耦合生产-移除体系的螺旋藻生物炭：生命周期评估及其对碳核算的启示

《Sustainable Production and Consumption》：A coupled production-removal approach for Spirulina-derived biochar: Life cycle assessment and implications for carbon accounting

　　

摘要：价值链排放构成了工业系统中环境影响的主要部分，然而，基于生命周期的、可规模化的减排策略仍然有限。生物炭作为一种具有气候效益的功能性材料已被广泛研究，但其对供应链脱碳的贡献通常受限于中等掺入率和单位质量有限的减排效果。本研究评估了一种耦合生产-移除体系，在该体系中，螺旋藻（Spirulina）生物质同时被转化为生物炭（biochar）和一种废弃物衍生的生物刺激素（biostimulant），用于增强土壤有机碳（soil organic carbon, SOC），从而将微藻生产与陆地碳移除直接联系起来。研究人员以工厂门口的1 kg生物炭为功能单元（functional unit），采用从摇篮到大门（cradle-to-gate）的系统边界，进行了重点关注气候影响（GWP100）的综合生命周期评估（life cycle assessment, LCA），涵盖螺旋藻培养、下游加工与干燥、热解（pyrolysis）以及废物流作为生物刺激素田间施用以增强土壤碳汇的利用。土壤碳移除基于土壤有机碳的原位田间测量数据，采用100年全球增温潜势（GWP100）时间框架进行评估，并纳入20%的非永久性折扣（non-permanence discount）以及固碳估算值±20%的不确定性。结果显示，每公斤生物炭呈现出极强的净负气候影响，为-613,428.6 kg CO2-eq（GWP100），这主要由生物刺激素诱导的土壤碳移除（-615,690.6 kg CO2-eq每公斤生物炭）驱动，而非气候类影响则主要与上游培养环节相关，而非生物炭本身。因此，这些影响应被视为整个体系的一部分。在产品层面，所需的低掺入率（<7 g·t-1）对其他影响类别的贡献可忽略不计，表明在所评估的条件下负担转移的风险有限。将该功能性成分整合到四种供应链——棉纺织品、水泥/建筑、瓦楞纸板包装和原生ABS塑料——中的应用实例表明，只要排放、移除和碳储存在企业清单中被透明报告且不被视为可互换，将功能性成分整合到上游材料中可以产生与价值链脱碳相关的系统性减缓潜力。这些发现凸显了耦合生产-移除体系对可持续生产的贡献潜力，同时也强调了场地特定条件和稳健监测框架的重要性。

耦合生产-移除体系下螺旋藻生物炭的生命周期评估与碳核算启示：一项综合性研究解读

一、研究背景与研究问题

在全球应对气候变化的背景下，价值链排放（即范围三排放）已成为工业企业温室气体清单中的主导部分，据估计，其在美国和中国大多数行业中占总排放量的80%以上。尽管《温室气体议定书》（GHG Protocol）和科学碳目标倡议（SBTi）等标准日益强调对范围三排放的管理，但由于排放分布在复杂多层的供应链中，核心企业缺乏直接运营控制权，加之供应商一级数据的缺失，使得有效的价值链脱碳面临巨大挑战。

在此背景下，材料替代策略，特别是引入具有碳减排或碳移除功能的投入品，成为了一条有前景但仍未被充分探索的供应链脱碳路径。生物炭（biochar），作为一种通过生物质在限氧条件下热化学转化（如慢速热解，slow pyrolysis，温度范围300–700°C）产生的富碳多孔固体材料，因其能够实现碳封存而受到广泛关注。然而，常规生物炭的应用存在根本性局限：一方面，其单位质量的碳减排效益相对有限（例如，典型生物炭的影响因子约为-2.0 tCO₂-eq/t）；另一方面，在大多数应用场景（如聚合物、水泥、纸张）中，其可行的掺入率通常较低（约1–10 wt%）。这种双重限制导致即使是最乐观的替代情景，也只能带来产品层面增量式的排放削减，远不足以满足企业净零目标所要求的深度脱碳轨迹。

为解决这一瓶颈，本研究提出并评估了一种创新的耦合生产-移除体系（coupled production-removal system），其中螺旋藻（Spirulina）生物质被同时用于生产功能性生物炭，并将其废物流（waste stream）作为生物刺激素（biostimulant）进行土地施用，以增强土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）封存。该研究的核心创新不在于单个组分，而在于将微藻生产与陆地碳移除直接耦合，形成一个集成的、可量化的低碳材料供应与碳移除协同方案。

二、关键技术方法概述

研究人员采用了基于ISO 14040:2006和ISO 14044:2006标准的碳中心生命周期评估（LCA）方法论，以工厂门口1 kg生物炭为功能单元（functional unit），系统边界为从摇篮到大门（cradle-to-gate）。数据来源包括：来自冰岛Hellisheidi地热公园GS生产设施的一手运行数据、实验数据、商业提供的热解工艺数据、瑞典CHM Analytics公司基于一手数据开展的二次LCA数据集，以及ecoinvent v3.11通用背景数据库。土壤碳移除量化基于冰岛?lfus地区12.45公顷试验田的实地测量数据，样品由经认证的冰岛实验室Matís依据EN 15936:2022标准进行分析。敏感性分析通过对选定参数进行±20%的单因素变化来评估结果的稳健性。

三、研究结果

3.1 气候变化影响

每功能单元（1 kg GS-生物炭）的总气候影响（GWP₁₀₀）为-613,428.6 kg CO₂-eq。其中，过程排放为2,263.7 kg CO₂-eq，生物炭中封存的生物源碳为-1.7 kg CO₂-eq，而生物刺激素驱动的土壤碳移除贡献了-615,690.6 kg CO₂-eq。结果表明，净负效应主要由耦合体系内的生物刺激素驱动，而非生物炭本身的碳储存能力。当使用互补参考单位时，该结果相当于每公斤干GS生物质约-11,402 kg CO₂-eq，每公斤干GS衍生生物刺激素约-81,790 kg CO₂-eq。

3.2 其他环境指标

非气候影响类别主要集中于培养阶段，包括化石燃料的不可再生资源消耗、酸化、光化学氧化等。处理与热解阶段的贡献相对较小。由于GS-生物炭的掺入率极低（<7 g·t^-1），其对宿主材料其他环境影响类别的贡献可以忽略不计，表明在所评估条件下负担转移风险有限。

3.3 敏感性分析与不确定性

敏感性分析显示，模型结果对生物刺激素导致的土壤碳库变化和热解产率最为敏感。土壤碳库变化±20%会导致总气候影响发生约20%的比例变化；热解产率±20%会导致净气候影响发生约17–25%的变化。相比之下，培养与处理排放以及运输距离的变化对总体结果的影响可忽略不计（<0.1%）。

3.4 供应链脱碳应用场景

研究人员评估了四个代表性供应链：棉花纺织业（氮肥）、建筑业（水泥）、化妆品包装（瓦楞纸板）和制造业（原生ABS塑料）。结果显示，实现显著脱碳所需的GS-生物炭掺入率极低（一般低于7 g/t中间产品），其中混凝土和ABS基塑料产品的潜在减排幅度可达60–90%，而瓦楞纸板包装的减排幅度为5–20%。这表明GS-生物炭可作为低掺入率的添加剂，在上游材料占主导地位的产品系统中发挥不成比例的脱碳作用。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究的非气候环境影响模式与既有生物炭LCA文献一致，培养阶段是主要贡献者。由于GS-生物炭极低的掺入率，这些影响在产品层面可忽略不计，这与常规生物炭应用中可能出现的权衡形成对比。研究人员强调，观察到的土壤碳移除潜力并非必然为螺旋藻体系所独有，但本研究中将生物刺激素作为残余废物流整合的方式提供了一种资源高效的配置。关于碳的持久性，虽然评估采用了100年GWP时间框架并应用了20%的非永久性折扣，但这一调整不应被理解为所测得的SOC增加将在100年内保持不变；持续监测和适当的逆转核算至关重要。

研究结论部分指出：本研究证明了耦合生产-移除体系的潜力，在该体系中，螺旋藻衍生生物炭的生产与废物流作为生物刺激素用于增强土壤有机碳库直接关联。在所评估的冰岛田间条件下，该集成体系表现出极强的净负气候效应，主要由废物流衍生生物刺激素引起的实测土壤碳响应驱动。然而，研究结果应在特定的方法学边界内解读：SOC移除基于特定场地的原位测量，长期持久性取决于持续的土壤管理与验证；耦合体系影响的强度对土地移除的归因、生物质在各产出流之间的分配以及所选参考单位敏感。未来研究应聚焦于跨土壤类型和气候区域的多年度土壤碳持久性验证、归因与多功能性方法的优化，以及在更大部署尺度上的独立监测与验证。