碎石可能成为下一个气候解决方案

在伊利诺伊州中部一个寒冷的十一月天展开的场景可能看起来很平常，但它是一个大胆计划的一部分，旨在从大气中吸收数十亿吨二氧化碳并将其封存在海洋中。

在厄巴纳以南几英里的地方，一辆自卸卡车隆隆驶过光秃秃的泥土地，然后转入相邻的场地。它倾倒了一堆小屋大小的灰蓝色沙子——190公吨的火山碎石，称为玄武岩。农民们将粉碎的玄武岩撒在几个田地上，几个月后他们在这些田地里播种了玉米。这是雄心勃勃的研究的第四年，旨在测试是否可以利用世界各地的农田同时解决三个全球危机：大气中不断上升的导致地球变暖的二氧化碳浓度、海洋酸化以及人类粮食供应短缺。

2024年2月发表的试验结果令人震惊。英国谢菲尔德大学的生物地球化学家大卫·比尔林和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的植物生理学家埃文·德卢西亚领导了这项研究。他们发现，经过四年时间，用玄武岩碎石处理并轮作玉米和大豆的田地，每公顷从空气中吸收的二氧化碳比未处理的地块多10公吨。作物产量也提高了12%到16%。在其他研究中，他们发现向土壤中添加玄武岩碎石可以将芒草（一种用于制造生物燃料的高秆草）的收成提高29%到42%，并且与未处理的田地相比，这些田地估计每年每公顷土地捕获8.6公吨二氧化碳。“这令人兴奋，”比尔林说。“我们感到惊喜。”

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他们的发现为其他地方的积极成果锦上添花。2020年，加拿大研究人员报告称，在种植生菜、羽衣甘蓝、土豆和大豆的田地中添加硅灰石矿物，以高达每年每公顷两公吨的速度将二氧化碳封存在土壤中。去年春天，伦敦初创公司UNDO Carbon的自然地理学家柯斯汀·斯科夫表明，玄武岩碎石提高了英国几个田地中春燕麦的产量，提高了9%到20%，同时降低了土壤酸度。

科学家、初创公司和大型企业正在尝试复杂的科技来减缓全球变暖：高空飞机向平流层释放二氧化硫，以阻挡部分入射阳光；地球表面的机器从大气中吸收二氧化碳；向海洋中撒播铁，以促进吸收二氧化碳的藻类生长。这些部署可以为人类争取更多时间，从化石燃料过渡到清洁能源，同时防止气候以永久的方式跨越危险的临界点。但这些奇异的方法需要大量资金和能源，或者可能威胁生态系统。简单地在田地上撒播碎石——就像农民几个世纪以来用石灰所做的那样——似乎令人耳目一新地低科技。“这是它优雅之处的一部分，”比尔林说。

伊利诺伊州的玄武岩来自宾夕法尼亚州南部的一个采石场，那里开采玄武岩用于屋顶和建筑材料。玄武岩是地壳中最丰富的岩石。当它自然风化——逐渐溶解在土壤水中时——它会捕获二氧化碳，将其转化为水中的碳酸氢根离子，这些离子不易重新进入大气。该反应还会向土壤中释放植物健康所需的重要营养物质，包括钙、镁和硅。研磨和撒播玄武岩——一种称为加速岩石风化（ERW）的方法——大大加快了这些过程。它可以通过提高作物产量、减少化肥用量并有可能允许他们出售碳信用额度来帮助全球资金短缺的农民。

看到这在公众和媒体中的反响“增强了我们对这是正确方向的信念。”——大卫·比尔林，谢菲尔德大学

根据比尔林的说法，如果ERW在全球范围内推广，每年可以从空气中去除多达20亿公吨的二氧化碳。这将覆盖人类必须减少的大气碳排放量的很大一部分，以将气温上升控制在1.5摄氏度以内，这被广泛认为是防止广泛灾难的必要目标。但ERW将需要每年开采和粉碎数十亿吨岩石——足以建造一座山——并将其运送到农场，所有这些都会释放二氧化碳。不过，计算表明，这些排放量与岩石储存数百年或更长时间的二氧化碳量相比微不足道——封存的二氧化碳比在树林中更持久。

ERW比其他所谓的负排放策略更新，到目前为止只进行了少数试验。然而，公司已经开始寻求出售与该技术相关的碳信用额度。诺亚·普拉纳夫斯基是耶鲁大学研究加速风化的生物地球化学家，他在这些不确定的情况下看到了希望。但他担心，如果ERW扩张过快，在技术完善之前，可能会产生令人失望的结果并引起强烈反对。“这有可能成为真正有影响力的事情，”他说。“而且你可以想象它有太多种糟糕的结局。”

ERW的想法基于对地球自然功能的基本洞察。在地质时期，火山喷发向大气中喷射了大量二氧化碳，使地球变暖。随后，喷发岩石经过数百万年的风化作用，将气体从大气中吸出，使地球降温。玄武岩之所以能有效捕获二氧化碳，是因为它们富含来自地球深处的钙和镁。如今，北美和南美、非洲、亚洲和其他地区的大片土地都被这些凝固的熔岩覆盖。

长期以来，科学家们一直在思考人类是否可以通过加速岩石风化来加速二氧化碳的去除。1995年，时任新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室物理学家的克劳斯·拉克纳提出加热玄武岩以更快地吸收二氧化碳。随着时间的推移，这个基本想法发酵成其他形式：将浓缩的二氧化碳注入地下热玄武岩层，在那里它们会形成碳酸盐矿物，或者在海洋中撒播粉状玄武岩，这将吸收二氧化碳，使碳下沉。

在2000年代后期，英国纽卡斯尔大学的博士候选人菲尔·伦弗斯注意到，他所在地区拆除的钢铁厂残骸在地面上积聚了白色的碳酸盐矿物 crusts。钢渣和混凝土碎片（均富含钙）正在与二氧化碳发生反应。2013年，他和时任德国汉堡大学地球化学家的延斯·哈特曼发表了一篇论文，建议可以将富含钙的岩石粉碎并撒在农田上，以捕获二氧化碳，同时改善土壤。

大约在那个时候，比尔林正在研究草原如何影响基岩的风化和二氧化碳的自然捕获。当他读到伦弗斯和哈特曼的论文时，他意识到他可以使用他的模型来预测玄武岩风化将在农田中如何展开。2016年，比尔林发表计算结果，预测每年在世界热带土地上撒播一两毫米的玄武岩粉尘，到2100年可以将二氧化碳水平降低30到300 ppm（百万分之几）。目前大气中的二氧化碳浓度约为425 ppm——高于工业革命前的280 ppm——预计到2100年将达到500到1200 ppm。该模型表明，ERW可以防止到那时气温升高0.2到2.2摄氏度。

常见的气候情景预测，如果人类要将升温幅度限制在2摄氏度以内，我们需要到2050年每年从大气中去除5到10吉吨二氧化碳。2018年，比尔林的团队发表了更新的计算结果，预测如果每年在美国70万平方公里的玉米和大豆耕地上撒播玄武岩碎石，每年可以从大气中去除0.2到1.1吉吨二氧化碳。

2020年，比尔林和他的合作者，以及伦弗斯，在《自然》杂志上发表了一份更完善的分析报告。他们估计，如果每年需要通过ERW在全球范围内捕获2吉吨二氧化碳，即使在考虑到采矿、粉碎和运输岩石时排放的二氧化碳之后，中国、印度、美国和巴西也可以承担其中80%的量。显然，需要结合使用多种碳捕获方法才能达到每年10吉吨的目标。但是，比尔林说，“如果你可以通过加速风化来实现2[吉吨]，并提高粮食安全和土壤健康，那就已经完成了20%。”

伊利诺伊州的试验提供了强有力的验证。玉米和大豆的种植通常会通过根系和土壤微生物的呼吸作用释放二氧化碳，但经过玄武岩处理的玉米-大豆田释放的二氧化碳减少了23%到42%。在美国范围内推广，每年可能避免排放2.6亿吨二氧化碳。

比尔林说，与地球工程方法（如将硫磺吊入天空或在海洋中撒播铁）不同，人们通常认为这些方法是对自然的冒险修补，ERW在论文发表时受到了好评。“看到这在公众和媒体中的反响很重要，”他说。这些反应“增强了我们对这是正确方向的信念。”

ERW与另外两种存在时间更长的基于土壤的碳策略根本不同。在一种称为生物炭的方法中，农民将剩余的植物物质部分燃烧，将其变成木炭——几乎是纯碳——将其犁入土壤中进行长期储存。在第二种方法中，剩余的植物材料在不炭化的情况下被犁回土壤中；这会将碳以有机分子的形式储存起来，可以滋养作物，尽管这些分子也可能返回大气中。

ERW将二氧化碳以溶解的碳酸氢盐形式捕获在土壤水中，这些水最终从农田流入溪流，最终流入大海，将二氧化碳以碳酸氢盐或海底固体碳酸盐矿物的形式储存在海水中。研究预测，ERW将可靠地将碳酸氢盐储存在海洋中100到1000年，这也可能有助于减少与气候相关的海洋酸化。更重要的是，ERW可以缓解另一个主要问题，这是其他两种方法无法解决的问题，这个问题困扰着世界各地的农民。

印度西海岸是岩石风化如何调节地球亿万年来大气二氧化碳水平的最引人注目的例子之一——这也是一些初创公司最早在该国推广ERW的原因之一。印度的沿海平原上点缀着稻田和村庄，突然升高1000米，穿过由陡峭山脊、V形峡谷、湍急河流和瀑布组成的混乱迷宫，到达一个高地高原。峡谷壁上布满了黄色和棕色玄武岩的交替层，标志着德干玄武岩的边缘，德干玄武岩是由大约6600万年前开始的一系列大规模熔岩流形成的。到5000万年前，地球异常温暖，二氧化碳水平几乎是今天的四倍。大约在那个时候，德干玄武岩开始以缓慢但有效的方式改变地球的气候。大陆漂移将它们带入赤道带，那里充沛的降雨和温暖的气温导致岩石更快地风化。风化矿物从空气中吸收二氧化碳，并将其冲入河流，流入大海，将其困在那里。

估计表明，在接下来的3000万年中，风化玄武岩从大气中吸取了超过100万吉吨二氧化碳，其中一些以碳酸盐的形式埋藏在海底。大气二氧化碳减少，气温下降，南极洲开始形成冰盖。

萨雷卡库尔德村庄位于印度中部中央邦，靠近德干玄武岩的东部内陆边缘。那里的人们种植水稻已有数百年历史，稻田呈零星分布，被柚木和红花胶树分隔开来。许多农民生活困苦，耕种着一到两个足球场大小的小块土地。他们平均年收入为1500美元，其中高达30%用于化肥和其他化学品。他们还面临着持续的风险。高达48摄氏度（118华氏度）的热浪会阻碍作物生长并扰乱所需的季风雨。持续的农业活动缓慢地酸化了黑暗肥沃的土壤，耗尽了土壤中钙和镁的储存，因为农民收获植物而不是让它们腐烂并将矿物质归还土壤。该地区土壤的平均pH值略呈酸性，约为6.4（7.0为中性），类似于唾液。这对种植水稻来说并不理想，因为酸化会损害植物对磷等养分的吸收，甚至可能改变土壤微生物的混合，使病原细菌或真菌滋生疾病爆发，从而损害作物。

自从农民们了解土壤酸度之前很久，世界各地的农民就一直在处理土壤酸度问题。在巴黎北部森林中发现的数十个坑表明，早在6000年前，农民就挖掘石灰石基岩，并将碎片撒在他们种植小麦、大麦和豌豆的田地上。后来，罗马人会将白垩状碳酸钙岩石撒在耕地上，以逆转“酸性”土壤。几个世纪以来，欧洲和北美的农民通过在田地上撒上富含碳酸盐的碎石灰石来中和酸度。

但是包括印度在内的许多地区的人们不容易获得石灰石。用石灰中和酸性土壤的过程可能会向空气中释放二氧化碳。在这些地方，ERW很有吸引力，因为它可以逆转这种动态，将空气中的二氧化碳转化为土壤中溶解的碳酸氢盐。

去年五月，萨雷卡库尔德的农民开始尝试ERW。休斯顿，德克萨斯州的ERW初创公司Mati Carbon的工人们从附近的采石场运来了1250公吨碎石，这些采石场开采德干玄武岩用于道路建设材料。该公司目前正在向中央邦及其邻近邦恰蒂斯加尔邦的180多个村庄免费提供玄武岩。他们计划每年增加更多的玄武岩。水稻产量平均提高了15%到20%，在某些情况下甚至高达70%。

“想象一下未来的农场。农民对其使命的部分看法是二氧化碳去除。”——诺亚·普拉纳夫斯基，耶鲁大学

Mati Carbon最近将其业务扩展到坦桑尼亚和赞比亚的少数几个村庄。“我们的使命是农民，”Mati创始人沙恩塔努·阿加瓦尔说，尤其是“这些规模较小、易受气候影响的农民。”该公司希望通过出售碳信用额度来赚钱。阿加瓦尔和Mati的首席科学家雅各布·乔丹估计，改善土壤、提高作物产量和减少化肥支出可以将贫困农民的收入提高10%到30%，使他们不易受到伤害。

尽管早期的试验前景广阔，但ERW的大规模推广将不得不克服一些严峻的现实，首先是它将需要的惊人数量的岩石。比尔林的计算表明，如果使用ERW每年捕获2吉吨二氧化碳，每年将消耗13吉吨玄武岩——约4.5立方千米的岩石，大致相当于马特洪峰的体积。这将需要比目前全球工业每年开采的约40吉吨砂、砾石和碎石多30%的采矿量。对于某些类型的岩石来说，这种增长可能是不可能的，但世界上的玄武岩储量确实巨大，广泛分布于全球各地。

采石场已生产的未使用的副产品玄武岩碎石可以弥补一些不足。富含钙的工业副产品也可以，例如碎混凝土、矿山尾矿、甘蔗制糖和燃煤产生的灰烬以及水泥、铝和钢铁生产产生的废物。但是，许多这些副产品都含有铬、镍、镉和其他有毒元素，因此它们可能可以在工厂院子或矿山尾矿堆中用于捕获二氧化碳，但不能在农田上使用。当需要额外的玄武岩开采和粉碎时，每吨将花费约10美元，并排放约30公斤二氧化碳。比尔林的团队在估计ERW的成本为每吨捕获的二氧化碳80美元至180美元时，考虑了这些因素（扣除排放量后）。

但还会有其他成本。在中国和印度——这两个在ERW方面最具农业潜力的国家——蓬勃发展的采石业因人权保护不力而受到批评。例如，印度的砂岩采石业雇用了300多万人。位于华盛顿特区的“人权中心”于2020年发布的一份报告发现，其中许多人是契约劳工——以低工资工作以偿还年利率高达20%的贷款的人，这使得他们很难偿还债务，并将他们困在工作中。这些工人可能面临危险的高温、岩石坍塌和旋流的矿物粉尘。

2022年的一项研究发现，印度东北部的采石场工人肺部和心脏健康状况不佳，血氧水平低，脉搏高，肺部气流差。如果采石场工人受伤、死亡或生病，妻子或子女可能会被迫工作以偿还债务。迪拜商业与人权资源中心的律师和劳工研究员布霍米卡·乔杜里撰写了2020年砂岩报告，他说，这些问题不仅限于印度：“我们在亚洲、非洲和南美洲各国的各地都看到了这些模式。”

采石业的任何大规模增长也将转化为更多景观被破坏——其中一些可能在敏感区域——尽管对于其他必须开采以支持更广泛的向可再生能源过渡的材料（如锂、钴、石墨和稀土元素）来说也是如此。即使克服了采矿挑战，ERW也可能无法在全球范围内像迄今为止所做的小型试验那样有效。例如，许多科学家认为ERW在温暖潮湿的热带地区效果最佳，因为玄武岩在那里风化得更快。但最近的两项研究使情况变得复杂。

比尔林的团队于2022年在马来西亚支持的一项试验，在棕榈油种植园的部分地区撒播玄武岩粉尘，结果尚无定论。比尔林怀疑，这些好处暂时被当地条件掩盖了。与伊利诺伊州的土壤相比，这些黑暗、刺鼻的土壤含有更多的腐烂有机物和更多的粘土；这些带电材料可以附着在玄武岩的分解产物上，阻止它们将二氧化碳转化为碳酸氢盐。“捕获二氧化碳存在延迟，”比尔林说。这种情况要到土壤结合溶解矿物质的能力饱和后才会发生，“这可能需要一年或五年，”他说。这还有待观察。

根据在澳大利亚东北部热带甘蔗田中进行的试验，酸度是另一个复杂因素。那里的土壤是酸性的，因此它可能会在玄武岩有机会与二氧化碳反应之前消耗掉玄武岩。去年10月发布的初步结果表明，二氧化碳捕获率仅为伊利诺伊州的约1%。凯恩斯詹姆斯库克大学的土壤科学家保罗·尼尔森帮助领导了这项研究，他说，仅通过在添加玄武岩之前中和酸性土壤可能很难解决这个问题，因为在潮湿的热带地区，酸度可能会延伸到地下数米，直至基岩。

目前，研究人员只是相信，无论从伊利诺伊州到澳大利亚的任何地方进行ERW，以溶解的碳酸氢盐形式捕获的二氧化碳都会渗入溪流，流过河流，到达海洋，而不会遇到高酸性环境。尼尔森说，如果它确实流经酸性环境，那么其中一部分“可能会在此过程中转化为二氧化碳”，返回大气。

尽管存在不确定性，但已经涌现出大约二十多家公司试图开发ERW。许多公司正在出售预期的碳捕获信用额度，在某些情况下，出售给微软和Stripe等希望将其碳足迹归零的公司。这种活动让耶鲁大学生物地球化学家普拉纳夫斯基感到不安。他意识到在另一个增长过快的碳市场中吸取的教训。近年来，公司出售了越来越多的“自愿碳抵消”，以保护森林，但其中一些项目后来被揭露为毫无价值。ERW是“一个可能真正有价值的机会”，可以去除二氧化碳，普拉纳夫斯基说，“但它不会在所有地方都有效。”他说，如果公司偷工减料，ERW可能会“在发射台上爆炸”。

威斯康星大学麦迪逊分校的能源科学家格雷戈里·内梅特说，为了让ERW在2050年之前产生重大影响，它需要迅速扩张。去年五月，他和他的同事发表了一项研究，分析了新型二氧化碳去除方法（如ERW、直接空气捕获机器以及使用从烟囱捕获二氧化碳的生物燃料）的综合潜力。内梅特说，从现在到2050年，这些方法需要“每年增长约40%，每年都是如此”。这听起来很极端，尽管他说电动汽车和太阳能的扩张速度甚至更快，持续了10年或20年。如果加速风化最终的成本为每吨二氧化碳80美元至180美元，正如比尔林的团队预测的那样，它可能比直接空气捕获（目前每吨400美元至1000美元）更便宜，并且与烟囱捕获的生物燃料（今天每吨100美元至300美元）相似。

如果ERW真的大规模实现，普拉纳夫斯基（他的家人经营农场）看到了超越二氧化碳去除的潜在社会效益。建造从空气或烟囱中捕获二氧化碳的机器将为大公司带来利润。但是，对于像ERW这样的低科技方法，即使是小农户也可以出售碳信用额度。“想象一下未来的农场，”他说。“农民对其使命的部分看法是二氧化碳去除。”