Углерод, изъятый из атмосферы, можно хранить в почве

Слева — горсть чистой земли, справа — древесного угля, а посередине — смесь земли и древесного угля. Фото © Lehmann из обсуждаемой статьи в Nature

Для того чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере, ученые предлагают растительные остатки, образующиеся как отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, не сжигать, а превращать в древесный уголь, который затем можно вносить в почву. Будучи весьма устойчивым, он будет сохраняться там столетиями. Смысл этой операции в том, чтобы углерод, изъятый из атмосферы в ходе фотосинтеза, надолго вывести из обычного круговорота.

Сжигание ископаемого топлива неизбежно ведет к увеличению содержания в атмосфере углекислого газа (CO₂), а это в свою очередь чревато дальнейшим развитием глобального потепления и подъемом уровня Мирового океана. Меры по ограничению эмиссии CO₂, вроде тех, что предусмотрены Киотским протоколом, не решают проблему, а откладывают ее решение на будущее (не слишком далекое!). Специалисты это хорошо понимают, но до недавнего времени предпочитали не обсуждать публично. Сейчас ситуация стала меняться. Всё чаще появляются работы, в которых говорится о необходимости крупномасштабного связывания углерода атмосферы (то есть CO₂) и о выводе его из глобального круговорота на время, измеряемое по крайней мере столетиями и тысячелетиями (см., например: Lackner K.S.  A guide to CO₂ sequestration // Science. 2003. V. 300. P. 1677–1678; Broecker W.S. CO₂ arithmetic // Science. 2007. V. 315. P. 1371).

Конечно, хорошо бы весь углерод, выпущенный при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти, газа), поймать и убрать обратно под Землю — туда, откуда были извлечены эти самые полезные ископаемые. Однако это немногим легче, чем запрятать в бутылку выпущенного из нее джина. А говоря серьезно, всё дело в стоимости захоронения изъятого углерода, в том, какую долю она будет составлять от выручки, полученной за добытое топливо. Вопрос, скорее, экономистам и политикам.

А пока суд да дело, экологи ищут простые способы связывания углерода атмосферы и по возможности долгого удержания его в форме, которая бы за счет природных процессов не превращалась снова в CO₂. Выращивание лесов и вообще восстановление естественного растительного покрова безусловно способствует изъятию углекислого газа из атмосферы и накоплению углерода в тканях растений и в органическом веществе почвы. Однако как только леса и другие растительные сообщества достигают своей зрелости, поглощение CO₂ в ходе фотосинтеза уравновешивается выделением этого газа в результате дыхания — как самих растений, так и, главное, организмов-редуцентов (грибов и бактерий), осуществляющих разложение отмерших растительных остатков. Соответственно, чтобы препятствовать возврату CO₂ в атмосферу, необходимо сделать углерод органического вещества недоступным для редуцентов. Например, срубленные деревья можно закопать глубоко под землю, туда, куда не будет проникать кислород, необходимый для эффективной деятельности редуцентов. Но это дорого и хлопотно. Гораздо проще образовавшееся органическое вещество растений подвергнуть нагреванию в условиях дефицита кислорода (процессу пиролиза) и получить древесный уголь. Содержание углерода в древесном угле примерно в два раза выше, чем непосредственно в массе растительных остатков, но бактерии и грибы не могут использовать его для своих нужд. Поэтому, будучи внесенным в почву, древесный уголь может там сохраняться довольно долго — столетия, а возможно, и тысячелетия (по крайней мере, такого возраста естественно образовавшийся древесный уголь известен).

Рис. 1. Схема обычного круговорота углерода в природной экосистеме (слева) и включающая переработку растительных остатков в ходе пиролиза (справа). В первом случае весь углерод, изъятый из воздуха в виде CO2, возвращается обратно в такой же форме. Во втором — 20% его изымается из круговорота и сохраняется в почве в виде древесного угля. Если улавливать газы, выделяющиеся при пиролизе, то их можно использовать как биотопливо. Остальная часть (на схеме — такая же) будет захоронена в почве. Небольшая часть его всё же войдет в круговорот и вернется в атмосферу (стрелкой вверх показано 5%). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Возможностям подобной формы захоронения углерода посвящена недавно появившаяся в журнале Science статья Йоханнеса Лемана (Johannes Lehmann) с Факультета зернового хозяйства и земледелия Корнелловского университета (Итака, США). Схема предлагаемой технологии показана на рис. 1. В ходе обычного круговорота веществ в природных экосистемах углерод CO₂ связывается в процессе фотосинтеза, после чего примерно половина его расходуется на дыхание самих растений, а половина в виде органического вещества растительных остатков попадает на поверхность почвы, где разлагается грибами и бактериями до простых компонентов. Весь CO₂, выделившийся при дыхании как растений, так и редуцентов, возвращается в атмосферу. Можно, конечно, растительные остатки собрать и пустить на переработку, получив из него «биотопливо». Это, в общем, неплохо, так как экономится ископаемое топливо, но по отношению к углероду, находящемуся в атмосфере в виде СО₂, данная технология нейтральна: при сжигании биотоплива весь CO₂, когда-то связанный в ходе фотосинтеза, снова возвращается в атмосферу.

Гораздо лучше, по мнению автора статьи, технология превращения растительных остатков в древесный уголь (что также показано на схеме), особенно если газы, выделяющиеся в процессе пиролиза, уловлены и использованы как биотопливо. Образовавшийся древесный уголь вносится в почву, например, в смеси с навозом или минеральными удобрениями. Можно добавлять его и при безотвальной обработке почвы (технология, известная в нашей стране как метод Терентия Мальцева, хотя исходно она была предложена еще в конце XIX века И. Е. Овсинским).

На основе проведенных расчетов Леман полагает, что технология связывания атмосферного углерода в древесном угле может быть широко использована в трех случаях, и в каждом из них это может снизить ежегодную эмиссию СО₂ в США примерно на 10%. Во-первых, это пиролиз остатков деревьев при промышленной заготовке леса (примерно 3,5 тонны биомассы на га при общей площади используемых для этих целей лесных угодий в США 200 миллионов га). Во-вторых, пиролиз быстро растущей растительности на заброшенных сельскохозяйственных угодьях (20 тонн биомассы с га в год при общей площади таких земель 120 миллионов га). В-третьих, пиролиз остатков сельскохозяйственных культур (по 5,5 тонны биомассы с га при общей площади 120 миллионов га). Во всех случаях подразумевается, что древесный уголь вносится в почву, а не сжигается. Очевидно, что стратегия связывания углерода в древесном угле оправдана только там, где есть в большом количестве запасы дешевой биомассы.

Рис. 2. Соотношение запасов (в гигатоннах, Гт) и характерного времени удержания (в годах) углерода в разных резервуарах биосферы. Обратите внимание, что шкала по обеим осям логарифмическая. Чем больше размер резервуара, тем дольше удерживается там углерод. Leaf litter — подстилка (опавшие листья); woody biomass — деревья; soil carbon — углерод в почве; ocean acidic — ёмкость океана по отношению к угольной кислоте; ocean neutral — ёмкость океана по отношению к нейтрализованной угольной кислоте; EOR (enhanced oil recovery) — запасы нефти, которые могут быть обнаружены и использованы. Верхние пределы времени и объемов удержания углерода, введенного в подземные полости (underground injection) или сохраняющегося в карбонатных минералах (mineral carbonates), не определены. Ископаемый углерод (fossil carbon) включает не только нефть, уголь и газ, но и запасы метана в форме гидратов на дне океана. Кислородный лимит (oxygen limit) — это то количество ископаемого углерода, на сжигание которого будет израсходован весь кислород воздуха. Потребление углерода ископаемого топлива (fuel consumption) для XXI столетия принимается в пределах от 600 Гт (современный уровень) до 2400 Гт. Голубыми вертикальными линиями показаны: ежегодная эмиссия углерода при сжигании топлива, углерод, содержащийся в биомассе, углерод атмосферы, углерод почвы, углерод океана в виде CO3-, весь углерод океана. Зелеными линиями показаны продолжительность жизни (человека и инфраструктуры, им созданной) и время перемешивания массы океана. Рис. из статьи: Lackner K.S. A guide to CO2 sequestration // Science. 2003. V. 300. P. 1677–1678

Внедрение данного метода в практику определяется тем, насколько выгоднее будет сохранять древесный уголь в почве по сравнению с его сжиганием. Пока такая организация, как Chicago Climate Exchange, готова платить 4 доллара за тонну связанного СО₂. В течение ближайших лет (или по крайней мере десятилетий) ожидается, что эта цена возрастет до 25-85 долларов США за тонну. Расчеты Лемана показывают, что связывание атмосферного углерода в древесном угле с использованием газов, выделяющихся при пиролизе, будет экономически привлекательным, если за тонну связанного СО₂ будут давать 37 долларов США.

Источник: Johannes Lehmann. A handful of carbon // Nature. 2007. V. 447. P. 143–144.

Cм. также:
1) От глобального потепления спасет закопаемое топливо, «Элементы», 14.03.2007.
2) J. Lehmann. Bio-char or Agri-char: the new frontier.
3) Klaus S. Lackner. A guide to CO₂ sequestration // Science. 2003. V. 300. P. 1677–1678.

Алексей Гиляров

Последние новости: Экология, Энергетика, Алексей Гиляров

9 февраля Колонии муравьев, состоящие из особей с разным типом поведения, оказываются более успешными

2 февраля Флора тропических лесов — против гипотезы нейтральности

27 января Изменение ветров, дующих над Южным океаном, пошло на пользу альбатросам

11 января Для фитопланктона не действует закон Кляйбера

28 декабря Одну треть рыбных запасов оставить птицам — новый закон в экологии

21 декабря Стойкость органического вещества почвы объясняется не столько его строением, сколько условиями, в которых оно пребывает

16 декабря «Живые ископаемые» саговники оказались вовсе не такими старыми

9 декабря Посткопуляционные, презиготические барьеры мешают близкородственным видам сверчков скрещиваться

30 ноября Рис и рыба: что обеспечивает успешность комплексных рисоводческих агроценозов?

22 ноября Рост численности людей на Земле регулировался как положительными, так и отрицательными обратными связями

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):