1、DOI:10.12006/j.issn.1673-1719.2022.141程伟,罗勇,曹龙,等.二氧化碳移除技术研究进展与评述 J.气候变化研究进展,2023,19(5):672-682Cheng W,Luo Y,Cao L,et al.Research progress and review on carbon dioxide removal technology J.Climate Change Research,2023,19(5):672-682气 候 变 化 研 究 进 展第 19 卷 第 5 期 2023 年 9 月CLIMATE CHANGE RESEARCHVol.19 No
2、.5September 2023资助项目：国家自然科学基金资助项目(72221002,42305029)；中国科学院战略性先导科技专项(XDA23070400);国家重点研发计划项目 (2016YFA0602500)作者简介：程伟，男，博士，；邓祥征（通信作者），男，研究员，在工业化进程中，化石能源利用使大气中二氧化碳（CO2）浓度不断增加1。中国力争在2060 年前实现碳中和，中国碳中和战略目标须使碳排放尽早达峰，并降低峰值2。当前国内外研究主要集中在“减少碳排放”的路径和手段,但对于碳中和目标的实现而言,在减少碳排放的同时,很大程度上需依赖于“增汇”，即增加对大气中 CO2的吸收3-4。C
3、O2移除已成为将温升控制在 1.5以内目标不可或缺的重要手段5。巴黎协定间接引入了 CO2移除，并为 CO2移除的大规模应用预留政策空间，以期实现在碳排放和碳移除之间取得平衡。CO2移除可用于补偿难以脱碳或降碳成本高的行业的碳排放。20 世纪 80 年代，随着联合国气候变化框架公约（UNFCCC）的生效和政府间气候变化专门委员会（IPCC）的建立，应对气候变化战略研究不断增加。在 IPCC 第四次评估报告（AR4）二氧化碳移除技术研究进展与评述 程 伟1，罗 勇2，曹 龙3，丹 利4，黄 磊2，邓祥征1,51 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2 清华大学地球系统科学系地球系
4、统数值模拟教育部重点实验室全球变化研究院，北京 100084；3 浙江大学地球科学学院大气科学系，杭州 310027；4 中国科学院大气物理研究所中国科学院东亚区域气候-环境重点实验室，北京 100029；5 中国科学院大学，北京 100049 Research progress and review on carbon dioxide removal technology中，首次总结了 21 世纪下半叶 CO2移除技术部署和负排放情景，并指出 CO2移除技术对于实现严格的气候目标可能至关重要6。在 IPCC 第五次评估报告（AR5）中，以生物质能与碳捕集封存（BECCS）为代表的 CO2移除
5、技术组合选项被综合评估模型（IAM）考虑进气候变化减缓情景中7。IPCC 第六次评估报告（AR6）指出，如果要实现CO2净零排放，就不可避免地需要使用 CO2移除技术来抵消难以减排部门的碳排放8。CO2移除技术部署的规模和时间取决于不同部门的减排路径，也取决于大规模 CO2移除技术的可行性、资源约束和环境影响等因素。本文将从 CO2移除的定义与方法、对碳循环的影响与反馈、资源需求与生态环境影响、技术准备水平、潜力与成本等方面梳理 CO2移除技术研究进展。本文在粮食安全、土地资源、生态效益、不确定性和未来研究方面对 CO2移除开展评述。简 讯5 期 673程伟，等：二氧化碳移除技术研究进展与评述
6、1 CO2移除的定义与方法工业革命以来，化石能源使用和土地利用导致了大量温室气体排放，使大气中 CO2浓度不断增加。增强的温室效应导致了全球变暖，进而产生一系列的气候变化影响。在 20122021 年间，人类活动每年排放了约 396 亿 t CO2，其中约 27%被海洋吸收，约 29%被陆地生态系统吸收。约一半的碳排放被累积到大气中，使大气 CO2浓度增加9。海洋和陆地对大气 CO2的吸收对抑制大气 CO2浓度增加发挥了关键作用10。CO2移除是指通过人工方法从大气中移除 CO2，并将移除的CO2长期储存在地下、陆地或海洋中，以降低大气中 CO2的浓度，减缓气候变化8,11-13。基于陆地生物
7、过程的 CO2移除方法主要包括植树造林和改善森林管理、复合农林、土壤固碳、生物炭、泥炭地恢复、生物质能与碳捕集封存（BECCS）（表 1)。基于化学方法的 CO2移除主要涉及直接空气捕获和增强风化。基于海洋的CO2移除方法主要包括滨海湿地恢复与蓝碳管理、海洋碱化、海洋施肥和人工上升流。基于陆地 CO2移除的方法大多是通过光合作表 1 主要 CO2移除技术概要8Table 1 Summary of CO2 removal technologies8CO2移除技术植树造林 森林管理复合农林土壤固碳生物炭泥炭地恢复生物质能与碳捕集封存直接空气捕获增强风化海洋碱化海洋施肥和人工上升流滨海湿地恢复与蓝碳
8、管理实施措施主要过程CO2储存媒介非林地上植树，砍伐后再造林森林经营、林分重建、减少扰动在农作物或牧场周围种植树木或灌木免耕耕作、秸秆还田生物质在无氧状态下高温分解制成黑炭，并在土壤中添加通过恢复泥炭地将碳储存在土壤中将生物质能燃烧过程中释放的 CO2捕集并封存通过化学方法从空气中提取 CO2碳酸盐、硅酸盐岩石研磨，播撒土壤碳酸盐、硅酸盐岩石粉末，播撒海洋铁、氮、磷施肥，增强海洋上升流恢复和管理滨海生态系统，促进蓝碳固存生物过程生物过程生物过程生物过程生物过程生物过程生物过程化学过程化学过程化学过程生物过程生物过程生物量、土壤生物量、土壤生物量、土壤土壤土壤土壤地质储层地质储层矿物、土壤海洋、
9、沉积物海洋、沉积物生物量、沉积物用将大气中 CO2固定在生物量或土壤中。植树造林被联合国认为是政府减缓气候变化的重要策略6。植树造林是指在非林业土地上种植树木，或在砍伐后的土地上重新种植树木14。改善森林管理包括对造林、森林地上和地下生物量以及土壤碳等进行管理实践，例如，森林经营、林分重建、减少森林土壤扰动等15。复合农林是将农业和林业相结合的土地利用管理方法，旨在增加碳汇、提高作物产量、保护生物多样性，并减少土壤侵蚀16。通过在树木覆盖和农作物生产之间取得权衡，实现农业和林业的共同利益17。土壤固碳是通过采用合理的土地利用和管理等方法来增加土壤中有机碳储量。增加土壤碳储量的策略包括土壤恢复、
10、林地再生、免耕耕作、覆盖作物、养分管理、放牧优化等方法18。复合农林和土壤固碳主要通过农牧业管理实践来增加陆地的碳吸收。生物炭和泥炭地恢复是将生物过程积累的有机碳储存在土壤中的方法。生物炭是将木屑、植物残渣或农业废弃物等生物质在无氧状态下进行高温分解制成黑炭。将生物炭添加到土壤中是增加土壤碳储量的一项重要实践19。泥炭是在湿地生态系统中由于微生物分解作用削弱，净积累形成的有机物。通过水文管理或增加植被覆盖等方法来恢复或新建泥炭地，有助于减少因泥炭地退化所产生的温室气体排放，或使泥炭地稳定储存有机碳20。生物质能在燃烧过程中会释放 CO2，生物质能的使用通常被视为碳中性21-22。BECCS是将
11、生物质燃烧过程中释放的 CO2进行捕集，并将其封存在地质储层中的技术23。生物炭和BECCS 都需要利用作物残茬或能源作物等的生物质资源。直接空气捕获和增强风化都是通过化学过程来移除 CO2的方法。直接空气捕获是从空气中直接提取 CO2，并将其永久地存储在地下24。增强风化是通过改变温度、增加风化反应表面积、与增强生物群相互作用等方法，来提高岩石的自然分解风化速率，从而增加阳离子释放以产生碱性和养分物质，并吸收大气中 CO225。风化产生的矿物质会在土壤中沉淀供植物吸收，另一部分矿物质会溶解在径流中，并被输送到开阔海域，从而增加海洋的碱度，可部分抵消由大气 CO2浓度升高导致的海洋酸化。海洋碱
12、化是通过使用碳酸盐、硅酸盐等矿物粉末来提高海洋 pH 值的过程26-30，从而增强海洋吸收 CO2的能力。海洋碱化主要涉及海洋碳酸盐的化学过程，可减少海洋酸化对海洋生态系统的影响。海洋施肥是基于生物泵（Biological Pump，BP）海洋储碳机制31，通过增加铁等微量元素来提高浮游植物的生产力，其中一部分有机物被输入并储存在深海中32-34。人工海洋上升流通过工程方法使深层海水加速上涌到海表，将富含营养盐的深海水输送到上层水体，通过生物泵等机制增加海洋碳的吸收和储存3。滨海湿地恢复与蓝碳管理是通过恢复退化的红树林、盐沼和海草等沿海湿地，促进湿地植被和土壤中的蓝碳固存35，为沿海渔业和旅游
13、业提供协同生态效益。2 CO2移除对碳循环的影响与反馈碳循环是在地球生物圈、土壤圈、岩石圈、水圈和大气圈之间碳交换的生物地球化学循环36-37。图 1 展示了 CO2移除对碳循环的潜在影响。由图1(a)可见，从工业化时代以来，化石燃料使用将地质储层中的碳主要以 CO2的形式排放到大气中，约一半的CO2排放被陆地和海洋吸收（黑色箭头)。而另一半 CO2排放量累积到大气中9，这使得大气 CO2浓度增加，且在空间上呈现异质特征40。CO2移除是为减少大气中 CO2，将大气中的碳长期、稳定地存储在其他碳库中。植树造林、图 1 大气、陆地、海洋和地质碳库之间的碳循环的示意图（改绘自 Keller 等38
14、和 Smith 等39）Fig.1 Schematic diagram of carbon flows among atmospheric,land,ocean,and geological reservoirs.(The schematic diagram is adapted from Keller et al.38 and Smith et al.39)气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年简 讯森林管理、复合农业、土壤固碳、生物炭和泥炭地恢复等方法是通过植物光合作用过程，将大气中的碳存储在陆地的生物量或土壤碳库中（图 1b绿色箭头)。植物通过光合作用封存大量的碳，但自养呼吸和异养
15、呼吸会消耗光合产物41。海洋碱化、海洋施肥、人工上升流和滨海湿地恢复有助于将大气中的碳储存在海洋或滨海碳库中（图 1c蓝色箭头)。基于生物泵、微生物泵、碳酸盐泵、惰性溶解有机碳和提高碱度等原理，建立协同的海洋 CO2移除方案，不仅能实现海洋增汇，还能改善海洋环境问题42。滨海湿地生态系统单位面积的固碳能力通常高于陆地森林生态系统43。直接空气捕获和增强风化是将大气中 CO2吸收后，将其储存在地质储层或土壤中（图 1d)。图 1(d)中绿色箭头代表 BECCS，该过程通过植物光合作用吸收大气中 CO2，然后将生物质燃烧排放的CO2进行捕集并封存在地质储层中。CO2移除技术可降低大气 CO2浓度，
16、但同时也会改变大气与陆地、大气与海洋的碳交换量（图 1 黑色箭头）。大气 CO2浓度的变化，可能会影响陆地和海洋吸收大气 CO2的能力，进而影响气候系统44。一系列研究揭示了负排放在扭转人为气候变化方面的有效性和海洋碳循环对净负排放的长期响应，以及对多年冻土的碳反馈影响45-48。在 CO2移除情景中，当 CO2净排放开始下降时，陆地和海洋碳吸收分别开始减弱48。当净 CO2排放变为负值时，大气 CO2浓度开始下降，但海洋和陆地可能成为 CO2排放源46,49。为了将地表空气温度维持在较低水平，不仅需要去除大气中的 CO2，还需同时移除海洋和陆地释放的 CO250。碳循环对CO2移除的响应和反
17、馈是决定 CO2移除技术有效性的关键因素。3 CO2移除的资源需求与生态环境影响植树造林通过光合作用吸收大气 CO2，增加生态系统碳汇39。植树造林可提供多种生态效益，包括增强气候恢复力，保护生物多样性，调节小气候，减缓土地退化等51-52。然而，植树造林可能会降低地表反照率，这会抵消植树造林产生的降温效应53-54。非本地树种或单一树种可能对生态系统的结构和功能带来负面影响51。大规模植树造林可能与农业用地构成竞争，这可能导致粮食价格上涨，从而威胁粮食安全55。森林管理可降低自然和人为扰动的影响，同时提高森林和土壤碳储量56-57。由于树木占用农地或牧区，复合农林可能对农牧业的产量带来负面影
18、响58。表 2总结了 CO2移除方法的资源需求与生态环境影响。土壤固碳，例如通过秸秆还田，可促进土壤中有机碳和有机氮增加。但土壤中的有机氮可能会被分解，导致氧化亚氮（N2O）温室气体释放19,59。在土壤中施加氮、磷等营养素可能会增加地下水污染的风险18。在土壤中添加生物炭有助于提高土壤肥力，改善土壤的水分特征，并提高作物生产力61-62,64。然而，大规模生物炭应用可能会降低地表反照率，改变地表能量收支，从而可能削弱生物炭减缓气候变化的效果63。生物炭可成为黑炭气溶胶的来源，可能增加空气污染风险60。泥炭地恢复可改善区域水文调节功能，降低泥炭地火灾风险，同时也为生物多样性保护和水产养殖业发展
19、带来协同效益65,80。在 BECCS 中，能源作物种植需要水分、养分和土地资源。能源作物种植可能与农牧业在土地利用上产生竞争，进而影响生物多样性保护和粮食生产68-69,81。能源作物种植可能会降低地表反照率，从而部分抵消 BECCS 在减缓气候变化的效果67。在边际土地上种植能源作物可缓解同农业对土地资源的竞争，并有助于防止土地退化66,82。在碳捕集封存中，需额外的能源对碳进行加压，并将其注入和封存在地下40,83-84。直接空气捕获需要土地资源和储碳空间70。在增强风化中，岩石粉末会在土壤中释放植物所需的养分，如钾、钙等71-72，但岩粉中可能含有镍、铬等重金属会对环境健康产生负面影响
20、73。海洋碱化的效率与所施加的岩粉颗粒大小密切相关25。增加海洋中的硅通量和碱度可促进海洋硅藻生长，并增强对 CO2吸收71，但也可能对海洋生态系统产生负面风险73-74。海洋施肥可能5 期 675程伟，等：二氧化碳移除技术研究进展与评述表 2 CO2移除资源需求与生态环境影响Table 2 Resource requirements and ecological environmental impacts of CO2 removalCO2移除植树造林森林管理复合农林土壤固碳生物炭泥炭地恢复生物质能与碳捕集封存直接空气捕获增强风化海洋碱化海洋施肥与上升流滨海湿地恢复资源需求环境影响生态影响土
21、地资源水资源养分资源能源空气质量土壤质量地下水 反照率粮食安全生态系统服务生物多样性非CO2温室气体 -60-71+52+56+59+61-62+66+71-72-18-73-53-54-63-67-55-58+19+64+65-68-69-70+51-52+56-57+59+65+71-75+43-51+65-68-69-73-74+77-78-19-76-79注：“”代表有资源需求；“+”代表对生态环境正面效应，“-”代表负面效应；表格中附主要引文。使海洋生产力从铁离子限制转变为以磷酸盐或氮为主的限制76。海洋施肥可能导致水华的形成与海水缺氧，并增加 N2O 和甲烷（CH4）等温室气体排放
22、75-76。人工上升流通过将富含营养盐的深海水输送到上层水体85，以提高海洋生产力，但这需要额外能源支持。滨海湿地恢复与蓝碳管理可提高水质、增加生物多样性、适应海平面上升和极端事件的影响43,77-78，但可能使 N2O 和 CH4等温室气体的排放增加79。4 CO2移除技术准备水平、潜力与成本本节概述了 CO2移除技术准备水平、潜力和成本（表 3)。不同 CO2移除方法在技术准备水平方面存在显著差异92，表 3 中技术准备水平数值越大代表技术成熟度越高。植树造林、森林管理、复合农林、土壤固碳和泥炭地恢复这些方法具备较高的技术准备水平8。当前的林业工程实践包括三北防护林工程、欧洲气候智慧林业，
23、以及巴西-荷兰 CANOPIES 复合农林项目等53,104。泥炭地恢复是通过加湿或增加植被覆盖等方法，具有较高的技术可行性80。生物炭、生物质能与碳捕集封存，以及直接空气捕获具有中等技术准备水平。生物炭的生产主要受制于生物质、热解能力等因素，而且生物炭的稳定性会受土壤环境的影响105。生物质产量和土地资源是生物质能与碳捕集封存的主要限制因素106。英国 Drax 发电站在 2018 年启动了第一个 BECCS 项目，2020 年North Yorkshire 发电厂的 BECCS 项目开始试点实施107。在欧洲、美国和加拿大，已有直接空气捕获的工厂,其中大多数从大气中直接捕获 CO2以供碳酸
24、饮料生产使用108。增强风化、海洋碱化和海洋施肥对生态系统的影响存在较大不确定性，仅有少量实验室的模拟和验证研究8，其技术准备水平较低。潜力类型主要包括生物物理潜力、成本限制的经济潜力和自然资源限制的可持续潜力，通常潜力估算基于部门研究或综合评估模型40。气 候 变 化 研 究 进 展 2023 年简 讯表 3 主要 CO2移除技术准备水平、潜力和成本Table 3 Technical readiness,potentials and costs of CO2 removal technologiesCO2移除技术植树造林森林管理复合农林土壤固碳生物炭泥炭地恢复生物质能与碳捕集封存直接空气捕获
25、增强风化海洋碱化海洋施肥和人工上升流滨海湿地恢复与蓝碳管理潜力/(Gt CO2/a)其他文献2050 年技术准备水平88 98 98 98 96 78 95 663 41 21 22 3注：潜力和成本均以 CO2计量。成本/（美元/t CO2）2100 年IPCC AR68其他文献IPCC AR680.5 7860.4 2.18,880.1 5.688-902 5910.3 292 0.2 0.8890.5 5920.5 5924.9251 100951 5.598-1000.02 0.081031 12400.49 1.3930.5 100.1 2.10.3 9.40.6 9.30.3 6.
26、60.49 1.30.5 115 402 41 1001 311 100871001930 12019100 20092600 100009254 220943 26092,96-972 457101-102240 300001030 240-45 10010 34515 400100 30050 20040 26050 500在 CO2移除方法中，海洋碱化潜力范围最广，为1 100 Gt CO2/a95，主要受矿物提取和加工能力等因素的限制。根据 IPCC AR6 的数据，直接空气捕获的潜力为 5 40 Gt CO2/a8，其潜力主要受CO2封存能力和潜在的环境风险等因素限制92。植树造林、
27、复合农林、生物质能与碳捕集封存，以及土壤固碳主要受土地、水、养分等资源的限制8,89，这些方法的固碳潜力上限约为 10 Gt CO2/a40。农田和草地的土壤固碳潜力分别为 0.4 6.8 Gt CO2/a和 0.2 2.6 Gt CO2/a8。增强风化的 CO2移除潜力被评估为 2 4 Gt CO2/a8,92。21 世纪末，森林管理和泥炭地恢复的碳移除潜力约为 1 2 Gt CO2/a8,88,93。约 20%的巴黎协定签署国在其国家自主贡献中提及通过滨海蓝碳管理来减缓气候变化109，其潜力大约是 0.1 Gt CO2/a103。成本是决定 CO2移除是否能进入碳市场并实现规模发展的重要因
28、素。在 IPCC AR6 中，植树造林的成本为 0 240 美元/t CO28。土壤固碳成本可控制在 100 美元/t CO2以内，这取决于劳动力成本和机械化程度等因素19。生物炭技术和生物质能与碳捕集封存的成本分别为 10 345 美元/t CO2和 15 400 美元/t CO28。在技术初期阶段，直接空气捕获的成本较高，随着技术进步和规模效应积累，其成本可能降低至 100 300 美元/t CO28,92。根据空间风化模型与技术经济评估，增强风化的成本为 50 200 美元/t CO294，其成本主要受岩石类型、运输距离和岩石研磨等因素的影响25。通过计量能源需求和碳收支，海洋碱化的成本
29、在 40 260 美元/t CO292,97。海洋施肥成本范围是从 2 美元/t CO2的铁施肥到 457 美元/t CO2的硝酸盐施肥101-102。在滨海湿地恢复与蓝碳管理中，红树林、盐沼和海草栖息地的蓝碳管理成本分别为 240、30000 和 7800 美元/t CO2103。5 评述与结语CO2移除技术可抵消早期历史的碳排放，也可用于平衡难以降碳行业的碳排放，被视为实现5 期 677程伟，等：二氧化碳移除技术研究进展与评述碳中和与温控目标的重要备选技术110。然而，CO2移除技术对土地、水资源和养分等具有不同程度的需求，同时也可能对环境（空气质量、地下水、反照率）和生态（粮食安全、生物
30、多样性、非 CO2温室气体排放）带来潜在的负面影响。依赖于陆地的 CO2移除方法需要大量土地资源，而占用农业土地资源可能对区域粮食安全构成威胁。这是限制大规模部署 CO2移除技术的一个重要因素21,111。边际土地可能成为 CO2移除技术的潜在土地资源112。在边际土地上部署生物质能源作物有助于减缓土地退化、改善区域生态环境、促进循环经济发展，并增加农村农民的收入。但生物质能源作物的种植收益也会受市场波动风险的影响。CO2移除技术可利用边际土地，制定基于边际土地的 CO2移除部署空间规划，并进行能源作物适生品种的选育研究，促进在边际土地上的 CO2移除技术发展。植树造林通过植物的光合作用吸收大
31、气中的CO2，并将有机碳存储在生物量和土壤中。植物根系分泌物有助于增加土壤有机碳含量，而土壤固碳和生物炭在提高农产品质量、保障营养安全和减缓土地退化等方面可发挥积极作用。在土壤中添加生物炭可增强土壤肥力，改善土壤水分特征，促进植物生长，并提高作物产量。生物炭发展面临的挑战主要包括资金不足、小规模生产成本高昂以及缺乏统一的碳移除计量方法等问题。在增强风化中，岩粉施用于土壤会改变土壤的物理和化学性质，并释放植物所需的钾、钙、镁等养分。增强风化需谨慎选择岩石种类，以防止重金属释放对土壤环境造成不利影响。增强海洋碳吸收应强化陆海协调管理，避免在农田过度施用磷和氮等肥料，以减缓近海的富营养化问题，同时减
32、少海洋有机碳的呼吸消耗，提高海洋碳惰性转化效率。为提高海洋碱化的效率，可考虑通过岩石研磨来避免岩粉过早沉降，但这会增加额外的能源成本。通过使用清洁能源驱动人工上升流，将养殖区底部或深海的养分输送到海水表层42,113，从而提高海洋生产力，促进海洋中生物生长和碳吸收。滨海湿地恢复与蓝碳管理需注重生态系统功能的恢复。通过实施恢复和保护工程干预措施，可减缓滨海湿地退化。CO2移除主要面临不确定性、风险和市场规模培育等方面的挑战114。在制定 CO2移除部署策略时，需要考虑温度过冲对冰川、冻土、亚马孙森林和生物多样性的潜在风险115。CO2移除技术需通过科学和技术创新来降低其对资源的需求，减少对环境和
33、生态的负面影响。通过碳交易市场和政策激励机制可为 CO2移除技术创造更多进入市场的机会116-117。借鉴基于自然的解决方案的中国本土化实践118-119，建立完善的 CO2移除技术体系，为国家碳中和战略目标实现提供备选方案。参考文献Hansen J,Johnson D,Lacis A,et al.Climate impact of increasing atmospheric carbon dioxide J.Science,1981,213(4511):957-966刘纪化,郑强.从海洋碳汇前沿理论到海洋负排放中国方案 J.中国科学:地球科学,2021,51(4):644-652.Liu
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