視覺中國供圖
研究團隊創(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)化每篷，將秸稈制成生物炭后還田杯瞻，同時將其間產(chǎn)生的生物氣略雪、生物油進行能源替代，有望使我國糧食生產(chǎn)實現(xiàn)碳中和渴肿，同時能夠提高作物產(chǎn)量摩赎，降低活性氮和大氣污染物排放。
作為世界上最大的發(fā)展中國家之一肥爵，中國以世界9%的耕地養(yǎng)育了世界22%的人口隘唁。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)如何實現(xiàn)碳中和舶抚，如今有了一條新路徑杏疑。中國科學(xué)院南京土壤研究所(以下簡稱南土所)顏曉元研究員團隊聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)寄硬、澳大利亞昆士蘭大學(xué)参枯、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)分析响徒，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現(xiàn)路徑辩溢。
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)化丹禀，將秸稈制成生物炭后還田状勤，同時將其間產(chǎn)生的生物氣、生物油進行能源替代湃崩，有望使我國糧食生產(chǎn)實現(xiàn)碳中和荧降。相關(guān)研究近日刊發(fā)于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·食品》接箫。
亟須控制糧食生產(chǎn)中的碳排放
確保糧食安全攒读、應(yīng)對溫室氣體排放所引起的氣候變暖朵诫，是當(dāng)今世界各國所面臨的挑戰(zhàn)。
“農(nóng)業(yè)是一個重要的碳排放行業(yè)薄扁。從全球來看剪返，農(nóng)業(yè)排放的溫室氣體占總排放量的比例超過11%。在我國邓梅，這一數(shù)字約為8.3%脱盲，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日缨，在碳中和進程中钱反，農(nóng)業(yè)溫室氣體減排必不可少。
農(nóng)業(yè)溫室氣體排放匣距，主要包括反芻動物消化道排放的甲烷冷泵，畜禽廢棄物處理過程中排放的甲烷和氧化亞氮，稻田排放的甲烷梗药，氮肥施用排放的氧化亞氮傀脑，以及農(nóng)機作業(yè)、灌溉過程中的能耗排放等自凛。
“農(nóng)業(yè)排放的溫室氣體茅苏，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)管理措施來實現(xiàn)大幅度減排费抚。比如反芻動物排放的甲烷推兄，可以通過改變飼料結(jié)構(gòu)、添加甲烷抑制劑斟拘、提高生產(chǎn)效率等措施來減少罢令。”在顏曉元看來，更值得關(guān)注的暑赏，是糧食作物生產(chǎn)過程中排放的大量溫室氣體媒埃，尤其是甲烷和氧化亞氮，它們的熱量捕獲能力很強贼穆。
“單位重量的氧化亞氮對熱量的捕獲能力是二氧化碳的298倍题山，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故痊。”顏曉元說顶瞳。
“我國三大主糧作物水稻、小麥愕秫、玉米的年總產(chǎn)量分別約占世界總產(chǎn)量的30%慨菱、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6.7億噸二氧化碳符喝，占所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放量的50%闪彼。”上述論文第一作者、南土所研究員夏龍龍介紹协饲，其中稻田甲烷排放占比38%畏腕，氮肥生產(chǎn)施用占比45%，土壤固碳僅能抵消總碳排放的8%茉稠。
減排與固碳多項措施并行
為了減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的碳排放描馅，科學(xué)家們嘗試了不少辦法。顏曉元表示扑姆，有團隊通過減少肥料用量脸夸、優(yōu)化肥料結(jié)構(gòu)、施用新型肥料和抑制劑牌宜，來抑制農(nóng)業(yè)土壤的氧化亞氮排放米法，同時提高肥料利用率。
對化學(xué)氮肥的優(yōu)化管理就是糧食生產(chǎn)碳減排的方法之一奈株。“化學(xué)氮肥可以增加土壤生產(chǎn)力短户，助力糧食增產(chǎn)，它間接供養(yǎng)了全球48%的人口稿焚。但氮肥的生產(chǎn)過程要消耗很多能源唇锡，且用到農(nóng)田里會排放氧化亞氮。”顏曉元說用动，對此矗绅，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;三是通過緩控釋肥征蜻，讓氮肥緩慢釋放叼枝，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)碳減排的又一法寶唉锌。“種植水稻時隅肥，稻田持續(xù)淹水，土壤中的產(chǎn)甲烷菌會與有機肥料袄简、作物根系分泌物和動植物殘體等相互作用腥放，產(chǎn)生大量甲烷。”顏曉元介紹绿语，目前國內(nèi)外也有團隊采取水稻覆膜栽培秃症、埋設(shè)地下排水管道等方式，減少稻田甲烷排放吕粹。
農(nóng)業(yè)土壤有一個潛力种柑，就是固碳岗仑，即增加土壤有機碳含量，讓土壤中的有機碳盡量減少分解聚请，繼而減少二氧化碳排放荠雕。
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良漱，需要加大有機物料的投入，例如秸稈還田棠裹，但秸稈還田會導(dǎo)致甲烷排放增加忆和。如果以二氧化碳當(dāng)量計，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碳的固碳量效迹。”顏曉元說龟聊。
在此次研究中，科研團隊在收集整理國內(nèi)外眾多文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上啰蕴，進行大數(shù)據(jù)分析暑吹，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码承，同時優(yōu)化氮肥優(yōu)化管理并采用稻田間歇灌溉凄跑，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(yīng)遠(yuǎn)大于固碳效應(yīng)城离。”夏龍龍解釋炭刺。
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娜食。
“目前三大主糧作物每年產(chǎn)生6.24億噸秸稈煮落。如果把秸稈做成生物炭還田，可以改良土壤踊谋，使土壤蓬松蝉仇，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殖蚕，降低碳分解的速度轿衔，增加土壤碳量。”夏龍龍介紹睦疫，將秸稈制成生物炭的過程中呀枢，秸稈會被熱解，生成惰性碳笼痛。同時裙秋，生物炭可以促進稻田中甲烷的氧化，從而減少甲烷的排放缨伊，并促進氧化亞氮轉(zhuǎn)化為氮氣摘刑。
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)過測算發(fā)現(xiàn)，如果將秸稈碳化為生物炭還田枷恕，同時配以氮肥優(yōu)化管理和稻田間歇灌溉佩嘀，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%遵艰，但仍然無法實現(xiàn)碳中和沫杜。
“從固碳的角度，現(xiàn)在需要開發(fā)效率更高的方法电摔。”顏曉元指出關(guān)鍵所在垛岛。秸稈加工為生物炭的過程，還有額外饋贈稀崔，那便是生物氣限剩、生物油等副產(chǎn)物。“目前已經(jīng)有項目將生物氣泉剔、生物油添加到其他物質(zhì)中魂麦，進行純化發(fā)電。”夏龍龍介紹假却，團隊經(jīng)過測算發(fā)現(xiàn)钧失，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行能源替代夏跷，僅后者就可以減少3.3億噸的二氧化碳排放上陕。
在此基礎(chǔ)上，再加上生物炭還田的固碳效果拓春，三大主糧作物生產(chǎn)中释簿，碳排放量可以從2.3億噸減少到-0.4億噸，實現(xiàn)從碳源到碳匯的轉(zhuǎn)變硼莽，從而實現(xiàn)碳中和庶溶，同時能夠提高作物產(chǎn)量，降低活性氮和大氣污染物排放懂鸵。
“這項研究最大的價值偏螺，是為農(nóng)業(yè)碳中和的實現(xiàn)提供了一條可能的途徑和借鑒模式。”夏龍龍說匆光。
不積跬步無以至千里套像。未來，我國的農(nóng)業(yè)碳中和還需破解哪些難題终息，如何挖掘農(nóng)業(yè)碳中和潛力?
顏曉元認(rèn)為夺巩，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)性艺滑，要調(diào)動企業(yè)積極性右木，平衡經(jīng)濟收益與生產(chǎn)成本;同時要開發(fā)輕便化的生物炭加工裝備砰染，使生產(chǎn)出的炭能迅速還田，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的能源塌卜，能夠被合理利用标增。
顏曉元建議，未來启脉，還可以嘗試評估碳足跡杠卜，推進節(jié)能降耗和使用清潔能源，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的碳減排;同時综澄，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)域示范坠屹，加強技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)，建立農(nóng)業(yè)低碳補償機制侮压，推動將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動納入碳減排與碳交易框架體系呀净。
