陳應(yīng)天
　　毛如柏
　　袁東來
　　張聰
　　楊名舟
　　一、什么是富碳農(nóng)業(yè)——廢物與寶藏的辯證
　　富碳農(nóng)業(yè)是在全國乃至全球近些年來一片低碳經(jīng)濟(jì)的呼聲中提出來的新對策，用以解決氣候變化、能源危機(jī)、糧食短缺、困難立地四大難題。富碳農(nóng)業(yè)，簡言之，是一種積極的，將二氧化碳有機(jī)地使用、儲存在地球表面的方式；將人類活動(dòng)中，特別是工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的過量二氧化碳捕集后，以高于大氣中二氧化碳含量的幾倍濃度，作為氣肥釋放在相對密閉的人造氣候的小區(qū)域中，培養(yǎng)種植各類作物，輔以其他科學(xué)技術(shù)手段，創(chuàng)造一個(gè)高效率的光合作用環(huán)境，生產(chǎn)出大量的作物產(chǎn)品供給人民生活，秸稈及其他干物質(zhì)可以作為建材、化工、燃料等工業(yè)原料，進(jìn)而形成一個(gè)巨大的新興產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這種密封式的富碳小區(qū)域可以使用目前大量存在的廢礦井、巖洞、廢煤層、鹽堿地、沙漠地、荒漠地等進(jìn)行改造，所需要的能源應(yīng)以太陽能、風(fēng)能為主的再生能源就地消化使用。大規(guī)模地推廣富碳農(nóng)業(yè)可以起到“一石四鳥”的作用：應(yīng)對氣候變化、緩解能源危機(jī)、補(bǔ)充糧食短缺、利用困難立地。這又應(yīng)驗(yàn)了那句俗話：在這個(gè)星球上，沒有無用的廢物，只有放錯(cuò)地方的資源。
　　二、鯀禹治水的教訓(xùn)——堵與疏的辯證
　　人們普遍認(rèn)為，過量的二氧化碳是造成氣候變化的禍因，從而提出節(jié)能減排的單一對策。然而，消極地推行低碳生活和低碳行為對當(dāng)前人類社會(huì)的健康發(fā)展存在一定的負(fù)面影響，對爭取發(fā)展中國家和已發(fā)展國家的平等會(huì)有一定障礙，因此在實(shí)際實(shí)施中困難很大，所以多次國際碳排放會(huì)議都在爭吵中無果收場。
　　在治理溫室氣體的問題上，中國的鯀禹治水給我們提供了一定教訓(xùn)。在人類發(fā)展的幾千年歷史中，地球生態(tài)環(huán)境曾經(jīng)歷過兩次氣候變暖的時(shí)期：一次是在公元前22世紀(jì)到25世紀(jì)，那時(shí)由于氣候變暖、冰川融化、大量洪水泛濫，遂產(chǎn)生了西方的“創(chuàng)世紀(jì)”中諾亞方舟和東方的“史記”中鯀禹治水的故事。對于氣候變暖所產(chǎn)生的大量洪水，鯀的方法是“堵”，水來土擋，終于治水不成，越堵洪水越肆虐，九年不成；禹的方法是“疏”、“堵”結(jié)合，開山劈嶺，疏通九州，為洪水找出路，將多余的水排向海洋，歷經(jīng)十余年，保住了剛剛在東方發(fā)展起來的中華文明。對溫室氣體的治理也應(yīng)當(dāng)在盡量減少二氧化碳排放的同時(shí)，給多余的二氧化碳找到出路，而不是純粹地減少或者掩埋它們。富碳農(nóng)業(yè)就是在這樣一個(gè)世界性的爭議大課題中所產(chǎn)生的新命題。
　　從整體上說，富碳農(nóng)業(yè)（包括富碳林業(yè)）是將多余的二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物，并以糧食或其他干物質(zhì)的形式儲存在地球表面的一種碳儲存方法。它所轉(zhuǎn)換成的碳水化合物不僅可以作為糧食供給人類生活，而且碳水化合物的其他干物質(zhì)形式可以代替目前需要大量碳排放才能獲得的鋼材、水泥、化學(xué)紡織品、化石燃料等。所以盡管人類對碳水化合物的食用部分是恒量，但人類生活需求和改善剛性要求是二氧化碳的巨大存儲庫，可以比擬成經(jīng)過大禹治理后的洪水，變成了灌溉良田的生命之源。
　　三、植物的光合作用
　　植物以水和二氧化碳作為原料，在光的催化下生成碳水化合物并放出氧氣。作者在近期所發(fā)表的科學(xué)論文中提出，對于大部分植物，在充分具備三要素的條件下，這樣的極限效率可以達(dá)11%左右。這是一個(gè)同近代農(nóng)業(yè)的常規(guī)效率（約為0.8%左右）差距很大的數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)的背后說明農(nóng)業(yè)進(jìn)一步增產(chǎn)的可能性。
　　作者在同一篇論文中引證了地球生態(tài)史上延續(xù)了幾億年的富碳時(shí)期，提出了富碳環(huán)境是提高光合作用效率的重要生態(tài)條件。現(xiàn)在國內(nèi)外大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐也充分證明了這一點(diǎn)。
　　植物光合作用的科學(xué)研究已經(jīng)揭示，太陽光的全色光譜中只有部分譜線是對光合作用做出貢獻(xiàn)的；另外，光合作用的光飽和點(diǎn)也并非是全部的太陽光強(qiáng)，對有些植物，只有四分之一的光強(qiáng)就足夠高效催化了，選頻的人造光源是在密閉環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效光合作用的可選擇技術(shù)手段。
　　二氧化碳作為光合作用所需要的重要原料，可以通過人工的方法進(jìn)行補(bǔ)給，氣體來源于工業(yè)生產(chǎn)中所釋放出來的二氧化碳，即控制二氧化碳在大氣中的排放。廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)二氧化碳的捕集，運(yùn)輸和在密封場所的釋放是實(shí)現(xiàn)富碳農(nóng)業(yè)的另一技術(shù)要求。
　　經(jīng)過綜合分析，我們得出結(jié)論：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)提供了所有實(shí)現(xiàn)以上要求的條件，只要近代科學(xué)能夠在成本不高的條件下給我們提供充分的光和二氧化碳，我們就可以摒棄傳統(tǒng)使用陽光下的土地進(jìn)行耕作的農(nóng)業(yè)方法。在一個(gè)密閉的人造氣候中，重新設(shè)計(jì)植物生產(chǎn)方法，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工業(yè)化。這不僅會(huì)大大增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，而且可以有效地緩解氣候變化，有效地利用太陽能、風(fēng)能等二次能源。目前發(fā)生在全球范圍內(nèi)的氣候變化以及它所產(chǎn)生的對人類生存的嚴(yán)重威脅，已經(jīng)倒逼我們不得不走富碳農(nóng)業(yè)之路。
　　四、涉及到植物生長所需要的光和氣的幾項(xiàng)技術(shù)研究
　　近些年來，對于人造光源的研究和開發(fā)，已經(jīng)極大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模使用的可行性。作為單色光譜冷光源的發(fā)光二極管的光效已經(jīng)比白熾燈、節(jié)能燈和熒光燈高出許多，從2009年開始，其發(fā)光效率以每年約8%的速率提高，已經(jīng)從29%躍進(jìn)到2012年的52%。而其成本的年下降速率在這一段時(shí)期幾乎達(dá)到了10%。對于單色的發(fā)光二極管的成本，目前是每瓦0.4元，用于植物的光合作用，以所取得的農(nóng)業(yè)干物質(zhì)的價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到了初步可行的程度。
　　對于地下不是很深的密封農(nóng)業(yè)工廠，使用太陽光的光導(dǎo)纖維導(dǎo)入陽光是采光的另外一個(gè)技術(shù)方案。由于拘泥于聚光透鏡的使用，太陽光纖導(dǎo)入系統(tǒng)的開發(fā)一直受到成本高企的限制。近期，無光像光學(xué)研究已經(jīng)使得對傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出反射聚光改進(jìn)變得可能，可使太陽光導(dǎo)入系統(tǒng)的制造成本大大下降，極大地提高了在富碳農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的可行性。經(jīng)過仔細(xì)改進(jìn)后，廉價(jià)的塑料光纖在富碳農(nóng)業(yè)中可以應(yīng)用。
　　本文中提出的使用困難立地開發(fā)富碳農(nóng)業(yè)工廠的設(shè)想，一個(gè)更大的障礙是能源，人造光源需要消耗相當(dāng)多的電能。富碳農(nóng)業(yè)還是一種非常節(jié)水的技術(shù)，十分適用于干旱缺水地區(qū)。富碳農(nóng)業(yè)的用電應(yīng)當(dāng)主要來自風(fēng)能、太陽能等可再生能源，我國絕大部分困難立地處于電網(wǎng)無法延伸的地區(qū)，然而，當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能、光能資源卻異常豐富。目前國家的能源政策是將這些新能源通過長距離的高壓傳輸?shù)礁哓?fù)荷地區(qū)，成本很高。我們應(yīng)當(dāng)大力提倡困難立地地區(qū)的富碳農(nóng)業(yè)，就地發(fā)電，就地使用。先進(jìn)的太陽能發(fā)電密度可以達(dá)到每平方米50—70瓦，同以上要求是比較接近的。
　　這些年來為了生產(chǎn)有機(jī)農(nóng)作物及其他反季的蔬菜、水果，以溫室為目的的農(nóng)業(yè)工場及農(nóng)業(yè)大棚已在世界各國發(fā)展迅猛，僅我國大約建有以蔬菜種植為主的農(nóng)業(yè)大棚達(dá)200萬公頃。在這些溫室中，并不乏見實(shí)施二氧化碳?xì)夥什⑷〉秘S產(chǎn)的實(shí)例。然而，所述的這些溫室，大部分遇到由于控溫要求而消耗大量能量，由于保留高濃度的二氧化碳?xì)夥斩�需要密封溫室的困難，所有這些所產(chǎn)生的高成本已經(jīng)成為進(jìn)一步發(fā)展的障礙。我們所提出的富碳農(nóng)業(yè)工廠的設(shè)想，在一開始就從解決光源入手，提出農(nóng)業(yè)工廠可以不必建造在陽光普照的土地上。如果可以解決光合作用所需要的光，則可利用已存的大量可以進(jìn)行密封的廢井、廢礦、廢地層、廢地道等進(jìn)行就地改造以實(shí)現(xiàn)富碳農(nóng)業(yè)的耕作方法。在富有陽光資源、風(fēng)力資源的沙漠、荒漠、鹽堿地、荒地等典型的困難立地，可以實(shí)施一種半埋式的地下農(nóng)業(yè)工廠設(shè)計(jì)，半埋式的地下農(nóng)業(yè)工廠車間使用地?zé)岷吞�陽能光熱相結(jié)合的方法進(jìn)行控溫；使用太陽能直接光照、人造光源和太陽光導(dǎo)相結(jié)合的方法提供植物生長所需要的光能；在全密封的環(huán)境下使用熱解的碳酸氫銨所產(chǎn)生的高濃度二氧化碳提供植物生長的原料。
　　五、富碳農(nóng)業(yè)是否真能改變生態(tài)環(huán)境？
　　按照IPCC（國際政府間氣候變化委員會(huì)）對全球的減排目標(biāo)，根據(jù)目前全球工業(yè)及交通排放的實(shí)際狀況，應(yīng)當(dāng)每年減少10億噸碳排放。根據(jù)這樣的目標(biāo)，作為一個(gè)發(fā)展中國家，假設(shè)中國可以承擔(dān)1億噸的減排，折合成二氧化碳就會(huì)成為3.6億噸。如果按照本文所述，這3.6億噸的二氧化碳全部通過富碳農(nóng)業(yè)工廠轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)、林業(yè)產(chǎn)品，則可以增產(chǎn)7.2億噸農(nóng)、林作物的干物質(zhì)，其中包括2.5億噸的可食用作物。其他部分可以作為生物質(zhì)燃料，更可以作為代替鋼材、水泥、塑料的木材和其他絲織品。
　　可以預(yù)見，富碳農(nóng)業(yè)時(shí)代應(yīng)當(dāng)是人類回歸到更多地使用非人造材料的時(shí)代。我們的下一代可能需要使用更多天然材料的房屋、家具、用品等，以這種形式，在地球表面儲存我們這一代人所過分產(chǎn)生的碳排放。這應(yīng)當(dāng)是對碳封存的一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的處置方式。
　　我們也做了一個(gè)估算，對于上述使用1億噸的碳排放進(jìn)行富碳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)，按照現(xiàn)在的工業(yè)水準(zhǔn)，所需要的農(nóng)業(yè)工廠面積約為450萬公頃，需要包括發(fā)光二極管、二氧化碳捕集、光導(dǎo)纖維、聚光光伏光熱、半埋式富碳車間等在內(nèi)的年總投資1萬億元左右。這個(gè)數(shù)據(jù)相比于目前二氧化碳捕集和封存的成本，相比于目前糧食、蔬菜、木材、生物燃料的價(jià)值，更加驗(yàn)證了上述富碳農(nóng)業(yè)的設(shè)想的可行性。
　　與美國等大規(guī)模的農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)不同，本文提出的是一種農(nóng)作物生產(chǎn)工業(yè)化的概念。根據(jù)我國國土資源的特點(diǎn)，特別是我們具有太多的困難立地，富碳農(nóng)業(yè)工廠是在已發(fā)展起來的農(nóng)業(yè)溫室、大棚等農(nóng)業(yè)科技基礎(chǔ)上提出來的新的生產(chǎn)方式。它將近代科學(xué)技術(shù)的許多分支，包括光伏光熱技術(shù)、氣肥技術(shù)、發(fā)光二極管技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、光導(dǎo)纖維技術(shù)、近代建筑控溫技術(shù)、新種子技術(shù)、超凈無菌車間技術(shù)等有機(jī)地溶合入新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
　　人類社會(huì)經(jīng)過漫長的發(fā)展進(jìn)程，從自然界中吸取養(yǎng)分并進(jìn)行交換，已經(jīng)同生態(tài)環(huán)境渾為一體，形成了一個(gè)類似于人體結(jié)構(gòu)的碩大的自適應(yīng)系統(tǒng)。在這個(gè)大系統(tǒng)中，哲學(xué)、科學(xué)、文學(xué)作為大腦，通訊、語言、媒介作為神經(jīng)，欲望、信仰、好奇作為激素，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作為營養(yǎng)循環(huán)系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境作為所依托的肉體和骨骼�，F(xiàn)在的問題是，由于碳循環(huán)的嚴(yán)重失調(diào)，這個(gè)大系統(tǒng)開始生病了，主要癥狀為氣候變化、能源危機(jī)及糧食匱乏；生病是自適應(yīng)系統(tǒng)的一種自然反應(yīng)。生病的原因應(yīng)當(dāng)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的營養(yǎng)系統(tǒng)的碳循環(huán)出了毛病，正像人體中的血液或氣體循環(huán)出了毛病，富碳農(nóng)業(yè)則可能是重要的處方。我們需要通過大面積的富碳農(nóng)業(yè)工廠，消化掉過量的二氧化碳并用于調(diào)解氣候，滋養(yǎng)農(nóng)業(yè)，使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和休養(yǎng)生息，在生存發(fā)展的同時(shí)，修復(fù)地球。這個(gè)過程，可能需要幾十年到上百年甚至上千年，雖則在歷史的長河中，只是瞬間，然而是極其關(guān)鍵的瞬間，如同當(dāng)年大禹治水，捍衛(wèi)了一個(gè)剛剛在東方萌發(fā)的文明。