雷學(xué)軍

（湖南綠心農(nóng)林科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117）

植物填埋降低大氣二氧化碳技術(shù)研究

雷學(xué)軍

（湖南綠心農(nóng)林科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117）

種植速生、豐產(chǎn)、捕碳效率高的陸生和水生草本植物，一年可刈割多次，其葉面總面積和葉綠體總數(shù)量，大于相同種植面積、多年一次生命周期的喬木的葉面總面積和葉綠體總數(shù)量；其總捕碳量，是相同種植面積喬木總捕碳量的40～50倍。根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)，作者首次提出種植速生、豐產(chǎn)的草本植物，通過光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)變成有機(jī)化合物填埋到地層下，實(shí)現(xiàn)全球大氣CO2負(fù)增長(zhǎng)的方法。每年填埋380～400億t植物，50年內(nèi)，即可將大氣中的CO2濃度由當(dāng)前的0.039 1%降低到工業(yè)革命前的0.027 5%。開辟了人類應(yīng)對(duì)大氣溫室效應(yīng)危害的新途徑。

速生植物；光合作用捕碳；填埋封存；大氣CO2負(fù)增長(zhǎng)；降低溫室效應(yīng)

18世紀(jì)以來，由于煤炭、石油、天然氣的大量使用，人類向大氣中排放的CO2等溫室氣體逐年增加，溫室效應(yīng)隨之增強(qiáng)。引起地球上病、蟲、害和傳染性疾病頻發(fā)；海平面上升，氣候反常，海洋風(fēng)暴增多；土地干旱，糧食減產(chǎn)；沙漠化面積迅速擴(kuò)大等一系列嚴(yán)重問題[1]。

目前，世界各國(guó)都在大力提倡植樹造林，增加對(duì)大氣中CO2的吸收，對(duì)防止水土流失、凈化空氣、美化環(huán)境、緩解溫室效應(yīng)[2]起到了非常重要的作用[3]。應(yīng)擴(kuò)大公益林概念的范圍，用更嚴(yán)格的制度禁止森林開采、樹木砍伐。提倡低碳生活，保護(hù)綠色地球。

由于單位面積喬木的總捕碳量是相對(duì)固定的，喬木生長(zhǎng)前期和后期捕碳量較少，生長(zhǎng)旺盛期捕碳量穩(wěn)定持續(xù)，多數(shù)喬木在幾十年的存活期內(nèi)，固碳數(shù)量基本上是一個(gè)定值。每年喬木的枝葉脫落腐爛后又轉(zhuǎn)變成溫室氣體進(jìn)入了大氣；喬木砍伐后，一部分用于飼料、燃料、肥料等，直接轉(zhuǎn)變成了溫室氣體；一部分用于建材、家具、工藝品、文化用品、運(yùn)動(dòng)器材等，在加工過程中產(chǎn)生大量木屑，最終也轉(zhuǎn)化成溫室氣體進(jìn)入大氣。繁育和種植喬木周期長(zhǎng)、成本高。世界森林面積約為38億hm2，生物總量約為3 864億m3，可吸收40.6億tCO2。2012年全球排碳總量卻高達(dá)356億t[1-3]。因此，現(xiàn)有喬木難以抵消人類生活、生產(chǎn)活動(dòng)日益增加的CO2排放量，最終無法遏制大氣溫室效應(yīng)的加劇。

鑒于上述情況，作者提出了種植速生、豐產(chǎn)、捕碳效率高的陸生和水生草本植物，通過光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)變成有機(jī)化合物，大量的填埋到地層下，實(shí)現(xiàn)全球大氣CO2負(fù)增長(zhǎng)的方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組

實(shí)驗(yàn)組：植物填埋捕碳組，即速生、豐產(chǎn)、捕碳效率高的陸生和水生草本植物組。

對(duì)照組：?jiǎn)棠静短冀M，即常綠喬木組和落葉喬木組。

1.2 樣 品

實(shí)驗(yàn)組陸生植物樣品：皇竹草Pennisetum sinese、甜象草Suavis elephantus[4-5]。實(shí)驗(yàn)組水生植物樣品：鳳眼蓮Eichhornia crassipes[6]、蘆葦Phragmites australis[7]。對(duì)照組常綠喬木樣品：桂花Osmanthus fragrans、女貞Ligustrum lucidum。對(duì)照組落葉喬木樣品：國(guó)槐Sophora japonica、雞爪槭Acer palmatum。

2 草本植物與喬木葉面總面積測(cè)量

用掃描式活體葉面積測(cè)量?jī)x對(duì)實(shí)驗(yàn)組（草本植物）和對(duì)照組（喬木）葉面積進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見表1、表2。

表1 實(shí)驗(yàn)組植物葉面總面積?Table 1 Plant leaf total area of experimental group

表2 對(duì)照組植物葉面總面積?Table 2 Plant leaf total area of control group

實(shí)驗(yàn)證明：速生草本植物每年可刈割多次，其葉面積50年累計(jì)值是相同種植面積喬木50年累計(jì)值的260～370倍。

3 草本植物與喬木葉綠體總數(shù)量測(cè)定

采用機(jī)械法將葉片中葉綠體分離出來，在電子顯微鏡下對(duì)葉綠體數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，結(jié)果見表3、表4。

表3 實(shí)驗(yàn)組植物葉片葉綠體總數(shù)量?Table 3 Plant leaf total number of chloroplasts of experimental group

表4 對(duì)照組植物葉片葉綠體總數(shù)量?Table 4 Plant leaf total number of chloroplasts of control group

實(shí)驗(yàn)證明：速生草本植物每年可刈割多次，其葉綠體總數(shù)量50年累計(jì)值是相同種植面積喬木50年累計(jì)值的250～350倍。

4 草本植物與喬木捕碳量對(duì)比實(shí)驗(yàn)

4.1 方 法

4.1.1 試 樣

取實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組各組1～50年(根據(jù)植物年輪確定)植物各0.1 hm2樣品(整株)恒重后分別稱重。

4.1.2 檢驗(yàn)設(shè)備

烘箱、電子分析天平、油浴鍋、電爐。

4.1.3 檢驗(yàn)依據(jù)

LY/T 1237-1999

4.1.4 測(cè)定結(jié)果

含碳量分別是：皇竹草含碳量51.32%、甜象草含碳量49.63%、鳳眼蓮含碳量47.44%、蘆葦含碳量48.39%、桂花含碳量48.01%、女貞含碳量47.01%、國(guó)槐含碳量51.20%、雞爪槭含碳量51.05%。

植物含碳量與生長(zhǎng)環(huán)境、含水率、降雨量、栽培土壤、溫度、濕度有著密切的關(guān)系，以上數(shù)據(jù)系22°～40°N之間植物樣本的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值。

4.2 捕碳量計(jì)算公式

式(1)中：C捕為植物捕碳總量，W為植物單位面積的生物量，Rc為植物百分含碳量，S為植物種植面積（hm2），N為年限（設(shè)定值為50年）。

式(2)、式(3)中：X為喬木CO2的吸收量，C為喬木固碳量，W為喬木單位面積的生物量。喬木固碳量公式(2)、(3)引用于《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》。

4.3 計(jì)算

按以上計(jì)算式對(duì)草本植物和喬木捕碳量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表5、表6。

實(shí)驗(yàn)證明，種植速生、豐產(chǎn)、捕碳效率高的陸生和水生草本植物，50年的總捕碳量，是相同種植面積多年一次生命周期的喬木總捕碳量的40～50倍。

表6 對(duì)照組捕碳量Table 6 Carbon capture amount of control group

圖1 植物填埋管理系統(tǒng)Fig.1 Management system of plant landf i ll

5 植物填埋管理方法

植物填埋管理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、若干個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置、若干個(gè)顯示器、輸入設(shè)備和打印機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集裝置、顯示器、輸入設(shè)備、打印機(jī)均與所述計(jì)算機(jī)連接。通過植物填埋管理系統(tǒng)來統(tǒng)計(jì)各個(gè)國(guó)家、地區(qū)及各個(gè)單位，填埋植物光合作用固定的CO2總量[8]（見圖1）。

運(yùn)用以上系統(tǒng)對(duì)植物填埋進(jìn)行管理，植物填埋多的國(guó)家、地區(qū)及單位可幫助難以完成溫室氣體排放削減任務(wù)的國(guó)家、地區(qū)和單位，促進(jìn)“全球植物填埋量與碳排放量交易”，完成減排任務(wù)。

6 植物填埋產(chǎn)生氣體的綜合利用

植物填埋產(chǎn)生氣體后，采用主動(dòng)抽氣方式使填埋場(chǎng)處于負(fù)壓狀態(tài)，減少生物質(zhì)的分解；對(duì)抽取的氣體經(jīng)預(yù)處理后，利用各種氣體在壓力的推動(dòng)下透過膜的能力不同，從而達(dá)到分離目的[9]（見圖2）。

圖2 植物填埋氣體的綜合利用裝置Fig.2 Comprehensive utilization devices of gas led by land-f i lled plants

上述裝置處理植物填埋產(chǎn)生的氣體，清潔高效、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，能有效的降低植物填埋產(chǎn)生的氣體對(duì)環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。

7 植物填埋產(chǎn)生滲濾液的利用

采用主動(dòng)抽取液體的方式，使填埋場(chǎng)內(nèi)水份減少，降低生物質(zhì)的分解量。在堿性環(huán)境下滲濾液中NH4＋轉(zhuǎn)化成游離態(tài)NH3，經(jīng)氨氮吹脫塔去除游離氨、氮后，在酸性環(huán)境中經(jīng)微生物發(fā)酵，產(chǎn)生大量的沼氣溢出，再經(jīng)曝氣氧化，反滲透過濾達(dá)標(biāo)后排出。通過該工藝將游離氨、氮最終變成了硫酸銨；沼氣提純成高濃度壓縮甲烷液體。經(jīng)處理后，滲濾液中的氨、甲烷得到充分利用，滲濾液得到達(dá)標(biāo)處理，對(duì)水體不會(huì)產(chǎn)生污染[10]（見圖3）。

圖3 植物填埋過程中滲濾液利用裝置Fig.3 Utilization devices of percolate led by land-f i lled plants

本裝置處理植物填埋過程中產(chǎn)生的滲濾液，對(duì)防止污染地下水體和環(huán)境具有十分重大的意義。

8 植物填埋產(chǎn)生惡臭的處理

植物在填埋時(shí)設(shè)置主動(dòng)式氣體、液體收集裝置，在風(fēng)機(jī)的作用下，集氣罐中的臭氣和滲濾液池中的惡臭經(jīng)布水塔吹脫后進(jìn)入A、B生物過濾池，在高效復(fù)合微生物的分解作用下，有機(jī)物在腐爛分解過程中產(chǎn)生的氣態(tài)代謝產(chǎn)物或中間產(chǎn)物，成為微生物生存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，最終變成沒有污染的微生物代謝產(chǎn)物，徹底消除了植物填埋過程中產(chǎn)生的含硫化合物、含氮化合物、含氧有機(jī)物、鹵素及衍生物、烴類及芳香烴等形成的惡臭。利用微生物菌群去除植物填埋過程產(chǎn)生的臭氣[11]（見圖4）。

圖4 植物填埋過程中惡臭處理方法Fig.4 Processing method for eliminating odor led by land-f i lled plants

本裝置處理植物填埋過程產(chǎn)生的惡臭，能降低植物填埋氣體對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)生態(tài)的破壞。

9 植物填埋產(chǎn)生熱量的綜合利用

利用前期填埋的植物在分解過程中產(chǎn)生的熱量，對(duì)中期和后期填埋的植物進(jìn)行升溫干燥，減少生物質(zhì)的分解量；同時(shí)，經(jīng)地?zé)峋占療崃?，通過地源熱泵供發(fā)電、制冷、工廠供熱、日常供熱、農(nóng)業(yè)大棚供熱、水產(chǎn)養(yǎng)殖、種植等多個(gè)領(lǐng)域使用[12]（見圖5）。

圖5 植物填埋熱量綜合利用裝置Fig.5 Comprehensive utilization devices of heat amountled by land-f i lled plants

本裝置發(fā)電效能高、清潔安全、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，能有效的降低植物填埋過程中產(chǎn)生的熱量對(duì)環(huán)境的破壞和資源的浪費(fèi)。

10 植物填埋場(chǎng)的結(jié)構(gòu)及植被恢復(fù)方法

植物填埋場(chǎng)由底部襯層系統(tǒng)、填埋單元、覆蓋系統(tǒng)、滲濾液收集處理系統(tǒng)、填埋氣體收集處理系統(tǒng)、填埋熱量收集處理系統(tǒng)、地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。填埋場(chǎng)封場(chǎng)后進(jìn)行植被恢復(fù)，在埋土層中加入有機(jī)肥、草炭土等混合的種植土后再種植先鋒植物，將次生裸地由草叢、灌木叢向樹林演變。利用種植土改良生物質(zhì)覆蓋土土壤性質(zhì)，以保證所種植的植物不易受生物質(zhì)降解產(chǎn)生的氣體、液體和熱量影響而死亡，同時(shí)減少植被恢復(fù)工程量和投資，提高土地利用率，減少土壤裸露對(duì)環(huán)境的不良影響[13]（見圖6）。

圖6 植物填埋場(chǎng)結(jié)構(gòu)及植被恢復(fù)Fig.6 Structure of plant landf i ll yard and re-vegetation

該方法可迅速使填埋場(chǎng)恢復(fù)植被，形成良性的生態(tài)系統(tǒng)。降低污染，實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用，達(dá)到人、資源和環(huán)境的和諧共生。

在化石能源用盡后，大氣溫室效應(yīng)平衡時(shí)，開啟植物填埋場(chǎng)，將填埋的生物質(zhì)制造成型燃料或直接用于燃燒發(fā)電等；也可將生物質(zhì)制造肥料及開發(fā)其它用途的產(chǎn)品。

11 結(jié)論與討論

（1）實(shí)驗(yàn)證明：種植速生、豐產(chǎn)、捕碳效率高的陸生和水生草本植物，一年可刈割多次，其葉面總面積和葉綠體總數(shù)量，大于相同種植面積、多年一次生命周期的喬木葉面總面積和葉綠體總數(shù)量；其總捕碳量，是相同種植面積喬木總捕碳量的40～50倍；首次提出種植速生、豐產(chǎn)草本植物，通過光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)變成有機(jī)化合物，大量的填埋到地層下，并對(duì)植物產(chǎn)生的氣體、滲濾液、熱量等收集利用，實(shí)現(xiàn)全球大氣CO2負(fù)增長(zhǎng)的方法。其特點(diǎn)是：安全、節(jié)能、環(huán)保、儲(chǔ)能、成本低。本項(xiàng)目種植速生植物所用肥料全部為生物質(zhì)肥料；種植、收割、運(yùn)輸、加工、封存全過程所用能源，全部采用生物質(zhì)能源。

目前，已在湖南建立了世界第一個(gè)科研種植示范基地和植物填埋示范基地，可推廣到長(zhǎng)江中下游、黃河中下游等濕地。全國(guó)濕地總面積達(dá)6 600萬hm2，只需用3 000萬hm2種植速生植物；我國(guó)有海洋總面積約29 700萬hm2，可在南海、東海、黃海、渤海等海域使用7 000萬hm2海面種植速生藻類[9-17]。每年可產(chǎn)速生植物380～400億t；每年可捕捉150～160億t CO2。可抵消全世界100%的CO2年排放增長(zhǎng)總量，50年內(nèi)可使全球大氣CO2含量降低到工業(yè)革命前的水平。我國(guó)將成為世界上唯一創(chuàng)造大氣CO2負(fù)增長(zhǎng)和解除全球大氣溫室效應(yīng)危害的國(guó)家！

（2）1992年5月22日由多個(gè)國(guó)家達(dá)成的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》提出，控制大氣中CO2等造成“溫室效應(yīng)”的氣體的排放，將溫室氣體的濃度穩(wěn)定在使氣候系統(tǒng)免遭破壞的水平上。《公約》要求發(fā)達(dá)國(guó)家作為溫室氣體的排放大戶，要向發(fā)展中國(guó)家提供資金，以支付他們履行《公約》義務(wù)所需的費(fèi)用?！豆s》沒有從根本上控制大氣中CO2濃度絕對(duì)值的增加。要想從根本上解決大氣溫室效應(yīng)對(duì)人類和自然生態(tài)系統(tǒng)的危害，應(yīng)從減少大氣中CO2著手，開展全球性的植物填埋工程。建議創(chuàng)立《國(guó)際植物填埋量與碳排放權(quán)交易新公約》，植物填埋捕碳多的國(guó)家或地區(qū)，可幫助難以完成溫室氣體排放削減任務(wù)的國(guó)家或地區(qū)，促進(jìn)碳排放量與植物填埋量的全球性交易。

對(duì)排碳單位和個(gè)人采取課稅的辦法支持植物填埋捕碳，增加碳匯；讓農(nóng)民用大量秸稈、稻草等生物質(zhì)抵稅，用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的杠桿模式約束秸稈田間自由燃燒的現(xiàn)象，走低碳生活的道路，減少碳源。努力創(chuàng)造全球碳排放量負(fù)增長(zhǎng)的新格局。

（3）填埋植物捕碳是全人類的一項(xiàng)浩大的拯救工程，由排碳者出錢，埋碳者靠埋碳營(yíng)生，光合作用制造的生物質(zhì)成為直接填埋的商品，可謂是“碳負(fù)增長(zhǎng)生產(chǎn)”！本項(xiàng)目提供了迅速創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富的新方法，將為成千萬上億的人從事該領(lǐng)域的科研、生產(chǎn)、植物填埋與碳排放權(quán)交易提供新的工作崗位；為人類創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)需求，找到了全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)時(shí)代新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)；開辟了人類應(yīng)對(duì)大氣溫室效應(yīng)危害的新途徑。

[1] 關(guān) 憶.淺談溫室效應(yīng)產(chǎn)生的影響和防治措施[J].科學(xué)理論,2008,(2):101-102.

[2] 鄭 京.溫室效應(yīng)對(duì)環(huán)境的影響[J].山東環(huán)境,2003,(1):51-52.

[3] 杜業(yè)利.淺析植樹造林方法與意義[J].黑龍江科技信息,2011,(3):208.

[4] 雷學(xué)軍,雷 訓(xùn).通過速生草本植物的種植、收割和填埋實(shí)現(xiàn)固碳的方法:中國(guó).201310111727.2[P].2013-06-05.

[5] 雷學(xué)軍.狼尾草和象草的速生豐產(chǎn)與高效捕碳栽培方法:中國(guó),201310081420.2[P].2013-05-29.

[6] 雷學(xué)軍.鳳尾蓮和水藻的速生生產(chǎn)與高效捕碳栽培方法:中國(guó).201310081312.5[P].2013-05-29.

[7] 雷學(xué)軍.蘆葦和荻的速生生產(chǎn)與高效捕碳栽培方法:中國(guó).201310081341.1[P].2013-05-29.

[8] 雷學(xué)軍,祝加鏵,雷謹(jǐn)榕,等.一種生物質(zhì)填埋管理方法:中國(guó).201210588374.0[P].2013-05-06.

[9] 雷學(xué)軍.一種生物質(zhì)填埋產(chǎn)生氣體的綜合利用設(shè)備及方法:中國(guó).201210529862.4[P].2013-04-03.

[10] 雷學(xué)軍.一種生物質(zhì)填埋過程中滲濾液利用設(shè)備及方法:中國(guó). 201210573050.X[P].2013-04-24.

[11] 雷學(xué)軍.一種生物質(zhì)填埋過程中惡臭處理設(shè)備及方法:中國(guó).201210529822.X[P].2013-03-27.

[12] 雷學(xué)軍.一種生物質(zhì)填埋熱量的綜合利用設(shè)備及方法:中國(guó).201210588028.2[P].2013-04-17.

[13] 雷學(xué)軍.一種生物質(zhì)填埋場(chǎng)植被恢復(fù)方法:中國(guó).201310065542.2[P].2013-05-29.

[14] 雷學(xué)軍.通過速生藻類的種植、收獲和填埋實(shí)現(xiàn)固碳的方法:中國(guó). 201310140098.6[P].2013-06-05.

[15] 張仕吉,項(xiàng)文化.土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳影響的研究進(jìn)展[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(5):134-143.

[16] 陳建國(guó),田大倫,閆文德,等.土壤團(tuán)聚體固碳研究進(jìn)展[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(5):74-80.

[17] 雷學(xué)軍,羅梅健.生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)及資源綜合開發(fā)利用研究[J].中國(guó)能源,2010,(1):22-28,32.

Study on reducing atmospheric carbon dioxide by using plant landf i ll method

LEI Xue-jun
(Hunan Luxin agriculture and Forestry Science and Technology Co. Ltd., Changsha 410117, Hunan, China)

Fast-growing, high-yielding and high carbon capture eff i ciency terrestrial and aquatic herbaceous plants can be harvested several times in a year. Their leaf area and total chloroplast quantity is greater than the arbors’, of which the life circle lasts for several years. Their total carbon capture amount is 40 to 50 times more than the arbors’. Based on these fi ndings, for the fi rst time, a way of achieving the negative growth of carbon emissions by planting fast-growing, high-yielding herbaceous plants to turn the CO2in the atmosphere into organic compounds was put forward. If 380～ 400 billion tons of plants were land-filled every year, the CO2concentration in the atmosphere will be reduced from the current 0.039 1% to 0.027 5% of the same level with the concentration before the industrial revolution with in 50 years. Thus a new way of reducing the greenhouse effect will be created.

fast-growing plants; photosynthesis carbon capture；landfill archive; negative growth in atmospheric carbon dioxide;reduce greenhouse effect

S718.5

A

1673-923X(2013)07-0091-07

2013-05-20

長(zhǎng)沙科技局重點(diǎn)項(xiàng)目（k1301061-21）

雷學(xué)軍(1958-)，男，湖南安鄉(xiāng)人，研究員，國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家，主要從事生物學(xué)、精細(xì)化工等領(lǐng)域的研究與開發(fā)

[本文編校：吳 毅]