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研究團隊創(chuàng )新性地提出了一條農業(yè)減碳技術(shù)路線(xiàn)。通過(guò)對現有減碳方法的優(yōu)化，將秸稈制成生物炭后還田，同時(shí)將其間產(chǎn)生的生物氣、生物油進(jìn)行能源替代，有望使我國糧食生產(chǎn)實(shí)現碳中和，同時(shí)能夠提高作物產(chǎn)量，降低活性氮和大氣污染物排放。
作為世界上最大的發(fā)展中國家之一，中國以世界9%的耕地養育了世界22%的人口。中國的糧食生產(chǎn)對于全球糧食安全以及氣候變化都具有至關(guān)重要的影響。
我國糧食生產(chǎn)如何實(shí)現碳中和，如今有了一條新路徑。中國科學(xué)院南京土壤研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)南土所)顏曉元研究員團隊聯(lián)合中國農業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)、美國康奈爾大學(xué)等國內外十余家研究單位，結合生命周期法和大數據分析，評估了我國三大主糧作物生產(chǎn)過(guò)程的固碳減排潛力以及碳中和實(shí)現路徑。
他們創(chuàng )新性地提出一條農業(yè)減碳技術(shù)路線(xiàn)，通過(guò)對現有減碳方法的優(yōu)化，將秸稈制成生物炭后還田，同時(shí)將其間產(chǎn)生的生物氣、生物油進(jìn)行能源替代，有望使我國糧食生產(chǎn)實(shí)現碳中和。相關(guān)研究近日刊發(fā)于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·食品》。
亟須控制糧食生產(chǎn)中的碳排放
確保糧食安全、應對溫室氣體排放所引起的氣候變暖，是當今世界各國所面臨的挑戰。
“農業(yè)是一個(gè)重要的碳排放行業(yè)。從全球來(lái)看，農業(yè)排放的溫室氣體占總排放量的比例超過(guò)11%。在我國，這一數字約為8.3%，這還不包括化肥生產(chǎn)所消耗的大量能源排放的部分。”上述論文通訊作者顏曉元告訴科技日報記者，在碳中和進(jìn)程中，農業(yè)溫室氣體減排必不可少。
農業(yè)溫室氣體排放，主要包括反芻動(dòng)物消化道排放的甲烷，畜禽廢棄物處理過(guò)程中排放的甲烷和氧化亞氮，稻田排放的甲烷，氮肥施用排放的氧化亞氮，以及農機作業(yè)、灌溉過(guò)程中的能耗排放等。
“農業(yè)排放的溫室氣體，大多不是二氧化碳，這些氣體可以通過(guò)優(yōu)化農業(yè)生產(chǎn)管理措施來(lái)實(shí)現大幅度減排。比如反芻動(dòng)物排放的甲烷，可以通過(guò)改變飼料結構、添加甲烷抑制劑、提高生產(chǎn)效率等措施來(lái)減少。”在顏曉元看來(lái)，更值得關(guān)注的，是糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中排放的大量溫室氣體，尤其是甲烷和氧化亞氮，它們的熱量捕獲能力很強。
“單位重量的氧化亞氮對熱量的捕獲能力是二氧化碳的298倍，單位重量的甲烷對熱量的捕獲能力是二氧化碳的34倍。所以要加強對糧食生產(chǎn)中甲烷和氧化亞氮排放的控制。”顏曉元說(shuō)。
“我國三大主糧作物水稻、小麥、玉米的年總產(chǎn)量分別約占世界總產(chǎn)量的30%、18%和21%。三大主糧作物生產(chǎn)過(guò)程中，每年碳排放總量相當于6.7億噸二氧化碳，占所有農業(yè)生產(chǎn)碳排放量的50%。”上述論文第一作者、南土所研究員夏龍龍介紹，其中稻田甲烷排放占比38%，氮肥生產(chǎn)施用占比45%，土壤固碳僅能抵消總碳排放的8%。
減排與固碳多項措施并行
為了減少農業(yè)生產(chǎn)中的碳排放，科學(xué)家們嘗試了不少辦法。顏曉元表示，有團隊通過(guò)減少肥料用量、優(yōu)化肥料結構、施用新型肥料和抑制劑，來(lái)抑制農業(yè)土壤的氧化亞氮排放，同時(shí)提高肥料利用率。
對化學(xué)氮肥的優(yōu)化管理就是糧食生產(chǎn)碳減排的方法之一。“化學(xué)氮肥可以增加土壤生產(chǎn)力，助力糧食增產(chǎn)，它間接供養了全球48%的人口。但氮肥的生產(chǎn)過(guò)程要消耗很多能源，且用到農田里會(huì )排放氧化亞氮。”顏曉元說(shuō)，對此，科學(xué)家們通過(guò)多種方法控制氮元素排放，一是測量土壤肥力精準施肥;二是抑制氮肥在土壤中的轉化;三是通過(guò)緩控釋肥，讓氮肥緩慢釋放，以滿(mǎn)足作物在不同生長(cháng)階段的營(yíng)養需要。
優(yōu)化稻田灌溉是糧食生產(chǎn)碳減排的又一法寶。“種植水稻時(shí)，稻田持續淹水，土壤中的產(chǎn)甲烷菌會(huì )與有機肥料、作物根系分泌物和動(dòng)植物殘體等相互作用，產(chǎn)生大量甲烷。”顏曉元介紹，目前國內外也有團隊采取水稻覆膜栽培、埋設地下排水管道等方式，減少稻田甲烷排放。
農業(yè)土壤有一個(gè)潛力，就是固碳，即增加土壤有機碳含量，讓土壤中的有機碳盡量減少分解，繼而減少二氧化碳排放。
秸稈管理是土壤固碳的關(guān)鍵。“要釋放稻田土壤的碳匯潛力，需要加大有機物料的投入，例如秸稈還田，但秸稈還田會(huì )導致甲烷排放增加。如果以二氧化碳當量計，我國目前稻田秸稈直接還田導致的甲烷增排量遠大于其變?yōu)橥寥烙袡C碳的固碳量。”顏曉元說(shuō)。
在此次研究中，科研團隊在收集整理國內外眾多文獻的基礎上，進(jìn)行大數據分析，發(fā)現采用傳統的固碳減排措施，比如增加秸稈還田比例，同時(shí)優(yōu)化氮肥優(yōu)化管理并采用稻田間歇灌溉，僅能將總碳排放從6.7億噸降低至5.6億噸。
“主要原因在于稻田秸稈還田對甲烷排放的促進(jìn)效應遠大于固碳效應。”夏龍龍解釋。
秸稈高效利用或成減碳新路徑
如何找到一種既能固碳，又能減少碳排放的方法為糧食作物生產(chǎn)的碳中和提供一條技術(shù)路徑?團隊將研究聚焦到秸稈碳化為生物炭后還田。
“目前三大主糧作物每年產(chǎn)生6.24億噸秸稈。如果把秸稈做成生物炭還田，可以改良土壤，使土壤蓬松，增加對土壤養分和水分的保持能力，讓土壤中的碳長(cháng)期留存在土壤里，降低碳分解的速度，增加土壤碳量。”夏龍龍介紹，將秸稈制成生物炭的過(guò)程中，秸稈會(huì )被熱解，生成惰性碳。同時(shí)，生物炭可以促進(jìn)稻田中甲烷的氧化，從而減少甲烷的排放，并促進(jìn)氧化亞氮轉化為氮氣。
但將秸稈加工為生物炭并不能讓糧食生產(chǎn)的碳減排一蹴而就。團隊經(jīng)過(guò)測算發(fā)現，如果將秸稈碳化為生物炭還田，同時(shí)配以氮肥優(yōu)化管理和稻田間歇灌溉，能將總碳排放從5.6億噸降低至2.3億噸，減排幅度高達66%，但仍然無(wú)法實(shí)現碳中和。
“從固碳的角度，現在需要開(kāi)發(fā)效率更高的方法。”顏曉元指出關(guān)鍵所在。秸稈加工為生物炭的過(guò)程，還有額外饋贈，那便是生物氣、生物油等副產(chǎn)物。“目前已經(jīng)有項目將生物氣、生物油添加到其他物質(zhì)中，進(jìn)行純化發(fā)電。”夏龍龍介紹，團隊經(jīng)過(guò)測算發(fā)現，每年將三大作物產(chǎn)生的72%的秸稈制成生物炭，再收集其間產(chǎn)生的生物氣和生物油進(jìn)行能源替代，僅后者就可以減少3.3億噸的二氧化碳排放。
在此基礎上，再加上生物炭還田的固碳效果，三大主糧作物生產(chǎn)中，碳排放量可以從2.3億噸減少到-0.4億噸，實(shí)現從碳源到碳匯的轉變，從而實(shí)現碳中和，同時(shí)能夠提高作物產(chǎn)量，降低活性氮和大氣污染物排放。
“這項研究最大的價(jià)值，是為農業(yè)碳中和的實(shí)現提供了一條可能的途徑和借鑒模式。”夏龍龍說(shuō)。
不積跬步無(wú)以至千里。未來(lái)，我國的農業(yè)碳中和還需破解哪些難題，如何挖掘農業(yè)碳中和潛力?
顏曉元認為，目前生物炭的生產(chǎn)成本還比較高，而且秸稈回收有季節性，要調動(dòng)企業(yè)積極性，平衡經(jīng)濟收益與生產(chǎn)成本;同時(shí)要開(kāi)發(fā)輕便化的生物炭加工裝備，使生產(chǎn)出的炭能迅速還田，生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的能源，能夠被合理利用。
顏曉元建議，未來(lái)，還可以嘗試評估碳足跡，推進(jìn)節能降耗和使用清潔能源，實(shí)現全產(chǎn)業(yè)鏈的碳減排;同時(shí)，優(yōu)化和集成已有農業(yè)減排固碳技術(shù)措施并形成區域示范，加強技術(shù)創(chuàng )新和研發(fā)，建立農業(yè)低碳補償機制，推動(dòng)將農業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)納入碳減排與碳交易框架體系。
