中國科學院院士、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，地球陸地出現生物，特別是出現光合力強的高等植物，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，構成生物體，使碳和化學態能量得以保存和積累。生命與生物質的出現，是地球發展史上的一座偉大里程碑。

導致地球上碳與化學態能量不斷加積的載體是生物質，在長期地質過程和地質作用下，生物質體的碳水化合物持續脫氧，轉化為碳氫化合物，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移封存到了巖石圈。

18世紀工業革命至今的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，其溫室效應導致全球氣候變暖和人類生存環境惡化。

這些溫室氣體的80%來自于化石能源

20世紀后半葉，人類社會開始覺醒，提出“可持續發展”的概念，于1992年簽署《聯合國氣候變化框架公約》，并于2015年通過《巴黎協定》，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。

中國正在大規模進行工業化建設，能源消費劇增，2018年二氧化碳排放量約為100.2億t，要在2060年實現碳中和，目標非常艱巨。

中國的第二、三產業是化石能源的主要消費者，主要碳排放者，是碳源;唯有從事生物性生產的第一產業是吸多排少的碳匯，是為二、三產業持續提供替代能源的重要基地。

地質時期的生物質吸碳聚能，當代的生物質不僅能吸碳聚能，還可通過現代技術轉化為可再生清潔能源，替代化石能源以減排二氧化碳。

生物質還可以實現負碳排放，防治大氣污染與農業面源污染，生產綠色材料與有機化工產品，做強農業與振興鄉村經濟等。

農林生態系統像個萬花筒與百寶箱，需要人們去了解、探尋和開啟它豐富的碳中和潛能。

解鈴尚須系鈴人，且觀今日之生物質將何為!

據國際政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告(2013)披露，“生物質能和碳捕獲/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”。

二、負碳排放，潛力巨大

生物體吸碳排碳，理論上是零碳排放，怎么會有“負碳排放”?

畜禽糞便在自然條件下發酵釋放出的甲烷，其溫室效應是二氧化碳的25倍，如以其生產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，其全生命周期為負碳排放。

據瑞典Lund大學研究，按每獲得1 kW·h 做功，煤、天然氣、風能、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能和太陽能的4.6~18倍。

又據德國能源署資料，每行駛公里排放的二氧化碳當量，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)報告稱，以生物天然氣替代常規天然氣是最有希望的減排技術。德國有沼氣-天然氣生產廠1萬余家，全國生物發電產能的68%(7.1 GW)來自沼氣-生物天然氣。

生物天然氣還有一個可貴稟賦，即物質循環優質。

生物質在高溫燃燒條件下，植物營養元素揮發固結殆盡，不能繼續參與物質循環。而常溫條件下的厭氧發酵，生物質的植物營養元素全部保留于沼渣沼液和以優質有機肥回歸土壤。

負碳排放的微生物沼氣發酵與提純為生物天然氣兼具去污、減排、保土、增收的效果，一石四鳥。

三、碳吸存中的“三擦邊球”

農業稻麥棉，林業喬木樹，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，生命力旺盛的能源灌草，此一板打出了三個擦邊球。

一民營企業在河北康保縣沙地上種植了約5萬hm2灌木檸條，既防風固沙，又用每3~4年平茬下來的枝條發電。該電廠替代了10萬t標煤，輸出了2.5億kW·h綠色電力，年減排二氧化碳17萬t，還為千余農民就業，千余農戶脫貧作了貢獻。

又一民營企業在內蒙古毛烏素沙地種植約4萬hm2灌木沙柳，防風固沙與平茬枝條發電并舉，年發電2.1億kW·h，還將電廠排放的二氧化碳收集起來養殖螺旋藻，叫“三碳經濟”。

經聯合國認證，該項目每年減排碳25.6萬t，移存二氧化碳15萬t，加上沙柳地下部的固碳量，每年可實現50~60萬t二氧化碳的吸存與減排，并為社會提供8000多個就業崗位，人均收入1.2萬元。該項目獲聯合國環境與發展大會2012年度頒發的“20年防沙治沙特別貢獻獎”。

有資料稱，新疆克拉瑪依地區的灌木紫穗槐和檸條的年公頃生物量產出分別為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能安全越冬的芒草，年公頃生物量產出30 t，此二地有約1億公頃邊際性土地可種此芒草，其生物量產出與固碳量之大可想而知。

中國有多少不能種農作物和樹木，但可種能源灌草的邊際性土地?

根據國土資源部2015年更新的資料，基于全國1km柵格25個地類的土地利用數據，綜合考慮了人口、交通和生態保護等因素，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，比現有耕地面積還大。每年可生產生物質14.4億t，能源潛力為7.2億t標煤。

據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、生物量產出，以及8.2 t標煤的綠色替代能源全部都是新增。

邊際性土地實現能源灌草種植后，祖國大地將出現一道新的風景線，億萬公頃荒地禿嶺將被灌林草叢所染，生態環境改觀，綠色油田片片，美麗的座座“金山銀山”。

四、三片農林碳中和場

中國有三片農林碳中和場，農田、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4.65億hm2。

三個碳中和場的碳狀況的主要計算參數是：1 t生物質年吸存0.5 t二氧化碳和產能0.5 t標煤;1 t標煤排放2.6 t二氧化碳;1 t生物質能的排放量是煤碳排放量的40%。

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

同時具有生產12.1億t標煤生物質能源的潛力，相當于全國現年能源消費總量的30%。

農田碳中和場的碳交換最頻繁。據資料，中國農田生物量產出15億t，可吸存二氧化碳7.5億t;另可供能源用農林有機廢棄物產出量折標煤4.92億t，轉化替代能源可減排二氧化碳9.3億t(含負碳減排);農林牧漁共消費化石能源8232萬t標煤，排放二氧化碳2億t。農田碳中和場匯多源少，合計年增匯潛力為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出10 t計，年生物量產出14.4億t，吸存二氧化碳7.2億t，轉化為替代能源折標煤7.2億t，減排二氧化碳4.4億t，合計年增匯潛力11.6億t二氧化碳。

喬木林碳中和場是長時段碳吸存，現總生物量155億t和年吸存二氧化碳11億t(《中國森林資源報告2019》)，林業三剩物的替代減排已計算在農田碳中和場。

五、農林碳中和工程，國之重器

農林生態系統和三片碳中和場具有碳吸存與替代減排雙重功能，是實現國家碳中和目標的主要陣地，又是生物質資源庫與生物質能田。

農林碳中和工程由兩個部分組成：

第一部分是改善三片碳中和場的農作物、能源灌草及喬木林的群體結構與管理，增加碳吸存與生物量產出;

第二部分是非糧農林生物質與有機廢棄物的資源化利用，發展生物質能、材料和化工產品等綠色產業，增加替代減排力度。

農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標煤生物質能的潛力。

農林碳中和工程的核心與重點是在三個碳中和場加強植物體培育和生物量產出基礎上，全面、科學部署綠色供熱與發電、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業體系，以實現國家碳中和目標，改善全國能源消費結構，推進“第二農業”發展。

四大支柱產業的一代技術與商業化在中國已經成熟，熱化學合成生物燃油與全生物降解塑料的二代技術已處世界前列，正蓄勢待發，報效國家。

實施農林碳中和工程的建議是：

作為重大專項列為國家長期計劃;

成立有相關業務部門參加的“農林碳中和工程”辦公室，建議辦公室設在農業與農村工作部;

成立基于5G的“農林碳中和工程”研究設計院，為工程實施提供技術支撐與指導;

設置“第二農業”學科、專業與學院，培養人才;

選擇300~600個縣(市)進行不同類型農林碳中和工程項目先行示范，爭取在2030年碳排放達峰前為中國乃至世界找到碳中和綠色方案。

農林碳中和工程是集保護環境、能源換代、做強農業-鄉村振興-惠及農民于一役的國家工程，乃國之重器。