽后，Heirloom 首席执行官沙山克·萨马拉（Shashank Samala）——一位身材苗条、留着胡须、笑容爽朗的男人——带我走到了围绕工厂核心的白色网状围栏后面。

在里面，该操作类似于一个超大的工业厨房。数百个装有看起来像白色面粉的塑料托盘堆放在 12 米高的塔中。矩形机器人在塔之间的垂直梁上上下移动，检查面粉，这实际上是粉碎的石灰。石灰吸收流经托盘的空气中的 CO₂，在约三天的时间内形成碳酸钙——石灰石粉末。然后，一个更大的、带叉车的轮式机器人从堆栈底部拉出托盘，并将粉末倒入通往外部 900 摄氏度窑炉的管道中。当加热时，石灰石释放出 CO₂ 并变回石灰。CO₂ 被压缩并泵入一个大罐中。稍后，它将被注入地下或混合到湿混凝土中，将碳锁定数个世纪。石灰回到托盘上，以吸收更多的 CO₂。

萨马拉在印度海得拉巴一间 18 平方米的房子里长大，他的母亲在风扇上挂了一条湿毛巾，试图在热浪期间让家人凉爽。他的父亲在美国一家 Dippin’ Dots 冰淇淋摊位和一家药店工作，并在萨马拉 12 岁时将家人带到了缅因州。在康奈尔大学学习经济学和机器人技术并在支付公司 Square 工作后，萨马拉于 2013 年在旧金山与人共同创立了一家公司，该公司在几天内构建并交付定制电路板。

但萨马拉越来越担心包括印度在内的气候灾难。《政府间气候变化专门委员会》(IPCC) 2018 年的报告首次表示，可能需要碳去除才能将全球变暖控制在 1.5 摄氏度以内，这让他相信，如果没有这项技术，“地球就没有未来”。两年后，他与化学工程博士生诺亚·麦奎因 (Noah Mc­­Queen) 共同创立了 Heirloom。他们开发了一种可以扩展到数百家工厂的方法，摒弃了其他 DAC 初创公司的化学溶剂、复杂过滤器和高功率风扇，转而采用廉价的石灰石和温和的气流。

大约在同一时间，大型科技公司开始投资碳去除，有时是为了抵消自身相当大的排放量。在 Heirloom 在纸上宣布其技术后的几个月内，在线零售服务公司 Stripe 和 Shopify 承诺为未来的 CO₂ 信用额度向其支付数十万美元，他们自己也在努力帮助启动对碳去除的需求。第二年，Heirloom 从包括比尔·盖茨的突破能源风险投资基金在内的一群投资者那里筹集了 5300 万美元，并在埃隆·马斯克 (Elon Musk) 1 亿美元的 XPRIZE 竞赛中赢得了 100 万美元的初步奖金，该竞赛旨在去除每年 1000 公吨的 CO₂，并“展示通往”数十亿公吨的途径。这家初创公司开始建设特雷西工厂。2023 年 8 月，美国能源部授予 Heirloom 和 Climeworks——后者在冰岛一个山地高原上运营着世界上唯一的另一家 CO₂ 封存商业 DAC 工厂——高达 6 亿美元的资金，用于在路易斯安那州西部与项目经理 Battelle 一起建设一个 DAC 中心。这个名为 Cypress 项目的联合中心旨在每年捕获 100 万公吨的 CO₂，并将其注入地下。

美国能源部和科技公司（其中几家公司现在已投入 10 亿美元用于投资碳去除）的目标是通过提高产能来降低 DAC 的价格。目前，通过 DAC 去除一公吨 CO₂ 的信用额度成本约为 1000 美元，是同等植树造林成本的许多倍。但萨马拉表示，规模经济可以降低这一成本。“这将很快沿着成本曲线下降，”他在压缩机的嗡嗡声和真空泵类似铙钹的撞击声中说道。“你只是把石头放在托盘上。”

在加利福尼亚州之后，我去了 Cypress 项目的未来所在地 Gray Ranch，这是路易斯安那州海岸400 平方公里的沼泽牧场，就在得克萨斯州州界对面。从休斯顿开车到路易斯安那州查尔斯湖，我经过了斯平德尔托普山，那里的一股 60 米高的喷油井在 1901 年开启了得克萨斯州的石油繁荣。Gray Ranch 的收入仍然有一半来自租赁土地用于木材、牧场和石油开采，家族后裔格雷·斯特里姆（Gray Stream）说，他是一位身材瘦削、金发碧眼的男人，穿着靴子、牛仔裤、一件绣有姓名首字母的蓝色衬衫和一个大的鹈鹕皮带扣，在他的柱廊历史豪宅里等着我。但他希望碳封存将成为其下一个大产业，从 Cypress 项目开始。

我爬进斯特里姆和四名员工乘坐的黑色凯迪拉克凯雷德，驱车 50 公里前往现场。我们在一条砾石路旁的一片草地上下了车，不远处就有一个油井。当我们交谈时，蚊子和秃鹫开始盘旋。三年之内，这个地方看起来更像是一个科幻电影片场，而不是一个牛牧场。Climeworks 的最新技术是一个边长 23 米的立方体，侧面是网状结构，边角是圆形的，顶部伸出 16 个风扇喷嘴，由巨大的混凝土底座抬离地面。大约 60 个立方体将成排排列，通过压缩机和管道连接。每个立方体内部都有 16 个通风箱，里面装有涂有氨基衍生吸附剂的过滤器，这些过滤器将从风扇通过网状墙壁吸入的空气中捕获 CO₂。当箱子关闭并充满 100 度蒸汽时，CO₂ 将被释放到管道中进行封存。从牧场，捕获的 CO₂ 将被泵送约 11 公里到牧场的另一部分，斯特里姆的团队将在那里将其深埋地下。Heirloom 原本计划在这里 Climeworks 旁边建造一座工厂，但在我参观之后，它将其 Cypress 项目的一部分转移到了北部，靠近其在路易斯安那州什里夫波特开发的另一个工厂，该工厂将在路易斯安那州中部的一个木材种植园下封存 CO₂。

我们回到凯雷德，驱车前往封存地点，同时留意着鳄鱼。20 分钟后，我们到达了驳船运河和废弃的风车之间的另一片草地。斯特里姆在 2018 年产生了在这里注入碳的想法，此前非政府组织、能源公司和来自化石燃料州的参议员联合起来，将一项名为 45Q 的税收减免增加了一倍以上。这使得海湾沿岸的天然气和石化产品生产商等公司每捕获一公吨 CO₂ 并将其封存在地下（一种称为碳捕获和封存的过程），就可以获得高达 50 美元的税收抵免。2022 年，包括西弗吉尼亚州参议员乔·曼钦（参议院石油和天然气捐款的头号接受者）在内的一个联盟帮助将 45Q 提高到每公吨从烟囱捕获的 CO₂ 85 美元，以及每公吨通过 DAC 捕获的 CO₂ 180 美元。对于他们在 Cypress 项目中去除的每一公吨 CO₂，Climeworks 和 Heirloom 都可以申请税收抵免，同时还可以向希望抵消其排放的客户出售碳信用额度——所有这些都发生在能源部匹配高达 6 亿美元的项目投资的同时。为了封存 CO₂，Climeworks 将向斯特里姆支付费用，他的牧场坐落在“生日蛋糕”般的地质层之上，非常适合将其困在地下。“地质是神奇之处，”斯特里姆说。

这种地质结构始于 6500 万年前，当时落基山脉向上隆起，年轻的密西西比河等河流开始将破碎的沙子颗粒向下输送到墨西哥湾。经过漫长的岁月，新的沉积层堆积起来，在其重量下，下面较老的沉积层被压缩成多孔砂岩。时而海平面会上升，沉积一层泥泞层，变成页岩。在 Gray Ranch 等地，页岩层形成一个不透水的“盖层”穹顶，可以将通过井注入到下面砂岩孔隙中的 CO₂ 密封起来。斯特里姆说，这种分层使墨西哥湾沿岸成为“孔隙空间的沙特阿拉伯”，有空间容纳估计的 1000 亿公吨 CO₂。

如果路易斯安那州批准斯特里姆的油井许可证，他的团队将向下钻探 2750 米穿过页岩，并开始将压缩的 CO₂ 注入下面的砂岩中。地质学家将使用仪器监测超稠密 CO₂ 气羽从孔隙中排出盐水并向上迁移到页岩穹顶的情况，监测它是否保持被困状态。他们计划在 30 年内在三个地点注入 1 亿公吨的压缩 CO₂。但对地下进行建模可能很困难。在北海的一个碳封存项目中，气羽突破了八层薄页岩层，然后才被先前未发现的第九层页岩层困住。路易斯安那州还有 12 万口废弃油井，CO₂ 可能会从中逸出，尽管斯特里姆说，他的封存地点附近的六口油井都已正确封堵。

然而，以黑人为主的查尔斯湖居民担心，运输 CO₂ 到现场的管道可能会破裂。2020 年，一个多州 CO₂ 管道网络发生泄漏，导致邻近的密西西比州 45 人住院，今年 4 月，查尔斯湖郊区的另一起泄漏迫使官员发布就地避难令。更广泛地说，他们担心 Cypress 项目将有助于延续环境种族主义的遗留问题。每天晚上，该地区都会被二十多家化石燃料和石化设施的火焰映成橙色。在开车返回斯特里姆的湖畔住宅的路上，我们经过了韦斯特莱克化工厂，那里 2022 年发生的一起爆炸事故造成 6 名工人受伤。隔壁的一家氯气厂在 2020 年劳拉飓风袭击后被烧毁。另外两家工厂被发现泄漏环氧乙烷和苯，这些化学物质可能导致白血病等癌症。

DAC 中心必须造福当地社区。但罗伊谢塔·西布利·奥赞 (Roishetta Sibley Ozane) 是一位黑人环境正义活动家，她的孩子患有哮喘和癫痫，可能与污染有关。她说，能源部在已经选择他们作为未经证实技术的“豚鼠”之后才咨询了查尔斯湖居民。她担心，Gray Ranch 的 CO₂ 封存将吸引更多的天然气和石化工厂，因为斯特里姆计划也注入工业设施的洗涤器捕获的 CO₂。至少有十几家配备洗涤器的燃料工厂已在路易斯安那州提出。“我没有答案，”奥赞说。“我们必须阻止现在正在发生的事情——而这看起来不像是在已经不堪重负的工业社区中建立一个巨大的 DAC 中心。”

DAC 仍然需要回答谁来付费的问题。美国能源部估计，当该行业每年从大气中去除 10 亿公吨碳时，每公吨的成本将降至 100 美元以下，这将使其仅根据 45Q 税收抵免就能盈利。然而，苏黎世联邦理工学院研究人员 4 月份的一项研究预测，DAC 每公吨仍将花费约 360 美元。按此费率，吸走 10 亿公吨的成本可能超过美国国内生产总值的 1%。而且，很难想象即使是现金充裕的科技公司也愿意每年自愿花费数千亿美元用于信用额度。内梅特说，美国政府——或至少许多州——可能不得不以某种方式限制公司的排放，并迫使污染者付费去除 CO₂。加利福尼亚州已经开始：想要在该州销售汽油和柴油的公司必须减少排放或购买信用额度。如果获得批准，Climeworks 和 Heirloom 可以将其中一些信用额度出售给他们。

除了设备之外，能源是主要成本。百万吨级的 Cypress 项目将消耗相当于 23 万户美国家庭的电力。去除 10 亿公吨将需要高达两倍于美国 2023 年通过可再生能源产生的电力。即使没有额外的需求，美国也没有按计划实现其可再生能源目标。批评人士认为，对 DAC 的投资最好用于取代天然气和煤炭发电，天然气和煤炭发电仍然占美国电力的大部分。斯坦福大学土木与环境工程教授马克·Z·雅各布森 (Mark Z. Jacobson) 2019 年的一项研究表明，用风力发电运行 DAC 工厂在 20 年内排放到大气中的 CO₂ 将比用相同的风力发电取代燃煤电厂多出 42%。而且它不会减少二氧化硫等煤炭污染物。“在每家化石燃料工厂和每家生物能源工厂消失之前，直接空气捕获没有任何好处，”雅各布森说。“它总是会增加空气污染、增加 CO₂、增加燃料开采、增加化石燃料基础设施。”

还有人担心 DAC 会对科学家所说的大幅减少化石燃料使用构成“道德风险”：如果您认为以后可以将其吸出空气，为什么要停止燃烧碳？世界在实现 1.5 摄氏度的目标方面远远落后，但包括美国在内的主要石油和天然气国家计划将产量增加到 2050 年。“对这些未来投机性技术修复的依赖延迟了目前真正的气候行动，”国际环境法中心分析师莉莉·福尔说。事实上，DAC 最大的私人投资者是美国主要的石油公司西方石油公司 (Oxy)，其首席执行官表示，这项技术意味着“没有理由不永远生产石油和天然气”。

在 Gray Ranch 之后，我沿着海岸向南驱车前往得克萨斯州科珀斯克里斯蒂，这是一个主要由拉丁裔人口组成的城市，曾经以其海滩而闻名，但现在已成为美国最大的石油出口港。除了 Cypress 项目外，美国能源部还向西方石油公司在此开发的 DAC 中心提供了高达 6 亿美元的资金。Climeworks 和 Heirloom 表示，DAC 不应成为扩大化石燃料的理由，但对于西方石油公司来说，它是销售“净零石油”战略的一部分。其想法是，燃烧新生产的石油产生的排放量将被西方石油公司 DAC 业务捕获的 CO₂ 抵消。西方石油公司已经在得克萨斯州西部建设一个独立的 50 万吨 DAC 工厂 Stratos，并将在那里捕获的部分 CO₂ 注入旧油井，以迫使更多原油流出，这种做法称为提高石油采收率 (EOR)。去年，西方石油公司首席执行官薇姬·霍鲁布 (Vicki Hollub) 表示，DAC“为我们的行业提供了在未来 60、70、80 年继续运营的许可证，我认为这在未来非常需要。”

在科珀斯克里斯蒂以南 15 公里处，经过一座大型教堂、一家烟花店和一些昆西特小屋，砾石路来到一个“禁止入内”的标志前。十几台风力涡轮机在海风中隆隆作响。在一排矮小的牧豆树后面是金牧场，这是一个比罗德岛州还大的庄园，激发了詹姆斯·迪恩主演的石油繁荣电影《巨人》的灵感。最早在明年，西方石油公司的南得克萨斯州 DAC 中心将从这些棕褐色田野中拔地而起。西方石油公司拒绝置评或让我参观现场，但在线效果图表明，它将是一组带有穿孔黑色墙壁的长建筑物，其金属屋顶上有一排巨大的圆形风扇。风扇将吸入空气穿过可渗透的墙壁，在那里，流过蜂窝状塑料片的氢氧化钾将与 CO₂ 结合，形成碳酸钾溶液。在“颗粒反应器”中将其与氢氧化钙结合将产生石灰石颗粒，这些颗粒可以在窑炉中加热，将 CO₂ 释放到建筑物后面的几排罐中。

该中心的开发迄今为止一直笼罩在神秘之中。在金牧场历史中心区（位于西部 40 公里的金斯维尔）的一次小巴游览中，我们的导游花了一个半小时谈论其著名的赛马和矮胖的橙色牛。但她将我关于 DAC 中心的问题转给了管理层，管理层从未回复我的多次电话和电子邮件。金牧场博物馆的档案管理员说，未经许可她不能说话。当地商会主席说，他签署了一份保密协议。为该中心游说的县法官同意接受我的两次采访，但两次都取消了。“我不知道我们是否被允许谈论它，”一位在牧场入口附近清理灌木丛的工人说。

西方石油公司的霍鲁布是恶棍还是有远见卓识的人，这取决于你问谁。这位阿拉巴马州本地人从石油钻井平台工程师一路晋升，并于 2016 年成为美国一家大型石油公司的第一位女性首席执行官。在美国提高 45Q 税收抵免两年后，她开始开发 Stratos。部分原因是西方石油公司已成为得克萨斯州最大的 EOR 生产商。最大的 EOR 生产商。在 EOR 期间，压缩的 CO₂ 取代了卡在岩石孔隙中的石油，产量提高了 25%。大部分 CO₂ 被封存在矿床中，但消费者最终会燃烧产生的石油，从而产生更多排放。西方石油公司从天然气储层中开采 CO₂，一直在寻找其他来源。

霍鲁布意识到，通过 DAC 获取 CO₂，该公司可以获得三重胜利：获得税收抵免、出售碳信用额度和生产更多石油。在霍鲁布成功游说国会将 DAC 加 EOR 的信用额度提高到每公吨 130 美元后，她宣布西方石油公司将在 2035 年前开设 130 家 DAC 工厂。当美国能源部选中其南得克萨斯州 DAC 中心时，西方石油公司以 11 亿美元收购了加拿大 DAC 技术公司 Carbon Engineering。它现在已与一家韩国炼油厂达成协议，提供净零石油，并已向包括微软、空客和亚马逊在内的公司出售了与 EOR 无关的碳信用额度。

雪佛龙和壳牌都在投资石油钻探和 DAC，并且已获得较小的拨款来推进他们自己的 DAC 中心。美国能源部表示，这项资金可以帮助扩大这项技术的规模，造福所有人，同时促使这些公司摆脱化石燃料。美国能源部化石能源和碳管理办公室副主任珍妮弗·威尔科克斯 (Jennifer Wilcox) 在 3 月份告诉我（她后来离开了美国能源部），“这给了他们一个转型机会。而这些公司拥有实际做到这一点的资源和资产。”

但圣母大学社会学家艾米丽·格鲁伯特 (Emily Grubert) 此前曾在美国能源部从事 DAC 中心工作，她说“付钱给石油公司停止采油”是徒劳的。她和其他人认为，碳去除行业应该国有化，政府限制排放并为捕获付费，类似于市政大气垃圾收集。奥赞等活动家呼吁这些中心至少部分由社区所有。格鲁伯特说，不受监管的营利性 DAC“将被化石燃料行业俘获”。

在 Heirloom 特雷西工厂的剪彩仪式上，萨马拉将 DAC 比作一台时间机器，可以带我们回到更早、不那么糟糕的气候。但夏威夷大学海洋学家大卫·何 (David Ho) 去年在《自然》杂志上写道，就目前而言，DAC 时间机器“几乎毫无用处”：鉴于人类每年排放 400 亿公吨 CO₂，每个 DAC 中心每年去除的 100 万公吨只会让我们回到过去 13 分钟。

但假设世界各国到 2050 年将碳排放量削减 90%。那么，数千家使用过剩可再生能源运行的 DAC 工厂可以减少最后的 10% 以实现净零排放。IPCC 建模显示，在这种情况下，全球气温可能会在高于工业化前水平 1.6 摄氏度时达到峰值。

如果我们继续建设大量的额外 DAC 产能，我们就可以开始扭转气候变化的时钟。到 2100 年从大气中去除 2200 亿公吨 CO₂ 将使气温降至高于工业化前水平约 1.3 摄氏度，仅比今天略高。今年美国的热浪、亚马逊的干旱以及阿富汗和巴基斯坦的洪水等致命灾难将继续发生。但它们发生的频率将只有我们目前正走向的 2.9 摄氏度变暖的一半。如果做得好，碳去除也可以成为环境正义的工具，减少未来主要由富人排放造成的灾难，而受害的主要是穷人和弱势群体。

何说，为了让我们有机会实现那样的未来，我们现在就需要加大对 DAC 的投资。“如果我们把所有累积的排放物都留给后代，”他说，“几乎是我们的责任给他们一种去除它的工具。”