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秸稈上做文章,找到農(nóng)業(yè)減碳新路

2023-03-22 09:53  來源:科技日報  瀏覽:  

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,將秸稈制成生物炭后還田,同時將其間產(chǎn)生的生物氣、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,同時能夠提高作物產(chǎn)量,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,中國以世界9%的耕地養(yǎng)育了世界22%的人口。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,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(lián)合中國農(nóng)業(yè)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(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,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。

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,將秸稈制成生物炭后還田,同時將其間產(chǎn)生的生物氣、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。相關(guān)研究近日刊發(fā)于國際學術(shù)期刊《自然·食品》。

亟須控制糧食生產(chǎn)中的碳排放

確保糧食安全、應(yīng)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(zhàn)。

“農(nóng)業(yè)是一個重要的碳排放行業(yè)。從全球來看,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,這一數(shù)字約為8.3%,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,在碳中和進程中,農(nóng)業(yè)溫室氣體減排必不可少。

農(nóng)業(yè)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(nóng)機作業(yè)、灌溉過程中的能耗排放等。

“農(nóng)業(yè)排放的溫室氣體,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。比如反芻動物排放的甲烷,可以通過改變飼料結(jié)構(gòu)、添加甲烷抑制劑、提高生產(chǎn)效率等措施來減少。”在顏曉元看來,更值得關(guān)注的,是糧食作物生產(chǎn)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(chǎn)中甲烷和氧化亞氮排放的控制。”顏曉元說。

“我國三大主糧作物水稻、小麥、玉米的年總產(chǎn)量分別約占世界總產(chǎn)量的30%、18%和21%。三大主糧作物生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放量的50%。”上述論文第一作者、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(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yōu)化肥料結(jié)構(gòu)、施用新型肥料和抑制劑,來抑制農(nóng)業(yè)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(yōu)化管理就是糧食生產(chǎn)碳減排的方法之一。“化學氮肥可以增加土壤生產(chǎn)力,助力糧食增產(chǎn),它間接供養(yǎng)了全球48%的人口。但氮肥的生產(chǎn)過程要消耗很多能源,且用到農(nóng)田里會排放氧化亞氮。”顏曉元說,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(zhuǎn)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(yǎng)需要。

優(yōu)化稻田灌溉是糧食生產(chǎn)碳減排的又一法寶。“種植水稻時,稻田持續(xù)淹水,土壤中的產(chǎn)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(chǎn)生大量甲烷。”顏曉元介紹,目前國內(nèi)外也有團隊采取水稻覆膜栽培、埋設(shè)地下排水管道等方式,減少稻田甲烷排放。

農(nóng)業(yè)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(guān)鍵。“要釋放稻田土壤的碳匯潛力,需要加大有機物料的投入,例如秸稈還田,但秸稈還田會導(dǎo)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(dǎo)致的甲烷增排量遠大于其變?yōu)橥寥烙袡C碳的固碳量。”顏曉元說。

在此次研究中,科研團隊在收集整理國內(nèi)外眾多文獻的基礎(chǔ)上,進行大數(shù)據(jù)分析,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,同時優(yōu)化氮肥優(yōu)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(yīng)遠大于固碳效應(yīng)。”夏龍龍解釋。

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。

“目前三大主糧作物每年產(chǎn)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(yǎng)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。”夏龍龍介紹,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(zhuǎn)化為氮氣。

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,同時配以氮肥優(yōu)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(xiàn)碳中和。

“從固碳的角度,現(xiàn)在需要開發(fā)效率更高的方法。”顏曉元指出關(guān)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(chǎn)物。“目前已經(jīng)有項目將生物氣、生物油添加到其他物質(zhì)中,進行純化發(fā)電。”夏龍龍介紹,團隊經(jīng)過測算發(fā)現(xiàn),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,僅后者就可以減少3.3億噸的二氧化碳排放。

在此基礎(chǔ)上,再加上生物炭還田的固碳效果,三大主糧作物生產(chǎn)中,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,從而實現(xiàn)碳中和,同時能夠提高作物產(chǎn)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(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。

不積跬步無以至千里。未來,我國的農(nóng)業(yè)碳中和還需破解哪些難題,如何挖掘農(nóng)業(yè)碳中和潛力?

顏曉元認為,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,要調(diào)動企業(yè)積極性,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,使生產(chǎn)出的炭能迅速還田,生產(chǎn)過程產(chǎn)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(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,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,加強技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā),建立農(nóng)業(yè)低碳補償機制,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。

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