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研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一條農(nóng)業(yè)減碳技術(shù)路線。通過對現(xiàn)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(xiàn)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(yǎng)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(xiàn)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(以下簡稱南土所)顏曉元研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國農(nóng)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(nèi)外十余家研究單位，結(jié)合生命周期法和大數(shù)據(jù)分析，評估了我國三大主糧作物生產(chǎn)過程的固碳減排潛力以及碳中和實(shí)現(xiàn)路徑。
他們創(chuàng)新性地提出一條農(nóng)業(yè)減碳技術(shù)路線，通過對現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)對溫室氣體排放所引起的氣候變暖，是當(dāng)今世界各國所面臨的挑戰(zhàn)。
“農(nóng)業(yè)是一個(gè)重要的碳排放行業(yè)。從全球來看，農(nóng)業(yè)排放的溫室氣體占總排放量的比例超過11%。在我國，這一數(shù)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(bào)記者，在碳中和進(jìn)程中，農(nóng)業(yè)溫室氣體減排必不可少。
農(nóng)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(nóng)機(jī)作業(yè)、灌溉過程中的能耗排放等。
“農(nóng)業(yè)排放的溫室氣體，大多不是二氧化碳，這些氣體可以通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施來實(shí)現(xiàn)大幅度減排。比如反芻動(dòng)物排放的甲烷，可以通過改變飼料結(jié)構(gòu)、添加甲烷抑制劑、提高生產(chǎn)效率等措施來減少。”在顏曉元看來，更值得關(guān)注的，是糧食作物生產(chǎn)過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(qiáng)。
“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(qiáng)對糧食生產(chǎn)中甲烷和氧化亞氮排放的控制。”顏曉元說。
“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)過程中，每年碳排放總量相當(dāng)于6.7億噸二氧化碳，占所有農(nóng)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(xiàng)措施并行
為了減少農(nóng)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(tuán)隊(duì)通過減少肥料用量、優(yōu)化肥料結(jié)構(gòu)、施用新型肥料和抑制劑，來抑制農(nóng)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(yǎng)了全球48%的人口。但氮肥的生產(chǎn)過程要消耗很多能源，且用到農(nóng)田里會(huì)排放氧化亞氮。”顏曉元說，對此，科學(xué)家們通過多種方法控制氮元素排放，一是測量土壤肥力精準(zhǔn)施肥;二是抑制氮肥在土壤中的轉(zhuǎn)化;三是通過緩控釋肥，讓氮肥緩慢釋放，以滿足作物在不同生長階段的營養(yǎng)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(xù)淹水，土壤中的產(chǎn)甲烷菌會(huì)與有機(jī)肥料、作物根系分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w等相互作用，產(chǎn)生大量甲烷。”顏曉元介紹，目前國內(nèi)外也有團(tuán)隊(duì)采取水稻覆膜栽培、埋設(shè)地下排水管道等方式，減少稻田甲烷排放。
農(nóng)業(yè)土壤有一個(gè)潛力，就是固碳，即增加土壤有機(jī)碳含量，讓土壤中的有機(jī)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(jī)物料的投入，例如秸稈還田，但秸稈還田會(huì)導(dǎo)致甲烷排放增加。如果以二氧化碳當(dāng)量計(jì)，我國目前稻田秸稈直接還田導(dǎo)致的甲烷增排量遠(yuǎn)大于其變?yōu)橥寥烙袡C(jī)碳的固碳量。”顏曉元說。
在此次研究中，科研團(tuán)隊(duì)在收集整理國內(nèi)外眾多文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)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(yīng)遠(yuǎn)大于固碳效應(yīng)。”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(tuán)隊(duì)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(yǎng)分和水分的保持能力，讓土壤中的碳長期留存在土壤里，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(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/p>
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(tuán)隊(duì)經(jīng)過測算發(fā)現(xiàn)，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(dá)66%，但仍然無法實(shí)現(xiàn)碳中和。
“從固碳的角度，現(xiàn)在需要開發(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程，還有額外饋贈(zèng)，那便是生物氣、生物油等副產(chǎn)物。“目前已經(jīng)有項(xiàng)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過測算發(fā)現(xiàn)，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(chǔ)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(xiàn)從碳源到碳匯的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)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(xiàng)研究最大的價(jià)值，是為農(nóng)業(yè)碳中和的實(shí)現(xiàn)提供了一條可能的途徑和借鑒模式。”夏龍龍說。
不積跬步無以至千里。未來，我國的農(nóng)業(yè)碳中和還需破解哪些難題，如何挖掘農(nóng)業(yè)碳中和潛力?
顏曉元認(rèn)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(jié)性，要調(diào)動(dòng)企業(yè)積極性，平衡經(jīng)濟(jì)收益與生產(chǎn)成本;同時(shí)要開發(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)過程產(chǎn)生的能源，能夠被合理利用。
顏曉元建議，未來，還可以嘗試評估碳足跡，推進(jìn)節(jié)能降耗和使用清潔能源，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的碳減排;同時(shí)，優(yōu)化和集成已有農(nóng)業(yè)減排固碳技術(shù)措施并形成區(qū)域示范，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)，建立農(nóng)業(yè)低碳補(bǔ)償機(jī)制，推動(dòng)將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)納入碳減排與碳交易框架體系。
