研究團隊創新性地提出了一條農業減碳技術路線。通過對現有減碳方法的優化，將秸稈制成生物炭后還田，同時將其間產生的生物氣、生物油進行能源替代，有望使我國糧食生產實現碳中和，同時能夠提高作物產量，降低活性氮和大氣污染物排放。
作為世界上最大的發展中國家之一，中國以世界9%的耕地養育了世界22%的人口。中國的糧食生產對于全球糧食安全以及氣候變化都具有至關重要的影響。
我國糧食生產如何實現碳中和，如今有了一條新路徑。中國科學院南京土壤研究所（以下簡稱南土所）顏曉元研究員團隊聯合中國農業大學、清華大學、澳大利亞昆士蘭大學、美國康奈爾大學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過程的固碳減排潛力以及碳中和實現路徑。
他們創新性地提出一條農業減碳技術路線，通過對現有減碳方法的優化，將秸稈制成生物炭后還田，同時將其間產生的生物氣、生物油進行能源替代，有望使我國糧食生產實現碳中和。相關研究近日刊發于國際學術期刊《自然·食品》。
亟須控制糧食生產中的碳排放
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。
“農業是一個重要的碳排放行業。從全球來看，農業排放的溫室氣體占總排放量的比例超過11%。在我國，這一數字約為8.3%，這還不包括化肥生產所消耗的大量能源排放的部分?！鄙鲜稣撐耐ㄓ嵶髡哳仌栽嬖V科技日報記者，在碳中和進程中，農業溫室氣體減排必不可少。
農業溫室氣體排放，主要包括反芻動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，以及農機作業、灌溉過程中的能耗排放等。
“農業排放的溫室氣體，大多不是二氧化碳，這些氣體可以通過優化農業生產管理措施來實現大幅度減排。比如反芻動物排放的甲烷，可以通過改變飼料結構、添加甲烷抑制劑、提高生產效率等措施來減少。”在顏曉元看來，更值得關注的，是糧食作物生產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。
“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中甲烷和氧化亞氮排放的控制?！鳖仌栽f。
“我國三大主糧作物水稻、小麥、玉米的年總產量分別約占世界總產量的30%、18%和21%。三大主糧作物生產過程中，每年碳排放總量相當于6.7億噸二氧化碳，占所有農業生產碳排放量的50%?！鄙鲜稣撐牡谝蛔髡?、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
為了減少農業生產中的碳排放，科學家們嘗試了不少辦法。顏曉元表示，有團隊通過減少肥料用量、優化肥料結構、施用新型肥料和抑制劑，來抑制農業土壤的氧化亞氮排放，同時提高肥料利用率。
對化學氮肥的優化管理就是糧食生產碳減排的方法之一?！盎瘜W氮肥可以增加土壤生產力，助力糧食增產，它間接供養了全球48%的人口。但氮肥的生產過程要消耗很多能源，且用到農田里會排放氧化亞氮?！鳖仌栽f，對此，科學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施肥；二是抑制氮肥在土壤中的轉化；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需要。
優化稻田灌溉是糧食生產碳減排的又一法寶。“種植水稻時，稻田持續淹水，土壤中的產甲烷菌會與有機肥料、作物根系分泌物和動植物殘體等相互作用，產生大量甲烷?！鳖仌栽榻B，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。
農業土壤有一個潛力，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鍵?！耙尫诺咎锿寥赖奶紖R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為土壤有機碳的固碳量?！鳖仌栽f。
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，進行大數據分析，發現采用傳統的固碳減排措施，比如增加秸稈還田比例，同時優化氮肥優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效應遠大于固碳效應?！毕凝堼埥忉?。
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的碳中和提供一條技術路徑？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，讓土壤中的碳長期留存在土壤里，降低碳分解的速度，增加土壤碳量?！毕凝堼埥榻B，將秸稈制成生物炭的過程中，秸稈會被熱解，生成惰性碳。同時，生物炭可以促進稻田中甲烷的氧化，從而減少甲烷的排放，并促進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的碳減排一蹴而就。團隊經過測算發現，如果將秸稈碳化為生物炭還田，同時配以氮肥優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%，但仍然無法實現碳中和。
“從固碳的角度，現在需要開發效率更高的方法?！鳖仌栽赋鲫P鍵所在。秸稈加工為生物炭的過程，還有額外饋贈，那便是生物氣、生物油等副產物?！澳壳耙呀浻许椖繉⑸餁?、生物油添加到其他物質中，進行純化發電。”夏龍龍介紹，團隊經過測算發現，每年將三大作物產生的72%的秸稈制成生物炭，再收集其間產生的生物氣和生物油進行能源替代，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，三大主糧作物生產中，碳排放量可以從2.3億噸減少到-0.4億噸，實現從碳源到碳匯的轉變，從而實現碳中和，同時能夠提高作物產量，降低活性氮和大氣污染物排放。
“這項研究最大的價值，是為農業碳中和的實現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，我國的農業碳中和還需破解哪些難題，如何挖掘農業碳中和潛力？
顏曉元認為，目前生物炭的生產成本還比較高，而且秸稈回收有季節性，要調動企業積極性，平衡經濟收益與生產成本；同時要開發輕便化的生物炭加工裝備，使生產出的炭能迅速還田，生產過程產生的能源，能夠被合理利用。
顏曉元建議，未來，還可以嘗試評估碳足跡，推進節能降耗和使用清潔能源，實現全產業鏈的碳減排；同時，優化和集成已有農業減排固碳技術措施并形成區域示范，加強技術創新和研發，建立農業低碳補償機制，推動將農業生產活動納入碳減排與碳交易框架體系。
