为实现将全球温升控制在1.5或2°C以内的目标，二氧化碳移除（CDR）技术扮演着至关重要的角色。在众多负排放技术中，生物炭（biochar）与结合碳捕获与封存的生物质能源（BECCS）是两大主力。生物炭由生物质在限氧条件下热解（pyrolysis）产生，不仅富含碳、能长期封存于土壤，其生产过程中的副产物（生物油和合成气）还可替代化石燃料，可谓一举多得。然而，理想丰满，现实骨感：生物炭的大规模生产严重受制于农业和林业残余物等传统生物质原料的供应——在中国，绝大部分残余物已被用作肥料、饲料、燃料等，实际可用于生物炭生产的可能不足1%。另一边，BECCS技术虽然CDR潜力巨大，但其依赖昂贵且尚不完善的碳捕获与封存（CCS）基础设施，还面临二氧化碳泄漏风险和高昂成本（约$90.9 t−1 CO2 ）的制约。那么，有没有一种方法，既能突破生物质供应瓶颈，又能规避BECCS的高成本与高风险呢？
近期发表在《Biochar》上的一项研究给出了一个新颖的答案：将生物炭与来自专用能源作物的生物质供应相结合。研究者们设想，通过改造中国现有的生物质发电厂，为其加装热解系统或CCS装置，让这些电厂不仅能处理传统的农林残余物，还能利用在撂荒耕地上种植的能源作物（如柳枝稷、芒草等）来生产生物炭。这种策略被命名为BCBE（Biochar with biomass supply from dedicated bioenergy crops）。为了评估其可行性，研究团队开展了一项深入的生命周期分析，系统比较了BCBE、传统农林残余物生物炭（BCAF）、两者混合（BCBEAF）以及BECCS等多种技术路径的CDR潜力和经济成本。这项研究首次在工厂层面，结合实际的公路运输网络，量化了不同生物质利用情景下的碳移除效果与经济效益，为中国的碳中和路径提供了一个成本效益更优的负排放技术选项。
为开展此项研究，作者主要运用了以下关键技术方法：1） 高分辨率生物质空间分布分析 ：利用1 km×1 km网格的农业林业残余物及撂荒耕地能源作物产量地图，确定生物质资源的空间分布与潜力。2） 工厂级生物质供应链建模 ：基于中国426个现有生物质发电厂的位置与产能数据，结合真实道路网络，模拟了每个工厂在产能约束下的生物质收集路线与运输距离。3） 全生命周期评估（LCA） ：建立了从生物质收集、运输、工厂加工（热解或CCS）、到产品（生物炭或捕获的CO2 ）运输及最终应用（土壤改良或地质封存）的完整系统边界，量化了净CDR潜力及温室气体排放。4） 成本效益与碳价阈值分析 ：核算了生命周期各环节的成本与收益（包括能源收入、养分价值、碳交易收入等），计算了使技术实现盈亏平衡的临界碳价格。5） 新建工厂选址与潜力模拟 ：在识别出现有工厂收集半径内未利用生物质的基础上，通过空间优化算法，确定了新建热解工厂的盈利性选址，并估算了其所能实现的额外CDR潜力。
研究结果
3.1 生物炭的CDR潜力
研究发现，若利用现有生物质发电厂产能，并假设73%的农业残余物和50%的林业残余物可用于生产，传统生物炭（BCAF）的年CDR潜力为29.8 Tg CO2 。而如果完全使用在撂荒耕地上种植的能源作物作为原料（BCBE），其CDR潜力为25.8 Tg CO2 year−1 ，与BCAF潜力相当。这意味着能源作物可以有效地替代传统的农林残余物，从而释放后者用于其他用途。在BCBE情景下，仅需利用中国当前撂荒地（54.7 Mha）的3.1%（约1.7 Mha）进行能源作物种植。相比之下，在同等生物质供应（来自能源作物）的假设下，BECCS技术的CDR潜力为27.6 Tg CO2 year−1 ，略高于BCBE，但显著低于BCAF和两者混合的BCBEAF（29.8 Tg CO2 year−1 ）。BCBE的CDR主要来源于热解产生的能源替代化石燃料以及生物炭施用带来的土壤有机碳（SOC）增加。
3.2 生物炭的成本与效益
经济性分析显示，在不考虑碳市场收入的情况下，BCBE的净成本为$9.6 t−1 CO2 ，远低于BECCS的$90.9 t−1 CO2 。BCBE的主要成本来自原料收集、工厂运营和资本投入，其主要收益则来自能源销售。研究计算了使净收益由负转正的临界碳价阈值：BCBE仅为$9.6 t−1 CO2 ，而BECCS高达$135.7 t−1 CO2 。在当前中国碳价（$12.6 t−1 CO2 ）下，BCBE已具备盈利潜力，凸显了其经济优势。
3.3 CDR潜力与成本的空间格局
从区域尺度看，BCBE的CDR潜力在东部、东北和中部地区最高，西北地区最低，这主要与现有生物质发电厂的分布密度和产能，以及当地的生物质资源丰度有关。各区域BCBE的碳价阈值在$9.0至$11.6 t−1 CO2 之间，均低于当前中国碳价。而BECCS的碳价阈值则在$106.9至$199.9 t−1 CO2 之间波动，其中南方地区因运输成本高昂而阈值最高。
3.4 新建生物质热解工厂的潜力
研究指出，受限于现有工厂的实际产能和收集半径（中位数约17.8 km），即使在100公里收集半径内，中国仍有大量生物质（包括能源作物和农林残余物）未被利用。若将现有工厂的收集半径扩大至100公里并提升其处理能力，生物炭的CDR潜力可大幅提升至836.9 Tg CO2 year−1 。为进一步挖掘潜力，研究模拟了在剩余生物质富集区域新建热解工厂的情景。结果表明，在假定碳价为$20 t−1 CO2 时，新建工厂在经济上是可行的。若新建工厂使用100公里收集半径，并利用100%的剩余生物质，则需要建设1828个新工厂，可使生物炭的总CDR潜力达到惊人的1880.4 Tg CO2 year−1 。
研究结论与讨论
本研究表明，将专用能源作物作为生物质来源与生物炭生产相结合（BCBE），是一种能够克服传统生物炭原料供应限制和BECCS技术高成本问题的有前景的负排放策略。尽管BCBE的CDR潜力略低于BECCS，但其成本优势极其显著，临界碳价远低于当前市场水平，具备大规模商业化部署的潜力。通过利用撂荒地种植能源作物，该策略不仅避免了与粮食生产争地，还能贡献相当于森林碳汇数倍的CDR能力。研究还揭示了通过改造和新建工厂、扩大生物质收集范围，可以极大提升生物炭在中国实现碳中和目标中的贡献上限。
然而，该研究也指出了若干关键的不确定性与挑战，包括工厂改造的技术可行性、热解与现有能源基础设施的整合、生物质供应链的稳定性以及生物炭对土壤养分平衡（特别是氮素）的长期影响等。敏感性分析表明，生物炭的施用率、产率以及土壤有机碳变化是影响CDR潜力评估的关键参数。未来的研究需要更细致地考虑生物炭施用对土壤甲烷（CH4 ）排放、作物生长的促进效应以及由此带来的额外碳汇，这些都可能进一步改善生物炭技术的经济与环境效益。总之，这项研究为政策制定者提供了一个基于现有基础设施、成本效益更优的负排放技术路线图，强调了大尺度部署生物炭并结合多元化生物质供应，对于中国乃至全球应对气候变化的重要意义。
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