植物固碳较其他CO2综合利用方法的优势分析

2013-08-15卫国强何昆霖张忠林郝晓刚刘世斌

绿色科技 2013年2期

卫国强，何昆霖，张忠林，郝晓刚，刘世斌

（太原理工大学洁净化工研究所，山西太原 030024）

1 引言

能源是人类生存和发展的重要物质基础。自19世纪以来，人类对煤炭、石油、天然气等化石能源的大量开采和利用支撑了近200年的文明进步和社会经济发展。但是，这几种不可再生化石能源的大量消耗，不仅使人类面临资源枯竭的压力，同时更带来了严重的环境问题［1］。化石能源所带来的环境影响主要有3个层次，即局部影响（如城市污染和土地污染）、地区影响（如酸雨）以及全球影响（如温室效应和臭氧层破坏）［2］。本文主要针对化石燃料使用引起的全球温室效应讨论有效的应对之策。

众多证据表明，地球的确在变暖，世界上的冰川在消融，海平面也在升高，而这一切的根源都来自于人类大量使用化石燃料所产生的以CO2为主体的温室气体［3］。统计显示，2010年全球CO2年排放为2.7817×1010t，其中中国的年排放量已经达到4.368×109t，占全球排放的15.77%，为世界的第2位，已成为发达国家碳排放贸易的主要对象［4］。CO2作为空气中含量最高的温室效应气体，长时间以来其大量排放引发了温室效应、气候异常、自然灾害等诸多问题。因此，CO2问题成为了世界性问题，引起了世界各国的关注，并纷纷开展了CO2综合利用及减排方面的研究，我国政府也做出了“到2020年，在2005年的水平上实现单位GDP CO2排放下降40%～45%”减排目标的承诺，并将其作为约束性指标纳入国民经济和社会发展的长期规划［5］。

目前，CO2综合利用技术可归纳为储存利用、循环利用以及转化利用3种［6］。前2种技术能阻止和延缓CO2排放到大气环境中，但不能减少其在空气中的总量，转化利用技术可通过把CO2转化为其他物质从而减少空气中CO2的总量，然而该技术目前多以通过化工方法转化为各种化工产品，其过程往往需消耗能源并造成额外的环境负担。

植物固碳法，即通过植物吸收、利用CO2，其本质上属于CO2的转化利用技术。但是，由于植物固碳法与其它CO2转化利用方法存在很大不同，因此具有很大的特殊性。该方法在减少大气中CO2总量的同时，还能除尘、除菌、除有害气体、提高空气中氧气含量等。此外，植物固碳法在降噪、改良水质土壤、保持水土、调节气候等诸多方面也发挥着不容忽视的作用。本论文将植物固碳法与其它CO2综合利用方法进行综述和比较，主要阐述了植物固碳法在转化利用CO2方面的优势，并建议将该方法作为治理或减少地球温室效应的一种战略方法。

2 二氧化碳综合利用

2.1 CO2的储存利用

CO2储存利用采用的是CO2捕集和封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技术［7～10］，该技术是通过碳捕捉技术，将工业和有关能源产业所生产的CO2分离出来，再通过碳储存手段，将其输送并封存到海底或地下等与大气隔绝的地方。目前，世界上有很多的CCS项目正在运行中，其中较有代表性的有3个，即挪威国家石油公司在北海的Sleipne项目、阿尔及利亚的In Salah项目和加拿大Weyburn项目。这些项目有些将CO2注入海底或地下，有些注入油田，以提高油田的采收率。

CCS技术虽然能减少大气中CO2的含量，但并没有减少其总量，而且CCS技术还存在两大问题。其一是捕获时的高投入和高能耗，每捕获1tCO2的成本约70美元，一般能够捕获90%的CO2排放量。此外，还需要消耗很多能源完成去碳工作，也就是说，需要再多消耗约25%的煤炭才能将原先产生的CO2去除［11］；其二是封存于地下的CO2可能会出现泄漏，或者对海洋和陆地生态造成威胁，其带来的长期地质影响如渗漏、地表拱起、诱发地震或咸水层破坏等难以估量［12］。

2.2 CO2的循环利用

CO2的循环利用是利用CO2的物理性质，主要应用包括:①可作为惰性气体用于电弧焊接、灭火材料及灭菌气体；②可用于原子能反应堆的冷却剂、食品的冷冻及人工降雨等；③可用作粉末灭火剂、碳酸饮料、鲜啤酒压出剂等；④用作超临界萃取剂和清洗剂；⑤用于提高石油采出率；⑥用于果蔬保鲜剂；⑦用作制作发泡材料的发泡剂等［13，14］。CO2的循环利用目前已经较为成熟，能够较好的利用CO2，但其无法降低大气中CO2的总量达到温室气体减排的效果是其最显著的弊端。

2.3 CO2的转化利用

CO2的转化利用是利用CO2的化学性质，将其转化为其他物质进行资源再利用。CO2在转化利用方面主要是化学合成，比如合成尿素、合成无机碳酸盐以及合成有机物（如醇、二甲醚、高分子化合物、羧酸及其衍生物、有机碳酸脂等）［15］。虽然通过转化利用CO2可以大量的消耗CO2，同时还能获得化工产品，但由于CO2的化学性质较稳定，转化利用常常需要消耗其他能源，而且容易造成二次污染。

3 植物利用CO2的优势分析

3.1 植物固碳在减少全球温室气体方面的作用

植物固碳法是利用植物的光合作用，吸收大气中的CO2，将CO2转化成多糖类固体物质（如纤维素等）。相对于上述3种CO2综合利用的方式，植物的固碳量要大很多，据统计全球森林植被对碳的吸收和储存占全球每年大气和地表碳流动量的90%［16］。植物作为最大的贮碳库以及最经济的吸碳器，通过系统合理的种植各种植物要比其他CO2综合利用的方式在固碳方面显示出明显的优势。1hm2的阔叶林，每天能吸收1tCO2；全球仅森林中植物每年就能处理近千亿tCO2；森林面积虽然只占陆地总面积的1／3，但全球森林植被的碳储量占到了陆地碳库总量的57%［16］。同时植物的固碳优势不仅体现在固碳的量上，还体现在固碳时效上，比如将植物做成纸张、家具等其固定的碳能保持几十年甚至上百年。相对原始森林，人工造林若能系统合理的进行，不仅固碳量十分可观，而且能更有针对性地发挥不同植物的不同作用。系统合理的种植各种植物，能使大气中CO2的比例保持在0.035%左右，保证地球的凉爽。

3.2 植物固碳法的其他重要作用

3.2.1 释放氧气

绿色植物在光合作用固碳的同时还释放了大量的氧气，因此种植植物多的地方通常空气也较为清新。有数据表明，1hm2的阔叶林，每天能吸收1tCO2，制造750kg O2，可供1000人呼吸［16］。

3.2.2 吸收有毒气体

植物叶片上的气孔在吸收CO2的同时，也把污染空气的SO2、HF、O3、氮氧化物、氯、苯、铅蒸汽等吸入体内，然后在体内积累、转移和同化掉。经测定，每公顷植被每年可以从大气中吸收硫化物400kg，氯化物100kg，氟化物10～25kg。在植物春夏生长期，绿化覆盖率达30%的地段，可使空气中苯并芘下降58%，SO2下降90%以上［17］。

3.2.3 除尘

植物的树冠（包括树枝和树叶等）具有较大的表面积，在阻挡气流减低风速的同时使固体颗粒物减速沉降下来，能阻挡和吸附空气中的大量粉尘，在有一定降雨量的地方这个过程能多次进行，是一种有效的天然除尘方式［18］。现代城市绿化对树种的选择不仅要求能美化环境，还要考虑同时兼顾生态效益即防污滞尘的功效。具有优良除尘效果的优良树种当属榕树，其树冠广阔、树型姿态优美、生长迅速且四季常青，具有较高的观赏价值和良好的防污吸尘生态效果，在我国热带及亚热带地区常作为城市园林绿化的优选树种之一［19］。

3.2.4 杀菌

树木具有杀菌作用。有些树木的叶、花、果、皮等可产生一种挥发性物质，称为杀菌素，如松树分泌的植物杀菌素就能杀死白喉、痢疾、结核病的病原微生物。据测量，闹市区空气里的细菌含量要比绿化地区多85%［20］，这充分说明植物具有强大的杀菌功效，在城市里植树造林不但能美化环境，而且可以减少空气细菌含量，起到一定的防病作用。

3.2.5 净化水质

我国作为发展中国家，在经济发展的同时，各种产业排放的污水数量巨大。不但如此，由于我国人口众多，其生活污水的排放量也十分惊人。如果这些污水直接排放将会对环境造成巨大的污染，应对这一问题除了建污水处理厂加强污水处理外，种植植物尤其是水生植物也是非常经济有效的一种手段。水生植物在污染水质中表现出很强的耐污净化能力，它能通过自身的生命活动从水体中吸收并富集各种营养元素（如有机质和重金属等），同时还能通过光合作用向水体释放氧气；此外，水生植物发达的根系为微生物提供附着栖息的场所，其纵横交错形成密集的过滤层使不溶性胶体、重金属和悬浮颗粒等被底泥吸附沉降，从而达到水质净化的目的［21］。

3.2.6 降低噪音

随着城市化进程的加速，车喇叭、工地噪音等各种噪音对人们身体健康的负面影响愈演愈烈，在闹市区种植树木与灌木能有效地将噪音与居住区隔离开来。据测定，绿化的街道比没有绿化的街道，噪音要低10～15dB，10m宽和40m宽的林带可分别降低噪音30%和60%［22］。

3.2.7 保持水土调节气候

植物能起到保持水土和调节气候的作用，通过分析对比，林区比无林区年降水量多10% ～30%，风暴、洪灾及干旱等自然灾害也相对减少。树木还能固定沙丘和防风，抑制沙漠面积的扩大，减轻风沙对人们生存环境的破坏。当风遇到树林时，在树林的迎风面和背风面均可降低风速，我国在三北建立防护林，很好的起到了防风固沙的作用［23］。

3.3 充分发挥植物固碳功效，实现环境、社会、生态多方面收益的几点建议

通过上述对比发现，植物固碳法相对于其他CO2综合利用方法不但固碳能力显著，可有效减缓地球的温室效应，而且在改善空气质量、净化污水、减轻噪声及改善生态环境方面有着重要的不可替代的作用，其社会效益和生态效益亦显著。

（1）充分发挥植物固碳功效，将植物固碳法作为降低大气CO2含量、减缓地球温室效应的战略方法，摒弃捕集与封存（CCS）思路、减少CO2循环利用及人工转化利用［24］。因为这些方法没有降低或者只是短暂降低大气中CO2含量、需要消耗大量的能源，而且有的还会产生不可估量的地质灾害（CCS技术）。因此，应予以摒弃或加以限制。

（2）充分了解植物固碳本领，最大限度发挥植物固碳功效。植物种类不同，其固碳能力不同，例如相对其他植物来说竹子的吸碳本领要高得多，同时竹子成长周期短，并且具有较高的经济效益，可以作为经济作物有规模的进行种植［25］。

（3）充分研究植物的生态习性，合理种植各类植物，发挥其社会和生态效益。例如针对目前土地被重金属污染，导致土壤中重金属超标的问题，可以在这样的土地上种植具有强大重金属吸收能力的植物，如十字花科的植物［26］，以治理土壤的污染，恢复土地原有生态功效。

（4）注重和加强森林尤其是原始森林的保护和恢复。植树造林具有很大的环境、社会及生态效益，但其绝对无法替代原始森林的功效。人工种植的树林对自然环境的影响完全不能等同于原始森林，这是因为森林是一个完整的生态系统，尤其是原始森林，它通过亿万年的自然演化而形成充满生机的生物大体系，具有完整的食物链和生物的多样性［27］。因此，我们建议在人工植树造林的同时要加强对原始森林的保护和尽可能的恢复。尤其是对于我们国家而言，随着城市化进程的加快，这方面一定要更加注意。

（5）改变能源消费的结构，加大风能、太阳能、生物质等可再生能源的利用，逐步替代化石燃料。这样不但可减轻植物固碳法降低大气中CO2含量的压力，更重要的这才是解决地球温室效应问题的最根本途径。

4 结语

植物固碳法与CO2储存利用、循环利用及转化利用等技术相比具有固碳量大、社会效益及环境生态效益显著等特点。因此，笔者建议将植物固碳法作为一种降低大气CO2含量，解决地球温室效应的战略方法。衷心希望政府部门及社会各界能够重视植物固碳法的功效，加大植树造林力度和原始森林的保护，逐步改变能源消费结构，尽快解决地球的温室效应问题，使我们的地球环境和气候恢复到工业革命前的水平。

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［10］http:／／baike.baidu.com／view／2886294.htm

［11］http:／／www.casted.org.cn／blog／index.php？blogId＝1246

［12］谢和平，谢凌志，王昱飞，等.全球二氧化碳减排不应是CCS，应是CCU［J］.四川大学学报:工程科学版，2012，44（4）:1～5.