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研究团队创新性地提出了一条农业减碳技术路线。通过对现有减碳方法的优化，将秸秆制成生物炭后还田，同时将其间产生的生物气、生物油进行能源替代，有望使我国粮食生产实现碳中和，同时能够提高作物产量，降低活性氮和大气污染物排放。
作为世界上最大的发展中国家之一，中国以世界9%的耕地养育了世界22%的人口。中国的粮食生产对于全球粮食安全以及气候变化都具有至关重要的影响。
我国粮食生产如何实现碳中和，如今有了一条新路径。中国科学院南京土壤研究所(以下简称南土所)颜晓元研究员团队联合中国农业大学、清华大学、澳大利亚昆士兰大学、美国康奈尔大学等国内外十余家研究单位，结合生命周期法和大数据分析，评估了我国三大主粮作物生产过程的固碳减排潜力以及碳中和实现路径。
他们创新性地提出一条农业减碳技术路线，通过对现有减碳方法的优化，将秸秆制成生物炭后还田，同时将其间产生的生物气、生物油进行能源替代，有望使我国粮食生产实现碳中和。相关研究近日刊发于国际学术期刊《自然·食品》。
亟须控制粮食生产中的碳排放
确保粮食安全、应对温室气体排放所引起的气候变暖，是当今世界各国所面临的挑战。
“农业是一个重要的碳排放行业。从全球来看，农业排放的温室气体占总排放量的比例超过11%。在我国，这一数字约为8.3%，这还不包括化肥生产所消耗的大量能源排放的部分。”上述论文通讯作者颜晓元告诉科技日报记者，在碳中和进程中，农业温室气体减排必不可少。
农业温室气体排放，主要包括反刍动物消化道排放的甲烷，畜禽废弃物处理过程中排放的甲烷和氧化亚氮，稻田排放的甲烷，氮肥施用排放的氧化亚氮，以及农机作业、灌溉过程中的能耗排放等。
“农业排放的温室气体，大多不是二氧化碳，这些气体可以通过优化农业生产管理措施来实现大幅度减排。比如反刍动物排放的甲烷，可以通过改变饲料结构、添加甲烷抑制剂、提高生产效率等措施来减少。”在颜晓元看来，更值得关注的，是粮食作物生产过程中排放的大量温室气体，尤其是甲烷和氧化亚氮，它们的热量捕获能力很强。
“单位重量的氧化亚氮对热量的捕获能力是二氧化碳的298倍，单位重量的甲烷对热量的捕获能力是二氧化碳的34倍。所以要加强对粮食生产中甲烷和氧化亚氮排放的控制。”颜晓元说。
“我国三大主粮作物水稻、小麦、玉米的年总产量分别约占世界总产量的30%、18%和21%。三大主粮作物生产过程中，每年碳排放总量相当于6.7亿吨二氧化碳，占所有农业生产碳排放量的50%。”上述论文第一作者、南土所研究员夏龙龙介绍，其中稻田甲烷排放占比38%，氮肥生产施用占比45%，土壤固碳仅能抵消总碳排放的8%。
减排与固碳多项措施并行
为了减少农业生产中的碳排放，科学家们尝试了不少办法。颜晓元表示，有团队通过减少肥料用量、优化肥料结构、施用新型肥料和抑制剂，来抑制农业土壤的氧化亚氮排放，同时提高肥料利用率。
对化学氮肥的优化管理就是粮食生产碳减排的方法之一。“化学氮肥可以增加土壤生产力，助力粮食增产，它间接供养了全球48%的人口。但氮肥的生产过程要消耗很多能源，且用到农田里会排放氧化亚氮。”颜晓元说，对此，科学家们通过多种方法控制氮元素排放，一是测量土壤肥力精准施肥;二是抑制氮肥在土壤中的转化;三是通过缓控释肥，让氮肥缓慢释放，以满足作物在不同生长阶段的营养需要。
优化稻田灌溉是粮食生产碳减排的又一法宝。“种植水稻时，稻田持续淹水，土壤中的产甲烷菌会与有机肥料、作物根系分泌物和动植物残体等相互作用，产生大量甲烷。”颜晓元介绍，目前国内外也有团队采取水稻覆膜栽培、埋设地下排水管道等方式，减少稻田甲烷排放。
农业土壤有一个潜力，就是固碳，即增加土壤有机碳含量，让土壤中的有机碳尽量减少分解，继而减少二氧化碳排放。
秸秆管理是土壤固碳的关键。“要释放稻田土壤的碳汇潜力，需要加大有机物料的投入，例如秸秆还田，但秸秆还田会导致甲烷排放增加。如果以二氧化碳当量计，我国目前稻田秸秆直接还田导致的甲烷增排量远大于其变为土壤有机碳的固碳量。”颜晓元说。
在此次研究中，科研团队在收集整理国内外众多文献的基础上，进行大数据分析，发现采用传统的固碳减排措施，比如增加秸秆还田比例，同时优化氮肥优化管理并采用稻田间歇灌溉，仅能将总碳排放从6.7亿吨降低至5.6亿吨。
“主要原因在于稻田秸秆还田对甲烷排放的促进效应远大于固碳效应。”夏龙龙解释。
秸秆高效利用或成减碳新路径
如何找到一种既能固碳，又能减少碳排放的方法为粮食作物生产的碳中和提供一条技术路径?团队将研究聚焦到秸秆碳化为生物炭后还田。
“目前三大主粮作物每年产生6.24亿吨秸秆。如果把秸秆做成生物炭还田，可以改良土壤，使土壤蓬松，增加对土壤养分和水分的保持能力，让土壤中的碳长期留存在土壤里，降低碳分解的速度，增加土壤碳量。”夏龙龙介绍，将秸秆制成生物炭的过程中，秸秆会被热解，生成惰性碳。同时，生物炭可以促进稻田中甲烷的氧化，从而减少甲烷的排放，并促进氧化亚氮转化为氮气。
但将秸秆加工为生物炭并不能让粮食生产的碳减排一蹴而就。团队经过测算发现，如果将秸秆碳化为生物炭还田，同时配以氮肥优化管理和稻田间歇灌溉，能将总碳排放从5.6亿吨降低至2.3亿吨，减排幅度高达66%，但仍然无法实现碳中和。
“从固碳的角度，现在需要开发效率更高的方法。”颜晓元指出关键所在。秸秆加工为生物炭的过程，还有额外馈赠，那便是生物气、生物油等副产物。“目前已经有项目将生物气、生物油添加到其他物质中，进行纯化发电。”夏龙龙介绍，团队经过测算发现，每年将三大作物产生的72%的秸秆制成生物炭，再收集其间产生的生物气和生物油进行能源替代，仅后者就可以减少3.3亿吨的二氧化碳排放。
在此基础上，再加上生物炭还田的固碳效果，三大主粮作物生产中，碳排放量可以从2.3亿吨减少到-0.4亿吨，实现从碳源到碳汇的转变，从而实现碳中和，同时能够提高作物产量，降低活性氮和大气污染物排放。
“这项研究最大的价值，是为农业碳中和的实现提供了一条可能的途径和借鉴模式。”夏龙龙说。
不积跬步无以至千里。未来，我国的农业碳中和还需破解哪些难题，如何挖掘农业碳中和潜力?
颜晓元认为，目前生物炭的生产成本还比较高，而且秸秆回收有季节性，要调动企业积极性，平衡经济收益与生产成本;同时要开发轻便化的生物炭加工装备，使生产出的炭能迅速还田，生产过程产生的能源，能够被合理利用。
颜晓元建议，未来，还可以尝试评估碳足迹，推进节能降耗和使用清洁能源，实现全产业链的碳减排;同时，优化和集成已有农业减排固碳技术措施并形成区域示范，加强技术创新和研发，建立农业低碳补偿机制，推动将农业生产活动纳入碳减排与碳交易框架体系。
