中國科學(xué)院院士、中國工程院院士 石元春

一、碳交換的前世今生

地球大氣圈的組成主要是氮和氧，二氧化碳很少。4億年前，地球陸地出現(xiàn)生物，特別是出現(xiàn)光合力強(qiáng)的高等植物，利用太陽輻射能，吸收大氣二氧化碳與土壤中的水分，合成碳水化合物，構(gòu)成生物體，使碳和化學(xué)態(tài)能量得以保存和積累。生命與生物質(zhì)的出現(xiàn)，是地球發(fā)展史上的一座偉大里程碑。

導(dǎo)致地球上碳與化學(xué)態(tài)能量不斷加積的載體是生物質(zhì)，在長期地質(zhì)過程和地質(zhì)作用下，生物質(zhì)體的碳水化合物持續(xù)脫氧，轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?，始有今日之煤炭、石油與天然氣，故稱之“化石能源”。生物體將地球大氣圈的二氧化碳吸收富集并轉(zhuǎn)移封存到了巖石圈。

18世紀(jì)工業(yè)革命至今的200多年里，人類打開了“潘多拉魔盒”，將深埋地下的煤炭、石油和天然氣大量開采使用，將億萬年前封存地下的碳又放回到大氣中，其溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖和人類生存環(huán)境惡化。

這些溫室氣體的80%來自于化石能源

20世紀(jì)后半葉，人類社會(huì)開始覺醒，提出“可持續(xù)發(fā)展”的概念，于1992年簽署《聯(lián)合國氣候變化框架公約》，并于2015年通過《巴黎協(xié)定》，急切要求替代化石能源，減少二氧化碳排放，放慢全球變暖步伐。

中國正在大規(guī)模進(jìn)行工業(yè)化建設(shè)，能源消費(fèi)劇增，2018年二氧化碳排放量約為100.2億t，要在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，目標(biāo)非常艱巨。

中國的第二、三產(chǎn)業(yè)是化石能源的主要消費(fèi)者，主要碳排放者，是碳源;唯有從事生物性生產(chǎn)的第一產(chǎn)業(yè)是吸多排少的碳匯，是為二、三產(chǎn)業(yè)持續(xù)提供替代能源的重要基地。

地質(zhì)時(shí)期的生物質(zhì)吸碳聚能，當(dāng)代的生物質(zhì)不僅能吸碳聚能，還可通過現(xiàn)代技術(shù)轉(zhuǎn)化為可再生清潔能源，替代化石能源以減排二氧化碳。

生物質(zhì)還可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放，防治大氣污染與農(nóng)業(yè)面源污染，生產(chǎn)綠色材料與有機(jī)化工產(chǎn)品，做強(qiáng)農(nóng)業(yè)與振興鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)等。

農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)像個(gè)萬花筒與百寶箱，需要人們?nèi)チ私?、探尋和開啟它豐富的碳中和潛能。

解鈴尚須系鈴人，且觀今日之生物質(zhì)將何為!

據(jù)國際政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告(2013)披露，“生物質(zhì)能和碳捕獲/封存(BECCS)是極少有的，能將近幾百年來被大氣吸收積存的二氧化碳吸出與移走的技術(shù)”。

二、負(fù)碳排放，潛力巨大

生物體吸碳排碳，理論上是零碳排放，怎么會(huì)有“負(fù)碳排放”?

畜禽糞便在自然條件下發(fā)酵釋放出的甲烷，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的25倍，如以其生產(chǎn)沼氣與生物天然氣去替代化石能源，即是“以污治污”，再加上飼料生長期間的吸碳，其全生命周期為負(fù)碳排放。

據(jù)瑞典Lund大學(xué)研究，按每獲得1 kW·h 做功，煤、天然氣、風(fēng)能、沼氣與生物天然氣的二氧化碳排放量分別是508~897g、398g、61g、-414g。即沼氣的碳減排能力是風(fēng)能和太陽能的4.6~18倍。

又據(jù)德國能源署資料，每行駛公里排放的二氧化碳當(dāng)量，汽柴油、天然氣、生物天然氣分別為156~164g、124g、5g。即生物天然氣的碳排放只是化石天然氣的1/25。在歐洲，重型柴油車改用生物天然氣后，微粒物(PM)和NOx排放量分別減少了97%和86%。

國際能源組織(IEA)報(bào)告稱，以生物天然氣替代常規(guī)天然氣是最有希望的減排技術(shù)。德國有沼氣-天然氣生產(chǎn)廠1萬余家，全國生物發(fā)電產(chǎn)能的68%(7.1 GW)來自沼氣-生物天然氣。

生物天然氣還有一個(gè)可貴稟賦，即物質(zhì)循環(huán)優(yōu)質(zhì)。

生物質(zhì)在高溫燃燒條件下，植物營養(yǎng)元素?fù)]發(fā)固結(jié)殆盡，不能繼續(xù)參與物質(zhì)循環(huán)。而常溫條件下的厭氧發(fā)酵，生物質(zhì)的植物營養(yǎng)元素全部保留于沼渣沼液和以優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥回歸土壤。

負(fù)碳排放的微生物沼氣發(fā)酵與提純?yōu)樯锾烊粴饧婢呷ノ?、減排、保土、增收的效果，一石四鳥。

三、碳吸存中的“三擦邊球”

農(nóng)業(yè)稻麥棉，林業(yè)喬木樹，五千年如是。

這里提的思路是，在既不能種莊稼又不能長喬木的邊際性土地上種植抗逆性強(qiáng)，生命力旺盛的能源灌草，此一板打出了三個(gè)擦邊球。

一民營企業(yè)在河北康?？h沙地上種植了約5萬hm2灌木檸條，既防風(fēng)固沙，又用每3~4年平茬下來的枝條發(fā)電。該電廠替代了10萬t標(biāo)煤，輸出了2.5億kW·h綠色電力，年減排二氧化碳17萬t，還為千余農(nóng)民就業(yè)，千余農(nóng)戶脫貧作了貢獻(xiàn)。

又一民營企業(yè)在內(nèi)蒙古毛烏素沙地種植約4萬hm2灌木沙柳，防風(fēng)固沙與平茬枝條發(fā)電并舉，年發(fā)電2.1億kW·h，還將電廠排放的二氧化碳收集起來養(yǎng)殖螺旋藻，叫“三碳經(jīng)濟(jì)”。

經(jīng)聯(lián)合國認(rèn)證，該項(xiàng)目每年減排碳25.6萬t，移存二氧化碳15萬t，加上沙柳地下部的固碳量，每年可實(shí)現(xiàn)50~60萬t二氧化碳的吸存與減排，并為社會(huì)提供8000多個(gè)就業(yè)崗位，人均收入1.2萬元。該項(xiàng)目獲聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會(huì)2012年度頒發(fā)的“20年防沙治沙特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。

有資料稱，新疆克拉瑪依地區(qū)的灌木紫穗槐和檸條的年公頃生物量產(chǎn)出分別為16.162 t和10.541 t;年固碳量分別為7.866 t和5.185 t。

另有一種能在黃土高原和東北地區(qū)能安全越冬的芒草，年公頃生物量產(chǎn)出30 t，此二地有約1億公頃邊際性土地可種此芒草，其生物量產(chǎn)出與固碳量之大可想而知。

中國有多少不能種農(nóng)作物和樹木，但可種能源灌草的邊際性土地?

根據(jù)國土資源部2015年更新的資料，基于全國1km柵格25個(gè)地類的土地利用數(shù)據(jù)，綜合考慮了人口、交通和生態(tài)保護(hù)等因素，選出了灌木林、疏林地、低覆蓋度草地、沙地、鹽堿地等11類，面積1.44億hm2，比現(xiàn)有耕地面積還大。每年可生產(chǎn)生物質(zhì)14.4億t，能源潛力為7.2億t標(biāo)煤。

據(jù)此繪制了自然條件下全國可能源用邊際性土地的能源潛力分布圖。

綠地、生物量產(chǎn)出，以及8.2 t標(biāo)煤的綠色替代能源全部都是新增。

邊際性土地實(shí)現(xiàn)能源灌草種植后，祖國大地將出現(xiàn)一道新的風(fēng)景線，億萬公頃荒地禿嶺將被灌林草叢所染，生態(tài)環(huán)境改觀，綠色油田片片，美麗的座座“金山銀山”。

四、三片農(nóng)林碳中和場

中國有三片農(nóng)林碳中和場，農(nóng)田、能源灌草與喬木林，它們的面積分別為1.35億、1.44億、1.86億hm2，合計(jì)4.65億hm2。

三個(gè)碳中和場的碳狀況的主要計(jì)算參數(shù)是：1 t生物質(zhì)年吸存0.5 t二氧化碳和產(chǎn)能0.5 t標(biāo)煤;1 t標(biāo)煤排放2.6 t二氧化碳;1 t生物質(zhì)能的排放量是煤碳排放量的40%。

以上三片農(nóng)林碳中和場的二氧化碳年增匯量合計(jì)37.4億t。這是現(xiàn)量，如果考慮到2060年的40年間的增量，農(nóng)林碳中和工程的貢獻(xiàn)將在年增匯50億t二氧化碳以上，約當(dāng)于現(xiàn)年排放量的一半。

同時(shí)具有生產(chǎn)12.1億t標(biāo)煤生物質(zhì)能源的潛力，相當(dāng)于全國現(xiàn)年能源消費(fèi)總量的30%。

農(nóng)田碳中和場的碳交換最頻繁。據(jù)資料，中國農(nóng)田生物量產(chǎn)出15億t，可吸存二氧化碳7.5億t;另可供能源用農(nóng)林有機(jī)廢棄物產(chǎn)出量折標(biāo)煤4.92億t，轉(zhuǎn)化替代能源可減排二氧化碳9.3億t(含負(fù)碳減排);農(nóng)林牧漁共消費(fèi)化石能源8232萬t標(biāo)煤，排放二氧化碳2億t。農(nóng)田碳中和場匯多源少，合計(jì)年增匯潛力為14.8億t二氧化碳。

能源灌草碳中和場，建成后按年公頃地上及地下部生物量產(chǎn)出10 t計(jì)，年生物量產(chǎn)出14.4億t，吸存二氧化碳7.2億t，轉(zhuǎn)化為替代能源折標(biāo)煤7.2億t，減排二氧化碳4.4億t，合計(jì)年增匯潛力11.6億t二氧化碳。

喬木林碳中和場是長時(shí)段碳吸存，現(xiàn)總生物量155億t和年吸存二氧化碳11億t(《中國森林資源報(bào)告2019》)，林業(yè)三剩物的替代減排已計(jì)算在農(nóng)田碳中和場。

五、農(nóng)林碳中和工程，國之重器

農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)和三片碳中和場具有碳吸存與替代減排雙重功能，是實(shí)現(xiàn)國家碳中和目標(biāo)的主要陣地，又是生物質(zhì)資源庫與生物質(zhì)能田。

農(nóng)林碳中和工程由兩個(gè)部分組成：

第一部分是改善三片碳中和場的農(nóng)作物、能源灌草及喬木林的群體結(jié)構(gòu)與管理，增加碳吸存與生物量產(chǎn)出;

第二部分是非糧農(nóng)林生物質(zhì)與有機(jī)廢棄物的資源化利用，發(fā)展生物質(zhì)能、材料和化工產(chǎn)品等綠色產(chǎn)業(yè)，增加替代減排力度。

農(nóng)林碳中和工程具有年增匯37.4億t二氧化碳和年增12.1億t標(biāo)煤生物質(zhì)能的潛力。

農(nóng)林碳中和工程的核心與重點(diǎn)是在三個(gè)碳中和場加強(qiáng)植物體培育和生物量產(chǎn)出基礎(chǔ)上，全面、科學(xué)部署綠色供熱與發(fā)電、液體生物燃料、沼氣-生物天然氣和全生物降解塑料四大支柱產(chǎn)業(yè)體系，以實(shí)現(xiàn)國家碳中和目標(biāo)，改善全國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，推進(jìn)“第二農(nóng)業(yè)”發(fā)展。

四大支柱產(chǎn)業(yè)的一代技術(shù)與商業(yè)化在中國已經(jīng)成熟，熱化學(xué)合成生物燃油與全生物降解塑料的二代技術(shù)已處世界前列，正蓄勢(shì)待發(fā)，報(bào)效國家。

實(shí)施農(nóng)林碳中和工程的建議是：

作為重大專項(xiàng)列為國家長期計(jì)劃;

成立有相關(guān)業(yè)務(wù)部門參加的“農(nóng)林碳中和工程”辦公室，建議辦公室設(shè)在農(nóng)業(yè)與農(nóng)村工作部;

成立基于5G的“農(nóng)林碳中和工程”研究設(shè)計(jì)院，為工程實(shí)施提供技術(shù)支撐與指導(dǎo);

設(shè)置“第二農(nóng)業(yè)”學(xué)科、專業(yè)與學(xué)院，培養(yǎng)人才;

選擇300~600個(gè)縣(市)進(jìn)行不同類型農(nóng)林碳中和工程項(xiàng)目先行示范，爭取在2030年碳排放達(dá)峰前為中國乃至世界找到碳中和綠色方案。

農(nóng)林碳中和工程是集保護(hù)環(huán)境、能源換代、做強(qiáng)農(nóng)業(yè)-鄉(xiāng)村振興-惠及農(nóng)民于一役的國家工程，乃國之重器。