C4作物甘蔗与碳中和的初探

蓝艳华，保国裕，安玉兴*

(1广东省科学院南繁种业研究所，广东广州 510316；2广东省科学院生物与医学工程研究所，广东广州 510316)

0 前言

近年来，世界各地自然灾害频发，主要原因之一就是人类过多地使用化石能源所致。气候变化是人类面临的全球性问题，持续上升的大气CO2浓度是全球变暖最大的驱动因子，全球每年排放的CO2高达250亿t，导致温室效应，对生命系统形成威胁。科学检测CO2能吸收从地面再辐射的红外线，会使气温升高，大气中CO2每增加10%，气温将升高 0.3℃。因此，节能减排是目前的首要任务。2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会上发表重要讲话，中国将提高国家自主贡献力度，力争于2030年前CO2排放达到峰值，2060年前实现碳中和。2021年3月5日，李克强总理在第十三届全国人大四次会议《政府工作报告》里，提出加快推动绿色低碳发展，落实2030年应对气候变化国家自主贡献目标，单位国内生产总值能耗和CO2排放分别降低13.5%、18%，努力增加生态碳汇，增强草原、绿地等自然生态系统固碳能力。2021年两会上，碳达峰和碳中和被首次写入政府工作报告，成为代表委员们讨论的“热词”。本文旨在寻求高效吸收CO2的C4作物，既能达到节能减排，又能增加民生资源，实现兼具环保效益、社会效益和碳汇经济。

1 碳达峰、碳中和、光合作用

1.1 碳达峰与碳中和的定义

碳达峰是指在某一个时点，CO2的排放不再增长达到峰值，之后逐步回落，我国承诺2030年前达到峰值之后逐步降低。碳中和2007年正式编入《新牛津英语字典》中，作为一种新型环保形式，获得越来越多民众的支持。碳中和是指企业、组织和个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过植树造林、节能减排，或通过购买碳配额等形式，抵消自身产生的CO2排放量，实现CO2“零排放”。碳达峰与碳中和能够推动绿色生活、生产，实现全社会绿色发展。

1.2 碳中和与碳达峰的实现路径

碳中和是指中立的(即零)总碳量释放，通过排放多少CO2就作多少抵消的措施，来达到平衡。以推动使用再生能源，减少因使用化石能源而排放到大气中的CO2，最终目标是仅使用再生能源，使地球CO2的释放与吸收的量达到平衡。平衡因燃烧化石燃料而释放到大气中的CO2，创造等值能量的再生能源，使CO2排放量得以补偿；或者仅使用可再生能源，不产生任何CO2，这是所谓的后碳经济。CO2补偿资助的项目种类繁多，比如植树造林、研发可再生能源，增加温室气体的吸收等。

1.3 光合作用

减少CO2排放的手段，一是封存，主要是土壤、植物、森林等天然碳汇吸收；二是投资用化学方法即消极的中和碳来抵消。用作物吸收的中和途径，不但投资成本低，而且通过光合作用还有可供食用的产品，既具环保效益，又具经济效益。为什么作物能把CO2变成淀粉、糖、纤维等人类不可缺的资源？这要从植物的叶绿素和光能反应解释。

1.3.1 影响光合作用的因素

绿色植物利用叶绿素等光合色素，在可见光的照射下，将CO2和水转化为有机物，并释放出O2的过程叫光合作用[1]。植物光合作用的第一步是太阳能被叶绿素消化吸收并将叶绿素离子化，造成的机械能被临时存储在ATP(三磷酸腺苷)中，并最后将CO2和水转换为碳水化合物(包括单糖、双糖和多糖)，详见图1[2]。

图1 光合作用的原理图

影响光合作用的因素主要有：①光照，光合速率会随着光照强度的增加而加快；②CO2，是绿色植物光合作用的原料，其浓度高低影响光合作用暗 反应的进行，提高CO2浓度能提高光合作用的速率；③温度，在暗反应阶段，光合速率会随温度上升而下降；④水分，是光合作用的原料之一，缺水时会使光合速率下降；⑤叶绿素，是植物进行光合作用时必须的催化剂，叶绿素含量越高，光合反应速率越快。

1.3.2 光合作用在环境保护中的作用

每年光合作用同化的太阳能约为人类所需能量的10倍。光合作用在同化无机碳化物的同时，把太阳能转变为化学能，并储存在所形成的有机化合物中。因此，绿色植物是一个巨型的能量转换站，通过光合作用制造有机物的规模巨大。据估计，地球上自养植物同化的碳素，吸收CO2合成有机物约有60%是由陆生植物同化的，40%是由浮游植物同化的。光合作用提供主要能源，一是维持大气中碳-氧平衡，大气之所以能保持相对稳定的21%含氧量，主要依赖于光合作用；二是为有氧呼吸提供条件。

1.3.3 C4作物的光合作用和固碳

目前发现作物的固碳方式有3种：C3循环、C4循环和CAM循环(Crassulacean Acid Metabolism，景天酸代谢)，其中C3循环是最普遍的固碳方式，另2种固碳方式则更加高级。C4作物的光合作用中既有C4途径，又有C3途径，前者发生在叶肉细胞的叶绿体内，后者发生在维管束鞘细胞的叶绿体内，两者共同完成CO2的固定。光合作用固碳分2个过程：一是光反应，叶绿素吸收太阳光，把光能转化成化学能，生成能量分子ATP；二是碳反应，在酶的催化下，消耗ATP提供的能量，将CO2和水合成有机物。

2 甘蔗是单位面积固碳量最多为碳中和优选的C4作物之一

2.1 C4与C3作物的区别

根据固定CO2的不同方式，主要分为C3作物和C4作物。通过C3途径固定CO2的称为C3作物，C3作物较原始，高光呼吸，光合速率较低，主要生长在温度较低的温带和寒带，C3作物占了95%，典型的有水稻、小麦、烟草、大豆等绝大部分作物。

通过C4途径固定CO2的称为C4作物，C4作物较进化，只占3%，典型的有甘蔗、玉米、高粱等，主要生长在干旱、温度较高的热带、亚热带。C4途径的CO2受体是叶肉细胞质中的PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)，这种由PEP形成四碳二羧酸，然后又脱羧释放CO2的代谢途径称C4途径，亦称Hatch-Slack途径。

2.1.1 两者定义上的不同

直接利用空气中的CO2进行光合作用的称为C3作物，是指CO2同化/固定的最初产物是光合碳循环中的三碳化合物即三磷酸甘油酸的作物，只有叶肉细胞中含有叶绿体，CO2的同化途径只有C3途径。C4作物是指CO2同化/固定的最初产物是四碳二羧酸化合物(苹果酸和天冬氨酸)的作物，含叶绿体的维管束鞘细胞发达，CO2的同化途径，既具C3途径，又有C4途径。

2.1.2 两者CO2补偿点的不同

C4作物与C3作物的一个重要区别是：C4作物的CO2补偿点很低，而C3作物的补偿点很高且CO2利用效率很低，故在CO2含量低的情况下C4作物存活率更高。

2.1.3 两者CO2作用点的不同

C3作物光合作用所得的淀粉会贮存在叶肉细胞中，其维管束鞘细胞不含或含很少叶绿体；而C4作物的淀粉会贮存于维管束鞘细胞内。总的来说，C4作物细胞的分工比C3更加明确，在一定程度上，可认为C3作物是原核细胞，而C4作物则更像真核细胞。

2.2 C4作物的优点

C4作物的生物学特性与C3作物有很大差异，具有C3作物不具备的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)羧化酶，与CO2有极强的亲和力，比C3作物具有更高的CO2固定效率和光合作用效率；更强的抗旱能力和生存能力，能大大增加作物的产量。C4作物CO2补偿点低(1～10 mg/m3)，光合作用最适温度高(30～45℃)，光饱和点几乎达到全日照，能利用强光下产生的ATP推动PEP与CO2的结合，提高光合速率。C4作物在干旱干热地区有更明显的选择优势，可部分地收缩气孔孔径，减少蒸腾失水，从而提高了水分的利用率，有利于作物生长。C4作物本质上比C3作物多了1个CO2的转运过程，对自身的光合作用和环境适应能力有很大的改善，相当于多了1台CO2涡轮增压泵[3]。

2.3 甘蔗是碳中和的优选C4作物

甘蔗是单位耕地面积生产碳水化合物最高的经济作物之一，比水稻等C3作物固碳量多，故是作为碳中和的优选C4作物，下面通过光合作用化学平衡式及计算数据来说明[4]：

由以上平衡式，可推算甘蔗(植物体)通过光合作用吸收CO2、释放O2之间的关系，即每固定碳72 g，可吸收264 g CO2(相当于固碳的3.6倍)，释放192 g O2(相当于固碳的3倍)。通过光合作用高效利用光能的途径，比消极的用碱中和的化学方法或曝气方法经济得多，故是一举双得的有效措施。

甘蔗固碳制氧价值计算方式：固碳价格按国际较为公认的瑞典碳税0.15美元/kg为标准(折合人民币约0.99元/kg)，制氧价格采用工业制氧法按批发价700元/t即0.70元/kg计算。根据每吨甘蔗含碳固形物(糖分、纤维分、有机物等)为250 kg计算其碳汇价值如下[4]：

⑴吸碳量为250 kg×3.6=900 kg

⑵释氧量250 kg×3=750 kg

⑶固碳价值900 kg×0.99元=891元/t/年

⑷制氧价值750 kg×0.70元=525元/t/年(现实很难回收氧，故只是一个理论价值)

⑸碳汇(固碳制氧)总价值891元+525元=1416元/t/年

3 种甘蔗一举多得

种甘蔗具有重要的战略地位，可为老少边穷地区脱贫致富、边疆社会稳定和食糖供给安全提供有力的保障。食糖关系国计民生，作为国家战略储备的重要产品，既是人民生活的必需品，也是食品、化工、医药等行业的重要基础原料。食糖消费水平的高低是衡量一个国家国民生活水平，特别是食品工业发展水平的一个重要标志。用甘蔗开辟食品、化工、造纸、建筑、医药、日用产品的原料和生物能源及碳汇价值，不仅可提高社会资源和消费水平，而且还提供出口产品，为国家创汇[5]。主要如下：

3.1 种甘蔗作碳中和所得碳汇价值具潜力

我国已发布《碳排放权交易管理办法》，碳汇是实现固碳(固定空气中的CO2)制氧(释放O2)所获取的生态效益，即植物通过光合作用吸收CO2并固定之，从而可被用于充抵碳排放指标的价值。碳汇交易是基于《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》对各国分配碳排放指标的规定，创设出来的交易，可以采用增加碳汇，抵消碳排放，从而降低发达国家本身总的碳排量目标[6]。按我国年产甘蔗量计算，其碳汇价值更可观(详见表1)，全国甘蔗平均产量为10671万t/年，吸收CO29603万t/年，释放O28003万t/年，固碳制氧即碳汇价值为1510亿元/年。5年总计全国甘蔗产量为64026万t，吸收CO257623万t，释放O248018万t，固碳制氧即碳汇总价值为9065亿元。从理论值计算C4作物甘蔗碳中和潜力大，或可为全国的碳减排工作做出贡献。

表1 近5年甘蔗碳中和所得碳汇价值表

3.2 种甘蔗具经济、环保和社会效益

食糖产业是广西、云南等地重要的经济支柱，是关系4000万糖农的长效扶贫产业，对促进国民经济发展起重要作用。地处山区可充分利用荒山、荒坡和待垦荒地种甘蔗；广开就业门路进行多种经营，能有效增加地方财政收入和利润。甘蔗除了可制成多种糖产品外，还有蔗渣、糖蜜和滤泥等副产物，以及蔗梢蔗叶(制仿青颗粒饲料、饮料等)也是量大而集中的原料资源。综合利用产品达60多种：①蔗渣可制纤维板、碎粒板、中密度纤维板、机制纸、糠醛、木糖、饲料、食用菌等产品；②糖蜜除用于生产酒精外，还生产药用酵母、活性干酵母、多种饮料酒(包括世界4大名酒之一的兰姆酒)、赖氨酸、味精、甘油、柠檬酸、饲料添加剂、草酸等；③滤泥除作一般堆肥外，还制颗粒饲料、颗粒肥料、蔗蜡、水泥、土壤改良剂、复混肥等[7-9]。因此，种甘蔗是农、工、牧生态良性循环之举(详见图2)。蔗糖深加工制草酸、木糖、蔗糖酯、右旋糖酐、果葡糖浆等；酒精深加工制冰醋酸、醋酐、乙酸乙酯，其再加工的深度达3级；酵母深加工制核酸、单核苷酸系列产品，其再加工深度达4级。故而种甘蔗具环保、经济和社会效益。

图2 甘蔗农工牧生态良性循环示意图

3.3 种甘蔗有助于实现节能减排

⑴为农业提供禽、兽、渔的饲料和肥料。这有利于实现社会良性生态循环。

⑵可替代或节省粮食制酒精、味精、酵母、饲料、赖氨酸等产品。据不完全统计，每年可为国家节省粮食达100多万t (可减少耕地面积6.67多万hm2)，并且今后尚有很大潜力。

⑶可替代木材造纸和人造板。如1 m3人造板可代3 m3原木，蔗渣人造板年产量20万m3就可节省木材60万m3，而造纸可替代的木材就更多[10]。

4 设想与讨论

研究光合作用，对农业生产、环保等领域起着基础指导的作用。调控环境因素来最大限度地增加光合作用强度，是现代农业的一个重大课题。根据光合作用的原理，改变温度、光照强度、CO2浓度等条件，提高光合作用强度(指植物在单位时间内通过光合作用制造糖的数量)是增加农作物产量的主要措施。在农业上应用的主要有：合理密植、立体种植、适当增加CO2浓度、适当延长光照时间等。以下一些设想供探讨：

4.1 多种甘蔗、多产食糖

2019/20年制糖期全国产糖1041.5万t，同比减少34.53万t；进口食糖376万t，同比增加52万t。食糖产不足需，要靠进口糖来补充[11-12]。“十三五”期间，我国食糖年均消费量为1514万t，人均食糖消费量为10.94 kg/年，远远低于国际糖业组织公布的中高收入国家人均食糖消费量为41 kg/年的水平。为贯彻落实中央农村工作会议精神和中央一号文件精神，以及中央实施重要农产品保障战略的要求，保障食糖有效供给，充分发挥糖业在巩固脱贫攻坚和助力推进乡村振兴中的积极作用。我国应该多种甘蔗、多产食糖，解决制糖企业处于“吃不饱”产能过剩问题，提高我国食糖消费水平。

4.2 选育高产、高糖、高纤维的甘蔗品种

利用生物技术进行育种是未来农业科技的发展方向和必然趋势。加大甘蔗良种良法研发推广力度，特别是高产、高糖、抗逆、高纤维等优良品种的选育，提高甘蔗良种覆盖率，形成集育、繁、推于一体的育种主体，以有效降低种植成本。

4.3 研究增加C4作物光合作用的技术

有效增加作物周围的CO2浓度，增加作物的光合作用，同时抑制夜间的光呼吸，从而达到作物高产。云南生态农业研究所开发的作物基因表型诱导调控表达技术(GPIT)，在世界上第一个成功地解决了提高光合作用效率的难题，使用GPIT技术，不同作物的光合作用效率可分别提高50%～400%以上，使作物的生育期大为缩短。GPIT技术还解决了农作物自身抗性表达，高抗根、茎、叶多种病害的世纪难题。通过提高作物叶片光合功能和抗病性，形成更多有机养分，提升商品率和产量。

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。受袁隆平研究团队把玉米C4作物基因转移到C3作物水稻的田间规模试验获初步成功的启发。甘蔗C4基因是否也可借鉴移植于C3的重要农产品作物，成为今后发挥C4基因作用的研究课题。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产量。联想利用甘蔗C4基因移植于C3作物小麦，以提高其产量和吸收CO2光合作用的效率。

4.5 开发生物能源替代石油

甘蔗生产燃料乙醇的发展前景大[13]。2017年9月13日，由国家发展改革委、国家能源局、财政部等十五部委联合印发《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》，要求到2020年，全国范围将推广使用车用乙醇汽油。全国对乙醇的需求量将大增，目前乙醇缺口巨大，乙醇作为生物能源将随着政策支持迎来发展机遇。