中国科学院院士、中国工程院院士 石元春

一、碳交换的前世今生

地球大气圈的组成主要是氮和氧，二氧化碳很少。4亿年前，地球陆地出现生物，特别是出现光合力强的高等植物，利用太阳辐射能，吸收大气二氧化碳与土壤中的水分，合成碳水化合物，构成生物体，使碳和化学态能量得以保存和积累。生命与生物质的出现，是地球发展史上的一座伟大里程碑。

导致地球上碳与化学态能量不断加积的载体是生物质，在长期地质过程和地质作用下，生物质体的碳水化合物持续脱氧，转化为碳氢化合物，始有今日之煤炭、石油与天然气，故称之“化石能源”。生物体将地球大气圈的二氧化碳吸收富集并转移封存到了岩石圈。

18世纪工业革命至今的200多年里，人类打开了“潘多拉魔盒”，将深埋地下的煤炭、石油和天然气大量开采使用，将亿万年前封存地下的碳又放回到大气中，其温室效应导致全球气候变暖和人类生存环境恶化。

这些温室气体的80%来自于化石能源

20世纪后半叶，人类社会开始觉醒，提出“可持续发展”的概念，于1992年签署《联合国气候变化框架公约》，并于2015年通过《巴黎协定》，急切要求替代化石能源，减少二氧化碳排放，放慢全球变暖步伐。

中国正在大规模进行工业化建设，能源消费剧增，2018年二氧化碳排放量约为100.2亿t，要在2060年实现碳中和，目标非常艰巨。

中国的第二、三产业是化石能源的主要消费者，主要碳排放者，是碳源;唯有从事生物性生产的第一产业是吸多排少的碳汇，是为二、三产业持续提供替代能源的重要基地。

地质时期的生物质吸碳聚能，当代的生物质不仅能吸碳聚能，还可通过现代技术转化为可再生清洁能源，替代化石能源以减排二氧化碳。

生物质还可以实现负碳排放，防治大气污染与农业面源污染，生产绿色材料与有机化工产品，做强农业与振兴乡村经济等。

农林生态系统像个万花筒与百宝箱，需要人们去了解、探寻和开启它丰富的碳中和潜能。

解铃尚须系铃人，且观今日之生物质将何为!

据国际政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(2013)披露，“生物质能和碳捕获/封存(BECCS)是极少有的，能将近几百年来被大气吸收积存的二氧化碳吸出与移走的技术”。

二、负碳排放，潜力巨大

生物体吸碳排碳，理论上是零碳排放，怎么会有“负碳排放”?

畜禽粪便在自然条件下发酵释放出的甲烷，其温室效应是二氧化碳的25倍，如以其生产沼气与生物天然气去替代化石能源，即是“以污治污”，再加上饲料生长期间的吸碳，其全生命周期为负碳排放。

据瑞典Lund大学研究，按每获得1 kW·h 做功，煤、天然气、风能、沼气与生物天然气的二氧化碳排放量分别是508~897g、398g、61g、-414g。即沼气的碳减排能力是风能和太阳能的4.6~18倍。

又据德国能源署资料，每行驶公里排放的二氧化碳当量，汽柴油、天然气、生物天然气分别为156~164g、124g、5g。即生物天然气的碳排放只是化石天然气的1/25。在欧洲，重型柴油车改用生物天然气后，微粒物(PM)和NOx排放量分别减少了97%和86%。

国际能源组织(IEA)报告称，以生物天然气替代常规天然气是最有希望的减排技术。德国有沼气-天然气生产厂1万余家，全国生物发电产能的68%(7.1 GW)来自沼气-生物天然气。

生物天然气还有一个可贵禀赋，即物质循环优质。

生物质在高温燃烧条件下，植物营养元素挥发固结殆尽，不能继续参与物质循环。而常温条件下的厌氧发酵，生物质的植物营养元素全部保留于沼渣沼液和以优质有机肥回归土壤。

负碳排放的微生物沼气发酵与提纯为生物天然气兼具去污、减排、保土、增收的效果，一石四鸟。

三、碳吸存中的“三擦边球”

农业稻麦棉，林业乔木树，五千年如是。

这里提的思路是，在既不能种庄稼又不能长乔木的边际性土地上种植抗逆性强，生命力旺盛的能源灌草，此一板打出了三个擦边球。

一民营企业在河北康保县沙地上种植了约5万hm2灌木柠条，既防风固沙，又用每3~4年平茬下来的枝条发电。该电厂替代了10万t标煤，输出了2.5亿kW·h绿色电力，年减排二氧化碳17万t，还为千余农民就业，千余农户脱贫作了贡献。

又一民营企业在内蒙古毛乌素沙地种植约4万hm2灌木沙柳，防风固沙与平茬枝条发电并举，年发电2.1亿kW·h，还将电厂排放的二氧化碳收集起来养殖螺旋藻，叫“三碳经济”。

经联合国认证，该项目每年减排碳25.6万t，移存二氧化碳15万t，加上沙柳地下部的固碳量，每年可实现50~60万t二氧化碳的吸存与减排，并为社会提供8000多个就业岗位，人均收入1.2万元。该项目获联合国环境与发展大会2012年度颁发的“20年防沙治沙特别贡献奖”。

有资料称，新疆克拉玛依地区的灌木紫穗槐和柠条的年公顷生物量产出分别为16.162 t和10.541 t;年固碳量分别为7.866 t和5.185 t。

另有一种能在黄土高原和东北地区能安全越冬的芒草，年公顷生物量产出30 t，此二地有约1亿公顷边际性土地可种此芒草，其生物量产出与固碳量之大可想而知。

中国有多少不能种农作物和树木，但可种能源灌草的边际性土地?

根据国土资源部2015年更新的资料，基于全国1km栅格25个地类的土地利用数据，综合考虑了人口、交通和生态保护等因素，选出了灌木林、疏林地、低覆盖度草地、沙地、盐碱地等11类，面积1.44亿hm2，比现有耕地面积还大。每年可生产生物质14.4亿t，能源潜力为7.2亿t标煤。

据此绘制了自然条件下全国可能源用边际性土地的能源潜力分布图。

绿地、生物量产出，以及8.2 t标煤的绿色替代能源全部都是新增。

边际性土地实现能源灌草种植后，祖国大地将出现一道新的风景线，亿万公顷荒地秃岭将被灌林草丛所染，生态环境改观，绿色油田片片，美丽的座座“金山银山”。

四、三片农林碳中和场

中国有三片农林碳中和场，农田、能源灌草与乔木林，它们的面积分别为1.35亿、1.44亿、1.86亿hm2，合计4.65亿hm2。

三个碳中和场的碳状况的主要计算参数是：1 t生物质年吸存0.5 t二氧化碳和产能0.5 t标煤;1 t标煤排放2.6 t二氧化碳;1 t生物质能的排放量是煤碳排放量的40%。

以上三片农林碳中和场的二氧化碳年增汇量合计37.4亿t。这是现量，如果考虑到2060年的40年间的增量，农林碳中和工程的贡献将在年增汇50亿t二氧化碳以上，约当于现年排放量的一半。

同时具有生产12.1亿t标煤生物质能源的潜力，相当于全国现年能源消费总量的30%。

农田碳中和场的碳交换最频繁。据资料，中国农田生物量产出15亿t，可吸存二氧化碳7.5亿t;另可供能源用农林有机废弃物产出量折标煤4.92亿t，转化替代能源可减排二氧化碳9.3亿t(含负碳减排);农林牧渔共消费化石能源8232万t标煤，排放二氧化碳2亿t。农田碳中和场汇多源少，合计年增汇潜力为14.8亿t二氧化碳。

能源灌草碳中和场，建成后按年公顷地上及地下部生物量产出10 t计，年生物量产出14.4亿t，吸存二氧化碳7.2亿t，转化为替代能源折标煤7.2亿t，减排二氧化碳4.4亿t，合计年增汇潜力11.6亿t二氧化碳。

乔木林碳中和场是长时段碳吸存，现总生物量155亿t和年吸存二氧化碳11亿t(《中国森林资源报告2019》)，林业三剩物的替代减排已计算在农田碳中和场。

五、农林碳中和工程，国之重器

农林生态系统和三片碳中和场具有碳吸存与替代减排双重功能，是实现国家碳中和目标的主要阵地，又是生物质资源库与生物质能田。

农林碳中和工程由两个部分组成：

第一部分是改善三片碳中和场的农作物、能源灌草及乔木林的群体结构与管理，增加碳吸存与生物量产出;

第二部分是非粮农林生物质与有机废弃物的资源化利用，发展生物质能、材料和化工产品等绿色产业，增加替代减排力度。

农林碳中和工程具有年增汇37.4亿t二氧化碳和年增12.1亿t标煤生物质能的潜力。

农林碳中和工程的核心与重点是在三个碳中和场加强植物体培育和生物量产出基础上，全面、科学部署绿色供热与发电、液体生物燃料、沼气-生物天然气和全生物降解塑料四大支柱产业体系，以实现国家碳中和目标，改善全国能源消费结构，推进“第二农业”发展。

四大支柱产业的一代技术与商业化在中国已经成熟，热化学合成生物燃油与全生物降解塑料的二代技术已处世界前列，正蓄势待发，报效国家。

实施农林碳中和工程的建议是：

作为重大专项列为国家长期计划;

成立有相关业务部门参加的“农林碳中和工程”办公室，建议办公室设在农业与农村工作部;

成立基于5G的“农林碳中和工程”研究设计院，为工程实施提供技术支撑与指导;

设置“第二农业”学科、专业与学院，培养人才;

选择300~600个县(市)进行不同类型农林碳中和工程项目先行示范，争取在2030年碳排放达峰前为中国乃至世界找到碳中和绿色方案。

农林碳中和工程是集保护环境、能源换代、做强农业-乡村振兴-惠及农民于一役的国家工程，乃国之重器。