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刘 伟 上海交通大学环境科学与工程学院 上海 200240
所谓碳减排就是减少CO2排放。随着全球气候变暖，碳排放必须减少，以缓解人类面临的气候危机，维持人类赖以生存的自然环境。合理开发利用生物质资源是人类可持续发展的碳减排方式[1-4]。
CO2是大气成分之一，占大气总体积的0.03%～0.04%。CO2具有吸热和隔热功能，使太阳辐射到地球表面的热量无法有效向外扩散，是造成大气层温室效应的主要气体。CO2的化学性质不活泼，热稳定性高，难以光照分解。CO2在自然界中的去向或循环方式有：无机循环和有机循环两种。
（1）CO2无机循环是指CO2以无机形态转化的循环方式，如环境温度降低或大气CO2浓度升高时，大气中CO2溶解于环境水体（主要是海水）形成碳酸；
环境温度升高或大气CO2浓度降低时，碳酸又分解释放出CO2回到大气中，自然界中碳酸盐的形成与分解也是CO2的一种无机循环形式。CO2溶于水，可以促进水生植物如藻类的光合作用，但其进入水体形成碳酸，会导致环境水体酸度升高。
（2）CO2有机循环是指CO2被植物光合作用吸收利用，形成以碳元素为基本构架的有机物，光合作用产生的有机物被动植物和微生物利用、或被空气氧化分解、或被烧毁，有机物中的碳元素最终以CO2形式回到大气中，形成循环。光合作用不但将无机物CO2转化为有机物，还实现了将太阳能进行生物质能（化学能）的转化，为动植物、微生物及人类生存提供了营养及能量，实现了CO2在地球上可持续的有生命的循环。地球因CO2的有机循环即植物光合作用而生生不息。
人类除了利用植物光合作用产生的有机物作为食物以获得营养及能量外，还使用植物光合作用产生的生物质能作为能源。工业革命之前，人类主要靠燃烧生物质（如柴薪）作为能源的主要来源，满足生产、生活的需要。人类长期以来对生物质的合理利用作为自然界碳循环中的组成部分，一定程度上加快了大自然碳循环的速度，但没有破坏大自然碳循环的平衡，故在工业革命前，大气中的CO2含量长期保持了相对稳定，产生了适度的温室效应，为地球生物生存提供了适宜的气候环境。据科学家估计，如果不存在温室效应，地表平均温度可能是零下20℃，而不是现在的实际年平均15℃（且变化不大）。
随着社会经济的发展，人类对能源和物质的需求持续增长，并不断创新能源和物质利用方式。工业革命以来，煤炭、石油、天然气等化石能源被大量开采利用，且保持了逐年上升的趋势，支持了经济的发展。人类对化石能源的利用方式大致可以分为两类：一是作为能源使用，如燃煤燃气发电、燃煤燃气供热（包含工业供热和生活供热）、发动机用汽油柴油等；
二是作为原料使用，用于生产各种化学品、塑料、聚酯等。
煤炭、石油、天然气主要含碳元素和氢元素，其它还包含氧、氮、硫等（煤炭中还含有硅、钙、锰、铝、铁、钠等），与生物质相近，两者存在相互替代性。由于化石能源具有能量密度高、组成相对固定、矿藏相对集中分布等特点，其开采、使用和加工易于规模化，迅速和绝对性地取代了生物质在能源领域和材料领域的主导地位，成为工业革命之后推动人类社会快速发展的主要因素之一[5-8]。
根据BP 世界能源统计年鉴（2021|第70 版），2020 年全球能源消费总量合计556.63 艾焦，其中石油173.73 艾焦、天然气137.62 艾焦、煤炭151.42 艾焦，合计占比83.14%，化石能源支撑了现代社会的能源体系。在物质材料生产领域，化石能源的利用更是大大丰富了材料种类和物质总量，不管是与日常生活相关的纺织服装、家具家私、医药日化、办公日杂，还是与工业生产相关的建筑材料、交通工具、涂料染料、化肥农药、电子通讯等，以化石能源为原料生产的物质材料均占有非常高的比重，且长期以来呈逐渐上升的趋势。
现代工业和经济大发展取得的成就，是以大量开采和利用化石能源为基础。如果没有化石能源的大量使用，第一次工业革命的代表产品蒸汽机、第二次工业革命的代表产品电动机、内燃机就无法在世界范围内大规模转动起来。可以说工业革命至今的时代也是化石能源的时代。
化石能源的大量使用加速了人类社会的发展，但也带来了严重的环境问题：一是加工过程的三废排放，以及产品进入环境产生的污染；
二是碳排放导致温室效应的气候问题。
化石能源大量含碳，特别是煤炭的碳元素含量高。化石能源的开采利用使其中的碳元素从地质埋藏转移到了地球表面，最终形成CO2排放，主要有两种形式：一是作为能源燃烧后产生大量CO2排放至环境大气，如燃煤电厂烟气、锅炉尾气、汽车尾气等；
二是化石能源生产的物质，使用后产生的垃圾进行焚烧或丢弃被氧化分解形成的CO2排放。无论是作为燃料还是原料，化石能源一经开采使用，其碳元素最终要么形成垃圾、要么形成CO2排放，均增加了地球或大气的负担。根据BP 世界能源统计年鉴（2019|第68 版），2018 年全球化石能源消费总量合计117.43 亿吨（折合油当量，下同），其中石油46.62 亿吨、天然气33.09 亿吨、煤炭37.72亿吨，共计形成CO2排放338.91 亿吨。化石能源使用产生的CO2排放是大气CO2循环的增量，破坏了原始平衡，导致大气CO2含量上升，产生温室效应，已对人类产生了负面影响，如气候及海水变暖、冰川消融、海平面上升、极端天气增多等，且趋势逐渐向恶，未来不容乐观。
化石能源利用所导致的温室效应不如环境污染带来的感观直接，但已引起了全社会的关注。从1997 年的《京都议定书》到2009 年的哥本哈根气候变化大会，再到2015 的巴黎气候大会，以及2020 年的七十五届联合国大会，碳减排已经由最初的倡议演进到制定可执行计划并得到实质性推进。
降低大气CO2增量最有效、最直接的方式是减少甚至停止使用化石能源，掐断进入大气CO2循环圈的增量。但人类的生产生活伴随着无时无处的能源和物质消耗，无法做到为了保护地球而牺牲自己，但需要做到为了保护赖以生存的自然环境而创新资源、能源的利用方式，逐渐减少甚至停止化石能源开采及使用，开发可再生资源能源，减少并停止CO2循环的增量，实现大气中CO2的总量平衡，最大限度地避免人为导致的温室效应。目前，部分欧洲国家已大幅降低对化石能源的依赖度，取而代之的是大力开发利用包括生物质在内的可再生资源。
根据国际能源机构（IEA）的定义，生物质（biomass）是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。它是伴随生命过程而产生的可循环、可再生的有机物质，是人类广泛运用且无法脱离的物质。生物质存在形式丰富多样，人体也是生物质。生物质能来源于太阳能，形成于光合作用，是储存于生物质中的化学能，是人类赖以生存的重要能源之一，属于可再生能源。生物质和生物质能是生物存在的形式，也是人类存在的基础。人类饮食摄入生物质，人体能量来源于生物质能。本文讨论的生物质主要指农林作物等植物资源，讨论的生物质能主要指农林作物及剩余物、有机废弃物中的生物质能[9-12]。
生物质资源丰富多样，其利用方式也不胜枚举，但大致可以分成三大类：一是作为材料使用，二是作为能源使用，三是作为原料使用。
（1）生物质资源作为材料使用的历史可以追溯到远古人类，比如利用木棒作为武器狩猎。社会发展至现代文明，人类仍然在大量使用生物质材料，比如利用木材建造房屋、利用竹子制作家具、利用棉麻进行纺织等等。随着人类文明的积淀和科学技术的进步，生物材料的利用方式还在不断创新，但生物质材料存在改性困难、规模化生产加工性不强、原料供给不易人为控制等缺点，难以满足人类日益增长的物质需求，已被金属材料、化工材料及矿物材料等部分取代。
（2）生物质资源作为能源使用是随着人类对火的认识、使用和掌握而开始的，在人类文明发展史上有着极其重要的意义。生物质能是人类最早可控性使用的能源，最常见的方式就是燃烧薪柴煮食取暖，此外还用于照明、烧制陶器、冶炼铜器等。目前，生物质能源依然是人类重要的能源形式，在广大农村及部分城镇，仍旧在燃烧薪柴烹饪取暖。随着科技进步，生物质能的利用方式不断拓展，如生物质燃烧发电，利用有机垃圾、秸秆、人畜粪便产生甲烷，以及利用生物质制取生物柴油、燃料乙醇等。但生物质能存在能量密度不高，供应分散，规模化存储运输困难等缺陷，难以满足工业化对能源的高强度需求，随着化石能源的大量开采使用，目前生物质能在整个人类能源消费结构中的比重已远远低于化石能源的比重。
（3）生物质资源作为原料使用是指利用生物质生产其它产品，通常包含化学变化。其利用方式也多种多样，比如利用粮食酿酒就是最常见的方式。在化石能源日渐枯竭以及化石能源利用带来严峻环境及气候问题的当今，以生物质为原料大力发展生物质化工日益受到全世界重视，生物质化工也将逐渐形成相对独立且具有支撑和带动作用的工业门类。
如前第2 节所述，化石能源的大量使用带来了严重的环境污染和气候变化问题，长此以往，将与人类追求幸福生活的目标背道而驰，甚至使人类的可持续发展受到威胁。寻找绿色低碳可持续的发展道路是当今人类必须开始共同努力的课题，全球也因此提出了“碳减排”和“碳中和”的目标。在“碳减排”“碳中和”的道路上，除了“增强全民节约意识，倡导简约适度、绿色低碳的生活方式” （2021年中央经济会议精神），“实施可再生能源替代行动，大力发展风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等，不断提高非化石能源消费比重”（《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，还应拓展和创新生物质资源作为材料、原料的其它利用方式，更大范围和程度地替代化石能源。
如前第3 节所述，所有生物质皆有生命周期，在生命周期结束后，生物质即使不被人类利用，也会在环境中被氧化、被微生物分解、被山火烧毁，最终生物质中的大部分碳元素又以CO2的形式回到大气中，或在厌氧条件下形成甲烷气体（也是一种温室气体）进入大气。合理利用生物质资源，人为参与到CO2有机循环的过程中，加大生物质的开发利用满足人类适度的消费需求，并不会造成大气CO2含量的趋势性升高。生物质虽然不及化石能源集中度高、规格也千差万别，但相对风能、太阳能、潮汐能等其它可再生资源，其除了具有能源属性外，还具有材料和原料属性，而且更易于收集、储存、运输，是最接近于化石能源的一种可再生资源，大力开发利用生物质资源进行碳减排具有高度可行性和独特优势性。
生物质资源丰富，据生物学家估算，地球陆地生产1000～1250 亿t/a 生物质，海洋生产500 亿t/a生物质，生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量，相当于目前世界总能源消耗的10 倍[13]。目前，全球的生物质资源并没有得到合理利用，大部分放任其自生自灭形成资源浪费。虽然如此，欧美发达国家已开始提前布局生物质资源的开发利用。以瑞典为例，从2009 年开始，其生物质能源消费量就已超过了石油，成为第一大能源。目前，瑞典的生物质能使用量超过了水电和核电的总和，约占能源消费总量的34%[14]。美国也于2003 年出台了《生物质技术路线图》，计划2020 年使生物质能源和生物基产品较2000 年增加20 倍，达到能源总消费量的25%，2050 年达到50%[15]。
大力开发、利用生物质资源，既能满足人类对资源能源的需求，还能解决碳排放导致温室效应的问题。全社会应就如何开发、利用生物质资源问题进行思考，以下建议供参考：
一是科学索取合理利用。生物质资源虽然属于可再生资源，但生物质伴随生命过程而形成，有其独特的再生规律和再生周期。生物质资源的开发利用必须科学、合理、可持续优先，坚决杜绝“吃粮不留种”的掠夺性开发行为，应按照“先种后收、边产边用”的原则控制性开发使用，使用存量资源的前提是确保再生补充。
二是因材制宜、材尽其用。生物质资源种类丰富、规格多样，其利用应因材制宜、材尽其用，如大型乔木木材可以替代化工建材建造房屋、灌木木材可以替代塑料制品制造家具、棉麻丝毛可以替代聚酯纤维纺织制衣、农林余物可以替代燃气烹饪取暖、有机垃圾可以替代燃煤焚烧发电、人畜粪便可发酵制甲烷代替燃气、薯类作物可以生产乙醇代替燃油。
三是延长周期梯次利用。高品质生物质资源应“梯次”利用，比如优质木材可以先作为建筑材料使用，使用后可作为家具用材，家具报废后还可以作为生产生物质碳的原料使用，生物质碳作为吸附剂使用后还可以燃烧当能源利用。延长生物质资源的使用周期，不但可节省资源，还能拉长碳元素固定碳形态存续时间，从而实现对大气的“负碳”功能。
四是开发技术拓展利用。主要包含大力发展生物质化工和实施生物固碳的“负碳”工程。生物质化工是以生物质为原料，采用化学加工方法生产产品。大力发展生物质化工，建立和完善适应生物质原料特点的化工技术及行业体系，进行石油化工（含煤化工、天然气化工）替代工程也是碳减排的重要有效手段。生物固碳的“负碳”工程可以通过如下方式进行：利用植物光合作用吸收大气中的CO2，将CO2转化为固体形态的生物质，生物质经过碳化处理变成生物质碳。生物质碳性质稳定，难以被空气氧化和微生物分解。生物质碳还田不但可以维持上千年不被氧化分解，其高比表面积和高孔容率还可以增加土壤透气性，吸附锁住土壤营养减少肥力流失，起到改良土壤提高土壤生物质再生能力的作用。
五是跨界融合全面使用。充分认识生物质资源的生命属性，融合生物基因技术、农林种植技术、生物化工技术、生物能源技术，打开生物质资源利用的新天地，实现生物质对化石能源的全面替代，实现人类活动的CO2净零排放，根治碳排放导致的气候问题。目前自然界现有植物的光合作用效率较低，即将CO2转化为有机物和将太阳能转化为生物质能的速度较慢，特别是寒冷地区，植物光合作用酶在低温下活性差，效率低，植物生长缓慢。未来人类可依托现代生物基因技术，通过转基因技术开发多种适合世界各地不同气候及土壤特点的能够快速生长又可控繁殖的转基因植物。转基因植物作为“CO2抓捕机”进行高效光合作用消耗大气中的CO2，像“生物质机器”一样快速地规模化地产生生物质资源，制造“生物碳矿”。在转基因技术实现生物质资源规模化供应的基础上，生物质资源全面替代化石能源便成了可能。配套研发生物质材料、生物质化工、生物质能源加工技术，打通生物质资源生产、加工、利用整个产业链，构建以生物质为基础的绿色循环经济体系，将开启人类生存发展的新天地。
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