藍(lán)艷華，保國(guó)裕，安玉興*

(1廣東省科學(xué)院南繁種業(yè)研究所，廣東廣州 510316；2廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所，廣東廣州 510316)

0 前言

近年來(lái)，世界各地自然災(zāi)害頻發(fā)，主要原因之一就是人類過(guò)多地使用化石能源所致。氣候變化是人類面臨的全球性問(wèn)題，持續(xù)上升的大氣CO2濃度是全球變暖最大的驅(qū)動(dòng)因子，全球每年排放的CO2高達(dá)250億t，導(dǎo)致溫室效應(yīng)，對(duì)生命系統(tǒng)形成威脅。科學(xué)檢測(cè)CO2能吸收從地面再輻射的紅外線，會(huì)使氣溫升高，大氣中CO2每增加10%，氣溫將升高 0.3℃。因此，節(jié)能減排是目前的首要任務(wù)。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上發(fā)表重要講話，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，力爭(zhēng)于2030年前CO2排放達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2021年3月5日，李克強(qiáng)總理在第十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議《政府工作報(bào)告》里，提出加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，落實(shí)2030年應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家自主貢獻(xiàn)目標(biāo)，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和CO2排放分別降低13.5%、18%，努力增加生態(tài)碳匯，增強(qiáng)草原、綠地等自然生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。2021年兩會(huì)上，碳達(dá)峰和碳中和被首次寫入政府工作報(bào)告，成為代表委員們討論的“熱詞”。本文旨在尋求高效吸收CO2的C4作物，既能達(dá)到節(jié)能減排，又能增加民生資源，實(shí)現(xiàn)兼具環(huán)保效益、社會(huì)效益和碳匯經(jīng)濟(jì)。

1 碳達(dá)峰、碳中和、光合作用

1.1 碳達(dá)峰與碳中和的定義

碳達(dá)峰是指在某一個(gè)時(shí)點(diǎn)，CO2的排放不再增長(zhǎng)達(dá)到峰值，之后逐步回落，我國(guó)承諾2030年前達(dá)到峰值之后逐步降低。碳中和2007年正式編入《新牛津英語(yǔ)字典》中，作為一種新型環(huán)保形式，獲得越來(lái)越多民眾的支持。碳中和是指企業(yè)、組織和個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，然后通過(guò)植樹造林、節(jié)能減排，或通過(guò)購(gòu)買碳配額等形式，抵消自身產(chǎn)生的CO2排放量，實(shí)現(xiàn)CO2“零排放”。碳達(dá)峰與碳中和能夠推動(dòng)綠色生活、生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)綠色發(fā)展。

1.2 碳中和與碳達(dá)峰的實(shí)現(xiàn)路徑

碳中和是指中立的(即零)總碳量釋放，通過(guò)排放多少CO2就作多少抵消的措施，來(lái)達(dá)到平衡。以推動(dòng)使用再生能源，減少因使用化石能源而排放到大氣中的CO2，最終目標(biāo)是僅使用再生能源，使地球CO2的釋放與吸收的量達(dá)到平衡。平衡因燃燒化石燃料而釋放到大氣中的CO2，創(chuàng)造等值能量的再生能源，使CO2排放量得以補(bǔ)償；或者僅使用可再生能源，不產(chǎn)生任何CO2，這是所謂的后碳經(jīng)濟(jì)。CO2補(bǔ)償資助的項(xiàng)目種類繁多，比如植樹造林、研發(fā)可再生能源，增加溫室氣體的吸收等。

1.3 光合作用

減少CO2排放的手段，一是封存，主要是土壤、植物、森林等天然碳匯吸收；二是投資用化學(xué)方法即消極的中和碳來(lái)抵消。用作物吸收的中和途徑，不但投資成本低，而且通過(guò)光合作用還有可供食用的產(chǎn)品，既具環(huán)保效益，又具經(jīng)濟(jì)效益。為什么作物能把CO2變成淀粉、糖、纖維等人類不可缺的資源？這要從植物的葉綠素和光能反應(yīng)解釋。

1.3.1 影響光合作用的因素

綠色植物利用葉綠素等光合色素，在可見(jiàn)光的照射下，將CO2和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出O2的過(guò)程叫光合作用[1]。植物光合作用的第一步是太陽(yáng)能被葉綠素消化吸收并將葉綠素離子化，造成的機(jī)械能被臨時(shí)存儲(chǔ)在ATP(三磷酸腺苷)中，并最后將CO2和水轉(zhuǎn)換為碳水化合物(包括單糖、雙糖和多糖)，詳見(jiàn)圖1[2]。

圖1 光合作用的原理圖

影響光合作用的因素主要有：①光照，光合速率會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增加而加快；②CO2，是綠色植物光合作用的原料，其濃度高低影響光合作用暗 反應(yīng)的進(jìn)行，提高CO2濃度能提高光合作用的速率；③溫度，在暗反應(yīng)階段，光合速率會(huì)隨溫度上升而下降；④水分，是光合作用的原料之一，缺水時(shí)會(huì)使光合速率下降；⑤葉綠素，是植物進(jìn)行光合作用時(shí)必須的催化劑，葉綠素含量越高，光合反應(yīng)速率越快。

1.3.2 光合作用在環(huán)境保護(hù)中的作用

每年光合作用同化的太陽(yáng)能約為人類所需能量的10倍。光合作用在同化無(wú)機(jī)碳化物的同時(shí)，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，并儲(chǔ)存在所形成的有機(jī)化合物中。因此，綠色植物是一個(gè)巨型的能量轉(zhuǎn)換站，通過(guò)光合作用制造有機(jī)物的規(guī)模巨大。據(jù)估計(jì)，地球上自養(yǎng)植物同化的碳素，吸收CO2合成有機(jī)物約有60%是由陸生植物同化的，40%是由浮游植物同化的。光合作用提供主要能源，一是維持大氣中碳-氧平衡，大氣之所以能保持相對(duì)穩(wěn)定的21%含氧量，主要依賴于光合作用；二是為有氧呼吸提供條件。

1.3.3 C4作物的光合作用和固碳

目前發(fā)現(xiàn)作物的固碳方式有3種：C3循環(huán)、C4循環(huán)和CAM循環(huán)(Crassulacean Acid Metabolism，景天酸代謝)，其中C3循環(huán)是最普遍的固碳方式，另2種固碳方式則更加高級(jí)。C4作物的光合作用中既有C4途徑，又有C3途徑，前者發(fā)生在葉肉細(xì)胞的葉綠體內(nèi)，后者發(fā)生在維管束鞘細(xì)胞的葉綠體內(nèi)，兩者共同完成CO2的固定。光合作用固碳分2個(gè)過(guò)程：一是光反應(yīng)，葉綠素吸收太陽(yáng)光，把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，生成能量分子ATP；二是碳反應(yīng)，在酶的催化下，消耗ATP提供的能量，將CO2和水合成有機(jī)物。

2 甘蔗是單位面積固碳量最多為碳中和優(yōu)選的C4作物之一

2.1 C4與C3作物的區(qū)別

根據(jù)固定CO2的不同方式，主要分為C3作物和C4作物。通過(guò)C3途徑固定CO2的稱為C3作物，C3作物較原始，高光呼吸，光合速率較低，主要生長(zhǎng)在溫度較低的溫帶和寒帶，C3作物占了95%，典型的有水稻、小麥、煙草、大豆等絕大部分作物。

通過(guò)C4途徑固定CO2的稱為C4作物，C4作物較進(jìn)化，只占3%，典型的有甘蔗、玉米、高粱等，主要生長(zhǎng)在干旱、溫度較高的熱帶、亞熱帶。C4途徑的CO2受體是葉肉細(xì)胞質(zhì)中的PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)，這種由PEP形成四碳二羧酸，然后又脫羧釋放CO2的代謝途徑稱C4途徑，亦稱Hatch-Slack途徑。

2.1.1 兩者定義上的不同

直接利用空氣中的CO2進(jìn)行光合作用的稱為C3作物，是指CO2同化/固定的最初產(chǎn)物是光合碳循環(huán)中的三碳化合物即三磷酸甘油酸的作物，只有葉肉細(xì)胞中含有葉綠體，CO2的同化途徑只有C3途徑。C4作物是指CO2同化/固定的最初產(chǎn)物是四碳二羧酸化合物(蘋果酸和天冬氨酸)的作物，含葉綠體的維管束鞘細(xì)胞發(fā)達(dá)，CO2的同化途徑，既具C3途徑，又有C4途徑。

2.1.2 兩者CO2補(bǔ)償點(diǎn)的不同

C4作物與C3作物的一個(gè)重要區(qū)別是：C4作物的CO2補(bǔ)償點(diǎn)很低，而C3作物的補(bǔ)償點(diǎn)很高且CO2利用效率很低，故在CO2含量低的情況下C4作物存活率更高。

2.1.3 兩者CO2作用點(diǎn)的不同

C3作物光合作用所得的淀粉會(huì)貯存在葉肉細(xì)胞中，其維管束鞘細(xì)胞不含或含很少葉綠體；而C4作物的淀粉會(huì)貯存于維管束鞘細(xì)胞內(nèi)?？偟膩?lái)說(shuō)，C4作物細(xì)胞的分工比C3更加明確，在一定程度上，可認(rèn)為C3作物是原核細(xì)胞，而C4作物則更像真核細(xì)胞。

2.2 C4作物的優(yōu)點(diǎn)

C4作物的生物學(xué)特性與C3作物有很大差異，具有C3作物不具備的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶，與CO2有極強(qiáng)的親和力，比C3作物具有更高的CO2固定效率和光合作用效率；更強(qiáng)的抗旱能力和生存能力，能大大增加作物的產(chǎn)量。C4作物CO2補(bǔ)償點(diǎn)低(1～10 mg/m3)，光合作用最適溫度高(30～45℃)，光飽和點(diǎn)幾乎達(dá)到全日照，能利用強(qiáng)光下產(chǎn)生的ATP推動(dòng)PEP與CO2的結(jié)合，提高光合速率。C4作物在干旱干熱地區(qū)有更明顯的選擇優(yōu)勢(shì)，可部分地收縮氣孔孔徑，減少蒸騰失水，從而提高了水分的利用率，有利于作物生長(zhǎng)。C4作物本質(zhì)上比C3作物多了1個(gè)CO2的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，對(duì)自身的光合作用和環(huán)境適應(yīng)能力有很大的改善，相當(dāng)于多了1臺(tái)CO2渦輪增壓泵[3]。

2.3 甘蔗是碳中和的優(yōu)選C4作物

甘蔗是單位耕地面積生產(chǎn)碳水化合物最高的經(jīng)濟(jì)作物之一，比水稻等C3作物固碳量多，故是作為碳中和的優(yōu)選C4作物，下面通過(guò)光合作用化學(xué)平衡式及計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明[4]：

由以上平衡式，可推算甘蔗(植物體)通過(guò)光合作用吸收CO2、釋放O2之間的關(guān)系，即每固定碳72 g，可吸收264 g CO2(相當(dāng)于固碳的3.6倍)，釋放192 g O2(相當(dāng)于固碳的3倍)。通過(guò)光合作用高效利用光能的途徑，比消極的用堿中和的化學(xué)方法或曝氣方法經(jīng)濟(jì)得多，故是一舉雙得的有效措施。

甘蔗固碳制氧價(jià)值計(jì)算方式：固碳價(jià)格按國(guó)際較為公認(rèn)的瑞典碳稅0.15美元/kg為標(biāo)準(zhǔn)(折合人民幣約0.99元/kg)，制氧價(jià)格采用工業(yè)制氧法按批發(fā)價(jià)700元/t即0.70元/kg計(jì)算。根據(jù)每噸甘蔗含碳固形物(糖分、纖維分、有機(jī)物等)為250 kg計(jì)算其碳匯價(jià)值如下[4]：

⑴吸碳量為250 kg×3.6=900 kg

⑵釋氧量250 kg×3=750 kg

⑶固碳價(jià)值900 kg×0.99元=891元/t/年

⑷制氧價(jià)值750 kg×0.70元=525元/t/年(現(xiàn)實(shí)很難回收氧，故只是一個(gè)理論價(jià)值)

⑸碳匯(固碳制氧)總價(jià)值891元+525元=1416元/t/年

3 種甘蔗一舉多得

種甘蔗具有重要的戰(zhàn)略地位，可為老少邊窮地區(qū)脫貧致富、邊疆社會(huì)穩(wěn)定和食糖供給安全提供有力的保障。食糖關(guān)系國(guó)計(jì)民生，作為國(guó)家戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重要產(chǎn)品，既是人民生活的必需品，也是食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)的重要基礎(chǔ)原料。食糖消費(fèi)水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民生活水平，特別是食品工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。用甘蔗開辟食品、化工、造紙、建筑、醫(yī)藥、日用產(chǎn)品的原料和生物能源及碳匯價(jià)值，不僅可提高社會(huì)資源和消費(fèi)水平，而且還提供出口產(chǎn)品，為國(guó)家創(chuàng)匯[5]。主要如下：

3.1 種甘蔗作碳中和所得碳匯價(jià)值具潛力

我國(guó)已發(fā)布《碳排放權(quán)交易管理辦法》，碳匯是實(shí)現(xiàn)固碳(固定空氣中的CO2)制氧(釋放O2)所獲取的生態(tài)效益，即植物通過(guò)光合作用吸收CO2并固定之，從而可被用于充抵碳排放指標(biāo)的價(jià)值。碳匯交易是基于《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》和《京都議定書》對(duì)各國(guó)分配碳排放指標(biāo)的規(guī)定，創(chuàng)設(shè)出來(lái)的交易，可以采用增加碳匯，抵消碳排放，從而降低發(fā)達(dá)國(guó)家本身總的碳排量目標(biāo)[6]。按我國(guó)年產(chǎn)甘蔗量計(jì)算，其碳匯價(jià)值更可觀(詳見(jiàn)表1)，全國(guó)甘蔗平均產(chǎn)量為10671萬(wàn)t/年，吸收CO29603萬(wàn)t/年，釋放O28003萬(wàn)t/年，固碳制氧即碳匯價(jià)值為1510億元/年。5年總計(jì)全國(guó)甘蔗產(chǎn)量為64026萬(wàn)t，吸收CO257623萬(wàn)t，釋放O248018萬(wàn)t，固碳制氧即碳匯總價(jià)值為9065億元。從理論值計(jì)算C4作物甘蔗碳中和潛力大，或可為全國(guó)的碳減排工作做出貢獻(xiàn)。

表1 近5年甘蔗碳中和所得碳匯價(jià)值表

3.2 種甘蔗具經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益

食糖產(chǎn)業(yè)是廣西、云南等地重要的經(jīng)濟(jì)支柱，是關(guān)系4000萬(wàn)糖農(nóng)的長(zhǎng)效扶貧產(chǎn)業(yè)，對(duì)促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起重要作用。地處山區(qū)可充分利用荒山、荒坡和待墾荒地種甘蔗；廣開就業(yè)門路進(jìn)行多種經(jīng)營(yíng)，能有效增加地方財(cái)政收入和利潤(rùn)。甘蔗除了可制成多種糖產(chǎn)品外，還有蔗渣、糖蜜和濾泥等副產(chǎn)物，以及蔗梢蔗葉(制仿青顆粒飼料、飲料等)也是量大而集中的原料資源。綜合利用產(chǎn)品達(dá)60多種：①蔗渣可制纖維板、碎粒板、中密度纖維板、機(jī)制紙、糠醛、木糖、飼料、食用菌等產(chǎn)品；②糖蜜除用于生產(chǎn)酒精外，還生產(chǎn)藥用酵母、活性干酵母、多種飲料酒(包括世界4大名酒之一的蘭姆酒)、賴氨酸、味精、甘油、檸檬酸、飼料添加劑、草酸等；③濾泥除作一般堆肥外，還制顆粒飼料、顆粒肥料、蔗蠟、水泥、土壤改良劑、復(fù)混肥等[7-9]。因此，種甘蔗是農(nóng)、工、牧生態(tài)良性循環(huán)之舉(詳見(jiàn)圖2)。蔗糖深加工制草酸、木糖、蔗糖酯、右旋糖酐、果葡糖漿等；酒精深加工制冰醋酸、醋酐、乙酸乙酯，其再加工的深度達(dá)3級(jí)；酵母深加工制核酸、單核苷酸系列產(chǎn)品，其再加工深度達(dá)4級(jí)。故而種甘蔗具環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖2 甘蔗農(nóng)工牧生態(tài)良性循環(huán)示意圖

3.3 種甘蔗有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排

⑴為農(nóng)業(yè)提供禽、獸、漁的飼料和肥料。這有利于實(shí)現(xiàn)社會(huì)良性生態(tài)循環(huán)。

⑵可替代或節(jié)省糧食制酒精、味精、酵母、飼料、賴氨酸等產(chǎn)品。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年可為國(guó)家節(jié)省糧食達(dá)100多萬(wàn)t (可減少耕地面積6.67多萬(wàn)hm2)，并且今后尚有很大潛力。

⑶可替代木材造紙和人造板。如1 m3人造板可代3 m3原木，蔗渣人造板年產(chǎn)量20萬(wàn)m3就可節(jié)省木材60萬(wàn)m3，而造紙可替代的木材就更多[10]。

4 設(shè)想與討論

研究光合作用，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保等領(lǐng)域起著基礎(chǔ)指導(dǎo)的作用。調(diào)控環(huán)境因素來(lái)最大限度地增加光合作用強(qiáng)度，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)重大課題。根據(jù)光合作用的原理，改變溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等條件，提高光合作用強(qiáng)度(指植物在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光合作用制造糖的數(shù)量)是增加農(nóng)作物產(chǎn)量的主要措施。在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的主要有：合理密植、立體種植、適當(dāng)增加CO2濃度、適當(dāng)延長(zhǎng)光照時(shí)間等。以下一些設(shè)想供探討：

4.1 多種甘蔗、多產(chǎn)食糖

2019/20年制糖期全國(guó)產(chǎn)糖1041.5萬(wàn)t，同比減少34.53萬(wàn)t；進(jìn)口食糖376萬(wàn)t，同比增加52萬(wàn)t。食糖產(chǎn)不足需，要靠進(jìn)口糖來(lái)補(bǔ)充[11-12]?！笆濉逼陂g，我國(guó)食糖年均消費(fèi)量為1514萬(wàn)t，人均食糖消費(fèi)量為10.94 kg/年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際糖業(yè)組織公布的中高收入國(guó)家人均食糖消費(fèi)量為41 kg/年的水平。為貫徹落實(shí)中央農(nóng)村工作會(huì)議精神和中央一號(hào)文件精神，以及中央實(shí)施重要農(nóng)產(chǎn)品保障戰(zhàn)略的要求，保障食糖有效供給，充分發(fā)揮糖業(yè)在鞏固脫貧攻堅(jiān)和助力推進(jìn)鄉(xiāng)村振興中的積極作用。我國(guó)應(yīng)該多種甘蔗、多產(chǎn)食糖，解決制糖企業(yè)處于“吃不飽”產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題，提高我國(guó)食糖消費(fèi)水平。

4.2 選育高產(chǎn)、高糖、高纖維的甘蔗品種

利用生物技術(shù)進(jìn)行育種是未來(lái)農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。加大甘蔗良種良法研發(fā)推廣力度，特別是高產(chǎn)、高糖、抗逆、高纖維等優(yōu)良品種的選育，提高甘蔗良種覆蓋率，形成集育、繁、推于一體的育種主體，以有效降低種植成本。

4.3 研究增加C4作物光合作用的技術(shù)

有效增加作物周圍的CO2濃度，增加作物的光合作用，同時(shí)抑制夜間的光呼吸，從而達(dá)到作物高產(chǎn)。云南生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所開發(fā)的作物基因表型誘導(dǎo)調(diào)控表達(dá)技術(shù)(GPIT)，在世界上第一個(gè)成功地解決了提高光合作用效率的難題，使用GPIT技術(shù)，不同作物的光合作用效率可分別提高50%～400%以上，使作物的生育期大為縮短。GPIT技術(shù)還解決了農(nóng)作物自身抗性表達(dá)，高抗根、莖、葉多種病害的世紀(jì)難題。通過(guò)提高作物葉片光合功能和抗病性，形成更多有機(jī)養(yǎng)分，提升商品率和產(chǎn)量。

4.4 利用C4作物基因改造C3作物

C4作物基因具有很高的光合作用效率。受袁隆平研究團(tuán)隊(duì)把玉米C4作物基因轉(zhuǎn)移到C3作物水稻的田間規(guī)模試驗(yàn)獲初步成功的啟發(fā)。甘蔗C4基因是否也可借鑒移植于C3的重要農(nóng)產(chǎn)品作物，成為今后發(fā)揮C4基因作用的研究課題。例如，如果能把水稻培育成C4作物，提高其光合作用效率，就能大大提高水稻的抗旱能力和產(chǎn)量。聯(lián)想利用甘蔗C4基因移植于C3作物小麥，以提高其產(chǎn)量和吸收CO2光合作用的效率。

4.5 開發(fā)生物能源替代石油

甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇的發(fā)展前景大[13]。2017年9月13日，由國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局、財(cái)政部等十五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實(shí)施方案》，要求到2020年，全國(guó)范圍將推廣使用車用乙醇汽油。全國(guó)對(duì)乙醇的需求量將大增，目前乙醇缺口巨大，乙醇作為生物能源將隨著政策支持迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇。