综述：非能源生物质碳移除与封存（BiCRS）：评估陆地储存归宿中非气态碳产品的持久性

《Chemical Reviews》：Nonenergy Biomass Carbon Removal and Storage (BiCRS): Assessing Durability of Nongaseous Carbon Products Across Terrestrial Storage Fates

本文深入探讨了非能源生物质碳移除与封存（BiCRS）技术的核心。文章系统阐述了如何通过生物质（植物或藻类）的光合作用捕获大气CO2，并将其转化为生物炭、生物油等非气态产品进行长期封存。作者创新性地构建了以碳产品“形态”（原料化学抗性）和储存“归宿”（防止分解机制）为双轴的评估框架，全面剖析了农业残留物、林业残留物、生物炭、生物油等不同碳产品在表面储存、干燥储存、厌氧储存（填埋）和地质注入等不同储存条件下的持久性、降解风险与逆转机制，为开发稳健、高完整性的陆地生物碳封存途径提供了关键的科学见解和未来研究方向。

　　

在应对气候变化的宏伟蓝图中，如何从大气中大规模、持久地移除二氧化碳（CO₂）已成为紧迫课题。一种被称为生物质碳移除与封存（BiCRS）的技术路径正受到越来越多的关注。与传统的、侧重于从生物质获取能源的路径（如生物能源碳捕集与封存，BECCS）不同，非能源BiCRS路径的核心目标并非能源，而是“碳封存”本身。其基本原理是利用植物或藻类通过光合作用捕获大气中的CO₂，然后将这些生物质或其热化学转化产物（如生物炭、生物油）长期储存于地下或持久性产品中，从而实现净碳移除。

1. 引言：为何要关注碳封存的持久性？

碳移除（CDR）的核心在于“持久性”，即捕获的碳必须被稳定封存数十年乃至更久，而非快速重新释放回大气。然而，不同CDR方法的封存持久性差异巨大，从数年、数十年到上百万年不等。对于BiCRS而言，其封存的持久性高度依赖于两个关键变量：一是碳产品本身的“形态”，即其化学成分和结构对降解的抵抗能力（化学抗性）；二是碳产品的储存“归宿”，即其所处的物理、化学和生物环境如何防止其分解。理解这两大轴线的相互作用，是评估和提升BiCRS路径有效性的基石。

2. 碳产品形态：原料生物质——化学抗性的起点

并非所有生物质都“生而平等”。用于BiCRS的原料生物质，如农业残留物、林业残留物和城市固体废物（MSW）中的木质纤维素成分，其化学组成决定了初始的抗分解能力。

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  农业残留物（如玉米秸秆、小麦秆）通常含有较高的氮和灰分，碳氮比（C:N）较低，这使得它们相对容易被微生物利用，化学抗性较弱。
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  林业残留物（如树干、树枝、树皮、针叶）是更具前景的原料。特别是木质部，具有高木质素含量、低氮、低灰分和低比表面积的特点，使其成为化学抗性最强的天然生物质形式。木质素是一种复杂的芳香族聚合物，尤其是针叶木中以愈创木基（G）单元为主的木质素，结构更加交联致密，难以被微生物降解。
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  城市固体废物（MSW） 成分极其复杂且多变，包含大量易降解的有机物（如食物垃圾）和惰性物，其作为BiCRS原料的适用性需要严格筛选和控制，本文主要关注其木质纤维素部分。

衡量原料生物质持久性的关键指标包括碳氮比（C:N）、木质素含量以及木质素单体中紫丁香基与愈创木基的比例（S:G）。高C:N、高木质素含量和低S:G比通常是更高化学抗性和更长储存寿命的标志。

3. 碳产品形态：热化学转化生物质——提升抗性的工程手段

通过热化学转化（如热解、气化），可以将抗性有限的原料生物质转化为结构更稳定、碳含量更高的产品，主要是生物炭和生物油。

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  生物炭：是在缺氧条件下加热生物质产生的富碳固体。高温导致生物质脱水、脱氧，形成高度芳香化和缩合的结构，类似于惰性碳。这种结构赋予其极强的化学抗性和生物惰性，是长期封存的理想形态。
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  生物油：是快速热解产生的复杂含氧有机物液体混合物。它在常温下化学性质不稳定，但其高粘度和在特定地质环境下的潜在稳定性，使其成为地质封存的研究对象。

转化过程的工艺条件（如温度、加热速率、停留时间）和原料特性共同决定了产物的产率和性质。一般而言，较高的热解温度会产生芳香化程度更高、H:C_org（氢与有机碳的摩尔比）更低的生物炭，这意味着更高的持久性。

衡量转化产品持久性的关键指标：

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  对于生物炭：H:C_org是核心指标。H:C_org< 0.5通常被认为具有百年尺度的持久性。随机反射率（R_o> 2%）也被用作生物炭高度芳香化、类似于煤中惰质组的参考指标。
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  对于生物油：其在地质封存中的持久性标准尚不明确，但可能与其平均分子量、缩合度、含氧官能团含量以及在地层水中的相分离行为有关。

4. 碳分解机制：理解风险才能有效预防

要实现长期封存，必须了解碳在自然状态下是如何分解的，并针对性地设计预防措施。分解主要有生物和化学两种途径。

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  生物分解机制：微生物是主要的分解者。好氧真菌（如白腐菌、褐腐菌、软腐菌）和细菌能分泌酶或利用芬顿化学反应分解木质纤维素。在厌氧环境下，多种微生物协同作用，最终由产甲烷菌将有机物转化为CH₄和CO₂。木质素含量是抵抗生物分解的关键屏障。
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  化学分解机制：主要包括光降解（紫外线辐射引发材料氧化）和燃烧。火灾能在极短时间内将生物质碳转化为温室气体，是地表储存面临的主要风险之一。

5. 碳产品归宿：防止分解的四大策略

对应于不同的碳产品形态和分解风险，BiCRS主要采用四种储存“归宿”或防止分解的机制：

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  表面储存：主要指将生物炭施用于土壤表面。其持久性几乎完全依赖生物炭自身的化学抗性（低H:C_org）。虽然生物炭在土壤中可存续数百年，但仍暴露于好氧微生物降解和光降解下，且存在因侵蚀、火灾或淋失导致碳损失的风险。此方法不适用于未经处理的原料生物质。
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  干燥储存：通过将生物质的水分活度（a_w）持续维持在0.60以下（例如通过干燥、盐渍或物理包裹），创造一个不适合任何已知微生物生存的环境，从而完全抑制生物分解。其持久性完全取决于工程屏障（如防渗膜、密封容器）的完整性。一旦水分侵入，分解将重新开始。
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  厌氧储存：类似于现代化填埋，将生物质封存在深层、缺氧、湿润的环境中。其持久性由原料的化学抗性和厌氧分解动力学共同决定。关键在于原料的可降解有机碳比例。对于软木等抗性强的原料，DOC_f很低（<0.088），在百年内只有少量碳会缓慢转化为CH₄和CO₂。覆盖层中的甲烷氧化菌可以进一步将逸出的CH₄氧化为CO₂。然而，对于食物垃圾、纸张等DOC_f高的原料，厌氧储存会产生大量强效温室气体CH₄，可能使整个项目产生净正碳排放。这种储存方式的最大风险是覆盖层破损导致氧气进入，从而可能加速分解。
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  地质注入：将生物质（需制成浆料）、生物炭浆或生物油注入深层地质构造（如盐水层）。这里结合了深度（高压、低温）、缺氧和地质圈闭等多种隔离机制，理论上可提供千年以上的持久性。其成功与否取决于注入体的长期地球化学稳定性、与围岩的相互作用以及封存地层的构造完整性。这是目前考虑的持久性最强的储存方案，但技术复杂度和监测要求也最高。

结论与展望

这篇综述构建的“形态-归宿”二维框架，为系统评估非能源BiCRS路径的碳封存持久性提供了清晰的路线图。它揭示了一个核心原则：持久性并非单一属性，而是碳产品固有抗性与所处环境防护机制相匹配的结果。 例如，化学抗性最强的生物炭，在简单的表面储存中就能表现良好；而抗性较弱的原料生物质，则必须依赖更严格的工程储存（如干燥或深层厌氧储存）来弥补其不足。

未来的研究需在多个方向深入：精确量化不同原料在不同储存条件下的分解动力学与温室气体排放谱；开发可靠、低成本的长周期监测、报告与核查（MMRV）方法；评估大规模部署的生态系统影响和可持续性；以及优化从原料收集、预处理、转化到最终封存的全链条技术和经济模型。通过跨学科的深入研究与审慎的工程实践，非能源BiCRS有望成为应对气候变化武器库中一项持久、可靠且具有成本效益的重要技术。