李采， 郭朝斌， 李霞， 楊利超， 任舫， 何慶成

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037； 2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

0 引言

碳達(dá)峰(Peak Carbon Emissions)是指人為CO2排放量在某一個(gè)時(shí)刻達(dá)到歷史最高值。目前人為排放的CO2主要來自2個(gè)方面： 一是人類生產(chǎn)生活中所有能源及工業(yè)過程中化石燃料的燃燒與氧化過程產(chǎn)生的CO2； 二是人類改變土地利用形式帶來的CO2排放[1]。根據(jù)發(fā)達(dá)國家的歷年排放數(shù)據(jù)，美國在2005年CO2排放達(dá)到峰值約61.3億t，歐盟(28國)在1979年CO2排放達(dá)到峰值約47.4億t[2]，預(yù)測(cè)我國2030年碳達(dá)峰時(shí)的CO2排放量為105～140億t/a[3-7]。碳中和(Carbon Neutrality)是指人類排放的CO2與人類從大氣中消除的CO2達(dá)到平衡，即實(shí)現(xiàn)凈零排放[8]。碳中和城市聯(lián)盟把“碳中和”定義為溫室氣體排放在2050年(巴黎協(xié)定)前相對(duì)1990年排放水平減少80%～100%[9]。

我國預(yù)期在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，以當(dāng)前CO2排放規(guī)模與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)看，形勢(shì)十分嚴(yán)峻。2020年，我國CO2排放量近100億t，位居世界第一[10]，同期能源消費(fèi)總量折合49.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭占56.8%，石油占18.9%，天然氣占8.4%，一次電力及其他能源占15.9%[11]。根據(jù)1980—2019年按不同燃料類型統(tǒng)計(jì)的CO2排放量[2]，化石燃料燃燒貢獻(xiàn)了我國約90%的CO2排放量。因此，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減少化石燃料比例是必然采取的減碳措施。然而，到2050年，即使我國能源消費(fèi)總量折合為58億t[7]到67億t[12]標(biāo)準(zhǔn)煤，非化石能源在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例提高到70%[12]～85%[7]，化石能源消費(fèi)規(guī)模仍然達(dá)8.7億～20.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，仍將產(chǎn)生23.2億～53.7億t的CO2。而我國自然生態(tài)系統(tǒng)所能吸收的CO2規(guī)模在10億t左右，因此還有數(shù)十億噸的CO2需要通過其他方式消除。

地質(zhì)調(diào)查是尋找清潔能源、挖掘地質(zhì)空間、提升礦物固碳的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作，也是支撐資源增效與市場融碳宏觀政策制定的重要組成。因此，本文主要論述全球碳循環(huán)過程中碳源與碳匯對(duì)于大氣CO2濃度的貢獻(xiàn)，分析地質(zhì)調(diào)查在推動(dòng)碳達(dá)峰碳中和過程中的作用與貢獻(xiàn)，初步提出地質(zhì)解決路徑，為碳達(dá)峰與碳中和提供地球科學(xué)支撐。

1 碳庫、碳源與碳匯

1.1 碳庫及碳循環(huán)

碳庫即容納含碳化合物的儲(chǔ)存庫，以Pg(1015g)碳計(jì)。地球四大碳庫包括大氣、陸地、海洋和地殼(巖石圈)[13]。大氣碳庫最小，主要包含二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化碳(CO)等含碳?xì)怏w，其中CO2占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，以碳計(jì)總量為762 Pg(7 620億t)。地殼(巖石圈)碳庫最大，主要包含碳?xì)浠衔?烴類)和碳酸鹽礦物。碳?xì)浠衔锖剂考s4 000 Pg (40 000億t)，石油和天然氣即屬于這類化合物。地殼中由碳酸鹽構(gòu)成的沉積巖所含碳量比碳?xì)浠衔镞€大10 000倍，灰?guī)r是地殼中最大的礦物碳庫。海洋碳庫僅次于地殼(巖石圈)碳庫，0～100 m的表層海洋含碳量約900 Pg(9 000億t)，深海含碳量約37 100 Pg(371 000億t)。陸地碳庫的碳存在于陸地植物與土壤中，含碳量約1 300 Pg(13 000億t)，約2/3的碳主要以有機(jī)組織形式存在于土壤中，余下約1/3的碳主要存在活的植物中。

陸地碳庫碳停留時(shí)間隨土壤和植物生物量變化，土壤碳約25 a更新一次，活的植物中碳約5 a更新一次。從大氣到陸地的碳通量為120 Pg/a(1 200億t/a)，是全球碳循環(huán)中最大的碳通量，基本上完全由陸地植物的光合作用速率決定[15]。而光合作用速率又由植物的功能性特征(如葉片形狀，碳氮比等)決定，并隨生物群落中的特征物種而變化[16]。陸地植物吸收的碳約有一半又經(jīng)過呼吸作用回到大氣中，其余的碳大部分隨植物根系分泌物、組織衰老和死亡進(jìn)入土壤[15]。土壤中的碳循環(huán)過程基本上由溫度、植物組織化學(xué)構(gòu)成和分解生物的代謝效率決定[17]。在這些生物體中，細(xì)菌與真菌特別重要。細(xì)菌在數(shù)量上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)并且驅(qū)動(dòng)土壤中的氮循環(huán)，控制了碳的吸收與分解。而真菌則代表了影響碳循環(huán)機(jī)理的一大部分土壤生物質(zhì)。共生型真菌可以提高植物生產(chǎn)量促進(jìn)碳吸收，而一些分解型真菌可以分解那些最難降解的植物組分并將其轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳[18]。

從全球自然碳循環(huán)中可以看出，不同碳庫中的碳是可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的。何時(shí)為碳源，何時(shí)為碳匯，這就需要明確碳源與碳匯的概念和關(guān)系。

1.2 碳源的定義與主要供獻(xiàn)者

《聯(lián)合國氣候變化框架公約(UNFCCC)》將“源”定義為向大氣排放溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體前體的任何過程或活動(dòng)[19]。

工業(yè)革命之前，碳源主要是陸地生態(tài)系統(tǒng)與海洋生物呼吸過程以及微生物分解有機(jī)質(zhì)過程向大氣排放CO2； 一些地質(zhì)事件，如火山噴發(fā)和洋中脊擴(kuò)張，也會(huì)向大氣排放CO2。但總體上，碳在大氣、海洋、陸地、巖石圈四大碳庫之間的循環(huán)處于動(dòng)態(tài)平衡，大氣CO2濃度在180×10-6～300×10-6的區(qū)間內(nèi)呈周期性變化。

工業(yè)革命之后，人類活動(dòng)成為大氣最主要的碳源。與人類活動(dòng)有關(guān)的3個(gè)主要CO2源是： 化石燃料燃燒、工業(yè)過程和土地利用變化。2001—2018年，全球化石能源消費(fèi)年均產(chǎn)生的二氧化碳排放量為317.1億t/a，占碳源的85.7%； 自然環(huán)境年均產(chǎn)生的二氧化碳排放量為53.1億t/a，占碳源的14.3%[20]。每年人為排放的CO2僅有近一半被自然生態(tài)系統(tǒng)吸收，其余CO2被留在大氣中并不斷積累。因此，大氣CO2的濃度由1750年的280×10-6增長到2019年的(409.9±0.3)×10-6[21]，突破了原有自然變化區(qū)間，成為引發(fā)全球氣候變暖的主要原因。

1.3 碳匯的定義與主要供獻(xiàn)者

與碳源相對(duì)，《聯(lián)合國氣候變化框架公約(UNFCCC)》將“匯”定義為： 從大氣中清除溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體前體的任何過程、活動(dòng)或機(jī)制[19]。很多自然過程既吸收CO2也釋放CO2，因此又常以CO2排放與吸收的差值來決定是碳源還是碳匯： 如果排放大于吸收，則為碳源； 反之，則為碳匯。

自然生態(tài)系統(tǒng)中，森林、草地、濕地、土壤、海洋通常被認(rèn)為是主要的碳匯。這些碳匯固碳機(jī)制均與植物光合作用密切相關(guān)。但是這些碳匯又容易受到多種因素的影響，在某些條件下由碳匯變?yōu)樘荚?，具有不確定性。研究顯示，自然生態(tài)系統(tǒng)(陸地+海洋)吸收人類排放的CO2是有限的，約44%的吸收率是全球平均水平[20](圖 1)。

圖1 全球人為排放源及其去向分配[20]

實(shí)際上，巖石風(fēng)化過程也是重要的碳匯。CO2通量-全球風(fēng)化模型結(jié)果顯示，生態(tài)-水文過程影響下的全球風(fēng)化巖石碳匯總量(以碳計(jì))為(0.32±0.02) Pg/a，即(3.2±0.2)億t/a，平均碳通量(以碳計(jì))為2.7 t/(km2·a)，相當(dāng)于全球化石燃料排放量的3%[22]。另外，將CO2注入到適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行長期封存也是從大氣消除CO2的重要手段，是減少人為排放最直接、最有效的方法之一。國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)認(rèn)為在與能源相關(guān)的減碳措施中，CO2地質(zhì)封存對(duì)碳捕集與封存(CCS)的貢獻(xiàn)可達(dá)14%[23]。在對(duì)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)2050全球凈零排放的模擬情景中，預(yù)測(cè)通過CCS減除的CO2量為56.35億t/a[24]。

2 清潔低碳能源及減碳前景

2.1 與地質(zhì)調(diào)查相關(guān)的清潔低碳能源及減排潛力

清潔低碳能源是指對(duì)環(huán)境友好的能源，即環(huán)保、CO2排放少、污染程度小的能源。通過地質(zhì)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的清潔低碳能源主要有地?zé)崮?、潮汐能、天然氣水合物等?/p>

地?zé)崮苁且环N清潔、穩(wěn)定且分布廣泛的優(yōu)質(zhì)可再生能源，有望成為未來能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)CO2減排和減緩全球氣候變化起到重要的作用[25-26]。據(jù)估算，新能源和可再生能源的加權(quán)平均能源利用系數(shù)為41%，其中地?zé)崮艿哪茉蠢孟禂?shù)高達(dá)73%，約為太陽能的5.4倍、風(fēng)能的3.6倍[25]。2015—2020年，全球新增地?zé)岚l(fā)電約3 649 GW，增長約27%，地?zé)嶂苯永每傃b機(jī)容量增長52.0%，全球每年地?zé)嶂苯永每蓽p少2.526億t的CO2排放到大氣中[27]。

潮汐能的主要表現(xiàn)形式是潮汐發(fā)電，即利用海灣、河口等有利地形，構(gòu)建水壩，形成水庫，以便大量蓄積海水，并在壩中或壩旁建造水利發(fā)電廠房，通過水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電[28]。潮汐能開發(fā)利用具有清潔無污染、資源相對(duì)穩(wěn)定、可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)等明顯優(yōu)點(diǎn)[28]。我國潮流能發(fā)電技術(shù)處于關(guān)鍵技術(shù)研究與示范階段，潮流能發(fā)電裝置裝機(jī)規(guī)模、年發(fā)電量、穩(wěn)定性和可靠性等多個(gè)指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，中國已成為亞洲首個(gè)、世界第三個(gè)實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)潮流能并網(wǎng)發(fā)電的國家[29]。經(jīng)調(diào)查和估算，我國海洋潮流能主要分布在沿海92個(gè)水道，可開發(fā)的裝機(jī)容量為0.183×108kW，年發(fā)電量約2.70×1010kW·h[29]，若按2015年全國電網(wǎng)平均CO2排放因子為0.610 1 t/(MW·h)，每年可減少約1 647萬t的CO2排放。

天然氣水合物被認(rèn)為是21世紀(jì)最有潛力替代常規(guī)石油天然氣的清潔能源，資源潛力巨大，主要分布在海洋陸坡和北極凍土帶，資源量約為其他化石能源總量的2倍(其中海域資源量占比達(dá)90%以上)，被各國視為未來重要的替代能源[30]。中國海域天然氣水合物資源豐富，在南海共劃分了11個(gè)資源遠(yuǎn)景區(qū)，預(yù)計(jì)資源量可達(dá)88×1012m3[31-32]。

2.2 提高清潔能源效率的地質(zhì)儲(chǔ)能及減排潛力

能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型作為碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要組成部分，需要風(fēng)能、太陽能等清潔可再生能源在電網(wǎng)中的比例逐漸增高。但由于其間歇性特征導(dǎo)致部分風(fēng)能、太陽能未有效利用。2020年全國因電網(wǎng)消納不足而放棄風(fēng)能發(fā)電電量(棄風(fēng)電量)約166×108kW·h，全國棄光電量52.6×108kW·h，特別是在西北地區(qū)棄風(fēng)率仍保持較高比例[33]。儲(chǔ)能技術(shù)是影響未來能源格局的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)提高能源效率、促進(jìn)新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動(dòng)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型具有重大意義。截至2020年底，我國儲(chǔ)能裝機(jī)為35.6 GW，約占全國電力總裝機(jī)的1.6%，低于世界2.7%的平均水平。據(jù)國際能源署預(yù)測(cè)，到2050年，我國儲(chǔ)能裝機(jī)將達(dá)到200 GW以上，占電力總裝機(jī)的比例將提高至10%～15%，將是一個(gè)萬億級(jí)的產(chǎn)業(yè)[34]。

壓縮氣體地質(zhì)儲(chǔ)能是指以鹽腔、含水層、枯竭油氣田等地質(zhì)空間作為儲(chǔ)庫，在用電低谷期利用電能將氣體壓縮并儲(chǔ)存于地質(zhì)儲(chǔ)氣庫中，在用電高峰時(shí)再將儲(chǔ)庫中的高壓(高勢(shì)能)氣體進(jìn)行釋放燃燒、換熱、發(fā)電等應(yīng)用處理。壓縮氣體地質(zhì)儲(chǔ)能有儲(chǔ)能容量大、壽命周期長、成本造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，是解決棄風(fēng)、棄光、棄水問題，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)靈活性的重要潛在技術(shù)之一[35]。

根據(jù)儲(chǔ)存氣體種類不同，儲(chǔ)能可分為壓縮空氣地質(zhì)儲(chǔ)能、壓縮氫氣地質(zhì)儲(chǔ)能和壓縮二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)能。其中，壓縮空氣地質(zhì)儲(chǔ)能(Geological Compressed Air Energy Storage, GCAES)發(fā)展最早，技術(shù)較為成熟。GCAES通過燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)，在用電低谷期利用多余的電能將空氣壓縮并儲(chǔ)存于地質(zhì)儲(chǔ)氣庫中，在用電高峰期再將儲(chǔ)氣庫中的高壓氣體釋放經(jīng)渦輪機(jī)發(fā)電，如圖 2所示。與壓縮空氣儲(chǔ)能相似，壓縮氫氣儲(chǔ)能在電力的生產(chǎn)、運(yùn)輸和消費(fèi)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[36]。在儲(chǔ)氣庫相同空間條件下，壓縮氫氣儲(chǔ)能能夠儲(chǔ)存更多的電力，而且氫氣作為能源，也可以作為清潔的交通燃料。臨界CO2也可以作為蓄熱介質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[37]。

圖2 壓縮空氣地質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖[38]

目前商業(yè)運(yùn)行的德國Huntorf壓縮空氣電站(290 MW)和美國McIntosh壓縮空氣電站(110 MW)屬于鹽腔類儲(chǔ)能系統(tǒng)[39]。我國地下鹽礦儲(chǔ)量超過1萬億t，鹽穴資源主要分布于西北、華北、華東等新能源資源豐富區(qū)或負(fù)荷密集區(qū)，同時(shí)具備年造 500 萬m3鹽穴的能力。目前，我國大多數(shù)鹽穴處于閑置狀態(tài)，每年新增的鹽穴可供建 5 GW 壓縮空氣儲(chǔ)能電站，前景十分廣闊[35]。將廣泛分布的地下含水層作為儲(chǔ)氣庫進(jìn)行儲(chǔ)能，可進(jìn)一步減少儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)條件的限制。其儲(chǔ)能規(guī)模與巖石洞穴儲(chǔ)能類型相近，目前處于工程試驗(yàn)與示范階段，例如美國Pittsfield含水層壓縮空氣儲(chǔ)能試驗(yàn)和艾奧瓦州儲(chǔ)能項(xiàng)目[40-41]。另外一種較為適合的地質(zhì)空間為枯竭油氣田。在油氣藏開采過程中已獲取較多的地質(zhì)條件信息，如良好的圈閉性、豐富的鉆孔信息和地層巖性參數(shù)信息，能夠節(jié)省選址建設(shè)成本等，使得枯竭的油氣田具有良好的地質(zhì)儲(chǔ)能開發(fā)前景。如充分發(fā)揮我國的鹽穴、含水層及枯竭油氣田等地質(zhì)儲(chǔ)能潛力，建設(shè)200 GW的壓縮空氣地質(zhì)儲(chǔ)能與風(fēng)能聯(lián)合電站，以每年發(fā)電4 000 h計(jì)，則可減少CO2排放約4.88億t/a。

3 地質(zhì)碳匯及增匯前景

“地質(zhì)碳匯”目前并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。一種定義是指“消耗空氣中二氧化碳的各類地質(zhì)作用”[42]，一種定義是指“運(yùn)用碳捕捉與封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技術(shù)將二氧化碳注入地下與大氣脫離接觸”[43]，還有一種是指“地殼表層的巖、土、水吸收、固定二氧化碳的活動(dòng)、過程和機(jī)制”[44]。也有把地質(zhì)碳匯歸納為“在儲(chǔ)層、咸水層、煤層等地下巖層中儲(chǔ)存CO2，或通過巖溶作用、礦物碳化、土壤等吸收CO2”[45]。國外文獻(xiàn)關(guān)于地質(zhì)碳匯主要是指大氣中CO2的最終去向，以地質(zhì)歷史為時(shí)間單位，把大氣CO2與海洋中沉積的碳酸鹽反應(yīng)、地表碳酸鹽巖風(fēng)化、地表硅酸鹽巖風(fēng)化定義為地質(zhì)碳匯[46]。

本文中地質(zhì)碳匯的定義是將第二種、第三種定義結(jié)合起來，把碳酸鹽巖溶蝕碳匯、硅酸巖風(fēng)化碳匯、農(nóng)耕區(qū)土壤碳匯以及二氧化碳地質(zhì)封存歸為地質(zhì)碳匯。

3.1 碳酸鹽巖溶蝕碳匯及潛力

大氣中的CO2溶解在雨水中形成一種弱碳酸性溶液，降落到地表后便可以溶解地表巖石中的碳酸鹽礦物以及土壤中的碳酸鹽礦物顆粒，反應(yīng)方程式為

實(shí)際上，這個(gè)反應(yīng)在條件適宜時(shí)發(fā)生逆向反應(yīng)，因此巖溶作用主要包括了碳酸鹽巖的溶解和沉淀2個(gè)過程。碳酸鹽巖的溶解是吸收CO2的過程，而碳酸鹽巖的沉積是釋放CO2的過程，吸收與釋放的比例是1∶1。但是在陸地生態(tài)系統(tǒng)作用下，溶解過程產(chǎn)生的碳酸氫根離子參與水生植物光合作用形成生物碳，被更穩(wěn)定地固定下來，因此有利于反應(yīng)持續(xù)向正向發(fā)生。所以要提高巖溶碳匯，就應(yīng)重視植被的保護(hù)與增加，使巖溶過程產(chǎn)生的碳酸氫根離子更多地參與到生物碳的循環(huán)中，減少碳酸鹽巖的再次沉淀。

全球巖溶分布面積為2 200萬km2，占陸地面積的15%，全球碳酸鹽巖風(fēng)化溶解產(chǎn)生的碳匯通量為5.5億t/a，相當(dāng)于全球森林碳匯通量的33%、土壤碳匯通量的70%[47]。據(jù)初步估算我國巖溶碳匯通量以碳計(jì)約為0.5億t/a(以CO2計(jì)約1.832億t/a)，是陸地植被的50.5%、森林的68%、灌草叢的2.68倍[48]。人為干預(yù)還可以大幅度提升巖溶碳匯能力，例如實(shí)施植樹造林、改良土壤、重視外源水的作用、增強(qiáng)水生植物的光合作用等措施。

3.2 硅酸鹽巖風(fēng)化碳匯及潛力

硅酸鹽風(fēng)化是自然背景下地球吸收大氣CO2的過程。大氣二氧化碳在表生環(huán)境與硅酸鹽礦物風(fēng)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳酸氫根離子，最終輸入到海洋沉積為碳酸鹽，從而固定在巖石圈中。硅酸鈣礦物(特別是陸殼巖石中含量最多的長石類礦物)的風(fēng)化反應(yīng)可以表示為

2CO2+ 3H2O + CaAl2Si2O8(鈣長石) →Ca2++

硅酸鹽巖風(fēng)化過程中吸收和釋放CO2的比例是2∶1，被普遍認(rèn)為是一個(gè)“凈碳匯”。在地質(zhì)歷史中，硅酸鹽巖風(fēng)化平衡了火山噴發(fā)排放到大氣中的CO2，是調(diào)節(jié)氣候的主要因素。環(huán)境溫度、濕度與大氣CO2的濃度是影響硅酸鹽巖風(fēng)化的重要因素。溫度越高、大氣CO2濃度越大，硅酸鹽巖的風(fēng)化速率也越快。研究結(jié)果[49]表明，內(nèi)蒙古干旱的玄武巖區(qū)域碳匯通量(以CO2計(jì))為6.6 t/(km2·a)，亞熱帶季風(fēng)區(qū)的盱眙玄武巖風(fēng)化區(qū)碳匯通量(以CO2計(jì))為24 t/(km2·a)，海南玄武巖風(fēng)化區(qū)碳匯通量(以CO2計(jì))為26 t/(km2·a)。

3.3 農(nóng)耕區(qū)土壤碳匯及潛力

盡管土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，但由于上覆植被類型的差異，在碳源與碳匯的角色之間轉(zhuǎn)換。2017年我國耕地面積20.23億畝(1畝=666.667 m2，20.23億畝約合134.87萬km2)[50]，約占國土面積的14%，這些耕地是碳源還是碳匯，需要通過調(diào)查及監(jiān)測(cè)來確定。

以往的地質(zhì)調(diào)查成果[49]顯示，從20世紀(jì)80年代中至2000年初的近20 a中，我國東北平原區(qū)土壤有機(jī)碳減少顯著，表現(xiàn)為碳源； 而華北、華東、中南等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤有機(jī)碳密度明顯增加，表現(xiàn)為碳匯； 華南土壤有機(jī)碳密度源匯交叉出現(xiàn)，總體上表現(xiàn)為平衡。該調(diào)查顯示全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查區(qū)0～20 cm深的土壤有機(jī)碳密度平均增加了0.21 kg/m2，總體上表現(xiàn)為碳匯，共吸收碳0.353 Pg(以CO2計(jì)約12.93億t)，調(diào)查區(qū)年平均固碳速率約為0.01 kg/(m2·a)，相當(dāng)于調(diào)查區(qū)平均每年固碳量為17.65 Tg(以CO2計(jì)約6 467萬t)。

優(yōu)良的農(nóng)田管理措施可以提升農(nóng)耕區(qū)土壤碳匯能力。土壤翻耕會(huì)改善土壤通氣性并增強(qiáng)微生物活動(dòng)； 破壞土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，則導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的分解加速； 糧草輪作能夠改變進(jìn)入土壤的作物殘茬、根系的數(shù)量和種類，增加土壤有機(jī)碳含量； 農(nóng)田肥料管理影響土壤的源/匯作用，農(nóng)業(yè)施肥通過影響地上植被的生物量來影響碳的輸入，通過影響土壤微生物活性來影響土壤碳的輸出； 灌溉方法不同，對(duì)農(nóng)田土壤碳匯作用的大小也不同； 作物秸稈管理影響農(nóng)田土壤源/匯變化，秸稈還田是發(fā)揮土壤碳匯效應(yīng)的一個(gè)可行性強(qiáng)、效果顯著的重要措施，焚燒秸稈則是碳源[49]。

3.4 CO2地質(zhì)封存及潛力

CO2地質(zhì)封存實(shí)際上是模仿化石能源的埋存，在類似的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中把從地下開采出來的碳再放回到地下。CO2在溫度大于31.26 ℃、壓力大于7.29 MPa時(shí)將處于超臨界狀態(tài)，其密度近于液體，黏度近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)比液體高2個(gè)數(shù)量級(jí)。按照一般的地表溫度及地溫梯度，以及常見的地層壓力系數(shù)測(cè)算，處于地表800 m以下的地層，即具備使CO2成為超臨界狀態(tài)的溫度和壓力條件，地層孔隙可儲(chǔ)存大量CO2。

用于CO2地質(zhì)封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有3類： 深部咸水層、油氣田和深部煤層(圖3)。3類封存結(jié)構(gòu)中，咸水層的封存潛力被認(rèn)為是最大的。據(jù)估算，全球咸水層對(duì)CO2的封存潛力為10 000億～100 000億t，油氣田的封存潛力為6 750億～9 000億t，深部煤層的封存潛力為30億～2 000億t[51]。

圖3 CO2地質(zhì)封存常用介質(zhì)[51]

注入到地下巖層中的CO2被長期封存，是不同封存機(jī)理共同作用的結(jié)果。其一是由于不滲透或極低滲透蓋層的阻擋(結(jié)構(gòu)捕獲)； 其二是運(yùn)移過程中因飽和度下降被限制在儲(chǔ)層孔隙中成為非流動(dòng)相(殘余捕獲)； 其三是溶解在地層液體中(溶解捕獲)； 其四是與儲(chǔ)層及蓋層中的礦物反應(yīng)形成碳酸鹽礦物(礦物捕獲)。盡管4種機(jī)制可能同時(shí)發(fā)生，但每種機(jī)制起主要作用的時(shí)間不一樣，隨著捕獲作用向礦化方向發(fā)展，封存的安全性也隨之增加(圖4)[51]。

圖4 各種捕獲起主要作用的時(shí)間尺度[51]

一般情況下，注入到咸水層的CO2，其礦物捕獲的時(shí)間尺度達(dá)百萬年。但近年來，冰島和美國在玄武巖含水層開展的先導(dǎo)試驗(yàn)表明，在這類巖層中注入CO2飽和水溶液，在適當(dāng)?shù)臏囟葔毫ο?，可在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生顯著的礦物捕獲效果，把大部分CO2直接變成固體礦物。例如冰島CarbFix項(xiàng)目，將某地?zé)岚l(fā)電站釋放出的CO2捕集并溶解在大量水中，再注入到玄武巖地層中。數(shù)據(jù)顯示，目前累計(jì)注入到地下1 100 m左右玄武巖含水層中的CO2約6.8萬t，其中約95%在2 a內(nèi)變?yōu)樘妓猁}礦物(方解石)[52]。根據(jù)國外學(xué)者研究結(jié)果，歐洲基性-超基性巖礦化封存潛力約4萬億t，美國潛力約7.5萬億t[53]，我國約為1.21萬億t[49]。

3類地層封存CO2的機(jī)理略有不同。深部咸水層封存CO2主要為前述4種封存機(jī)理。油氣田利用CO2驅(qū)替石油(CO2-EOR)增產(chǎn)時(shí)，CO2溶于原油使其體積膨脹、黏度降低，更易于向生產(chǎn)井流動(dòng)，有90%～95%注入的CO2在驅(qū)油過程中會(huì)存留在地層中，以結(jié)構(gòu)捕獲與溶解捕獲為主?？萁哂蜌馓镞M(jìn)行CO2封存時(shí)，其封存過程與咸水層類似。注入CO2提高煤層氣開采時(shí)，由于煤基質(zhì)表面吸附CO2的能力是吸附甲烷的2～4倍，因此煤基質(zhì)吸附CO2而釋放CH4，煤層中游離CH4的含量增加，有利于被抽出，所有注入的CO2都將存留在煤層中。

沉積盆地是尋找CO2地質(zhì)封存場地的首要靶區(qū)。沉積盆地中咸水、油氣、煤層的出現(xiàn)說明存在良好的封蓋結(jié)構(gòu)，具有封存CO2的能力。據(jù)初步估算，中國CO2地下儲(chǔ)存總?cè)萘考s為1.454 8萬億t，可用于CO2封存的深部咸水層面積為34萬km2[54]。我國主要潛在CO2封存地點(diǎn)包括油氣藏盆地、煤層氣盆地以及深部咸水層(圖 5)。根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局已開展的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力調(diào)查評(píng)價(jià)成果報(bào)告[55]，全國沉積盆地中已圈出305個(gè)CO2地質(zhì)封存目標(biāo)靶區(qū)，可封存CO2超過萬億噸?？梢?，我國二氧化碳地質(zhì)封存潛力巨大。

4 地質(zhì)解決路徑分析

圍繞“減碳”“增匯”“封存”3個(gè)方面，將地質(zhì)調(diào)查與地學(xué)研究緊密結(jié)合，以形成區(qū)劃、推出標(biāo)準(zhǔn)、提供智慧服務(wù)為主要支點(diǎn)，全方位支撐國家碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。碳中和碳管理的地質(zhì)解決方案基本架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 碳中和碳管理地質(zhì)解決方案基本架構(gòu)

減碳版塊分為3個(gè)部分： 低碳能源調(diào)查、海洋無碳能源調(diào)查和地質(zhì)儲(chǔ)能空間調(diào)查。低碳能源調(diào)查以干熱巖地?zé)豳Y源調(diào)查、天然氣水合物調(diào)查為重點(diǎn)，加快推進(jìn)2種資源的開發(fā)利用技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)2060前對(duì)高碳化石能源的有效替代。海洋無碳能源調(diào)查目前主要圈定具有開發(fā)利用前景、適合無碳能源建站的有利區(qū)塊，做好提供替代高碳能源的儲(chǔ)備。地質(zhì)儲(chǔ)能空間調(diào)查要針對(duì)可再生能源集中地區(qū)，開展儲(chǔ)能空間(含水層、枯竭油氣田、鹽腔)等資源的調(diào)查與評(píng)價(jià)，為2030年后開展風(fēng)電光電能源系統(tǒng)大規(guī)模儲(chǔ)能提供地質(zhì)基礎(chǔ)。

增匯版塊除了加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查工作外，還要注重基礎(chǔ)理論的研究，為增匯提供科學(xué)基礎(chǔ)與技術(shù)攻關(guān)依據(jù)。重點(diǎn)是要掌握巖溶碳匯、土壤碳匯、濕地碳匯、海洋藍(lán)碳、林草碳匯、硅酸鹽巖風(fēng)化碳匯的機(jī)制與核算方法，確定可以通過人工增加碳匯的技術(shù)與方法，為2030年后推進(jìn)碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供更準(zhǔn)確和更科學(xué)的碳匯核算方法與增匯途徑。

封存版塊要結(jié)合全國主要碳排放源分布特點(diǎn)，為鄂爾多斯盆地、東北、西北等國家級(jí)能源基地，以及京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)等陸域和毗鄰海域，提供深部咸水層二氧化碳地質(zhì)封存?zhèn)溥x場地； 對(duì)于油氣田及煤層，要從優(yōu)化油氣生產(chǎn)與碳封存協(xié)同的角度，更新以往對(duì)油氣田及深部煤層潛力評(píng)估結(jié)果，為2030年后可能全面實(shí)施的CO2地質(zhì)封存提供更可靠的選址及封存能力評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。海域盆地封存空間作為陸域調(diào)查的補(bǔ)充，重點(diǎn)對(duì)接沿海高碳排放區(qū)的封存需求，圈定經(jīng)濟(jì)上可行的碳封存區(qū)域。

地球科學(xué)研究的主要任務(wù)是要解決當(dāng)前碳在地球深部循環(huán)過程中的一些重要科學(xué)問題，進(jìn)一步明確碳在地球深部過程中的循環(huán)機(jī)制及其對(duì)全球氣候變化的影響，為地質(zhì)碳匯的增匯技術(shù)研發(fā)尋找更多的科學(xué)依據(jù)與攻關(guān)方向。

區(qū)劃、標(biāo)準(zhǔn)及智慧化服務(wù)是上述基礎(chǔ)性地質(zhì)調(diào)查與地學(xué)研究工作的重要體現(xiàn)與產(chǎn)品輸出。在國土空間規(guī)劃中融入低碳規(guī)劃理念和碳排放管控措施，以低碳管理為目標(biāo)，有助于完善我國國土空間規(guī)劃體系，優(yōu)化全國國土空間格局，形成用地空間的低碳化布局，為可再生能源發(fā)展預(yù)留用地空間，為完善土地利用碳源、碳匯核算方法提供重要依據(jù)，制定符合國情的土地利用碳排放與碳消除清單。標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)三大版塊綜合地質(zhì)調(diào)查工作規(guī)范化的表達(dá)與總結(jié)，將指導(dǎo)碳達(dá)峰至碳中和時(shí)期相關(guān)地質(zhì)調(diào)查工作的開展，最后，通過信息化平臺(tái)統(tǒng)一起來，按國家、地方或企業(yè)的需求提供個(gè)性化、智慧化的解決方案，使地質(zhì)調(diào)查服務(wù)更加精準(zhǔn)與實(shí)用。

5 結(jié)語

2020年我國CO2排放100億t，90%來自化石燃料，一次能源消費(fèi)中化石能源比例高達(dá)84%。要實(shí)現(xiàn)我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，2030年我國化石能源比例要下降至75%，2060年要下降至30%甚至15%。因此，以當(dāng)前我國的排放及能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，要實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

工業(yè)革命以來，人類持續(xù)排放的CO2是引起氣候變化的主要原因。人為碳源主要有化石燃料燃燒、工業(yè)過程以及土地利用類型改變。吸收大氣CO2的自然生態(tài)碳匯包括森林、草地、濕地、土壤及海洋，但全球自然生態(tài)碳匯可吸收的人為碳源不到50%，我國僅為10%～20%，且易受多種因素影響，存在較大的不確定性。因此，要消除大氣中剩余的CO2，必須采取以二氧化碳地質(zhì)封存為代表的地質(zhì)碳匯方法。

我國地質(zhì)碳匯潛力巨大，可以彌補(bǔ)自然生態(tài)碳匯不足的缺口，是實(shí)現(xiàn)碳中和不可或缺的重要支撐。本文提出基于“減碳”“增匯”“封存”的地質(zhì)解決路徑，將地質(zhì)調(diào)查與地學(xué)研究緊密結(jié)合，以形成區(qū)劃、推出標(biāo)準(zhǔn)、提供智慧服務(wù)為主要支點(diǎn)，全方位支撐國家碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和科學(xué)管理。

致謝：本文的完成得到了中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查部韓松、中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所肖桂義、中國地質(zhì)圖書館(中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心)徐佳佳、中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心刁玉杰、中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所曹建華、中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所劉飛、中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所趙廣明等領(lǐng)導(dǎo)及專家的悉心指導(dǎo)與傾力支持，作者在此表示衷心感謝。