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植物碳中和前景巨大，漫谈增加植物碳汇的三大难题

来源：花匠小妙招时间：2024-09-27 01:26

碳中和是中国推进高质量发展的重要战略之一，农业是“碳中和”战略实施中不可忽视、不可或缺的重要领域。

缓解全球气候变暖所带来的危机，亟需减少温室气体排放，降低大气中的二氧化碳浓度。利用植物光合作用将大气中的二氧化碳固定于植物和土壤，是亿万年来大自然形成的碳循环中一个重要环节。

如何利用植物将更多二氧化碳长久储存起来，正成为全球植物学家关注的新热点。日前，记者走进新成立的中国科学院分子植物科学卓越创新中心植物高效碳汇重点实验室，深入了解这一前沿热点。

植物光合作用效率提高10%

可多固定1/4全球碳排放

植物生态系统在大气碳循环中扮演着不可替代的角色。增强植物生态系统的碳汇功能是减缓大气二氧化碳浓度上升和全球气候变暖的有效途径，也是实现碳中和目标的关键因素。

过去一百多万年中，大气中的二氧化碳浓度基本维持在280ppm（百万分之一）左右。工业革命开始后，化石燃料的利用将大量二氧化碳释放进大气，全球大气中的二氧化碳浓度在过去三百多年时间里增加了约45%，当前已达到410ppm。

大气中的二氧化碳像一层被子一样包裹着地球，为地球保暖，使地球的温度始终维持在生物适合生存的水平。但是，过高的二氧化碳浓度会引起全球气候变暖，从而导致极端高温、干旱等一系列不利于人类生存的灾害。

实现“双碳”战略目标主要有两个途径：一是通过增加能源利用效率，减少化石燃料燃烧，从而减少二氧化碳的排放；二是通过增加植物光合作用或者用工业封存的办法实现固碳。

在地球上，二氧化碳主要由植物或海洋生物通过光合作用吸收固定，从而实现大气二氧化碳排放和吸收的动态平衡。植物通过光合作用不断生长，一方面为动物提供粮食和能源，另一方面以有机物的形式将大气中的二氧化碳保存下来，这就是“植物碳汇”。

“然而，无论能源利用效率如何提高，都无法避免要排放二氧化碳，并且目前工业固碳的能耗和环境代价还很高。”中科院分子植物科学卓越创新中心副主任、植物高效碳汇重点实验室主任王佳伟研究员认为，植物固碳的方式绿色环保，潜力巨大，利用植物生物技术充分挖掘植物碳汇的潜力，是我国实现“双碳”战略目标不可替代的策略。

据估算，当前植物生态系统每年通过光合作用可固定约1230亿吨二氧化碳。因此，只要光合作用效率提高10%，就能多固定当前全球二氧化碳年排放量的1/4。

挖掘植物碳汇有多种途径。比如，加强生物炭利用，每年预计可增加10亿-18亿吨碳汇；增强植物根系，每年则可增加10亿吨碳汇；哪怕仅对稻田排放加以控制，也可获得每年2亿-3亿吨的碳汇效果。

我国植物能源研究获突破

近日，国家高新科技企业、武汉兰多生物科技有限公司（以下简称“兰多生物”）超级芦竹基因组科研团队，发布了两份芦竹（绿煤102、翠绿101）高质量基因组。这两份基因组为全球首次发表的芦竹基因组，填补了相关研究的空白，也标志着我国植物能源创新研究取得重要突破。

芦竹作为一种零碳或负碳能源植物，受到越来越多的重视。所谓能源植物，是指通过光合作用把二氧化碳和水快速转化成有机物，并产生高生物量的植物。目前，国际公认的碳中和四大可行性技术路径——能源转型、碳捕捉与利用、植物碳汇、低碳生活，其中前三个都与植物尤其是能源植物密切相关。

芦竹，禾本科芦竹属，属无性繁殖植物，遗传基础狭窄，只能通过现代生物技术进行改良。芦竹基因组十分复杂、组装难度大，至今国内外还没有公开报道的参考基因组可用，严重限制了芦竹基因组学的研究和遗传改良。如何看这次芦竹基因组研究“0”的突破？

中国林业产业联合会常务副会长、国家林草局原总工程师封加平在接受中国经济时报记者采访时表示，兰多生物培育的超级芦竹是一种高产高效的能源植物，大规模种植超级芦竹可助力国家快速实现碳中和。根据兰多生物2021年-2022年测产报告，超级芦竹生长过程中每年产生的干生物量约5吨/亩—10吨/亩，据此测算出其吸收的二氧化碳量8.5吨/亩—17吨/亩、释放的氧气量6吨/亩—12吨/亩，约为热带森林的5倍、玉米秸秆的7倍、水稻秸秆的15倍。

目前，兰多生物正在将芦竹基因组研究成果，在全球率先应用到芦竹品种遗传改良上，正在培育产量更高、抗逆性更强的新一代超级芦竹新品种。此前十多年，兰多生物收集了近700份国内外野生芦竹种质资源，利用系统选育、物理化学诱变等手段，培育出多种生物量大、环境适应性强的超级芦竹品种，可以在盐碱地、滩涂地、高寒地、废弃矿区、湿地等边际土地生长，降雨量＞500毫米的区域可自然生长，一次种植可连续收割15年—20年。

“超级芦竹可以直接替代燃煤，也可以通过先进的生物发酵、热化学转化等技术生产氢气、天然气、一氧化碳、生物油、乙醇、生物炭、聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）等，并且能进一步深加工生产几乎所有的高端能源与高端化学品，如甲醇、乙醇、汽柴油、航空煤油（SAF）、液氨、乙二醇、烯烃、芳烃等，从而全面替代煤炭、石油、天然气及其下游产品。”北京航空航天大学教授、中国航空发动机低排放燃烧联合创新中心首席科学家林宇震在接受中国经济时报记者采访时说。

据了解，兰多生物还在全球首创了无热载体蓄热式辐射热解工艺，采用这种工艺深加工超级芦竹，在生产氢气、天然气、一氧化碳等负碳能源及负碳化工产品的同时，其副产的生物炭还可用来生产炭基肥、炭基土壤改良剂、炭基建材、活性炭、炭基导电材料。“零碳”排放是碳中和的终极目标，而兰多生物这一技术路线生产的超级芦竹相关能源、化工产品已经实现了负碳排放，对于实现“3060”“双碳”目标意义重大。

中国能源研究会副秘书长、节能减排中心主任王凡在接受中国经济时报记者采访时表示，2022年以来，“实施可再生能源替代行动”频繁出现在政府文件中。在目前的可再生能源中，超级芦竹最接近化石能源，它们都是碳氢化合物，唯一的差别在于其形成所需要的时间不同，化石能源需要经过上亿年的演变过程，而超级芦竹只需要半年到1年时间，超级芦竹是化石能源完美的替代品。

“我国地域辽阔，有边际土地24亿亩、森林面积34.6亿亩，在确保18亿亩粮食耕地红线基础上，我国完全有潜力发展植物能源来全面替代化石能源，实现能源自主供应，保障国家能源、经济、社会发展安全。”王凡说。

增加植物碳汇的三大难题

植物碳汇可以帮助人类将大气中的二氧化碳“拉回”地下。然而，自由生长的植物并非天生为固碳而生。因此，植物固碳也面临诸多难题。

在这些难题中，有三个最为关键。首先，植物光合作用通过自然光驱动二氧化碳固定，效率很低，对太阳辐射的利用只有1%左右。第二，植物储碳的器官还不够大，储存的碳有限。第三，植物的组成成分容易降解，这等于又把二氧化碳释放出来，这使得它保存二氧化碳的时间相当短暂。

因此，若想通过改良植物生态系统来增加植物碳汇，必须同时解决上述三个难题。

如何提高植物的光能利用效率？

植物的光合作用有多种类型，其中碳三（C3）、碳四（C4）是最常见的两种模式。

所谓C3植物，是指二氧化碳在植物光合细胞中被固定后，通过化学反应产生的有机物分子具有3个碳原子，其最大理论光能利用率约为4.6%。常见的C3植物包括水稻、大豆、油菜、小麦，以及几乎所有的乔木。

C4植物是指二氧化碳在植物光合细胞中产生的有机物分子具有4个碳原子，其最大理论光能利用率可达6%。常见的C4植物包括玉米、高粱、甘蔗、苋菜等。

显而易见，C4植物比C3植物的光能利用效率高30%左右。科学家通过研究发现，C3植物之所以光能利用率低，是因为其细胞中的二氧化碳浓度偏低，因此很难“抓住”二氧化碳分子参与光合作用。而C4植物体内有一个“泵”，能够大幅提高光合细胞中的二氧化碳分子浓度。为此，植物学家试图通过基因工程的方法把C4植物的这个“泵”安装到C3植物中，以提高C3植物的光合作用效率。

理论计算显示，无论是C3还是C4植物，都有提高光能利用率的巨大空间，提升碳增汇效应的潜力十分巨大。目前，科学家已经挖掘鉴定出一系列能够提高植物光合作用效率的基因。未来，通过生物技术对植物进行改造，有望提高植物的光能利用效率。

比如，科学家正考虑通过合成生物学方法设计一些元件，帮助植物更全面地利用光谱。在自然界中，植物只利用了光谱中相当少的一部分，而闪动光、蓝绿光等低光利用还有巨大潜力可挖。此外，通过研究叶绿体发育，将其改进得更加“强壮”，不惧强光损伤，也是科学家努力的方向。这可以让叶绿体在正午强光下也不用通过休眠来自我保护，而是持续“奋力工作”，将更多二氧化碳转变成有机质。

怎样增大植物的储碳器官？

植物吸收二氧化碳之后，通过一系列反应进行碳固定。对多年生植物来说，无论是地面的枝叶还是地底的根茎，固碳现象都能持续几十年时间。位于植物根部的碳转移到土壤中后，甚至有可能被埋藏数千年。

虽然植物全身都可以储碳，但自然进化而来的植物器官几乎没有一个专门为储碳而生。为此，科学家希望能对植物进行改造，使其某些器官特别有利于储碳。由于可以将碳转入土壤中封存，植物的根系是首先被考虑用于改造的储碳器官。

植物碳中和前景巨大，漫谈增加植物碳汇的三大难题

相较于一年生植物，多年生植物根系更发达，有利于长期储碳。（图片来源：《科学》杂志）

在利用根部固碳方面，多年生植物要比一年生植物效率更高。美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家克里斯特尔·简森解释，这是因为一年生植物在生产种子和枝叶上消耗了太多的能源，而多年生植物则有更加发达的根部系统，以满足生存需求。

从根系深度来看，现在大多数植物的根系仅生长于深度不足1.5米的土壤中。如果可以让植物的根系体积变得更大、更加粗壮，并能深入土壤至两三米，甚至更深，那么通过光合作用被固定下来的二氧化碳也就能随着植物的根系被埋入土壤深处。

植物的组织生长是一个涉及多种基因和因子的复杂过程。美国杜克大学基因科学与政策研究所系统生物学中心主任菲力普·本菲教授和他的研究团队找到了一些重要的转录因子，使模式植物拟南芥的根系长得更长。

更大的根部还可提高农作物的抗旱能力，增加农作物的产量。有研究指出，到2050年，人类通过栽培经基因工程优化的植物和树木，每年可抵消50亿至80亿吨的碳排放量。

如何让植物能够更长久地储碳？

我们都知道，所有的木头都会腐烂，腐烂实际上就是将植物固碳产生的有机物又以二氧化碳的形式释放到大气中。科学家已经发现了一些方法，能够使植物降解速度变得极慢，且机械性能等可以根据需要进行设计优化，因而使得植物不仅成为更加持久的碳汇，还可替代石油化工制品，为人类的生活提供绿色可靠的材料。

近年来，新型木材基功能材料的设计与制备领域出现了一系列具有突破性创新的研究成果，包括超强木头、自发辐射散热木头、透明木头、低热收集木头、隔热木头、海绵木头、柔性木头等新型木材基功能材料。

植物碳中和前景巨大，漫谈增加植物碳汇的三大难题

2021年，《科学》杂志发表了美国马里兰大学帕克分校胡良兵教授团队的研究成果，并将其选为封面文章。这个团队找到了一种将天然木材转换为可塑性木材的方法，通过化学方法处理，天然木材就可以折叠、扭曲、模压成所需形状。更重要的是，可塑性提高还伴随着材料强度的提高，再次干燥定型后的材料强度可达原始木材的六倍，与广泛使用的铝合金相当。

该工作被评论称为“打开了复杂几何形状的木基结构的设计和制造大门”，也为植物长久储碳找到了一条路径。

来源：文汇网，中国经济时报，和融发展

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