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碳并非人类的宿敌

已有 8726 次阅读 2017-4-12 13:23 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记|关键词:碳,二氧化碳,敌人| 二氧化碳, 敌人

不管是传统媒体的电视广播和报刊杂志,还是新型媒体的互联网连接的电脑和手机屏幕,无不在有意无意间向人们灌输着一个信条:碳是有毒的废物,是气候变化的罪魁祸首。虽然这并非地球化学家和生态学家的本意,但人们的注意力似乎更被引入了在气候科学中研究不全面或不充分的地方,很容易让普罗大众得出碳是邪恶的而谈碳色变,也许用臭名昭著都不足于表达这种厌恶之情了。

二氧化碳固然是地球温室效应的重要化学成分,但同时,二氧化碳也赋予了浓厚的政治色彩,在某种程度上甚至成为政治家们推进某项计划或争取大众支持的帮凶,更是让碳在自然界本身的角色变得扑所迷离。例如,在美国的两党争斗中,民主派人士希望制定规则来减少向大气中的碳排放,而当选的共和党新总统唐纳德·特朗普则试图废弃这种规则。

10年来,美国SXSW科技网站不断蹿红。2007TwitterSXSW的互动领域发表上线,2009SXSW的互动领域吸引了大量的科技爱好者通过iPhone参会,一度导致AT&T网络的瘫痪。这个诞生于1987年以音乐、电影以及互动三大领域构成的嘉年华,居然草率地以其举办方位南南西(SXSW South by Southwest)为名而能享誉全球,不得不让人惊叹互联网这个创造奇迹的时代。

201610月,世界知名的建筑师,设计师和城市规划师威廉·麦克唐诺(WilliamMcDonough)在SXSW生态会议的主旨演讲中指出这一切都是错误的,碳不是人类的宿敌并在1117日的Nature周刊上以同名标题发表了一篇文章。他认为是人类自己制造了碳的毒性,在正确的地方,碳是资源和工具。

McDonough的宣言中,气候变化是因为人类自己打破了碳循环所造成的结果:大气中的人为温室气体是以错误的存留时间、错误的剂量进入了错误的地方,正如饮用水中的铅和河流中的硝酸盐,我们自己产生了碳毒性。总体上,这是一种人类的设计失败

为了厘清人类对碳的误解,McDonough在文中诠释了几个文字概念,认为这都是“言语驱动的行动”惹得祸。在目前有关描述碳的语言中,有低碳Low carbon),零碳zero carbon),脱碳decarbonization),负碳negative carbon),中性碳neutral carbon)甚至碳战争a war on carbon等等,不一而足。就这些词,由于缺乏明确的定义,别说大众,就是许多气候谈判专家也将自己迷失了。比如,欧盟专家认为燃烧木材发电就是碳中和(carbon neutral,就好像这个过程完全不释放二氧化碳似的。这其实有一个前提,用于燃烧发电的木材必须是依赖于森林增长和替代而增加的量,显然这需要数十年到数世纪对管理的承诺。另一个说法是通过增加可再生能源的信用来抵消化石燃料的使用,可惜这可能仍然意味着全球二氧化碳浓度的增加,因为那些所谓的可再生能源信用本来就是自然界的属性,并非凭空创造出来的。总体上,这传递给大家的一个概念仍然是:我们需要减少碳排放量,缩小碳足迹,说白了,还是如何战胜碳这个敌人。难怪在这个问题上,企业、机构和政策制定者都不知所措。

在英文世界里,negativepositive是一对反义词。作为名词使用的时候前者表达负面、消极和否定的意味,后者指正面、积极和肯定的含义。可有时候又作为形容词表达进出大气的方向,negative carbon(负碳)用于从大气中清除二氧化碳,而positive carbon(正碳)指增加了大气中的二氧化碳。由此,carbon negative(碳消极)和negative carbon则表达了完全相反的含义。例如,不丹总理表示,他们的国家是carbon negative的,因为该国现有森林吸收的二氧化碳比全国释放的二氧化碳还要多。与此同时,许多企业宣布希望做到carbon positive(碳积极),即通过生产超过自身运行所需要的可再生能源或者植树吸收碳来实现这个夙愿。碳封存是一个长期追求的目标,它基于两个要素:一个是找到从大气或烟囱中捕获碳的方式,另一个是安全和永久储碳的方式。但一些高明的碳储存方案看上去却像是自相矛盾的。例如,为了提高采油量,将二氧化碳注入岩层冲出残余的原油,而这些油最终又是会被燃烧释放出二氧化碳的。因此,为了避免混淆,McDonough对这些词进行了严格的定义。另外,不同的部门和机构看待二氧化碳也有不同的角度。例如,在美国,土地管理局将之归类为物品,环保局视之为污染物,芝加哥气候交易所则看成金融工具。为了厘清二氧化碳的原料属性和品质属性,McDonough认为可根据碳的材质进行辨别,将地球上的碳框定为活跃碳(Living carbon)、耐久碳(Durable carbon)和逸散碳(Fugitivecarbon。这相当于在碳的领域提出了一种新的表达方式,未来就可以利用这些运转性碳(working carbon)实现新的前景和战略(图)。


除此之外,McDonough还阐述了二氧化碳在自然界的作用。二氧化碳是光合作用的通货,是地球再生能力的来源。土壤碳是健康生态系统和粮食与水安全的保障。碳原子是生命的基石,羊毛、棉花和丝绸都是碳的化合物,许多工业聚合物和纯的超级碳如钻石和石墨烯也是碳构成的。

那么,我们该如何利用自然碳循环才能保持和加强其所提供的福利呢,也就是碳积极策略呢?答案是,从土壤开始。碳是土壤健康的核心。在健康的生态系统中,当植物将二氧化碳转化为碳基糖(液态碳)时,一些碳流入植物的枝条、叶片和花朵中,其余的则滋养土壤食物网,从植物的根部流向土壤微生物群落。作为交换,微生物共享对植物健康至关重要的矿物质和微量营养成分。微量营养成分被吸收到植物的叶子中,提高了光合作用的速率,这样又能够为微生物产生更多的液态碳,进而为真菌和植物创造更多的微量营养成分。在地下,液态碳通过食物网循环转化为土壤碳——这种碳蕴藏丰富、稳定可靠,具有赋予生命的作用。这种有机物质也使土壤呈海绵状,从而提高其肥力、持水力和滤水力。这就是一个健康的碳循环是如何支持生命的。这种流动使碳以合适的浓度保存在合适的场所中,调节气候,促进增长,并滋养了人类社会持续发展一万年。

许多土壤研究人员认为目前的碳循环过程仍然能够做到这些。生态学家兼土壤科学家Christine Jones惊奇碳工程Amazing Carbon Project)的创始人,她描述了大气碳与液态碳之间的光合桥,以及植物与生物活性之间的微生物桥她认为碳富集土壤是景观健康和气候恢复的双重基石。新墨西哥州立大学能源与环境研究所的DavidJohnson研究了碳-微生物桥。他发现,促进植物生长和培育土壤碳最重要的因素不是添加氮或磷,而是通过其他植物增加的碳输入。该研究探讨了温室和野外试验中的替代性农业管理实践,也就是不需要使用合成或无机营养改良剂,而是模仿自然生态系统中植物与土壤微生物群落之间的运作机制,让植物获取营养而生长。

根据这些认识,McDonough说,我们应该为生活而设计,让所有的地区,不管是农村还是城市都打开这个碳桥:用大气中的碳促进生物过程、构建土壤碳并逆转气候变化;用再生农业和城市设计来提高光合作用能力,增强生物活性,建立城市食品体系,培育碳素营养的闭环;把污水处理厂变成肥料工厂;将碳作为资产,将生命馈赠的碳循环作为人类设计的典范。所有的设计,从产品到建筑、城市和农场,可能都是碳积极的做法。这可能需要一个世纪的时间,但这也正是将我们带入目前的碳危机所经历的时间。所以,这样的事儿越早开始行动越好。预计到2030年,我们的城市化地球预计会将更多的栖息地和农田转化为城市,这堪比之前所有的城市增长总和。超过20亿城市居民的住房,学校和工厂目前尚未建成。尽管这些挑战依然存在,但也不失为充满希望的设计方案。我们需要做的是学会与碳和谐地生活,而不是对其发动战争,最终目标是以不会造成其他问题的方式使用碳作为资产。

无疑,这些新的前景也可以改革监管理念。在对待清洁能源计划等现有和拟议的排放法规中,政治和商业反应最剧烈的部分是声称会增加产品和电力成本。但McDonough说,我们可以消除监管成本,因为监管之因是要停止碳排,在新的模式下将无需遵守这些。将产品、建筑物、城市和运输设计为碳积极的,使得这种合规性成为可能。

通过这个反思,我们将学会如何进行设计,特别是城市,来恢复自然碳循环,并利用它来获取人类福利,创造积极的环境影响而不是伤害。碳积极并不是限制或封存碳的简单声明,而是一个让我们洞悉有关整个气候变化的混乱状态,将大气碳按照有意义的方法进行重新调整,重塑更符合自然本身的运作方式,而不是严格的好坏二元判断。


参考文献:

https://blogs.scientificamerican.com/observations/new-view-carbon-is-not-the-enemy/

https://motherboard.vice.com/en_us/article/carbon-is-not-the-enemy?trk_source=recommended

https://phys.org/news/2016-11-urban-planner-carbon-enemy.html

Carbon is not the enemy. Nature 539, 349–351 (17 November 2016) doi:10.1038/539349a


该文被《中国科学报》2017-04-28(002)收录发表。

碳,并非人类宿敌.pdf




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