从天空清除碳  

不久之前，人们似乎认为减少温室气体排放就足以拯救世界免受气候变化的影响。用清洁能源取代化石燃料发电厂，提高汽车和建筑物的效率，改用LED灯，少吃肉等等。即使是政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2005年也认为，大幅削减排放和促进可再生能源看起来是解决问题的答案。但是，该策略并未按计划奏效。全球排放量反而上升而不是下降。现在看来，即使到2050年将全球年度净排放量降至零也不够。

气候专家认为，为了防止经济和环境崩溃，我们现在还必须实现负排放。这样做意味着每年从大气中移除数十亿吨二氧化碳。这就像在说我们不能再把垃圾扔出去——而且我们需要逐渐收回过去扔出去的垃圾。

根据德国墨卡托全球公域与气候变化研究所的Jan C. Minx于2018年领导的一项研究，大规模的负排放已成为实现气候变化目标的“生物物理学要求”。他和他的合著者在《环境研究快报》中警告说，如果世界希望将升温幅度限制在1.5摄氏度以内，那么弄清楚如何实现这一目标是“当务之急”。作为2016年《巴黎气候协定》的一部分，地球上几乎每个国家都认可了这一目标——并以“远低于”2摄氏度作为后备方案。目前全球气温比工业化前水平高出约1摄氏度。但它正以每十年0.2摄氏度的速度上升。政府间气候变化专门委员会在2018年10月的一份特别报告中警告说，如果我们希望避免超过1.5摄氏度，即大多数科学家认为如果我们希望或多或少地维持我们所知的生活方式所能承受的最高水平，我们只有12年的时间来采取行动。

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保持在该阈值以下需要特定的“碳预算”，即我们可以在不将升温幅度推高到该温度以上的情况下添加到大气中的二氧化碳总量。Minx及其合作者表示，按照今天的排放量——每年约400亿至500亿吨——在1.5摄氏度的情景下，“可能只剩下五年的二氧化碳排放量”。（在本文的其余部分，我们使用“吨”来表示“公吨”。）此后，每增加一吨都需要同等量的撤回。他的团队估计，到2100年，世界需要从大气中移除1500亿吨至超过一万亿吨的二氧化碳——大约每年20亿至160亿吨，从2050年开始，本世纪晚些时候这个数字将显著增加。

Minx和他的团队指出，为了做到这一点，我们必须从2030年开始，也就是从现在起仅仅11年，每年开始建造“数百个”碳捕获和储存装置。这可能意味着部署大型机器从空气中提取二氧化碳，或者开发生物能源发电厂，这些发电厂燃烧树木（在持续轮作中生长），并在一个设施中捕获排放物，并将它们深埋地下永久埋葬。低技术选择包括重新种植被砍伐的森林或扩大现有森林，改善农田和牧场土壤，使其能够容纳更多的碳，以及粉碎和散播某些可以吸收二氧化碳的岩石。

然而，大多数高科技碳捕获方法仍处于开发的早期阶段。它们需要巨额投资，并且存在相当大的失败风险，并会产生重大的副作用，包括与已经用于养活人类或为野生动物提供栖息地的土地竞争。

然而，大规模地进行碳捕获似乎是我们唯一的选择。华盛顿大学统计学家Adrian E. Raftery及其在2017年《自然气候变化》杂志上发表的一项研究的合作者研究了当前趋势（不包括负排放技术），他们发现，到本世纪末，我们正朝着升温3.2摄氏度的方向发展，升温幅度在2摄氏度至4.9摄氏度之间。在随后发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，德克萨斯A&M大学气候科学家杨阳旭和一位同事将高于3摄氏度的升温归类为“灾难性的”，将高于5摄氏度的升温归类为对“大多数[人类]人口构成生存威胁”。

那么，让我们假设本世纪需要一万亿吨的负排放——从2050年到2100年平均每年200亿吨。每种方法可以占到多大的份额，成本是多少？考虑到各种方法对某些资源（如土地）的竞争，追求的最佳组合是什么？我们能否拿出政治意愿来追求负排放——同时大幅削减我们当前的二氧化碳排放量？

净化空气

在冰岛雷克雅未克郊外山麓的硬化熔岩巨石和苔藓地上，一台一车库大小的机器将空气吸入化学过滤器，从中提取二氧化碳。它由隔壁地热发电厂的废热提供动力，并将捕获的二氧化碳泵送到地下700多米处，在那里，气体与玄武岩发生反应并变成固体矿物。瑞士初创公司Climeworks称该操作为世界上第一个直接空气捕获和储存工厂。它每年封存少量50吨二氧化碳。

直接空气捕获和储存可能是实现负排放最直接的途径：风扇阵列将从空气中收集二氧化碳并将其掩埋。科学情景预测，到本世纪末，这项技术每年可以移除100亿至150亿吨二氧化碳；一些专家认为，可能达到350亿或400亿吨。这种诱人的前景让许多气候科学家担心这可能会构成道德风险：人们可能会认为他们现在可以推迟化石燃料减排，寄希望于未来的技术拯救。

另一项2018年发表在《环境研究快报》上的研究对移除方法进行了最全面的审查，对情况持更冷静的看法。墨卡托研究所的Sabine Fuss和她的同事审查了成本、副作用、环境可持续性和其他因素，以预测七种主要移除方法的碳封存潜力。Fuss和她的合著者认为，到2050年，直接空气捕获的潜力仅为每年5亿至50亿吨——本世纪总计250亿至2500亿吨——成本为每吨100至300美元。作为参考，我们的汽车每年通常排放4.6吨二氧化碳。

世界资源研究所食品、森林和水项目部的James S. Mulligan表示，事实上，空气捕获“并非万能药”。“它不是闪闪发光的物体。它有点像一个粗糙的物体。但我们需要它。”一些研究人员声称，他们可以将成本降至每吨100美元以下。然而，如果大规模实现这一目标的时间线与太阳能从20世纪50年代的卫星应用发展到今天广泛的市场渗透所花费的60多年时间类似，Minx表示“可能为时已晚”。

直接空气捕获也消耗大量能源。伍斯特理工学院化学工程教授Jennifer Wilcox表示，每年移除一百万吨二氧化碳将需要一座300至500兆瓦的发电厂。如果那是一座燃煤电厂，它产生的排放量将超过它移除的排放量。如果电力来自太阳能或风力发电场，它将占用大量土地，而这些土地可能已经被农业或自然所需求。当然，一百万吨对于每年200亿吨的目标来说只是杯水车薪。

现在建造这样的工厂可能对于开发在更大的、更高效的规模上建造它们的诀窍至关重要。劳伦斯利弗莫尔国家实验室能源项目首席科学家Roger Aines表示：“但是，如果你今天花钱建造2000万吨的直接空气捕获，那将是错误的。”“这将需要大量的太阳能和风能，如果你有那么多的太阳能和风能，最好的办法是将其接入电网并关闭一座燃煤电厂。”防止新的排放仍然是压倒一切的优先事项。

修复方案组合

Fuss的研究并没有简单地将七种碳捕获方法的潜力相加，因为其中一些方法争夺相同的资源。例如，过多的植树造林会占用种植生物能源发电厂燃料所需的土地，而过多的生物能源可能会与直接空气捕获争夺地下碳封存空间。气候科学家表示，我们需要优化方法组合。

苏格兰阿伯丁大学土壤与全球变化教授Pete Smith表示，开始构建这种组合的一种方法是扩大“我们已经知道如何做的事情”。“我们知道如何植树。我们知道如何恢复泥炭地，基本上是通过提高地下水位，”这样泥炭就可以捕获二氧化碳而不是排放二氧化碳。“我们知道如何提高土壤碳含量……激励这些事情[相对]容易，并且可以立即完成。这将使我们走出一部分路程。”

以植树造林为例。可悲的是，由于树木被砍伐和焚烧，或者遭到破坏的森林退化，世界热带森林已成为二氧化碳排放源，而不是汇。要使森林重回负排放领域，首先需要在国际木材市场进行重大改革，该市场受到非法贸易的严重影响。除此之外，植树造林的明显场所是曾经为了农业或放牧而被砍伐，但由于生产力低下而被废弃的土地。伍兹霍尔研究中心的Richard Houghton于2015年在《自然气候变化》杂志上领导的一项研究表明，如果资金充足，恢复500万平方公里的此类土地每年可以封存37亿吨二氧化碳。

自然保护协会森林碳科学高级主管、PNAS“自然气候解决方案”研究的主要作者Bronson W. Griscom表示，将所有曾经是森林的牲畜放牧土地重新变成森林，每年可以产生多达100亿吨的负排放。这占每年所需二氧化碳回收量的很大一部分。但此举将需要全球转向不吃肉，这与目前的趋势相反。

Fuss和她的合著者预测的潜力更为温和。树木有生有死，这意味着它们现在会储存碳，但在本世纪或下个世纪会再次释放碳。随着森林成熟，生长速度减慢，二氧化碳的封存量也可能会下降。野火、森林砍伐和气候变化增加了风险。即便如此，在直接空气捕获或其他技术扩大规模的同时，森林扩张可以提供关键的权宜之计。Fuss认为，到本世纪中叶，森林扩张每年可以减少5亿至36亿吨的二氧化碳排放量。这可以在我们本世纪一万亿吨的目标中减少250亿至1800亿吨，成本为每吨5至50美元。

更好的管理可以提高收益。例如，Griscom指出，美国东南部的树木种植园管理者明知故犯地在火炬松树达到最佳产量前几年就收割它们。允许他们出售碳信用额以弥补额外的生长年限可能会将收割推迟到最佳年龄，从而增加更多的木材和更多的碳储存。

同样，在牧场中种植固氮植物并转向更智能的牧场轮作系统可以提高放牧生产力，同时改善土壤中的碳储存。Fuss保守估计，土壤固碳量的增加每年可产生多达53亿吨的碳封存量——本世纪为2650亿吨——成本为每吨0至100美元。

这将是生物炭之外的额外收益。在这种碳去除形式中，一种特殊的炉子在缺氧的情况下对生物质施加热量，将其变成木炭形式，并产生有用的副产品，如生物油或合成气。当木炭施用于农田时，它可以将碳结合在土壤中，并可以提高作物产量。但目前还没有人尝试大规模部署生物炭。Fuss和她的合著者认为，生物炭可能每年减少3亿至20亿吨的二氧化碳排放量，成本为每吨90至120美元。本世纪总计为150亿至1000亿吨。

另一种基于土地的方法被称为生物能源与碳捕获和储存，简称BECCS。许多国家为实现其《巴黎协定》承诺而制定的早期计划都依赖于此，但它极具争议性。发电厂燃烧木材、农业废弃物或其他生物质，如柳枝稷。这些来源在生长或积累过程中会从大气中吸收二氧化碳。燃烧会再次释放二氧化碳，而发电厂会从烟囱中重新捕获二氧化碳，并将其输送到深层地质构造中进行永久储存。但是，一些支持者建议的大规模生物燃料生产植树造林可能会占用世界上大部分可耕地，威胁粮食生产和自然保护，以及其他方法（如植树造林或土壤固碳）的二氧化碳去除。至少在当前技术下，从烟囱中提取排放物也会大大降低发电厂的效率。因此，Fuss认为BECCS的可持续产量仅为每年20亿吨，远低于其他研究人员的预测，成本为每吨100至200美元。Fuss的估计表明，到2100年，BECCS将减少1000亿吨的负排放。

现在正在考虑另外两种碳捕获方法。增强风化作用利用了一种自然过程：空气中的二氧化碳在暴露于某些类型的碎岩时会转化为碳酸盐。问题是研究人员是否能找到一种经济地将合适的岩石研磨成粉末状的方法，以加速自然过程。Fuss认为，增强风化作用的潜力为每年20亿至40亿吨，成本为每吨50至200美元。她的团队得出结论，海洋施肥——在海洋中撒播铁或其他营养物质以刺激藻类和其他浮游生物的生长，从而吸收二氧化碳——效率太低且寿命太短，不足以证明对生态系统的潜在不利影响是合理的。他们写道，这“不是一种可行的负排放策略”。

利润而非成本

这种计算结果将我们带向何方？Fuss研究中的范围加起来最少为1500亿吨，最多为略高于一万亿吨（到2100年）。后一个数字听起来好像解决了我们的问题。但我们不能简单地将这些数字相加，因为各种方法之间存在冲突。Fuss表示，我们能做的是管理投资组合，以利用有利的重叠。例如，增强风化作用可以部署在用于种植BECCS生物质的同一片土地上。

科学家认为，所有这些方法都需要对研发进行大规模投资。劳伦斯利弗莫尔的Aines表示：“这将是一场漫长而艰苦的战斗。”但各国政府一直不愿为负排放技术买单，因为在意识形态上抵制“挑选赢家”，而且过去的一些投资是臭名昭著的失败案例。例如，美国能源部在旨在使“清洁煤”发电成为现实的碳捕获项目上花费了巨额资金。南方公司在2017年放弃了最新的尝试，在花费75亿美元后，将密西西比州肯珀县的清洁煤电厂改用天然气。

碳税将通过对排放征收成本——对向大气中排放垃圾征收成本——来绕过挑选赢家的问题。这将创造市场动力，既可以减少当前的排放，又可以稍后收回过去的排放。英国征收了这样的税，目前约为每吨25美元，主要针对化石燃料发电厂，仅在2015年至2016年间就将煤炭排放量减少了一半。然而，大多数政府都对此望而却步，认为对于建立在化石燃料基础上的经济体来说，征税过于激进。

除了少数例外，企业也不愿意投资二氧化碳去除技术，因为直到最近，他们还没有看到市场。对他们来说，解决气候问题是一项公共利益，而不是他们可以从中获利的。但这可能会因为美国国会在2018年初批准的一项出人意料的两党税收激励方案而发生改变。所谓的45Q法案大幅提高了公司在未来12年内可以申请的税收抵免，不仅针对捕获二氧化碳并将其封存在地下（税收抵免高达每吨50美元），还针对以各种方式使用二氧化碳。

最具争议的用途是“提高石油采收率”。一家石油公司购买二氧化碳，通过管道运输并注入到枯竭的油井中，将通过传统手段无法开采的额外石油挤出。一种涉及生产更多化石燃料的气候变化解决方案听起来可能很奥威尔式，一些环境批评家抨击45Q只是另一种伪装的化石燃料补贴计划。但提高石油采收率似乎可以减少当前的排放，因为捕获的二氧化碳（通常来自天然气或乙醇炼油厂）会被封存在地下。一些环保主义者，如清洁空气任务小组的Kurt Waltzer认为，将碳捕获转变为能源技术，而不是排放技术，是实现二氧化碳去除广泛商业应用的​​第一步。它将重新捕获的二氧化碳变成可以买卖的产品，而不仅仅是要忍受的成本。这可能是最终实现负排放的关键。

开始行动的时候到了

碳捕获方法、税收和市场的组合能否帮助我们实现到2100年一万亿吨的目标？2018年和2019年破纪录的高温可能是一个转折点。美国西部燃起了熊熊大火。四大洲的人们经历了严重的热浪。在日本，仅在一周内就有数千名中暑患者被送往医院。即使是北极也经历了重大热浪，亚马逊森林有3500平方英里被烧毁，天空笼罩在圣保罗上空。气候科学家摆脱了谨慎的措辞，并在《PNAS》中警告说，进一步升温可能会使地球陷入“温室地球……很可能无法控制，对许多人来说是危险的”。为了使这一信息更加有力，波茨坦气候影响研究所名誉所长Hans Joachim Schellnhuber告诉记者，连锁反应可能导致地球只能养活10亿人口，而今天的人口为75亿。

即使在今天，对于一些政治领导人来说，气候变化似乎仍然笼罩在不确定性之中，尽管有压倒性的证据表明气候变化是我们严峻的现在和更加严峻的未来。负排放技术令人不安之处在于，即使对于科学家自己来说，很多事情似乎仍然不确定。弗吉尼亚大学生态学家Stephanie Roe在谈到土壤碳增强时说：“每个人都在谈论这取决于基质是什么，你所在的地区在世界的哪个地方，那里的降雨量是多少，温度是多少。”同样，随着灾难性的野火在澳大利亚肆虐，森林中的碳封存开始看起来远没有那么确定。

研究人员还陷入了关于任何碳去除方法（更不用说所有方法）是否可以扩大到每年数十亿吨的规模的争论中。明尼阿波利斯大平原研究所的Brendan Jordan表示：“关于最终规模的争论可能有点过于关注。”“我担心这会让我们陷入瘫痪，而我们真的无法承受瘫痪。”也就是说，我们需要开始实现负排放，尽管存在不确定性，因为与一个气候变化抢椅子的游戏停止，并且没有65亿人坐下的世界相比，这些不确定性是微不足道的。