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一， 什么是富碳农业 富碳农业是在全国、乃至全球近些年来一片低碳经济的呼声中，所提出来的对于农业生产的新的经济对策。富碳农业在于将人类活动中，特别是工业生产中所产生的过量的二氧化碳捕集后，以高于大气中二氧化碳含量的几倍的浓度，释放在密封的人造气候的小区域中，利用一系列的近代科学技术，创造一个高效率的光合作用环境，极大的提高农作物产量。这种密封式的富碳小区域可以使用目前大量存在的废井、岩洞、废煤层、盐碱地、沙漠地、荒漠地等进行改造，所需要的能源应以太阳能、风能为主的再生能源所制造的分离式电站的输出就地消化。大规模地推广富碳农业可以起到一石四鸟的作用：在解决困难立地的使用问题的同时，克服粮食短缺的困难，解决能源危机，找出一种应对全球气候变化的办法。 二， 鲧禹治水的教训 在目前全球气候变化以及与之相关联的能源危机、粮食短缺和困难立地的四大难题面前，人们都把目光集中在二氧化碳释放的问题上，认为过量的二氧化碳是造成所有这些灾难的祸因。从而提出节能减排是解决这个世界性的难题的主要对策。我们认为消极地推行低碳生活和低碳行为对当前人类社会的健康发展存在一定的负面影响，对争取发展中国家和已发展国家的平等会有一定的障碍。在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。 在人类发展的几千年历史中，地球生态环境曾经经历过两次气候变暖的时期，一次是在公元前22到25 世纪，那时由于气候变暖，冰川融化，大量洪水泛滥，遂产生了西方的“创世纪”中诺亚方舟和东方的“史记”中鲧禹治水的故事。对于由于气候变暖所产生的大量的洪水，鲧的方法是“堵”，水来土挡，终于治水不成，越堵洪水越肆虐，九年不成；禹的方法是“疏”，开山劈岭，疏通九洲，为洪水找出一条出路，终于将大陆的多余的水排向海洋，历经十余年，保住了刚刚在东方发展起来的中华文明。鲧禹治水的教训可能预示了在公元两千年的气候变暖中，对温室气体的治理应当是给多余的二氧化碳找出出路，而不是纯粹地减少或者掩埋它们。富碳农业就是在这样一个世界性的争议的大课题中所产生新的命题。 从整体来说，富碳农业（包括富碳林业）是将多余的二氧化碳转化为碳水化合物并以粮食或其它干物质的形式储存在地球表面的一种碳储存方法。它所转换成的碳水化合物不仅可以作为人类的食粮进行消化，而且碳水化合物其它形式可以代替目前需要大量碳排放才能获得了钢材，水泥，化学纺织品，化石燃料等等。所以，尽管人类对碳水化合物的食用的部分是恒量，人类生活的需求和改善的刚性要求是二氧化碳的巨大的存储库，可以比拟成经过大禹治理后的洪水，变成了灌溉良田的生命之源。 三， 植物的光合作用 植物使用水和二氧化碳作为原料，在光的催化下生成碳水化合物并放出氧气。作者在近期所发表的科学论文中（《农业科学》，2013年12月3卷5期第1页-第23页），提出对于大部分植物，在充分具备三要素的条件下，这样的极限效率可以达11%左右。这是一个同近代农业的常规效率（约为0.8%左右）差距很大的数据。这个数据给出了农业的进一步增产的可能性。 作者在同一篇论文中引证了地球生态史上的延续了几亿年的富碳时期即是繁茂的造碳时代的事实，提出了富碳环境是提高光合作用效率的重要生态条件。 植物的光合作用的科学研究已经揭示，叶绿素对阳光的吸收光谱主要呈现两个峰值：红光和紫光。所以，太阳光的全色光谱中只有部分谱线是对光合作用做出贡献的；另外，光合作用的光饱和点也并非是全部的太阳光强，对有些植物，只有四分之一的光强就足够高效催化了。针对以上两点科学事实，强度低于太阳能的选频的人造光源是在密闭环境下实现高效光合作用的技术要求。 光合作用所需要的二氧化碳的原料可以通过人工的方法进行补给，气体的来源来自工业生产中所释放出来的二氧化碳。廉价地实现二氧化碳的捕集，运输和在密封场所的释放是实现富碳农业的另一技术要求。 经过综合的分折，我们得出结伦，科学的发展已经提供了所有实现以上要求的条件，只要近代科学能够在成本不高的条件下给我们提供充分的光和二氧化碳，我们就可以摒弃传统的使用阳光下的土地进行耕作的农业方法，改变几千年以来农民的“面对黄土背朝天” 的农作方式。在一个密闭的人造气候中，重新设计植物生产方法，将农业生产工业化。这不仅是为了增产的要求，目前的发生在全球范围内的气候变化以及它所产生的对人类生存的严重威胁，已经倒逼我们不得不走向富碳农业的道路。 四， 涉及到植物生长所需要的光和气的几项技术的研究 近些年来对于人造光源的研究和开发，已经极大的提高了农业生产上的大规模使用的可行性。作为单色光谱冷光源的发光二极管的光效已经比白炽灯、节能灯和荧光灯高出许多，从2009年开始，其发光效率以每年约8%的提高速率，已经从29%，跃进到2012年的52%。而其成本的年下降速率在这一段时期几乎达到了10%。对于单色的发光二极管的成本，在目前每瓦0.4元的水平，用于植物的光合作用，以所取得的农业干物质的价值进行计算，达到了初步可行的程度。 对于地面不是很深的密封农业工厂，使用太阳光的光导纤维导入阳光是采光的另外一个技术方案。由于拘泥于聚光透镜的使用，太阳光纤导入系统的开发一直受到成本高企的限制；近期的无光像光学的研究已经对传统的设计提出了反射聚光的改进，使太阳光导入系统的制造成本大大下降，极大的提高了在富碳农业中的应用的可行性。计算也表明，综合光导纤维的效率的各种因素，塑料光纤与石英光纤在传输距离较短的情况下，其透过效率并无太大区别。考虑到这两种不同光纤的造价的巨大差别，经过仔细改进后的塑料光纤在富碳农业中可以找到极其宝贵的应用。 对于在本文中提出的使用困难立地开发富碳农业工厂的设想，一个更大的障碍是能源。人造光源需要消耗相当多的电能；对气肥的分解需要相当的热量。这里给出一个简单的计算，如果要求发光二极管的平均照度达到20,000 勒克斯（约为太阳光强的四分之一），那么按照近代发光二极管的光效，即每一瓦电产生150流明的光的话，对于这个人造光源的供电就应该达到每平方米133瓦，或者100平方米的富碳农业工厂的供电约为15千瓦。对于这样的大量的农业用电是目前以火电形式为主的发电装机无法满足的。另外，既使能够满足用电的需求，火力发电所产生额外的碳排放会完全抵消富碳农业在改变生态环境中的正能量的效用。富碳农业的用电应当主要来自风能、太阳能等可再生能源，我国绝大部分困难立地处于电网无法延伸的地区，然而，当地的风能、光能资源却异常丰富。目前国家的能源政策是将这些新能源通过长距离的高压传输到高负荷地区，成本很高。我们应当大力提倡困难立地地区的富碳农业，就地发电，就地使用。先进的太阳能的发电密度可以达到每平方米50-70瓦，同以上要求是比较接近的。然而，传统的固定式的平板太阳能发电会产生同植物争夺阳光的矛盾，在农作物的生长的区域会产生暗角，在目前的农业大棚等设施中推广有一定的困难。目前由于具备有跟踪性能，在农作物生长区域内可以将入射阳光进行扫描，从而解决了争夺阳光矛盾的一种低倍聚光光电、光热系统的问世会在富碳农业的建设中起到重要作用。 这些年来为了生产有机农作物及其他反季的蔬菜、水果，以温室为目的的农业工场及农业大棚已在世界各国发展迅猛，仅我国大约建有以蔬菜种植为主的农业大棚达200万公顷。在这些温室中，并不乏见实施二氧化碳气肥并取得丰产的实例。然而，所述的这些温室，大部分遇到由于控温的要求而消耗大量的能量，由于保留高浓度的二氧化碳气氛而需要密封温室的困难，所有这些所产生的高成本已经成为进一步发展的障碍。我们所提出的富碳农业工厂的设想，在一开始就从解决光源入手，提出农业工厂可以不必建造在阳光普照的土地上。如果可以解决光合作用所需要的光，则可利用已存的大量的可以进行密封的废井、废矿、废地层、废地道等进行就地改造以实现富碳农业的耕作方法。在富有阳光资源、风力资源的广袤的沙漠、荒漠、盐碱地、荒地等典型的困难立地可以实施一种半埋式的地下农业工厂的设计，半埋式的地下农业工厂车间使用地热和太阳能光热相结合的方法进行控温；使用太阳能直接光照、人造光源和太阳光导相结合的方法提供植物生长所需要的光能；在全密封的环境下使用热解的碳酸氢铵所产生的高浓度二氧化碳提供植物生长的原料。 五， 富碳农业是否真能改变生态环境吗？ 我们以上论证了富碳农业的设想以及它所依托的各项近代技术，在这一节中我们将做一个更大的估算，讨论在大规模的实施了富碳农业经济对策以后，我国的生态环境可能会有什么样的变化。按照IPCC（国际政府间气候变化委员会）对全球的减排的目标，根据目前全球工业及交通排放的实际状况，应当每年减少10亿吨碳排放。根据这样的目标，作为一个发展中国家，假设中国可以承担1亿吨的减排，折合成二氧化碳就会成为3.6亿吨。如果按照本文所述，这3.6亿吨的二氧化碳全部通过富碳农业工厂转换为农业、林业产品，则可以增产7.2亿吨农、林作物的干物质，其中包括2.5亿吨的可食用作物。其它部分可以作为生物质燃料，更可以作为代替钢材、水泥、塑料的木材和其它丝织品。 可以预见，富碳农业的时代应当是人类回归到更多地使用非人造材料的时代。我们的下一代可能需要使用更多的天然材料的房屋、家具、用品等，以这种形式，在地球表面储存我们这一代人所过分产生的碳排放。这应当是对碳封存的一个最经济的处置方式。 我们也做了一个有趣的估算，对于上述的使用1亿吨的碳排放进行富碳农业生产的目标，按照现在的工业水准，所需要的农业工厂面积约为450万公顷，需要包括发光二极管、二氧化碳捕集、光导纤维、聚光光伏光热、半埋式富碳车间等在内的年总投资1万亿元左右。这个数据相比于目前的二氧化碳的捕集和封存的成本，相比于目前的粮食、蔬菜、木材、生物燃料的价值，更加验证了上述的富碳农业的设想的可行性。 同美国等国的大规模的农业的机械化生产不同，本文所提出的是一种农作物生产的工业化的概念。根据我国国土资源的特点，特别是我们具有太多的困难立地，富碳农业工厂是在已发展起来的农业温室、大棚等农业科技的基础上提出来的新的生产方式。它将近代科学技术的许多分支，包括光伏光热技术、气肥技术、发光二极管技术、机器人技术、光导纤维技术、近代建筑控温技术、新种子技术、超净无菌车间技术等有机地溶合入新的农业生产。 富碳农业是顺应了自然界中碳循环的原理，将化石能源所产生的碳排放通过植物转化为有用的食品和用品，封存在地球表面。这是一种治愈后工业化的生态失衡的积极的措施，通过人类利用植物主动消纳碳排放的努力，逐步减少目前大气中的二氧化碳含量，以达到休养生息的目的。这样的过程，可能需要几十年或者几百年，对于人类生存的生态环境的历史长河，这只是瞬间，然而是极其关键的瞬间，如同当年大禹治水，挽救了一个刚刚在东方萌发的文明。 (责任编辑：admin) |