碎石可能成為下一個氣候解決方案

在伊利諾伊州中部一個寒冷的十一月天展開的場景可能看起來很平常，但它是一個大膽計劃的一部分，旨在從大氣中吸收數十億噸二氧化碳並將其封存在海洋中。

在厄巴納以南幾英里的地方，一輛自卸卡車隆隆駛過光禿禿的泥土地，然後轉入相鄰的場地。它傾倒了一堆小屋大小的灰藍色沙子——190公噸的火山碎石，稱為玄武岩。農民們將粉碎的玄武岩撒在幾個田地上，幾個月後他們在這些田地裡播種了玉米。這是雄心勃勃的研究的第四年，旨在測試是否可以利用世界各地的農田同時解決三個全球危機：大氣中不斷上升的導致地球變暖的二氧化碳濃度、海洋酸化以及人類糧食供應短缺。

2024年2月發表的試驗結果令人震驚。英國謝菲爾德大學的生物地球化學家大衛·比爾林和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的植物生理學家埃文·德盧西亞領導了這項研究。他們發現，經過四年時間，用玄武岩碎石處理並輪作玉米和大豆的田地，每公頃從空氣中吸收的二氧化碳比未處理的地塊多10公噸。作物產量也提高了12%到16%。在其他研究中，他們發現向土壤中新增玄武岩碎石可以將芒草（一種用於製造生物燃料的高稈草）的收成提高29%到42%，並且與未處理的田地相比，這些田地估計每年每公頃土地捕獲8.6公噸二氧化碳。“這令人興奮，”比爾林說。“我們感到驚喜。”

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他們的發現為其他地方的積極成果錦上添花。2020年，加拿大研究人員報告稱，在種植生菜、羽衣甘藍、土豆和大豆的田地中新增矽灰石礦物，以高達每年每公頃兩公噸的速度將二氧化碳封存在土壤中。去年春天，倫敦初創公司UNDO Carbon的自然地理學家柯斯汀·斯科夫表明，玄武岩碎石提高了英國幾個田地中春燕麥的產量，提高了9%到20%，同時降低了土壤酸度。

科學家、初創公司和大型企業正在嘗試複雜的科技來減緩全球變暖：高空飛機向平流層釋放二氧化硫，以阻擋部分入射陽光；地球表面的機器從大氣中吸收二氧化碳；向海洋中撒播鐵，以促進吸收二氧化碳的藻類生長。這些部署可以為人類爭取更多時間，從化石燃料過渡到清潔能源，同時防止氣候以永久的方式跨越危險的臨界點。但這些奇異的方法需要大量資金和能源，或者可能威脅生態系統。簡單地在田地上撒播碎石——就像農民幾個世紀以來用石灰所做的那樣——似乎令人耳目一新地低科技。“這是它優雅之處的一部分，”比爾林說。

伊利諾伊州的玄武岩來自賓夕法尼亞州南部的一個採石場，那裡開採玄武岩用於屋頂和建築材料。玄武岩是地殼中最豐富的岩石。當它自然風化——逐漸溶解在土壤水中時——它會捕獲二氧化碳，將其轉化為水中的碳酸氫根離子，這些離子不易重新進入大氣。該反應還會向土壤中釋放植物健康所需的重要營養物質，包括鈣、鎂和矽。研磨和撒播玄武岩——一種稱為加速岩石風化（ERW）的方法——大大加快了這些過程。它可以透過提高作物產量、減少化肥用量並有可能允許他們出售碳信用額度來幫助全球資金短缺的農民。

看到這在公眾和媒體中的反響“增強了我們對這是正確方向的信念。”——大衛·比爾林，謝菲爾德大學

根據比爾林的說法，如果ERW在全球範圍內推廣，每年可以從空氣中去除多達20億公噸的二氧化碳。這將覆蓋人類必須減少的大氣碳排放量的很大一部分，以將氣溫上升控制在1.5攝氏度以內，這被廣泛認為是防止廣泛災難的必要目標。但ERW將需要每年開採和粉碎數十億噸岩石——足以建造一座山——並將其運送到農場，所有這些都會釋放二氧化碳。不過，計算表明，這些排放量與岩石儲存數百年或更長時間的二氧化碳量相比微不足道——封存的二氧化碳比在樹林中更持久。

ERW比其他所謂的負排放策略更新，到目前為止只進行了少數試驗。然而，公司已經開始尋求出售與該技術相關的碳信用額度。諾亞·普拉納夫斯基是耶魯大學研究加速風化的生物地球化學家，他在這些不確定的情況下看到了希望。但他擔心，如果ERW擴張過快，在技術完善之前，可能會產生令人失望的結果並引起強烈反對。“這有可能成為真正有影響力的事情，”他說。“而且你可以想象它有太多種糟糕的結局。”

ERW的想法基於對地球自然功能的基本洞察。在地質時期，火山噴發向大氣中噴射了大量二氧化碳，使地球變暖。隨後，噴發岩石經過數百萬年的風化作用，將氣體從大氣中吸出，使地球降溫。玄武岩之所以能有效捕獲二氧化碳，是因為它們富含來自地球深處的鈣和鎂。如今，北美和南美、非洲、亞洲和其他地區的大片土地都被這些凝固的熔岩覆蓋。

長期以來，科學家們一直在思考人類是否可以透過加速岩石風化來加速二氧化碳的去除。1995年，時任新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室物理學家的克勞斯·拉克納提出加熱玄武岩以更快地吸收二氧化碳。隨著時間的推移，這個基本想法發酵成其他形式：將濃縮的二氧化碳注入地下熱玄武岩層，在那裡它們會形成碳酸鹽礦物，或者在海洋中撒播粉狀玄武岩，這將吸收二氧化碳，使碳下沉。

在2000年代後期，英國紐卡斯爾大學的博士候選人菲爾·倫弗斯注意到，他所在地區拆除的鋼鐵廠殘骸在地面上積聚了白色的碳酸鹽礦物 crusts。鋼渣和混凝土碎片（均富含鈣）正在與二氧化碳發生反應。2013年，他和時任德國漢堡大學地球化學家的延斯·哈特曼發表了一篇論文，建議可以將富含鈣的岩石粉碎並撒在農田上，以捕獲二氧化碳，同時改善土壤。

大約在那個時候，比爾林正在研究草原如何影響基岩的風化和二氧化碳的自然捕獲。當他讀到倫弗斯和哈特曼的論文時，他意識到他可以使用他的模型來預測玄武岩風化將在農田中如何展開。2016年，比爾林發表計算結果，預測每年在世界熱帶土地上撒播一兩毫米的玄武岩粉塵，到2100年可以將二氧化碳水平降低30到300 ppm（百萬分之幾）。目前大氣中的二氧化碳濃度約為425 ppm——高於工業革命前的280 ppm——預計到2100年將達到500到1200 ppm。該模型表明，ERW可以防止到那時氣溫升高0.2到2.2攝氏度。

常見的氣候情景預測，如果人類要將升溫幅度限制在2攝氏度以內，我們需要到2050年每年從大氣中去除5到10吉噸二氧化碳。2018年，比爾林的團隊發表了更新的計算結果，預測如果每年在美國70萬平方公里的玉米和大豆耕地上撒播玄武岩碎石，每年可以從大氣中去除0.2到1.1吉噸二氧化碳。

2020年，比爾林和他的合作者，以及倫弗斯，在《自然》雜誌上發表了一份更完善的分析報告。他們估計，如果每年需要透過ERW在全球範圍內捕獲2吉噸二氧化碳，即使在考慮到採礦、粉碎和運輸岩石時排放的二氧化碳之後，中國、印度、美國和巴西也可以承擔其中80%的量。顯然，需要結合使用多種碳捕獲方法才能達到每年10吉噸的目標。但是，比爾林說，“如果你可以透過加速風化來實現2[吉噸]，並提高糧食安全和土壤健康，那就已經完成了20%。”

伊利諾伊州的試驗提供了強有力的驗證。玉米和大豆的種植通常會透過根系和土壤微生物的呼吸作用釋放二氧化碳，但經過玄武岩處理的玉米-大豆田釋放的二氧化碳減少了23%到42%。在美國範圍內推廣，每年可能避免排放2.6億噸二氧化碳。

比爾林說，與地球工程方法（如將硫磺吊入天空或在海洋中撒播鐵）不同，人們通常認為這些方法是對自然的冒險修補，ERW在論文發表時受到了好評。“看到這在公眾和媒體中的反響很重要，”他說。這些反應“增強了我們對這是正確方向的信念。”

ERW與另外兩種存在時間更長的基於土壤的碳策略根本不同。在一種稱為生物炭的方法中，農民將剩餘的植物物質部分燃燒，將其變成木炭——幾乎是純碳——將其犁入土壤中進行長期儲存。在第二種方法中，剩餘的植物材料在不炭化的情況下被犁回土壤中；這會將碳以有機分子的形式儲存起來，可以滋養作物，儘管這些分子也可能返回大氣中。

ERW將二氧化碳以溶解的碳酸氫鹽形式捕獲在土壤水中，這些水最終從農田流入溪流，最終流入大海，將二氧化碳以碳酸氫鹽或海底固體碳酸鹽礦物的形式儲存在海水中。研究預測，ERW將可靠地將碳酸氫鹽儲存在海洋中100到1000年，這也可能有助於減少與氣候相關的海洋酸化。更重要的是，ERW可以緩解另一個主要問題，這是其他兩種方法無法解決的問題，這個問題困擾著世界各地的農民。

印度西海岸是岩石風化如何調節地球億萬年來大氣二氧化碳水平的最引人注目的例子之一——這也是一些初創公司最早在該國推廣ERW的原因之一。印度的沿海平原上點綴著稻田和村莊，突然升高1000米，穿過由陡峭山脊、V形峽谷、湍急河流和瀑布組成的混亂迷宮，到達一個高地高原。峽谷壁上佈滿了黃色和棕色玄武岩的交替層，標誌著德干玄武岩的邊緣，德干玄武岩是由大約6600萬年前開始的一系列大規模熔岩流形成的。到5000萬年前，地球異常溫暖，二氧化碳水平幾乎是今天的四倍。大約在那個時候，德干玄武岩開始以緩慢但有效的方式改變地球的氣候。大陸漂移將它們帶入赤道帶，那裡充沛的降雨和溫暖的氣溫導致岩石更快地風化。風化礦物從空氣中吸收二氧化碳，並將其衝入河流，流入大海，將其困在那裡。

估計表明，在接下來的3000萬年中，風化玄武岩從大氣中吸取了超過100萬吉噸二氧化碳，其中一些以碳酸鹽的形式埋藏在海底。大氣二氧化碳減少，氣溫下降，南極洲開始形成冰蓋。

薩雷卡庫爾德村莊位於印度中部中央邦，靠近德干玄武岩的東部內陸邊緣。那裡的人們種植水稻已有數百年曆史，稻田呈零星分佈，被柚木和紅花膠樹分隔開來。許多農民生活困苦，耕種著一到兩個足球場大小的小塊土地。他們平均年收入為1500美元，其中高達30%用於化肥和其他化學品。他們還面臨著持續的風險。高達48攝氏度（118華氏度）的熱浪會阻礙作物生長並擾亂所需的季風雨。持續的農業活動緩慢地酸化了黑暗肥沃的土壤，耗盡了土壤中鈣和鎂的儲存，因為農民收穫植物而不是讓它們腐爛並將礦物質歸還土壤。該地區土壤的平均pH值略呈酸性，約為6.4（7.0為中性），類似於唾液。這對種植水稻來說並不理想，因為酸化會損害植物對磷等養分的吸收，甚至可能改變土壤微生物的混合，使病原細菌或真菌滋生疾病爆發，從而損害作物。

自從農民們瞭解土壤酸度之前很久，世界各地的農民就一直在處理土壤酸度問題。在巴黎北部森林中發現的數十個坑表明，早在6000年前，農民就挖掘石灰石基岩，並將碎片撒在他們種植小麥、大麥和豌豆的田地上。後來，羅馬人會將白堊狀碳酸鈣岩石撒在耕地上，以逆轉“酸性”土壤。幾個世紀以來，歐洲和北美的農民透過在田地上撒上富含碳酸鹽的碎石灰石來中和酸度。

但是包括印度在內的許多地區的人們不容易獲得石灰石。用石灰中和酸性土壤的過程可能會向空氣中釋放二氧化碳。在這些地方，ERW很有吸引力，因為它可以逆轉這種動態，將空氣中的二氧化碳轉化為土壤中溶解的碳酸氫鹽。

去年五月，薩雷卡庫爾德的農民開始嘗試ERW。休斯頓，德克薩斯州的ERW初創公司Mati Carbon的工人們從附近的採石場運來了1250公噸碎石，這些採石場開採德干玄武岩用於道路建設材料。該公司目前正在向中央邦及其鄰近邦恰蒂斯加爾邦的180多個村莊免費提供玄武岩。他們計劃每年增加更多的玄武岩。水稻產量平均提高了15%到20%，在某些情況下甚至高達70%。

“想象一下未來的農場。農民對其使命的部分看法是二氧化碳去除。”——諾亞·普拉納夫斯基，耶魯大學

Mati Carbon最近將其業務擴充套件到坦尚尼亞和尚比亞的少數幾個村莊。“我們的使命是農民，”Mati創始人沙恩塔努·阿加瓦爾說，尤其是“這些規模較小、易受氣候影響的農民。”該公司希望通過出售碳信用額度來賺錢。阿加瓦爾和Mati的首席科學家雅各布·喬丹估計，改善土壤、提高作物產量和減少化肥支出可以將貧困農民的收入提高10%到30%，使他們不易受到傷害。

盡管早期的試驗前景廣闊，但ERW的大規模推廣將不得不克服一些嚴峻的現實，首先是它將需要的驚人數量的岩石。比爾林的計算表明，如果使用ERW每年捕獲2吉噸二氧化碳，每年將消耗13吉噸玄武岩——約4.5立方千米的岩石，大致相當於馬特洪峰的體積。這將需要比目前全球工業每年開採的約40吉噸砂、礫石和碎石多30%的採礦量。對於某些型別的岩石來說，這種增長可能是不可能的，但世界上的玄武岩儲量確實巨大，廣泛分佈於全球各地。

採石場已生產的未使用的副產品玄武岩碎石可以彌補一些不足。富含鈣的工業副產品也可以，例如碎混凝土、礦山尾礦、甘蔗製糖和燃煤產生的灰燼以及水泥、鋁和鋼鐵生產產生的廢物。但是，許多這些副產品都含有鉻、鎳、鎘和其他有毒元素，因此它們可能可以在工廠院子或礦山尾礦堆中用於捕獲二氧化碳，但不能在農田上使用。當需要額外的玄武岩開採和粉碎時，每噸將花費約10美元，並排放約30公斤二氧化碳。比爾林的團隊在估計ERW的成本為每噸捕獲的二氧化碳80美元至180美元時，考慮了這些因素（扣除排放量後）。

但還會有其他成本。在中國和印度——這兩個在ERW方面最具農業潛力的國家——蓬勃發展的採石業因人權保護不力而受到批評。例如，印度的砂岩採石業僱用了300多萬人。位於華盛頓特區的“人權中心”於2020年釋出的一份報告發現，其中許多人是契約勞工——以低工資工作以償還年利率高達20%的貸款的人，這使得他們很難償還債務，並將他們困在工作中。這些工人可能面臨危險的高溫、岩石坍塌和旋流的礦物粉塵。

2022年的一項研究發現，印度東北部的採石場工人肺部和心臟健康狀況不佳，血氧水平低，脈搏高，肺部氣流差。如果採石場工人受傷、死亡或生病，妻子或子女可能會被迫工作以償還債務。迪拜商業與人權資源中心的律師和勞工研究員布霍米卡·喬杜裡撰寫了2020年砂岩報告，他說，這些問題不僅限於印度：“我們在亞洲、非洲和南美洲各國的各地都看到了這些模式。”

採石業的任何大規模增長也將轉化為更多景觀被破壞——其中一些可能在敏感區域——儘管對於其他必須開採以支援更廣泛的向可再生能源過渡的材料（如鋰、鈷、石墨和稀土元素）來說也是如此。即使克服了採礦挑戰，ERW也可能無法在全球範圍內像迄今為止所做的小型試驗那樣有效。例如，許多科學家認為ERW在溫暖潮溼的熱帶地區效果最佳，因為玄武岩在那裡風化得更快。但最近的兩項研究使情況變得複雜。

比爾林的團隊於2022年在馬來西亞支援的一項試驗，在棕櫚油種植園的部分地區撒播玄武岩粉塵，結果尚無定論。比爾林懷疑，這些好處暫時被當地條件掩蓋了。與伊利諾伊州的土壤相比，這些黑暗、刺鼻的土壤含有更多的腐爛有機物和更多的粘土；這些帶電材料可以附著在玄武岩的分解產物上，阻止它們將二氧化碳轉化為碳酸氫鹽。“捕獲二氧化碳存在延遲，”比爾林說。這種情況要到土壤結合溶解礦物質的能力飽和後才會發生，“這可能需要一年或五年，”他說。這還有待觀察。

根據在澳大利亞東北部熱帶甘蔗田中進行的試驗，酸度是另一個複雜因素。那裡的土壤是酸性的，因此它可能會在玄武岩有機會與二氧化碳反應之前消耗掉玄武岩。去年10月釋出的初步結果表明，二氧化碳捕獲率僅為伊利諾伊州的約1%。凱恩斯詹姆斯庫克大學的土壤科學家保羅·尼爾森幫助領導了這項研究，他說，僅透過在新增玄武岩之前中和酸性土壤可能很難解決這個問題，因為在潮溼的熱帶地區，酸度可能會延伸到地下數米，直至基岩。

目前，研究人員只是相信，無論從伊利諾伊州到澳大利亞的任何地方進行ERW，以溶解的碳酸氫鹽形式捕獲的二氧化碳都會滲入溪流，流過河流，到達海洋，而不會遇到高酸性環境。尼爾森說，如果它確實流經酸性環境，那麼其中一部分“可能會在此過程中轉化為二氧化碳”，返回大氣。

儘管存在不確定性，但已經湧現出大約二十多家公司試圖開發ERW。許多公司正在出售預期的碳捕獲信用額度，在某些情況下，出售給微軟和Stripe等希望將其碳足跡歸零的公司。這種活動讓耶魯大學生物地球化學家普拉納夫斯基感到不安。他意識到在另一個增長過快的碳市場中吸取的教訓。近年來，公司出售了越來越多的“自願碳抵消”，以保護森林，但其中一些專案後來被揭露為毫無價值。ERW是“一個可能真正有價值的機會”，可以去除二氧化碳，普拉納夫斯基說，“但它不會在所有地方都有效。”他說，如果公司偷工減料，ERW可能會“在發射臺上爆炸”。

威斯康星大學麥迪遜分校的能源科學家格雷戈裡·內梅特說，為了讓ERW在2050年之前產生重大影響，它需要迅速擴張。去年五月，他和他的同事發表了一項研究，分析了新型二氧化碳去除方法（如ERW、直接空氣捕獲機器以及使用從煙囪捕獲二氧化碳的生物燃料）的綜合潛力。內梅特說，從現在到2050年，這些方法需要“每年增長約40%，每年都是如此”。這聽起來很極端，儘管他說電動汽車和太陽能的擴張速度甚至更快，持續了10年或20年。如果加速風化最終的成本為每噸二氧化碳80美元至180美元，正如比爾林的團隊預測的那樣，它可能比直接空氣捕獲（目前每噸400美元至1000美元）更便宜，並且與煙囪捕獲的生物燃料（今天每噸100美元至300美元）相似。

如果ERW真的大規模實現，普拉納夫斯基（他的家人經營農場）看到了超越二氧化碳去除的潛在社會效益。建造從空氣或煙囪中捕獲二氧化碳的機器將為大公司帶來利潤。但是，對於像ERW這樣的低科技方法，即使是小農戶也可以出售碳信用額度。“想象一下未來的農場，”他說。“農民對其使命的部分看法是二氧化碳去除。”