工業(yè)二氧化碳廢氣用于農(nóng)作物增產(chǎn)的綠色減排途徑

趙 敏，賈賀峰，趙明宇，張孝民，薛 定

·綜述評論·

工業(yè)二氧化碳廢氣用于農(nóng)作物增產(chǎn)的綠色減排途徑

趙 敏1，賈賀峰2，趙明宇3，張孝民3，薛 定3

(1.中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司，遼寧 大連 116031；2.中國標準化研究院，北京 100015；3.中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會 二氧化碳專業(yè)委員會，遼寧 大連 116031)

隨著經(jīng)濟增長，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以及履行負責任大國的國際義務(wù)越來越重等因素，中國現(xiàn)在面臨著節(jié)約能源、保護環(huán)境和減少溫室氣體排放的多重壓力。主要論述了二氧化碳應(yīng)用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，既能減少碳的排放量，又能提高農(nóng)作物產(chǎn)量，從而實現(xiàn)生態(tài)、農(nóng)業(yè)雙贏的局面。

工業(yè)二氧化碳；農(nóng)作物增產(chǎn)；碳減排

1 工業(yè)二氧化碳現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)二氧化碳的排放壓力

中國是世界上最大的溫室氣體排放國，碳排放的總量已達80余億t，較1950年增長了逾100倍。其中，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的二氧化碳排放主要來自于化石能源消費和碳酸鹽生產(chǎn)。二氧化碳長期停留在大氣中，會導(dǎo)致地球進一步變暖，同時也會改變氣候、風、降雨模式。隨著工業(yè)革命的發(fā)展，二氧化碳排放速度增長之快，動植物已經(jīng)來不及通過進化來適應(yīng)新的環(huán)境。因此，減少二氧化碳排放成為全球共識。2009年，中國在哥本哈根大會上承諾到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～50%，通過過去十多年強有力的多種節(jié)能減排政策出臺和有效實施，減排效果顯著，但壓力仍然巨大。

1.2 我國的二氧化碳回收利用

在我國，一方面通過降低化石燃料消耗、提高燃料轉(zhuǎn)化效率、利用替代能源等措施減少二氧化碳的產(chǎn)出，另一方面，積極回收工業(yè)廢氣二氧化碳并資源化利用。我國的二氧化碳回收產(chǎn)業(yè)起步于上個世紀80年代，截至2015年，二氧化碳回收企業(yè)已遍布除西藏外的所有省份，規(guī)?；厥掌髽I(yè)300余家，回收提純裝置的產(chǎn)能達到1000萬t/a?；厥諆艋蟮亩趸籍a(chǎn)品在食品、機械加工、制冷、清洗等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2 二氧化碳與農(nóng)業(yè)

2.1 二氧化碳是植物原料

陽光、水分與二氧化碳是自然界生命體的基本構(gòu)成要素(圖1)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，二氧化碳是植物生長光照、溫度、水分、肥、氣的五大要素之一。大氣環(huán)境中含有(350～450)×10-6的二氧化碳，為自然生長的植物提供著源源不斷的原料供給，二氧化碳幾乎是一個被忽略的要素。

圖1 植物的光合作用原理Fig.1 Photosynthesis principle of plant

2.2 二氧化碳濃度與植物生長

溫室等現(xiàn)代人工氣候干預(yù)設(shè)施廣泛應(yīng)用，為植物生長創(chuàng)造了適宜的可調(diào)控的生長環(huán)境，但也部分地阻斷了二氧化碳的天然供給。自上個世紀80年代以來，環(huán)境二氧化碳濃度對農(nóng)作物生長的影響一直引起了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。

圖2 恒定光照強度下二氧化碳的光合作用曲線Fig.2 Photosynthesis curves of CO2under constant light intensity

實驗表明，對于大多數(shù)植物，大氣環(huán)境中的二氧化碳濃度遠低于對應(yīng)光強下的二氧化碳飽和點。在空氣不流通且光、溫、水、肥適宜的環(huán)境條件下，二氧化碳含量會成為植物生長的抑制因子(圖2)。

實踐證明，溫室等封閉環(huán)境會因二氧化碳缺乏而嚴重影響作物的產(chǎn)量。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：在大氣濃度二氧化碳基礎(chǔ)上提高二氧化碳濃度，可以獲得30%～45%的增長效果(圖3)。

圖3 二氧化碳濃度與相對產(chǎn)量Fig.3 Carbon dioxide concentration and relative yield

3 二氧化碳與農(nóng)作物增效增產(chǎn)

目前提高二氧化碳濃度促進植物生長的機理有以下3種解釋：

1.促進核糖酮二磷酸羧化酶(RUBISCO)羧化反應(yīng)，減低氧化作用(二氧化碳光呼吸損失)；2.提高C3物種的產(chǎn)量，降低光補償點(這點對于高緯度地區(qū)的光照低的冬/春尤其具有優(yōu)勢)；3.二氧化碳提濃，減少對封閉環(huán)境的通風次數(shù)，易于保持植物最適宜的溫度。

圖4 二氧化碳濃度與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量Fig.4 Carbon dioxide concentration and agricultural production

以下為來自于國外的提高二氧化碳濃度對作物增產(chǎn)的報道：

番茄在二氧化碳濃度(300～500)×10-6，二氧化碳含量每提升100×10-6，可增產(chǎn)10～11 t/acre(注：1 acre=4046.86 m2)。二氧化碳增施增大葉的面積，對于光照不足的冬季生長意義重大，在提高番茄產(chǎn)量同時，改進了果實的品質(zhì)。

黃瓜在夏季，二氧化碳濃度在(300～500)×10-6，每提升100×10-6，增產(chǎn)黃瓜22 t/acre。二氧化碳增施誘導(dǎo)早花、增加花的數(shù)量，增加分枝、提高雌花的比例，可以使產(chǎn)品提早上市。

萵苣和芹菜將大氣二氧化碳含量提濃2～3倍，增產(chǎn)30%～40%或提早10～15 d收獲。

提高生長環(huán)境中二氧化碳濃度，對于水果的改進也是多方面的(表1)。

表1 提濃二氧化碳對澳大利亞橘子的影響Table 1 Effects of enriched carbon dioxide on Australian oranges

4 工業(yè)氣源及技術(shù)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

至20世紀90年代，發(fā)達國家對于二氧化碳增施(ENRICHMENT)有效性的理論體系及實驗驗證已完成，用于增施的二氧化碳氣源及技術(shù)設(shè)備在不斷篩選和改進中。

4.1 二氧化碳氣源

煤油、液化石油氣、天然氣的加氧燃燒、碳酸鹽與酸作用發(fā)生等均曾作為提濃二氧化碳的氣源，并在特定區(qū)域(如荷蘭)廣泛推廣應(yīng)用。我國現(xiàn)階段是以化石燃料為主要能源的國家，相比于有機物燃燒發(fā)生，將來自于石油、化工、火電等行業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)氣(廢氣)二氧化碳作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增補氣源，則有著更大的優(yōu)勢及意義，也更易推廣實施。

4.2 成熟的工業(yè)技術(shù)

工業(yè)領(lǐng)域的氣體提純、檢測和控制技術(shù)可以為二氧化碳的農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供符合質(zhì)量要求、雜質(zhì)及二氧化碳濃度量化可控的氣源供給。表2給出的用作食品添加劑的二氧化碳代表了國內(nèi)業(yè)已成熟的二氧化碳提純水平。

目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域尚未對二氧化碳的質(zhì)量提出量化的雜質(zhì)控制要求，但可以肯定的是，現(xiàn)代的工業(yè)氣體凈化技術(shù)完全可以將對農(nóng)作物產(chǎn)生不良影響的有害成分祛除到滿足要求的水平。而且，所具有的檢測技術(shù)和設(shè)備可以有效監(jiān)控這種凈化效果。表3為國內(nèi)對部分農(nóng)作物有害氣體的監(jiān)測能力。

氣體的工業(yè)控制技術(shù)及設(shè)備不僅可以量化增施的二氧化碳，并可以通過與植物生長因素的配合，將環(huán)境中的二氧化碳濃度維持在預(yù)置的濃度及波動水平，做到按需定時定量供給。

表2 《食品添加劑液體二氧化碳》標準指標 (GB10621—2016)Table 2 "Food additives liquid carbon dioxide" standard indicators (GB10621—2016)

表3 有害氣體的監(jiān)控能力Table 3 Monitoring of harmful gases

5 攜手雙贏——回收工業(yè)二氧化碳用于農(nóng)作物增產(chǎn)

在未來較長的時間范圍內(nèi)，全球的碳減排壓力巨大。我國的二氧化碳回收、凈化、輸配技術(shù)和資源化利用研究處于國際先進水平，每年千萬噸級的回收產(chǎn)能亦居全球首位。成熟的技術(shù)和富裕的二氧化碳氣源，可以為二氧化碳的資源化應(yīng)用提供源源不斷的供給。

減少化石燃料的使用并將產(chǎn)生的二氧化碳固化(固碳)是減少大氣環(huán)境二氧化碳有效手段。在工業(yè)領(lǐng)域，各種固碳技術(shù)的研究是近年的熱點，除二氧化碳封存外，各種以二氧化碳為原料的合成技術(shù)均被認為是實現(xiàn)二氧化碳減排的綠色途徑，然而，激活處于“僵態(tài)”的二氧化碳所需的能量是最終制約這類技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。

植物吸收二氧化碳釋放氧氣維持著自然界的生態(tài)循環(huán)，從能量利用的角度，利用太陽光通過植物的葉綠素進行光合作用還原二氧化碳是最合理的固碳途徑。將工業(yè)領(lǐng)域燃燒化石燃料所產(chǎn)生的二氧化碳有控制的引入農(nóng)作物種植，并獲得作物的增產(chǎn)，無疑是一種極佳的二氧化碳治理方式。

農(nóng)業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化，工業(yè)化是一條必由之路。通過將工業(yè)排放的二氧化碳氣用于農(nóng)作物種植，農(nóng)業(yè)因吸納了工業(yè)的理念、技術(shù)獲得產(chǎn)業(yè)升級的同時，以生態(tài)途徑協(xié)助工業(yè)領(lǐng)域治理二氧化碳，這樣的跨界聯(lián)手必是雙贏的結(jié)局。

趙 敏,女，北京化工學(xué)院工業(yè)分析專業(yè)畢業(yè)，化學(xué)工業(yè)氣體質(zhì)量檢測中心主任兼中國氣協(xié)二氧化碳專業(yè)委員會秘書長，食品添加劑二氧化碳國家標準起草人，致力于二氧化碳的資源化應(yīng)用研究及技術(shù)推廣。

Green Emission Reduction Methods for Industrial Carbon Dioxide Emissions for Crop Yields

ZHAO Min1,JIA Hefeng2,ZHAO Mingyu3,ZHANG Xiaomin3,XUE Ding3

(1.Zhonghao Guangming Research and Design Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Dalian 116031,China; 2.China National Institute of Standardization,Beijing 100015,China; 3.Carbon Dioxide Specialty Committee,China Industrial Gas Industry Association,Dalian 116031,China)

Due to the economic growth,structural transformation and as a responsible big country's international obligations is getting heavier and heavier,now China is facing multiple pressures to save energy and protect the environment and reduce greenhouse gas emissions.This paper mainly discusses the application of carbon dioxide in agricultural production,both can reduce carbon emissions,and can improve crop yields.Realize the ecological and agriculture win-win situation.

industrial carbon dioxide; crops increase production; carbon emission reduction

2016-10-04;

2017-08-02

TQ117

A

1007-7804(2017)04-0001-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.001