马里兰大学曾宁教授一作兼唯一通讯！“木头大学”胡良兵等参与，用“一根木头”，发了一篇Science!

一根木头，“埋”土里 = 低成本碳封存技术

为应对气候变化，我们需要大幅减少化石燃料的使用，并转向可再生能源。此外，到2060年，每年还需从大气中清除多达10亿吨的二氧化碳。为此，科学家们提出了多种二氧化碳去除方法，如直接空气捕获，但这些方法耗能高、成本昂贵，因此难以广泛应用。相比之下，基于自然的解决方案，如通过森林吸收碳，具有低成本和高潜力。然而，光合作用捕获的碳会通过生物质分解或燃烧迅速返回大气。为了有效减排，我们需要找到能长期保存这些碳的方法，例如埋藏木材，尽管这项技术的长期效果尚不明确。理解环境条件对碳保存的影响，将有助于发展更可靠的碳封存技术。

在此，马里兰大学曾宁教授发现了一根埋在地下 2 米处的 3775 年历史的古老原木，其保存时间远远超过了其预期的寿命。这种木材的保存效果近乎完美，与现代样品相比，碳损失不到 5%。没有腐烂可能是由于墓地致密粘土的低渗透性。作者的观察表明，通过将木质生物质掩埋在类似的缺氧环境中，可以采用混合自然工程方法去除碳。作者估计全球封存潜力高达 10 0亿吨 CO2使用现有技术，优化后每吨 30 至 100 美元的低成本。相关成果以“3775-year-old wood burial supports “wood vaulting” as a durable carbon removal method”为题发表在《Science》上，曾宁教授一作兼唯一通讯，Xinpeng Zhao为共同一作。

曾宁教授

本文提出了一种结合自然光合作用和最小工程干预的碳封存方法，即将可持续来源的木质生物质埋藏在名为“木材拱顶”的工程结构中，防止其腐烂和分解。这个方法的灵感源自天然木材掩埋的“实验”结果。2013年，作者在挖掘木拱顶原型时，发现了一根埋在地下仅2米深的保存完好的东方红雪松木原木，经过C14测定，其年龄达3775年。这个发现为木材埋葬作为长期碳去除和储存方法提供了直接证据。进一步分析了木材的保存环境和成分，以优化其用于长期碳封存的条件。

图 1. 通过木材埋藏固碳

古代木葬

在加拿大魁北克省圣皮的一片农田中（图 2A），作者发现了一根埋藏了3775年的东方红雪松原木。这个地点坐落在一片缓缓倾斜的小溪边，地表覆盖着草丛、灌木和小树。地下2米处是自13,000年前的尚普兰海沉积的蓝色粘土层。1959年的土壤调查将该区域划分为Levrard粘土系列。

在2米深的地方发现了古老的东方红雪松原木（图2B，C），尽管树皮松散脱落，木材仍被水浸透但保持坚固。作者将原木清理干净后在空调房中自然干燥（图2D），并于2022年对其进行微观结构、机械强度、密度和化学成分的分析，同时与现代同类红雪松进行了对比。

图 2. 天然木材埋葬实验。

理化分析

作者对一根埋藏了3775年的东方红雪松原木和现代木材样本进行了对比分析。结果表明，虽然古代木材的最外层略有剥落，但总体上保存良好（图3，A B）。通过扫描电子显微镜观察发现，古木的细胞结构略有变形，特别是在春季快速生长的早材部分（图3D），但晚材部分完好无损。古代木材的密度比现代样本减少了13.6%（图3E），表明碳损失较小。化学分析显示，古木的全纤维素含量减少了1.1%，而木质素含量增加了4.8%（图3G），进一步支持木材保存完好的结论。虽然古木的机械强度稍有下降，但拉伸强度仅降低了5%（图3H）。尽管存在一些不确定性，作者估计古木在埋藏后碳损失的保守上限为5%。这些发现表明，木材在地下保存的碳封存潜力相当大。

图3.现代和古代木材样品的物理和化学分析。

保存机制及其对工程除碳的影响

作者在蒙特利尔场地发现，由于土壤的低渗透性和接近浸水的状态，形成了缺氧环境，显著减缓了木材的分解（图2B）。这种环境类似于现代垃圾填埋场，其中木材在缺氧条件下可保存数十年甚至上千年，碳损失极小。基于这一发现，作者提出了一种称为“木拱顶”的碳封存方法（图1），通过将木质生物质埋藏在低渗透性粘土中，阻断氧气进入，迅速将木材置于无氧状态，实现长期碳封存。这一过程类似于自然煤炭的形成，但速度更快，有助于应对气候变化，减少大气中的二氧化碳排放。

木葬的扩展潜力和经济可行性

使用碳循环模型和林业数据分析表明，通过储存可持续木材采伐和木材残留物中的4.5%陆地净初级生产力（NPP），可以每年去除高达10 GtCO2。这一潜力在全球范围内分布，特别是热带地区贡献最大，因其森林生产力高且化石燃料排放低。例如，南美洲的潜力为3.3 GtCO2/年，非洲为2.1 GtCO2/年，远超当地的化石燃料排放（图4A，4B）。尽管模型考虑了土地利用和资源限制，气候危机可能促使生物生产力的更广泛利用。木材埋葬的成本目前为每吨100-200美元，未来有望降低至30-100美元，且封存效率超90%，碳排放成本远低于其他技术（如直接空气捕获）。该方法成本较低，碳效率高，具备分布式且可扩展的优势，适合整合到可持续森林管理中，提供潜在的经济利益。

图 4. 碳去除潜力

小结

作者在蒙特利尔遗址发现的3775年历史红雪松，为现代工程碳封存提供了宝贵的启示。研究表明，通过模仿红雪松的埋藏条件，利用天然低渗透性粘土建造木拱顶，可以实现长期碳封存，并在成本和效益之间取得平衡。该方法具有每年封存10 GtCO2的潜力，占全球37 GtCO2化石燃料排放量的27%，这接近IPCC 1.5度情景中2060年实现净零目标所需的碳清除水平

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来源：高分子科学前沿

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