富碳农业,我们应该如何调整和改革

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8Tz北京交通大学新闻网

内容摘要:科技专论富碳农业是一种全新的农业理念和模式,即将工业生产的、巨量的、大自然已不能自然消纳的二氧化碳用于工农业生产。探

当前,不断增长的工业化生产在提升人民群众物质生活水平的同时,产生的大量碳排放也给全球气候和生态环境带来了影响,全球大气、水资源、耕地污染情势严峻,气候、粮食、能源安全已成为经济发展的主要制约因素。处理好这个两难问题对于我们这样一个发展中大国来说至关重要,目前提出的节能减排对策只能缓解这一矛盾,并非根本之策。我们认为问题的根源之一是碳循环的严重失调。8Tz北京交通大学新闻网

科技专论

2014年3月13日,在“两会”闭幕的当天,北京林业大学袁东来教授等人在理论版发表“富碳农业—为二氧化碳找出路”,以及2015年3月23日头版的“探索‘富碳农业’的发展模式”等系列文章,系统提出了富碳农业“生态建设产业化、产业发展生态化,工业经济低碳化、农业经济富碳化”的发展创新理念。3月25日中央政治局会议首次提出绿色化,并在中央五中全会上写入国家十三五规划蓝图中。实现工业排碳与农业固碳的良性循环,解决生态问题,最终得到生态系统最大效能的发挥,改变一个农业大国生产方式和生活方式。

“富碳农业”是一种全新的农业理念和模式,即“将工业生产的、巨量的、大自然已不能自然消纳的二氧化碳用于工农业生产”。探索和实践“富碳农业”的发展方式,对于系统解决我国经济、社会与环境发展面临的若干综合性问题具有重要意义。

一、富碳农业——生产方式改革

什么是“富碳农业”

自然界中万物的变化,无外乎是为了生存而改变自己。一切生物的进化,皆是由于环境倒逼而成就。在人类经过了几百年的后工业化的今天,以雾霾为典型的大气环境成为环境问题的核心。
面临气候变化,能源、食品、耕地日渐萎缩等重大生态环境变迁,我们的生产方式应当进行什么样的调整和改革?“富碳农业”提出了“生态建设产业化、产业发展生态化,工业经济低碳化、农业经济富碳化”全新生产方式的发展理念和模式。即“将工业生产的、巨量的、大自然已不能通过自身循环和自然消纳的二氧化碳富集后用于现代化农业生产中,以高于大气二氧化碳含量数倍的浓度,作为气肥释放在相对密闭的小区域中,辅以光、电、热、无土栽培和自动气候调节等科技手段,创造一个高效率的光合作用环境,培养种植各类作物,使作物单产大幅提高,形成一个巨大的新兴产业,通过富碳农业创建科技创新多轮驱动战略产业园区,打造以碳、氢、磁、菌、水、光等六大元素为核心的研究型和创新型企业。努力找到顺应能源大势之道,创造性的形成可再生能源全面发展的能源供给体系,着力发展新能源,可再生能源多轮驱动的能源供应体系,推动能源技术革命,带动市县乡三级产业升级,以此来分类推动技术创新,产业创新,商业模式创新,还能源的商品属性。创造出极大的经济效益和社会效益”。

“富碳农业”是指:在人工密闭环境中,利用光、气、温、水、肥、种等最佳条件组合,创造高效率的光合作用环境,将二氧化碳作为气肥大量地使用,生产出丰富的粮食作物供给人类生活。秸秆等其他干物质,可以加工成为化工、建筑、燃料等原料回馈工业生产。此外,“富碳农业”生产出的粮食、蔬菜、水果只利用人工光源和营养液水进行栽培,完全不用土壤甚至基质,可以有效抑制害虫和病原微生物的侵入,在不使用农药的前提下实现无污染生产,形成一个新兴产业,创造巨大的经济效益、社会效益和环境效益。

实现工业排碳与农业固碳的良性循环,既可利用碳资源节能减排,消纳碳资源,解决日益突出的生态环境问题,又可以促进相关工农业生产,改变一个农业大国生产方式和生活方式。探索和实践富碳农业的发展方式,有助于系统解决我国经济社会发展面临的应对气候变化、能源危机、粮食短缺、困难立地四大综合性难题。

1.“富碳农业”的产业组织模式

二、 “疏堵结合”——平衡碳的泛滥

将工业排放由原来的被动减排、限制转变为主动疏导、利用,建设高效率、高科技的劳动密集型农业工厂;激励当前工业排放气体的处理、再利用,变成新的能源与资源后,将企业减排的压力化为经济动力;构建完整的碳循环产业链,减轻大气污染和水资源短缺等资源环境压力,实现低碳工业与“富碳农业”的互补成长。

社会的命脉是经济,自然生态的命脉则是碳。自然万物的生长和繁衍,实际上是碳循环的不同表观形式。大量研究表明,由于几百年的工业化的蓬勃发展,过量积累的二氧化碳排放是造成生态破坏.气候变化的祸因,使人们对碳排放产生了妖魔化的理解。为了应对这个难题,从而提出低碳和节能减排是解决这个世界性难题的主要对策。这个对策只能缓解,并不能根治。

2.“富碳农业”产业链循环基本经济模型

在解决碳的泛滥和治理温室气体的问题上,中国的鲧禹治水给我们提供了一定的教训。启示我们思考如何变废为宝,应通过不同维度的整体论证变废为宝,给多余的二氧化碳找到出路,把工业排放的二氧化碳变为农作物生长原料的系统方法,而不是纯粹地减少或者掩埋它们。运用碳捕集技术,发展富碳农业,平衡碳的泛滥,修复大自然与人类生存环境,达到碳的循环和利用,有效解决了将二氧化碳由有害气体物质变为一种资源和能源的路径,造福人类。这又应验了那句俗话:在这个星球上,没有无用的废物,只有未被利用的资源。

对于工业企业而言,捕获二氧化碳的成本将被向下游销售二氧化碳的收入抵消,随着下游二氧化碳市场需求量的上升,逐渐积累“碳循环利润”。这与德国处理垃圾的经济思维是一致的。对于下游的“富碳农业”工厂而言,“富碳农业”产业不仅可以使农业大幅增产,提高食品总供给,而且可以消耗二氧化碳,进而改善我们的生态环境。

富碳农业可以比拟成经过大禹治理后的洪水,将二氧化碳变成了灌溉良田的生命之源。摆脱束缚着经济发展的“碳枷锁”,创造出全新的“疏堵结合”的碳排放治理方法,解决了本世纪人类生存和发展的难题和认识误区。富碳农业则是科学家对破除这种误区的一个重要阐释。

3.“富碳农业”的推广路径

三、温室气体——气候变化成因

推广“富碳农业”工厂的劳动技术需要成建制的技术推广组织。可以借鉴发达国家的经验,由非盈利组织深入到乡村,脚踏实地地给村民提供教育和培训,一方面可以直接提升农村劳动者的知识和技能,另一方面则帮助科研机构获得一线的数据、案例和经费,进一步推进科技创新。

在我们的星球上,二氧化碳的变化远不是完全由人类活动造成的。陆地上因植物的光合作用,所引起的二氧化碳周期变化的气通量达到每年
1200 亿吨,要比人类活动燃烧化石能源所产生的气体排放高出几个数量级,
地球表面的70%以上的面积是由海洋所占据的,由于海洋的水表面与大气中的二氧化碳的压力的不同,而引起的大气与海洋的二氧化碳气体交换每年可达到900亿吨。浩瀚的海洋本来可以作为温室气体的仓库缓解大气中的温室效应,可惜海水中过度地吸收二氧化碳会使海水酸化而阻止进一步的气体的溶入。现在的生态环境中已经形成了一种危险的正反馈:粮食安全的要求使人们更多地使用储存在地下、海下的化石能源,由此而大量产生的二氧化碳又在全球中形成了单方向增强的温室效应,直接或间接地使极端气候的现象愈演愈烈,十分显然,各种极端的气候变化又导致了粮食安全的困难。恶性的正反馈是形成我们社会目前困境的主要原因。

“富碳农业”的实践和探索

数据显示,北极今年的年度平均气温上升了1.3摄氏度,是自1900年以来的最高纪录。同时,每年2月冰层结构最厚的阶段也创下了1979年以来最薄的纪录,冰雪覆盖的面积和1979年相比缩减了18%。

日本曾经建设过一种“植物工厂”,在密闭空间内给植物提供所谓最佳的条件生长。虽然其结构与“半埋式农业车间”有相似之处,但其“最佳的生长条件”需要额外的能源和物质供给,因此极其昂贵,缺乏经济可行性。而“富碳农业”理念的创新之处在于,这些生长条件全部取自当前的工业排放以及可再生能源,农业工厂可以建设在毫无地力的盐碱地甚至暗无天日的废弃矿井中。利用当今国内外科学技术成果,将太阳能、碳捕集、农业工厂三个领域结合起来的“富碳农业”产业在技术上可行,以其作为经济、环境和社会综合性问题的系统化解决之道,则需要国家产业政策的配合。

同时,格陵兰岛正遭遇2012年以来最严重的融冰现象,地表超过一半的结冰已消失不见。

中国农科院从上世纪七十年代便开始了“植物工厂”的相关研究和实践,论证通过计算机对作物生育过程中的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度以及营养液等环境要素进行自动控制,实现不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。“植物工厂”模式的推广和普及已在国外和国内全面展开。以碳排放的大省——山西为例,有研究认为,仅富碳设施农业一项,CO2减排量就十分可观:以山西180万亩温室大棚为例,按照目前世界上比较先进的温室施放CO235kg/m2计,1年就可固定CO2420亿公斤,这相当于山西全省的碳减排任务,如果全省的设施蔬菜在目前基础上增施CO22—3倍,可吸收CO21000—1500万吨;另外,全省年产秸秆1900多万吨,利用露天焚烧的400万吨秸秆用于食用菌生产,可减排CO2670万吨﹔光伏食用菌大棚1万亩每年发电可达3亿度,节约标煤120万吨,折合减排CO2300万吨,效益约2亿元;增施CO2后,设施蔬菜产量可以大幅度增产,仅此一项全省可以增产增收上千亿元。同时,在“富碳农业”促进可再生能源的利用上,山西开展利用能源微藻转化CO2生产清洁燃油,开展工厂化微藻养殖、高效吸收CO2和生产清洁燃油的关键技术工艺和配套装备研发,年产170万吨微藻燃油及副产品,年产值达180亿,形成具有市场竞争力的新型微藻燃油产品和产业。

四、二氧化碳 ——绿色资源宝藏

我国已经有万吨级燃煤电厂二氧化碳捕集装置投入运转。来自电厂石灰石湿法脱硫系统脱硫处理后的烟气进行再脱硫处理,通过有机胺吸收溶剂溶液与烟气中的二氧化碳反应,最终得到纯度达99.5%的液体二氧化碳产品,并可随时转化成固体、气体等其他产品形态,满足社会经济发展的不同需求。工业碳捕集系统的成功实施不但验证了“富碳农业”中碳捕集环节的有效性和低成本,更完成了“富碳农业”产业链中最重要的环节——二氧化碳的系列商品化。自此,二氧化碳正式从工业废气变成了价值不菲的商品,翻开了生态保护和经济可持续发展的全新篇章。

化石能源是人类生存发展的重要物质基础。前身是亿万年前的绿色植物。富碳农业就是把黑色的化石能源燃烧产生的二氧化碳还原成绿色的资源,把高碳的资源转变成绿色的财富。

我国发展“富碳农业”优势独特

目前,国际上比较公认的是,由于燃烧化石能源而排放的温室气体约为每年200
亿吨,这相当于每年燃烧掉 60
亿吨的碳相当的化石能源,占已探明的可开采的化石能源总量5万亿吨的大约千分之一。

在发展“富碳农业”方面,我国拥有独特优势。中国的人口、资源压力是西方市场经济发达国家所未曾遇到的。富碳农业产业所依赖的太阳能、碳捕集、农业工厂综合技术近年在我国取得了重大进展,尤其是高效太阳光能、热能和电能的综合开发利用取得了世界领先的成果。发达国家如美、英、德、法的历史不尽相同,但它们早已在本世纪前完成了农业产业化,大规模生产使得农产品市场供给充足,价格低廉。各粮食巨头间的产业格局已经稳定,在某种程度上降低了科技创新的动力并阻碍了成果的综合运用。同样是基于以上原因,发达国家才会将注意力集中在其他解决办法上,如碳捕集与封存技术等。

富碳农业所提出的现代化工农业生产一体化的富碳农业工厂方案,是将人类生产活动而产生的60
亿吨的二氧化碳,在尽量减少排放的同时,加入植物的光合作用的循环之中,全部消化掉并转化成食物和生物燃料,成为新的能源和资源,使其既能减少碳排放,又能增加人类食物生产,逐渐平息极端气候变化的发生和振幅,是我国现代化新兴农业必由之路,是解决近代四大难题的科学命题。

发展“富碳农业”,可以促进我国工业、农业乃至整个国民经济的可持续发展,支持各地区因地制宜地探索和发展生态农业、循环农业、有机农业、精品农业、资源农业,充分挖掘我国农耕文明的精髓,为探索中国特色的农业现代化道路,保证中华民族生存在“地肥、水美、粮丰、人富”的人与自然、人与人和谐的生态和社会环境中提供有力保障。

五、应对减排 —— 植物光合功效

地球上的植物,不管是早期的裸子植物,还是后期进化成的被子植物,是地球上各种物种的基础的食物,而植物生长的主要食物是由水、二氧化碳通过太阳光的光合作用转化来的,任何干物质的植物的组成,主要成分是碳、氧、氢,其中
45%是碳、45%是氧、6%是氢,剩余的 4%是氮、磷、钾、钙、镁、硫等元素。

应对减排与气候变化方面。绿色植物在光合作用过程中,可以主动大量吸收利用并固定二氧化碳形成碳水化合物并放出氧气,不需要付出额外的成本,就可降低大气中二氧化碳的浓度,是目前最经济有效的二氧化碳利用途径。

中国农科院.山西农大等科研单位在富碳农业利用CO2方面开展了深入研究和实践,设施农业CO2需求及固碳潜力巨大,植物光合作用理想的CO2浓度为800-1800ppm,大气CO2浓度仅为380ppm,由于设施系统内相对密闭,植物光合作用时CO2处于严重亏缺状态,严重限制了植物生产潜力的发挥。如果能通过工业源排放气体并得到纯净的CO2,不仅可以大幅增加植物产量,而且还可以实现CO2减排。

富碳农业植物工厂可以使用目前大量存在的废矿井、岩洞、废煤层、盐碱地、沙漠地、荒漠地等进行改造,更能有效利用占我国960万平方公里国土总面积四分之一的困难立地,从空间上可采用多层次立体栽培,其固碳能力是露地生产的数十倍,固碳和控污潜力巨大。从时间上,植物工厂可周年连续生产,一年四季均具有强大的固碳能力,富碳农业在设施农业植物工厂的前景广阔。

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