作者:许琦敏 来源:文汇报 发布时间:2023/4/14 7:50:46
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“再造”植物,把二氧化碳变成“地下森林”

 

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,本报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。

植物是地球上主要的生命形态之一,是生态系统中最重要而基础的生产者,在生物圈的生态系统、物质循环和能量流动中处于关键位置。
      
植物可以通过光合作用固定二氧化碳,光合生物利用太阳能将二氧化碳和水转化为有机物,为整个生命体系提供物质和能量。而人类现在所使用的煤、石油等化石能源,都是远古时代植物通过光合作用所贮存的一种太阳能载体。因此,光合二氧化碳固定是增加碳汇的源头。
      
在当前实现碳中和的主要增汇技术中,基于陆地生态系统的光合二氧化碳固定在总的碳汇量中占主导地位,以植物为主的高效生物固碳是实现碳中和目标的关键路径之一。同时,创建具有高效碳汇能力的植物生态系统,将给植物科学带来新的机遇与挑战。

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。
      
用生物技术改造植物,在荒原野地开辟新碳汇用地
      
在生物碳汇中,植物碳汇占据核心地位。有数据显示,全球生物总碳汇约为5500亿吨,其中植物碳汇约为4500亿吨,占比达81.8%。
      
据2021年发表于《自然-生态学与进化》的一份研究报告称,瑞士苏黎世联邦理工学院的一个科研团队从1.8万份此前当地关于植物地下根系重量的研究中提取数据,利用机器学习将数据推演到全球生物量估算和地图中,最后将研究结果与现有生物量估算模型进行了比对。结果发现,全球有24%的森林、灌木和草原的生物量储存于地下,约含有1130亿吨碳。
      
这个惊人的数字意味着植物地下生物量可在应对气候变化中发挥重要作用。王佳伟介绍,目前已有研究表明,大多数植物的根系分布在1-1.5米深的土壤中,“如果通过基因改造,让植物的根扎得更深,就能将碳埋入更深的地下。而这通过植物自主生长就能完成,与依靠人工的碳捕捉、碳封存技术相比,性价比非常高”。
      
这项研究还发现,气温和降雨量在植物根系生长中起着很大作用。在寒冷干燥地区,植物地下碳储量更高,其中蒙古高原的地下碳储量最高。相比之下,温暖湿润地区地表以下的生物量就少得多。全世界的森林生物量平均有22%处于地下,而灌木林和草原的地下生物量分别为47%和67%。
      
王佳伟说,现有的植物固碳方法主要从生态管理的角度出发,其固碳效果并不理想。比如,在农田通过秸秆还田、生物质废弃物炭化还田、有机肥替代化肥等手段,的确可以增加土地中的有机碳含量,但这些土壤中的碳元素很快又会随着植物的“生老病死”,最终被分解为二氧化碳,回到大气中。即使是碳汇本领较大的森林,也只是在成长期固碳能力强,变为成熟林之后,其对碳的固定与释放就会达到一定平衡,吸收碳的能力就会下降。
      
“未来植物学家要做的是通过生物技术创新,改造植物,让它能够吸收更多的碳。”王佳伟说,现在学界认为比较可行的途径主要有植物高光效改造(提升固碳能力)、非豆科固氮植物创制和土壤微生物互作能力提升(减少化肥使用)、创制更大更深根系的多年生作物(储碳于根)、高效植物生物质利用(延长储碳时间)等方向——如果可以创制出一系列固碳本领高强的植物品种,能适应不同环境,人们就可能在各种荒原野地种上固碳植物,这将在保证不与粮争地的情况下,开辟出大量的新碳汇用地。
      
各国竞相投入巨资研发,探索碳中和生物解决方案
      
在中国科学院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心主任韩斌看来,提升植物光合作用效率、创制高效固碳植物、系统评估和改善生态系统储碳能力等前沿领域的战略研究,将成为科学界的研究热点。
      
在目前实现碳中和的路线中,减排投入的研究力量已相当多,而增汇的研究则相对不足。近年来,国际上增汇研究升温迅速,已进入到火热的竞争阶段。不少欧美国家对此高度重视,在改良植物提高碳汇的基础和应用研究上投入重金。
      
早在数年前,美国Salk研究所就提出了“利用植物倡议”,并已投入3000万美元进行研究。2021年12月,美国能源部宣布了一项计划,为“旨在加速开发更有效、高通量的方法,通过实验准确测定植物基因功能的基础研究”提供3000万美元的资金资助。2022年2月,拜登政府宣布“通过清洁制造减少碳排放”,其中包括联邦政府在碳捕获、利用和封存技术方面的投资将超过120亿美元。
      
最近,2020年诺贝尔化学奖得主、“基因魔剪”开创者之一詹妮弗·道德娜教授提出,要利用基因编辑技术,创制高捕碳植物和储碳植物。她计划首期投入1100万美元进行初步探索。

2020年6月,英国宣布投入1亿英镑的新研发资金,以资助开发直接在空中捕获二氧化碳的技术,旨在支持温室气体清除(GGR)技术的发展,并帮助它们实现商业化。

在我国,中科院分子植物卓越中心率先提出了碳汇植物改良的系统性方案。目前,该中心正围绕“植物高效碳汇”创制的研究目标在中心内遴选优秀青年人才,通过调整研究方向,组成研发队伍,同时投入大量资源引进相关人才、构筑平台。

作为植物高效碳汇重点实验室的首席科学家,韩斌表示,用植物科学解决双碳问题,需要植物科学、生态学、林学、农学、地学、化学、计算机等多个学科领域的交叉融合,围绕高碳汇植物所必需的高光效、高生物量、高适应性等特征,开展科技创新前沿研究。

王佳伟介绍,实验室目前的目标是建立植物碳高效固定和储存理论模型、创制碳高效固定和氮高效利用的植物生态系统、开发植物生物质长时间储存和高效利用技术,建立从基础理论研究、高碳汇植物设计、生物质高效储存和利用,到植物碳汇评价的全链条研究系统,为碳中和提供可持续的生物解决方案,构筑面向世界的碳中和生物解决方案的创新策源地。
      
■小知识

关于碳储量

碳储量和碳密度

碳储量即碳的储备量,通常指一个碳库(森林、海洋、土地等)中碳的数量。碳密度即为单位面积的碳储量。

碳储量变化

碳储量变化指碳库中的碳储量由于碳增加与碳损失之间的差别而发生的变化。当损失大于增加时,碳储量变小,该碳库为碳源;当损失小于增加时,该碳库为碳汇。

碳储量估算方法

碳储量的估算方法包括样地清查、遥感估测和模型模拟等诸多方法。目前,国内外学者对森林生态系统的碳储量研究较多,其中材积源生物量法在估算林分生物量方面具有良好效果,是目前研究森林碳储量的重要方法之一。

 
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