资讯：马里兰大学曾宁教授、胡良兵教授等 Science: 长效碳去除方法 → 埋藏于3775年前的古木揭示了“木拱顶”...

标题：3775-year-old wood burial supports “wood vaulting” as a durable carbon removal method

作者：曾宁 [马里兰大学]；赵新朋[马里兰大学]……胡良兵[马里兰大学（现任职于耶鲁大学）]

期刊：Science

类型：Research Article

时间：2024.9.26

链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm8133

引用：Ning Zeng et al.,3775-year-old wood burial supports “wood vaulting” as a durable carbon removal method.Science385,1454-1459(2024).

树木和植物在生长过程中会捕获大量二氧化碳(CO₂)，但大部分CO₂会随着树叶和木材的腐烂而迅速释放。曾等人探索了将树木埋在粘土中的方法，创造了一个可以在数百年甚至数千年内防止降解的木拱顶（见Yao的《观点》）。作者发现了一棵大约3800年前被埋在粘土中的树，并对其进行了分析，结果表明这棵树在这段时间内几乎没有退化，这也支持了这一研究方法。这项研究表明，有可能创造出一种环境，半永久性地储存生物质的环境。这样做的成本似乎比其他固碳方法（比如直接从空气或者海洋中捕获碳）低。

——Brent Grocholski

必须通过向可再生能源过渡来大幅减少化石燃料燃烧产生的温室气体排放，以防止气候变化超过工业化前水平1.5℃至2℃。此外，到2060年，每年必须去除和封存高达10 Gt CO₂，以对抗遗留的和难以脱碳的排放。在CO₂去除(carbon dioxide removal，CDR)的新兴领域，也称为负排放技术(negative emissions technology，NET)，已经提出了各种有前途的基于工程的方法。这些方法包括直接空气捕集和直接海洋捕集。然而，由于捕集高度稀释的CO₂的成本很高，这些方法都是能源密集型的，而且价格昂贵。主要利用这些来解决当前的气候紧急情况可能会被证明是具有挑战性的。另外，各种基于自然的解决方案的建议利用“自由”光合作用，例如通过促进森林生长来增强活跃生物圈中的碳储存。这些解决方案因其低成本和潜力而具有吸引力:陆地生物圈每年从大气中去除220 Gt CO₂。这一数量被称为净初级生产力(net primary productivity，NPP)，是目前化石燃料年排放量37 Gt CO₂的6倍。然而，在自然碳循环中，由于生物质的分解或燃烧，捕获的碳最终会在相对较短的时间尺度内返回大气，对大气CO₂的净影响很小(图1A)。

即使切断一小部分光合作用碳的返回途径，比如NPP的4.5%，也将允许10Gt CO₂ yr^-1的长期封存，相当于目前化石燃料排放量的27%。减少碳循环中返回路径的一种方法是保存生物量并防止其分解。但考虑到大气中人为CO₂的长寿命，被去除的碳必须储存数百年或更长时间。即使是树木中最耐腐的成分木材，在被真菌、昆虫和微生物降解之前也只能保存几十年。生物质保存概念的核心是持久性和耐久性问题。目前尚不清楚的是，我们是否能以一种实用而廉价的方式，将木质生物质保存数百年或更长时间。一个比较明显的方法是把木头埋在地下。埋藏的古代木质材料的考古和地质证据表明了这种可能性。然而，保存和长寿的情况并不为人所知。更好地了解环境埋藏条件和保存状态对于指导潜在的工程干预措施进行持久的碳去除是必要的。

我们展示了一种碳封存方法，将自然光合作用的优势与最小但有效的工程相结合，其中可持续来源的木质生物质被埋在称为“木拱顶”的工程结构中，以防止腐烂和分解(图1B)。我们的方法是基于一个天然木材埋葬“实验”的结果。2013年3月，在为木拱顶原型挖掘沟槽时，我们在地下2m处发现了一根古老但保存完好的东部红杉木原木(图1、C和D)。随后，该木材的碳-14年代为3775±35年，这为木材埋葬作为一种碳去除和持久储存方法的可行性提供了直接证据。我们仔细检查了掩埋环境，并分析了木材样品的物理特性和化学成分，以了解如何最好地保存木材以进行长期的碳封存。

发现地点位于加拿大魁北克省的Saint-Pie，蒙特利尔以东50公里处(图2A)，位于一片农田的角落，农田向小溪倾斜。地表覆盖着稀疏的草和灌木植被，还有零星的小树。大部分根系在离地表1 m以内，1.5 m以下未见根。1959年Bagot土壤调查确定该带属于Levrard粘土系列。土壤剖面显示0 - 0.1 m的O层(凋落物、树叶、腐殖质)，0.1 - 0.7 m的粘土壤土A层，0.7 - 2 m的B层，以及从2 m开始的C层，这是13000年前末次冰期结束后尚普兰海沉积的浸水蓝色粘土。由于Laurentide冰盖退缩后大陆的逐渐反弹，该地点现在位于海拔44米的地方。

在水深2 m处发现了东部红杉木古原木(图2、B、C)，原木被粘土包围。这原木的特点是树皮附着松散，很容易脱落。此外，原木浸透了水，但感觉起来是固体的。我们清洗了原木的松散土壤，并将其储存在有空调的房间中自然干燥(图2D)。在2022年初，我们分析了样品的微观结构、机械强度、密度和化学成分。为了进行比较，我们还分析了同一物种东部红雪松的新切割现代样本。

现代和古代样本都在一端切割，以显示内部(图3,A和B)。与现代样本相比，古代原木的最外层有轻微剥皮，但木材是坚实的。我们从边材区域取了子样本进行后续分析。我们首先使用扫描电子显微镜(SEM)观察细胞结构，现代样本(图3C)完好无损，古代样本总体保存完好。古代样本的一小部分显示出轻微的细胞壁变薄和细胞变形(图3D)。这种轻微的变薄发生在早期木材部分(较大的管腔，由于春季和初夏的快速生长)，但不发生在晚期木材部分(厚的细胞壁和小的管腔)。我们可以解释这种腐烂的位置依赖性是由于早期木材中较大的开口更容易让分解者渗透。相比之下，晚材部分似乎保存完好。

随后，我们对古代和现代木材的物理性质和化学成分进行了表征，以确定碳损失的程度。古木材的密度为0.40±0.02 g/cm³，与现代样品的密度0.46±0.023 g/cm³相比，降低了13.6%(图3E, P值为0.0314)。虽然这可能在一定程度上反映了碳的损失，但定量解释由于许多因素而变得复杂，例如木材样品内的可变性和不同的气候生长条件。木材由纤维素、木质素、萃取物和灰分组成。全纤维素(纤维素和半纤维素)和木质素构成基本的木材细胞结构，通常占木材碳的80%至95%。萃取物是存在于细胞壁内的大分子，而灰分主要是矿物颗粒。在典型的木材腐烂中，纤维素和半纤维素更容易被分解，而木质素具有很强的抗性，因为它的无定形聚合物结构很难被大多数分解者消化。因此，腐烂木材的纤维素含量较低，但木质素含量丰富。比较现代和古代样品的傅里叶变换红外光谱(Fourier-transform infrared spectroscopy,FTIR)(图3F)显示木质素(1593、1508和1419 cm⁻¹)和全息纤维素(1367、1230和1028 cm⁻¹)的特征峰一致，表明木材的基本成分在古代样品中保存得很好。

为了定量地辨别两种样品的化学成分差异，我们分析了材料的化学成分和碳含量。古代样品的总纤维素浓度(总纤维素与总木材的质量比)为53.9±2.69%，而现代样品为55±2.75%，木质素浓度为34.5±1.73%，高于现代样品的29.7±1.49%(图3G)。然而，差异很小:古样品中纤维素含量减少了1.1±3.85% (P值为0.005)，木质素含量增加了4.8±2.28% (P值为0.03)。这是经过3775年的埋葬后只有轻微退化的证据。由于机械强度主要由木材纤维素纤维结构决定，我们还测量了古木材的抗拉强度为59.8±5.7 MPa，比现代木材的69.2±9.2 MPa低5%(图3H;P值为0.27)。这种低强度损失也进一步证实了古代样品中纤维素成分的相对较小的变化。

为了固碳的目的，碳损失是期望的变量。理想情况下，最好通过将古代样本与一棵保存完好的原始树木进行比较来获得这一结果，但在这次自然实验中，这是不可能的。另一种直观的方法是简单地使用木材密度。然而，密度受制于难以量化的巨大不确定性。例如，现代和古代的样本来自两棵不同的树，它们生长在不同的气候条件下，生长时间相隔数千年，尽管这两棵树属于同一物种。即使在同一棵树内，由于年际气候变化，不同部分的生长情况也可能非常不同。在分析轻微木材腐烂时，一个常见的假设是使用全纤维素损失作为指标，假设保存良好的木材中顽固木质素的损失可以忽略不计。使用这种方法，我们得到了1.1%的碳损失，测量误差为±3.9%(标准偏差)，对应于−2.8到5.0%的范围。显然，−2.8%(碳增益)在理论上是不可能的。我们选择5%损失的上限作为碳损失的保守估计(上限)。这也符合木质素增加4.8%和机械强度损失5%的情况。尽管存在不确定性，但对3775年前的古原木的测量清楚地表明，它保存得很好。此外，我们不知道降解是发生在掩埋之前还是之后，但很可能大部分降解发生在掩埋之前的开放环境中。因此，我们估计的5%的损失值是埋藏后碳损失的保守上限。

蒙特利尔遗址中木材保存良好主要由于粘土特性造成的缺氧环境。虽然湿度充足，温度较低（年均7℃），但关键因素是缺氧。当地粘土的低渗透性（饱和水力导率2.0 × 10⁻⁹ m s⁻¹，内在渗透率2.0 × 10⁻¹⁶ m²）阻止氧气进入，加上土壤和根系呼吸消耗氧气，使地表下1-2m处成为无氧环境。

掩埋地点的浸水和停滞土壤条件通过切断氧气供应减缓了分解。蒙特利尔站点2m以下的土壤呈蓝灰色，表明水饱和状态，而表面土壤则已风化。3775年的原木虽不一定始终浸水，但在低洼河岸地带常处于饱和状态，有助于木材保存。然而，只有在水保持静止的情况下，木材才能长期保存，因为流动的水会带入氧气。

我们假设蒙特利尔遗址的低渗透性土壤和近浸水状态创造了缺氧环境，排除了需氧分解者如真菌和昆虫，仅留下厌氧菌。由于厌氧菌无法分解木质素，粗木本生物质（coarse woody biomass,CWB）比细木本生物质（fine woody biomass,FWB）保存得更好。整个原木形成的物理屏障减少了入侵，且其细胞结构含有的少量营养物质不足以支撑大量厌氧菌群。虽然形成层的多糖或裂缝处的纤维素可被厌氧消化，但分解速度极慢。少量产生的甲烷会被上层土壤中的甲烷氧化菌消耗。

现代卫生填埋场的部分缺氧条件能使木材在埋葬数十年后保持0%-3%的碳损失，而食物残渣等则会迅速分解。尽管填埋数据时间跨度较短，无法直接支持蒙特利尔遗址千年级别的木材保存，但缺氧同样是其保存机制。不同于填埋场，木拱顶设计用于埋藏干净的粗木质生物质，并确保完全缺氧。

我们的发现提出了一种通过建造结构掩埋木质生物质来持久固碳的方法，称为“木拱顶”，涉及挖掘、掩埋木材和用低渗透性粘土覆盖。为确保木材长期保存，木拱顶需创造并维持缺氧状态，通常埋藏于地下几米深处，隔离上层活性土壤（图1C）。尽管类似蒙特利尔遗址的条件可保存木材超过千年，但需更多定量研究支持其工程应用。

我们发现，将木材埋藏与自然成煤进行比较很有启发性。在典型的成煤泥炭地或湿地中，枯死的植被会缓慢腐烂，一小部分抗性物质（主要是木质素）在进入低氧环境之前会持续足够长的时间，最终被保存下来。煤层的积累需要数百万年的时间，剩下的只是原始生物量的一小部分。相比之下，在工程木拱顶中，木材在人工干预下 “瞬间 ”被掩埋，进入无氧状态并永久保存。木材掩埋是煤炭形成的第一步，但却大大加快了速度，这与化石燃料的提取和燃烧过程截然相反（图 1）。

我们利用碳循环建模和林业数据（19）进行的分析表明，将可持续木材采伐和木材剩余物获得的陆地氮磷钾的4.5% 储存起来，可去除多达 10 Gt CO₂ yr^-1。在区域范围内，这一潜力分布在热带、温带和北方森林地区。例如，南美洲每年可减排3.3 Gt CO₂，非洲2.1 Gt CO₂，海洋大陆 1.0 Gt CO₂，美国0.51 Gt CO₂，中国0.51 Gt CO₂，加拿大 0.33 Gt CO₂，俄罗斯 0.73 Gt CO₂，西欧 0.18 Gt CO₂（图 4A）。这些比率可以抵消每个地区的化石燃料排放量，南美洲为 300%，非洲为220%，加拿大为 57%，俄罗斯为 47%，美国为10%，中国为9%（图 4B）。热带地区的高潜力源于热带森林的高生产力以及普遍较低的化石燃料排放量。我们的建模考虑了来自保护需求、当前土地利用、当前木材使用和可获取性的限制。没有明确包括的是其他木材用途对 CDR 的竞争。未来土地使用的变化和其他各种社会经济制约因素可能会进一步限制这一理论潜力的发挥。不过，气候紧急情况可能会促使人们更密集地利用生物生产力。

木材掩埋作业涉及采伐、运输、挖掘和封盖，使用的机械和技术广泛应用于现代林业、废物管理和一般建筑业。根据这些行业和正在进行的木材掩埋试点项目的数据，我们估计目前的项目成本为每吨 100 - 200 美元，如果在未来 10 - 20 年内扩大规模并进行优化，则有可能达到每吨 30 到 100 美元，排放比（机器运行产生的化石燃料排放量与固碳量的比率）为 2 - 10%。相比之下，大多数 “基于技术 ”的 CDR 方法（如直接空气捕获）的成本为 100 - 300 美元/t CO₂。2023 年，基于生物质的持久性 CDR 市场价格从 111 美元/t CO₂ 到直接海洋捕获的 1402 美元/t CO₂ 不等。木材掩埋操作简单，因此成本较低。与生物气化和生物炭等方法相比，木材掩埋不使用嵌入能源。相反，它利用所有生物质进行碳封存，碳效率超过 90%。尽管如此，由于木材被保存下来并可获取，它确实为将来的其他用途留出了选择余地。在以生物质为基础的持久性 CDR 方法（也称为生物质碳清除与储存（biomass carbon removal and storage，BiCRS））中，木材掩埋在碳价格高于每吨 150 美元时最具竞争力。因此，在各种CDR方法中，木材掩埋法在成本和效益之间取得了良好的平衡。作为一种自然-工程混合型气候解决方案，它有可能带来共同效益，如利用火灾疏伐、暴风雨吹倒、商业森林疏伐、城市树木移除和其他残留木材产生的木材。由于木材来源和合适的掩埋条件广泛存在，这种方法具有分布性和高度可扩展性。在实践中，它可以被纳入可持续森林管理计划，为世界各地陷入困境的行业和当地社区提供新的收入来源。

我们在蒙特利尔遗址发现的具有3775 年历史的红雪松为引导人类干预和现代工程技术实现碳封存目的提供了一个难得的机会。本研究结果表明，利用天然低渗透性粘土对木制拱顶进行工程改造，使其与古红豆杉的埋藏环境一样经久耐用，可以实现长期碳封存技术，在成本和效益之间取得平衡。10 Gt CO₂ yr⁻¹的封存潜力足以抵消目前全球化石燃料37 Gt CO₂ yr⁻¹排放量的 27% 。这一比例也达到了政府间气候变化专门委员会（IPCC）1.5 度情景中描述的到 2060 年实现净零碳排放目标所需的碳去除总量水平。