緩解全球氣候變暖所帶來的危機，亟需減少溫室氣體排放，降低大氣中的二氧化碳濃度。利用植物光合作用将大氣中的二氧化碳固定于植物和土壤，是億萬年來大自然形成的碳循環中一個重要環節。
如何利用植物将更多二氧化碳長久儲存起來，正成為全球植物學家關注的新熱點。
日前，文彙報記者走進新成立的中國科學院分子植物科學卓越創新中心植物高效碳彙重點實驗室，深入了解這一前沿熱點。
植物是地球上主要的生命形态之一，是生态系統中最重要而基礎的生産者，在生物圈的生态系統、物質循環和能量流動中處于關鍵位置。
植物可以通過光合作用固定二氧化碳，光合生物利用太陽能将二氧化碳和水轉化為有機物，為整個生命體系提供物質和能量。而人類現在所使用的煤、石油等化石能源，都是遠古時代植物通過光合作用所貯存的一種太陽能載體。因此，光合二氧化碳固定是增加碳彙的源頭。
在當前實現碳中和的主要增彙技術中，基于陸地生态系統的光合二氧化碳固定在總的碳彙量中占主導地位，以植物為主的高效生物固碳是實現碳中和目标的關鍵路徑之一。同時，創建具有高效碳彙能力的植物生态系統，将給植物科學帶來新的機遇與挑戰。
植物光合作用效率提高10%，可多固定1/4全球碳排放
植物生态系統在大氣碳循環中扮演着不可替代的角色。
增強植物生态系統的碳彙功能是減緩大氣二氧化碳濃度上升和全球氣候變暖的有效途徑，也是實現碳中和目标的關鍵因素。過去一百多萬年中，大氣中的二氧化碳濃度基本維持在280ppm（百萬分之一）左右。工業革命開始後，化石燃料的利用将大量二氧化碳釋放進大氣，全球大氣中的二氧化碳濃度在過去三百多年時間裡增加了約45%，當前已達到410ppm。
大氣中的二氧化碳像一層被子一樣包裹着地球，為地球保暖，使地球的溫度始終維持在生物适合生存的水平。但是，過高的二氧化碳濃度會引起全球氣候變暖，從而導緻極端高溫、幹旱等一系列不利于人類生存的災害。
實現“雙碳”戰略目标主要有兩個途徑：
一是通過增加能源利用效率，減少化石燃料燃燒，從而減少二氧化碳的排放；
二是通過增加植物光合作用或者用工業封存的辦法實現固碳。
在地球上，二氧化碳主要由植物或海洋生物通過光合作用吸收固定，從而實現大氣二氧化碳排放和吸收的動态平衡。植物通過光合作用不斷生長，一方面為動物提供糧食和能源，另一方面以有機物的形式将大氣中的二氧化碳保存下來，這就是“植物碳彙”。
“然而，無論能源利用效率如何提高，都無法避免要排放二氧化碳，并且目前工業固碳的能耗和環境代價還很高。”中科院分子植物科學卓越創新中心副主任、植物高效碳彙重點實驗室主任王佳偉研究員認為，植物固碳的方式綠色環保，潛力巨大，利用植物生物技術充分挖掘植物碳彙的潛力，是我國實現“雙碳”戰略目标不可替代的策略。
據估算，當前植物生态系統每年通過光合作用可固定約1230億噸二氧化碳。因此，隻要光合作用效率提高10%，就能多固定當前全球二氧化碳年排放量的1/4。挖掘植物碳彙有多種途徑。
比如，加強生物炭利用，每年預計可增加10億-18億噸碳彙；增強植物根系，每年則可增加10億噸碳彙；哪怕僅對稻田排放加以控制，也可獲得每年2億-3億噸的碳彙效果。
用生物技術改造植物，在荒原野地開辟新碳彙用地
在生物碳彙中，植物碳彙占據核心地位。有數據顯示，全球生物總碳彙約為5500億噸，其中植物碳彙約為4500億噸，占比達81.8%。
據2021年發表于《自然-生态學與進化》的一份研究報告稱，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的一個科研團隊從1.8萬份此前當地關于植物地下根系重量的研究中提取數據，利用機器學習将數據推演到全球生物量估算和地圖中，最後将研究結果與現有生物量估算模型進行了比對。結果發現，全球有24%的森林、灌木和草原的生物量儲存于地下，約含有1130億噸碳。
相較于一年生植物
多年生植物根系更發達，有利于長期儲碳
圖源：《科學》雜志）
這個驚人的數字意味着植物地下生物量可在應對氣候變化中發揮重要作用。王佳偉介紹，目前已有研究表明，大多數植物的根系分布在1-1.5米深的土壤中，“如果通過基因改造，讓植物的根紮得更深，就能将碳埋入更深的地下。而這通過植物自主生長就能完成，與依靠人工的碳捕捉、碳封存技術相比，性價比非常高”。
這項研究還發現，氣溫和降雨量在植物根系生長中起着很大作用。在寒冷幹燥地區，植物地下碳儲量更高，其中蒙古高原的地下碳儲量最高。相比之下，溫暖濕潤地區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%處于地下，而灌木林和草原的地下生物量分别為47%和67%。
王佳偉說，現有的植物固碳方法主要從生态管理的角度出發，其固碳效果并不理想。比如，在農田通過稭稈還田、生物質廢棄物炭化還田、有機肥替代化肥等手段，的确可以增加土地中的有機碳含量，但這些土壤中的碳元素很快又會随着植物的“生老病死”，最終被分解為二氧化碳，回到大氣中。即使是碳彙本領較大的森林，也隻是在成長期固碳能力強，變為成熟林之後，其對碳的固定與釋放就會達到一定平衡，吸收碳的能力就會下降。
“未來植物學家要做的是通過生物技術創新，改造植物，讓它能夠吸收更多的碳。”王佳偉說，現在學界認為比較可行的途徑主要有植物高光效改造（提升固碳能力）、非豆科固氮植物創制和土壤微生物互作能力提升（減少化肥使用）、創制更大更深根系的多年生作物（儲碳于根）、高效植物生物質利用（延長儲碳時間）等方向——如果可以創制出一系列固碳本領高強的植物品種，能适應不同環境，人們就可能在各種荒原野地種上固碳植物，這将在保證不與糧争地的情況下，開辟出大量的新碳彙用地。
各國競相投入巨資研發，探索碳中和生物解決方案
在中國科學院院士、中科院分子植物科學卓越創新中心主任韓斌看來，提升植物光合作用效率、創制高效固碳植物、系統評估和改善生态系統儲碳能力等前沿領域的戰略研究，将成為科學界的研究熱點。
在目前實現碳中和的路線中，減排投入的研究力量已相當多，而增彙的研究則相對不足。近年來，國際上增彙研究升溫迅速，已進入到火熱的競争階段。不少歐美國家對此高度重視，在改良植物提高碳彙的基礎和應用研究上投入重金。
早在數年前，美國Salk研究所就提出了“利用植物倡議”，并已投入3000萬美元進行研究。2021年12月，美國能源部宣布了一項計劃，為“旨在加速開發更有效、高通量的方法，通過實驗準确測定植物基因功能的基礎研究”提供3000萬美元的資金資助。2022年2月，拜登政府宣布“通過清潔制造減少碳排放”，其中包括聯邦政府在碳捕獲、利用和封存技術方面的投資将超過120億美元。
最近，2020年諾貝爾化學獎得主、“基因魔剪”開創者之一詹妮弗·道德娜教授提出，要利用基因編輯技術，創制高捕碳植物和儲碳植物。她計劃首期投入1100萬美元進行初步探索。
高捕碳和儲碳植物計劃示意圖
圖源：IGI Institute
2020年6月，英國宣布投入1億英鎊的新研發資金，以資助開發直接在空中捕獲二氧化碳的技術，旨在支持溫室氣體清除（GGR）技術的發展，并幫助它們實現商業化。
在我國，中科院分子植物卓越中心率先提出了碳彙植物改良的系統性方案。目前，該中心正圍繞“植物高效碳彙”創制的研究目标在中心内遴選優秀青年人才，通過調整研究方向，組成研發隊伍，同時投入大量資源引進相關人才、構築平台。
作為植物高效碳彙重點實驗室的首席科學家，韓斌表示，用植物科學解決雙碳問題，需要植物科學、生态學、林學、農學、地學、化學、計算機等多個學科領域的交叉融合，圍繞高碳彙植物所必需的高光效、高生物量、高适應性等特征，開展科技創新前沿研究。
王佳偉介紹，實驗室目前的目标是建立植物碳高效固定和儲存理論模型、創制碳高效固定和氮高效利用的植物生态系統、開發植物生物質長時間儲存和高效利用技術，建立從基礎理論研究、高碳彙植物設計、生物質高效儲存和利用，到植物碳彙評價的全鍊條研究系統，為碳中和提供可持續的生物解決方案，構築面向世界的碳中和生物解決方案的創新策源地。
文章來源：文彙報
