<span style="font-family:微软雅黑, "microsoft yahei";color:#c00000;line-height:1.75em;"> Science重磅报道：3775年的木制葬礼支持“木制穹顶”作为一种持久的碳移除方法
树木和植物在生长过程中捕获了大量二氧化碳，但大部分在叶片和木材腐烂时相对较快地释放出来。曾宁等人探索了将树木埋在粘土中，创建一个可能防止数百甚至数千年降解的木制穹顶（见姚的视角）。支持这种方法的是大约3800年前埋在粘土中的一棵树的发现，作者分析了这棵树，表明它在这段时间内降解非常少。这项工作表明，有可能创造环境，将生物量半永久性地封存。这样做的成本似乎低于其他碳封存方法，如直接空
陆地光合作用每年移除的二氧化碳(CO2)是化石燃料排放的六倍。然而，大部分碳通过分解又返回到大气中。我们发现了一个埋在地下2米处的3775年的古老木制原木，它的保存远远超出了预期寿命。这块木头保存得近乎完美，与现代样本相比，碳损失不到5%。缺乏腐烂可能是由于埋葬地点的粘土土壤的低渗透性。我们的观察表明，通过在类似的厌氧环境中埋藏木质生物质，采用混合的自然工程方法进行碳移除。我们估计，使用现有技术，全球每年最多可以封存10亿吨CO2，优化后的成本为每吨30至100美元。
通过转向可再生能源，大幅度减少化石燃料燃烧产生的温室气体排放，以防止全球变暖超过前工业化水平1.5°至2°C。此外，到2060年，每年必须移除并封存高达10亿吨大气中的二氧化碳(GtCO2)，以抵消遗留和难以脱碳的排放(1, 2)。在新兴的二氧化碳移除(CDR)领域，也称为负排放技术(NET)，已经提出了各种有前景的基于工程的方法。这些包括直接空气捕获和直接海洋捕获(2, 3)。然而，由于捕获高度稀释的CO2成本高昂，这些方法能源密集且昂贵。主要使用这些方法来应对持续的气候紧急情况可能会很具挑战性(4)。或者，各种基于自然的解决方案的提议利用“免费”的光合作用，例如通过促进森林生长来增强活跃生物圈中的碳储存(2-5)。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移除220 GtCO2。这个数量，称为净初级生产力(NPP)，是当前每年化石燃料排放37 GtCO2的六倍(6)。然而，在自然碳循环中，由于生物质的分解或燃烧，捕获的碳最终在相对较短的时间内返回大气，对大气CO2的净影响很小(图1A)。
Fig. 1. Carbon sequestration through wood burial.
A) In the natural terrestrial carbon cycle, the annual NPP from terrestrial photosynthesis is 220 GtCO2 year−1 but is largely balanced by decay and decomposition, resulting in near zero net CO2 removal. (B) We can bury up to 10 GtCO2 year−1 (4.5% of NPP) in wood vaults, which are structures engineered to prevent decay, resulting in a net CO2 removal of the same quantity. (C) A demonstration wood burial experiment conducted in 2013 near Montreal. (D) A 3775-year-old ancient wood log was discovered during the trench excavation, which supports the efficacy of burying wood in low-permeability soil to prevent decay. Black arrows represent natural carbon fluxes and blue arrows represent fluxes resulting from human intervention. Carbon fluxes are in GtCO2 year−1.
通过切断光合作用碳循环的返回路径，即使是一小部分，比如4.5%的NPP，就可以实现每年长期封存10亿吨CO2——相当于当前化石燃料排放速率的27%。减少碳循环返回路径的一种方法是保存生物质并防止其分解。但鉴于人为CO2在大气中的长寿命，移除的碳必须储存数百年甚至更长时间(7, 8)。即使是树木中最耐腐烂的部分——木材，在被真菌、昆虫和微生物分解之前也只能持续几十年(9, 10)。生物质保存概念的核心是持久性和耐用性的问题。目前尚不清楚的是，我们是否能够以实用且经济的方式，将木质生物质的保存时间从通常的时间尺度延长到数百年甚至更长时间。一个相当明显的方法就是将木材埋在地下。这种可能性来自埋藏的古老木材材料的考古和地质证据(11, 12)。然而，保存和长寿的条件尚不清楚。为了指导持久碳移除的潜在工程干预，需要更好地理解环境埋藏条件和保存状态。
我们展示了一种结合自然光合作用优势和最小但有效工程的碳封存方法，在这种方法中，可持续来源的木质生物质被埋在地下的一个名为“木制穹顶”的工程结构中，以防止腐烂和分解(图1B)。我们的方法基于自然木材埋藏“实验”的结果。2013年3月，在为木制穹顶原型挖掘沟渠时，我们发现了一个埋在地下仅2米深的古老且保存完好的东方红杉原木(图1，C和D)。这块木头随后被碳-14年代测定为3775±35岁，为木材埋藏作为碳移除和持久储存方法的可行性提供了直接证据。我们仔细检查了埋藏环境，并分析了木头样本的物理特性和化学成分，以了解如何最好地保存木材，实现长期碳封存。
Fig. 2. A natural wood burial experiment: An ancient red cedar log was discovered during our 2013 trench excavation for the construction of a wood vault.The log, carbon-14 dated at 3775 years old (see materials and methods), was likely deposited on the St. Lawrence flood plain and buried naturally. (A) The site at the St. Lawrence River Valley, 50 km east of Montreal. (B) The trench, showing the hole left by the ancient log 2 m below the ground’s surface. Also shown is the soil profile with the standard soil horizons: O, horizon at 0 to 0.1 m; A, horizon at 0.1 to 0.7 m; B, horizon at 0.7 to 2 m; C, horizon from 2 m, which is a blue clay (parent material). (C) The ancient log just excavated and dropped on the ground, with bark still partially attached. (D) The ancient log cleaned and dried, with the lower end sawed off for lab analysis.
发现地点位于加拿大魁北克省的圣皮埃，距离蒙特利尔以东50公里（图2A），在一个向小溪倾斜的农田角落。地表覆盖着稀疏的草本和灌木植被，散布着小树。大多数的根都在地表以下1米以内，1.5米以下没有可见的根。1959年Bagot土壤调查将这一区域确定为Levrard粘土土壤类型（17）。土壤剖面显示，从0到0.1米（枯枝落叶、树叶、腐殖质）为O层，0.1到0.7米为粘壤土A层，0.7到2米为B层，从2米开始为C层，是沉积于上一个冰河时代末期约13000年前的尚普兰海的水分饱和的蓝色粘土（18）。由于劳伦泰德冰盖撤退后大陆的逐渐反弹，该地点现在位于海平面以上44米。
东方红杉的古老原木在2米深处被发现（图2，B和C）。原木周围是粘土土壤。原木的树皮松散，容易脱落。此外，原木充满了水分，但感觉上仍然坚固。我们清除了原木上的松散土壤，并将其存放在空调房间中自然干燥（图2D）。2022年初，我们分析了样本的微观结构、机械强度、密度和化学成分。为了比较，我们还分析了同一物种东方红杉的新鲜切割现代样本（19）。
物理和化学分析
现代和古代样本的一端都被切割以显示内部（图3，A和B）。与现代样本相比，古代原木的最外层略有剥离，但木材本身仍然坚固。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，古代样本总体上保存良好。古代样本的一小部分显示出轻微的细胞壁变薄和细胞扭曲（图3D）。这种轻微的变薄发生在早期木材部分（由于春季和初夏的快速生长，腔室较大），而不是晚材（细胞壁厚，腔室小）。我们可以将这种腐烂的位置依赖性解释为早期木材的开口较大，更容易被分解者穿透。相比之下，晚材部分看起来保存得非常完好。我们随后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。古代木材的密度为0.40 ± 0.02 g/cm³，比现代样本的密度0.46 ± 0.023 g/cm³降低了13.6%（图3E，P值为0.0314）。尽管这可能部分反映了碳损失，但由于木材样本的变异性和不同的气候生长条件等因素，定量解释变得复杂（20）。木材由全纤维素、木质素、提取物和灰分组成。全纤维素（纤维素和半纤维素）和木质素形成基本的木材细胞结构，通常占木材碳的80%到95%（21）。提取物是存在于细胞壁内的大分子，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分解，而木质素由于其无定形聚合物结构难以被大多数分解者消化，因此具有很高的抵抗力（22）。因此，腐烂的木材全纤维素浓度较低，但木质素含量较高。比较现代和古代样本的傅里叶变换红外光谱（FTIR）光谱（图3F）显示，木质素（1593、1508和1419 cm⁻¹）和全纤维素（1367、1230和1028 cm⁻¹）的特征峰一致，表明古代样本中木材的基本成分保存良好。
Fig. 3. Physical and chemical analysis of the modern and ancient wood samples.
(A) The modern red cedar. (B) The ancient red cedar (3775 years old). (C and D) SEM transverse cross-sectional images. (E) Density. (F) FTIR spectra. (G) The mass ratio of holocellulose, lignin, extractives, and ash relative to the total wood mass. (H) Tensile strength of the modern and ancient samples.
为了定量区分两个样本之间的化学成分差异，我们分析了材料的化学成分和碳含量。古代样本的全纤维素浓度（全纤维素与总木材的质量比）为53.9 ± 2.69%，与现代样本的55 ± 2.75%相比，木质素浓度为34.5 ± 1.73%，高于现代样本的29.7 ± 1.49%（图3G）。然而，差异很小：古代样本的全纤维素少了1.1 ± 3.85%（P值为0.005），木质素多了4.8 ± 2.28%（P值为0.03）。这表明在埋藏3775年后，只有轻微的降解。由于机械强度主要由木材纤维素纤维结构定义，我们还测量了古代木材的抗拉强度为59.8 ± 5.7 MPa，比现代值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本纤维素组成的相对较小变化。
对于碳封存的目的，碳损失是所需的变量。理想情况下，最好是通过与完全保存的原始树木进行比较来获得，但这在这次自然实验中是不可能的。另一种直观的方法是简单地使用木材密度。然而，密度受到难以量化的大量不确定性的影响。例如，现代和古代样本来自两棵不同气候条件下生长的树，尽管这些树是同一物种。即使在同一棵树内，由于年际气候变异，不同部分的生长也可能非常不同。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，假设在保存良好的木材中木质素损失可以忽略不计（24）。使用这种方法，我们得到的碳损失为1.1%，测量误差为±3.9%（标准差），对应于-2.8%到5.0%的范围。显然，-2.8%（碳增加）在理论上是不可能的。我们选择使用5%损失的上限作为碳损失的保守估计（上限）。这也与木质素的4.8%富集和5%的机械强度损失一致。尽管存在不确定性，对3775年古老原木的测量清楚地表明它保存得很好。此外，我们不知道降解是在埋藏前还是埋藏后发生的，但很可能大部分降解发生在埋藏前的开放环境中。因此，我们估计的5%损失值是埋藏后碳损失的保守上限。
保存机制和对工程碳移除的影响
就保存条件而言，我们将木材分解过程的缓慢归因于现场粘土土壤的特性。木材的生物降解需要三个因素：氧气、水分和适宜的温度（22）。在蒙特利尔现场，水分不是限制因素，年均温度为7°C，相对较低，这可以减慢但不会停止生物活动。因此，我们确定氧气的缺乏是观察到的保存的主要原因。蒙特利尔现场的土壤是粘土，饱和水力传导度为2.0 × 10⁻⁹ m s⁻¹，对应于2.0 × 10⁻¹⁶ m²的内在渗透性（19）。这种低渗透性的粘土土壤阻止或大大减慢了氧气渗透到埋藏空间。封闭时的任何初始氧气早已被少量有机分解消耗殆尽。此外，活跃生物圈上方的土壤和根呼吸不断消耗氧气，以至于通常在地表以下1到2米处达到氧气灭绝深度（25）。
此外，埋藏地点的水饱和和停滞的土壤条件也应该通过切断直接的氧气供应来减慢分解（12）。在蒙特利尔现场，土壤（图2B）有一个明显的分化剖面。2米以下土壤的明显蓝灰色对应于永久水分饱和的状态，而上面的土壤已经经历了风化和改造。位于2米深处的3775年原木可能并不总是处于水饱和状态，但很可能经常在低洼的河岸区域饱和，因此也有助于氧气耗尽和木材保存。我们注意到，仅仅将木材浸入水中对于长期保存来说是不够的，因为自由流动的水可以带来一些氧气，正如实验观察到的（26）。水需要停滞才能在更长的时间尺度上保存木材（27）。
为了这些条件能够保存古老的原木，我们假设蒙特利尔现场的低渗透性土壤和接近水饱和状态创造了一个缺氧条件，排除了通常在活跃土壤层中发现的主要分解者（通常是前0到1米），如需要氧气生存的真菌和昆虫。这只剩下厌氧细菌，如侵蚀细菌。然而，厌氧细菌不能消化木质素，这保护了纤维素结构（22）。这表明粗木材生物质（CWB）比细木材生物质（FWB）保存得更好。特别是，整个原木形成了一个物理屏障，使其更难以侵入（27）。值得注意的是，木质纤维素细胞结构含有很少的营养物质（28），因此不能支持一个繁荣的厌氧细菌群落。一小部分整个原木，例如形成层的多糖，或在裂缝和切口处暴露的纤维素，可以被厌氧消化，但分解会非常缓慢。任何少量产生的甲烷向上迁移将被上方生物活跃土壤中无处不在的甲烷营养菌消化（29）。
Fig. 4. Carbon removal potential.
(A) The potential of sequestering carbon by burying woody biomass in selective regions of the world (GtCO2 year−1). (B) The potential as a percentage of the corresponding region’s fossil fuel emissions. Data for more regions are found in figs. S2 to S6.
一个有趣的比较是现代卫生填埋场，已知部分缺氧条件可以保存木材，埋藏几十年后碳损失为0到3%，与其他有机物如食物残渣的快速分解形成对比（24, 30）。尽管这些填埋场数据太短，不能直接支持蒙特利尔古老原木中发现的千年时间尺度，但同样的机制在起作用，因为氧气的短缺是木材保存的原因（24）。尽管填埋场不需要也不保证缺氧。
木材埋藏的运作涉及利用现代林业、废物管理和一般建筑中广泛使用的机械和技术进行收获、运输、挖掘和封顶。根据这些行业数据和正在进行的木制穹顶试点项目，我们估计当前的项目成本为每吨100至200美元，未来10至20年内规模化和优化后有望降至每吨30至100美元，排放比率（机器操作产生的化石燃料排放与封存的碳相比）为2%至10%（19）。相比之下，大多数“基于技术”的碳移除方法，如直接空气捕获成本为每吨CO2 100至300美元（4）。2023年，持久性碳移除市场价格范围从基于生物质的方法每吨CO2 111美元到直接海洋捕获每吨CO2 1402美元（32）。木材埋藏操作的简单性使其成本低廉。与生物气化和生物炭等方法相比，木材埋藏不使用嵌入能源。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，它仍然为将来的其他用途留下了选择，因为木材被保存且易于获取（13）。在基于生物质的持久性碳移除方法中，也称为生物质碳移除和储存（BiCRS）（33），木材埋藏在碳价格高于每吨150美元时最具竞争力（34）。因此，在各种CO2移除方法中，木材埋藏方法在成本和效果之间提供了良好的平衡。作为一种混合的自然工程气候解决方案，它有潜力带来额外的好处，如利用来自火灾疏伐、风暴吹倒、商业森林疏伐、城市树木移除和其他木材残余的木材。这种方法是分散的且高度可扩展的，因为木材来源和适合埋藏的条件广泛可用。在实践中，它可以被纳入可持续森林管理计划，为全球挣扎的行业和当地社区提供新的收入来源。
我们在蒙特利尔现场发现的3775年的红杉木为指导人类干预和现代工程进行碳封存提供了难得的机会。我们的发现表明，使用天然低渗透性粘土土壤，将工程木材穹顶建造得和古代红杉木的埋藏环境一样耐用，可以实现一种长期碳封存技术，该技术在成本和效果之间取得了平衡。每年10亿吨CO2的封存潜力足以抵消目前每年37亿吨CO2的全球化石燃料排放的27%（6）。这一比率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年实现净零目标所需的总碳移除水平（1）。
3775-year-old wood burial supports “wood vaulting” as a durable carbon removal method | Science