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推动形成人与自然和谐发展现代化建设新格局

——对二氧化碳的技术控制与利用

来源:求是网 作者: 时间:2018年01月10日

  人与自然是生命共同体,建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。党的十九大报告指出:“我们要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化,既要创造更多物质财富和精神财富以满足人民日益增长的美好生活需要,也要提供更多优质生态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要。”党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央回应人民群众对美好生活的向往与期待,坚定不移地推进生态文明建设,取得重大成效。十九大报告提出了加快生态文明体制改革、建设美丽中国新的目标、任务、举措,进一步昭示了我们党加强生态文明建设的意志和决心。我们要认真学习、坚决贯彻,用扎实的基础研究和有效的技术手段加强环境治理,建设美丽中国,并为建设美丽世界贡献中国方案。

  一、尊重自然,正确认识二氧化碳的作用

  生态文明建设的本质要求是在经济社会发展中尊重自然、顺应自然、保护自然。马克思主义认为,人与自然关系的异化是生态环境恶化的根本原因。党的十九大报告指出,人类只有遵循自然规律才能有效防止在开放利用自然上走弯路,人类对大自然的伤害最终会伤及人类自身,这是无法抗拒的规律。

  地球的碳资源十分丰富,分别储藏在岩石圈(约2.5×1016吨)、水圈(约1.8×1014吨)、生物圈(约2.3×1012吨)和大气圈(约3.74×1012吨)中。由于碳的存在和碳在各圈层间的循环衍变,催生了地球生命,碳循环不断地改变着环境、气候、生态、资源、经济与政治。

  在地球碳资源中,二氧化碳是极其重要的一种。二氧化碳俗称碳酸气,是由一个碳原子和两个氧原子通过共价键结合而成的化合物。大气中最早的二氧化碳来源于火山喷发、岩石风化、微生物的代谢分解和植物、动物的呼吸作用,是形成适合生命活动的温室效应的主要温室气体。

  二氧化碳对人类生存和发展具有重大作用。自然界的一切物体都以电磁波的形式向周围辐射能量,通常高温物体向外发射短波辐射,低温物体则发射长波辐射,地球表面的大气层中含有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体,允许太阳短波辐射通过,却阻挡地面长波辐射,地球表面的大气层和下垫面组成的这一系统就像一个巨大的“玻璃温室”。我们将大气对地面的这种保护作用称为大气温室效应。温室效应的存在维持了地表的热量,使温度适宜人类生存。如果没有大气层,长波辐射毫无保留地射向太空,地球表面的平均温度将在-22~26℃之间,而不是现在的15℃左右。人们通常把正常情况下的温室效应称为自然产生的温室效应。

  但是工业化以来,人类应用化石燃料和土地利用的变化,向大气中排放了大量的温室气体。2015年3月,大气中二氧化碳浓度已达400.83ppm,是60万年以来的最高峰值,导致严重的温室效应和全球气候变暖,出现极端气候。大气碳驱动冰的消融,打破了地球上水—气—冰共存的气候平衡状态,乃至改变地球大尺度的冷暖循环;造成大气、水体、土壤等生态环境的极大破坏和物种多样性的丧失;引起海平面上升,海洋风暴增多;土地干旱,农作物减产;沙漠化面积迅速扩大;灰霾肆虐;病虫害、热射病与传染性疾病频发等一系列严重的自然灾害。

  《京都议定书》中规定了6种温室气体:二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、全氟化碳、氢氟碳化物、六氟化硫。二氧化碳作为主要的温室气体,对全球气候变暖的增温效应达60%左右。

  二、落实减排承诺,对自然界的碳循环进行技术控制

  党的十九大向世界胜利宣告,中国特色社会主义进入了新时代,这是中国发展新的历史方位。在这个新时代,中国日益走近世界舞台的中央,不断为人类作出更大贡献。中国积极参与全球环境治理,坚持共同但有区别的责任原则、公平原则、各自能力原则,积极参与气候变化国际合作,落实减排承诺,为全球环境治理作出贡献。

  在全球环境治理中,对自然界的碳循环进行技术控制是关键环节。自然界的碳循环是指碳在岩石圈、水圈、生物圈和大气圈之间,以二氧化碳、一氧化碳、甲烷、碳酸根离子、碳酸氢根离子、有机碳等形式相互转换和运移,大致可分为碳的地球生物化学循环和碳的地球化学循环两种基本过程,形成了千姿百态的由生产者、消费者和分解者组成的生物链。使地球风生水起,热闹非凡,郁郁葱葱。

  1.碳的地球生物化学循环过程

  碳的地球生物化学循环包括光合作用和呼吸作用两个基本过程。

  一是光合作用。大气中的二氧化碳进入陆地和水体生态系统,绿色植物(包括低等藻类)运用光合色素吸收和传输太阳能(E),并通过光化学反应裂解水,在放出氧气的同时,产生氢离子,将二氧化碳还原成简单的糖类,用于体内的一系列生物合成与代谢。

  二是呼吸作用。光合作用所产生的一部分有机化合物在植物体内或通过异养微生物、牧食/腐食食物链在动物体内被分解,产生二氧化碳、水和生物能量(E)。

  碳在环境(空气和水)与生物体之间往复循环,被植物和藻类捕获,流向牧食者、肉食者和分解者。在这些生物体内,有机物被分解,产生二氧化碳并释放出能量,推动碳的持续循环。

  2.碳的地球化学循环过程

  由地球内热驱动的构造过程,不断地将海洋的沉积层冲入地幔中,其后又作为火成岩被火山过程流回。在这个过程中,二氧化碳被释放到大气中,再被风化作用所消耗。二氧化碳从火山口中逃逸到海洋和大气中,与土壤和岩石中的硅酸盐进行交换,置换出钙和镁离子,而钙和镁则通过河流进入海洋以碳酸盐的形式沉淀,沉降到板块边界的上层地幔中。俯冲带的二氧化碳在高温高压条件下被释放,聚集在岩浆室中,这就是碳的地球化学循环过程。

  3.碳的技术控制循环过程

  作者从刈割韭菜得到启示,发现并界定了一类生长发育迅速、可反复萌发和刈割、捕碳效率高的速生草本植物,将其命名为“速生碳汇草”,目前,共选育了79个陆生和水生品种,适应种植的范围广。实验证明,在相同纬度条件下,选育的“速生碳汇草”叶片总面积、叶绿体总数量50年累积值分别是同等面积乔木的260~370倍、250~350倍。

  “速生碳汇草”及植物碳产品经南方林业生态应用技术国家工程实验室和湖南农业大学教育部重点实验室检测,平均碳含量为49.2%;经中南大学能源环境检测与评估中心检测,每公斤热值为3000~4500大卡;经湖南工业大学检测证明,经过紫外光加速老化实验,储藏50年无明显变化;经中国质量认证中心核算,每亩年净碳汇量为14吨,是同等面积森林“碳汇量”的14倍;是一类快速捕碳固碳,调节大气温室效应的先锋植物。

  作者通过研究“速生碳汇草”捕碳固碳技术,提出了种植速生草本植物,将大气圈中气态的二氧化碳转入生物圈中形成固态的有机碳化合物,将碳的形态由“动碳”转化为“静碳”,实施“大气分碳”,创建人工碳库,获得大气碳资源,实现大气二氧化碳负增长,降低二氧化碳的浓度,调节温室效应,实现了“碳的技术控制循环过程”。

  三、建设美丽中国,推进碳资源全面循环利用

  推进绿色发展,这是建设美丽中国的重要基础。要加快建立健全绿色低碳循环发展的经济体系,源头上推动经济实现绿色转型,减少资源消耗,减少生态破坏。要构建市场导向的绿色技术创新体系,在创新驱动发展中,面向市场需求促进绿色技术的研发、转化、推广,用绿色技术改造形成绿色经济。

  大气碳资源的捕集方法不同,获得的产物也不同。采用物理、化学捕集方法可获得高纯度的气态、液态、固态(干冰)的二氧化碳,用生物捕集方法可获得生物质固态有机碳化合物。

  1.理化方法捕集二氧化碳的应用

  根据二氧化碳的物理、化学性质,捕集方法可分为:物理吸附法、化学吸收法、物理化学吸收法、膜分离法、变压吸附法及低温分离法等。通过物理、化学方法捕集分离的二氧化碳可用于蔬菜、瓜果、鲜花的保鲜储藏;二氧化碳是光合作用的必需原料,可做气肥;可用于制备碳酸饮料;医疗行业的呼吸刺激剂;人工降雨;保护电弧焊;在化学合成中与环氧化合物等反应可转化为环状碳酸酯等。

  (1)干冰的应用

  干冰是二氧化碳最为广泛的应用之一,升温时直接升华,不产生液体,可应用于工业模具、石油化工机械、印刷工业、汽车工业、电子工业、航空航天工业、船舶业各种仪器设备的清洗,是极好的除垢剂;也可以应用于医疗卫生行业的低温保藏、运输等方面;在食品行业可作食物冷藏保鲜材料;用于灭火器、烟草业的烟丝膨化;舞台、剧场、影视等表演中经常用作烟雾效果;还可用于人工降雨。干冰产品市场需求量呈逐年上升趋势,巨大的潜在市场为我国干冰产品行业发展提供了良好的条件。

  (2)石油开采

  液态二氧化碳具有良好的驱油效果,可用作驱油剂。二氧化碳在地层内溶于水后,可使水的黏度增加20~30%,运移性能提高2~3倍;溶于原油可使其体积膨胀,黏度降低1.5~2.5倍,提升采油速度,能增加10~15%的原油采收率。目前,中原油田、吉林油田和辽河油田均使用二氧化碳驱油技术,取得了明显成效。

  (3)溶剂、萃取剂

  液态二氧化碳已成为高效无污染的萃取剂,称为超临界萃取,操作条件温和易控制,可保持产品的生物活性,多用于食品、生物制药等行业。提取茶叶中的茶多酚、银杏中的黄酮和内酯以及桂花精油、米糖油等都用到了二氧化碳超临界萃取技术。

  (4)工业原料

  在化学工业上,二氧化碳是一种重要的原料,大量用于生产纯碱、小苏打、尿素、碳酸氢铵、颜料铅白等;在轻工业上,生产碳酸饮料、啤酒、汽水等;在食品工业中,被用作发泡剂。

  (5)食品保鲜剂

  用二氧化碳贮藏的食品由于缺氧和二氧化碳本身的抑制作用,可有效防止食品中细菌、霉菌、害虫的生长,避免变质和有损健康的过氧化物产生,并能保鲜和维持食品原有的风味和营养成分;二氧化碳不会造成谷物中药物残留和大气污染;用二氧化碳通入大米仓库24小时,能使99%的害虫死亡。

  (6)植物气肥

  对植物而言,二氧化碳是重要的生产原料,是其赖以生存的必须碳源。在蔬菜大棚中,由于空间相对封闭,棚内植物栽植密度较大,往往导致二氧化碳浓度低于外界。补充大棚中的二氧化碳浓度,能促进植物的光合作用,增强作物抗病能力,促进早熟,提高产量。目前二氧化碳施用技术在欧洲、北美、日本都得到了大规模推广应用,在美国有50~70%的温室作物、荷兰80%以上的温室作物采用了二氧化碳增施设备。美国科学家在新泽西州的一家农场里,利用二氧化碳对不同作物在不同生长期进行了大量的研究,发现在农作物生长旺盛期和成熟期增施二氧化碳,效果最显著。在这两个时期,每周喷射两次二氧化碳,喷4~5次后,蔬菜可增产90%,水稻增产70%,大豆增产60%,高粱甚至可以增产200%。

  2.生物方法捕集二氧化碳的应用

  植物通过光合作用吸收二氧化碳,合成固态有机碳化合物,可制成不同用途的植物碳产品,如建筑材料、家具、农具、用具、工业品及食品、香料、香精、饲料、肥料、纸制品、生物质能源、化工原料等,还可深度开发出多种精细化学品。目前已初步形成“速生碳汇草”综合开发利用的产业化路径。

  四、发展绿色经济,建设人与自然和谐共生的现代化

  习近平总书记深刻指出,保护生态环境就是保护生产力,改善环境就是发展生产力。党的十九大报告深入阐述了发展经济与保护环境的关系。满足人们日益增长的优美生态环境需要,提供更多优质生态产品,需要大力发展生态经济、绿色经济,使我们实现的现代化成为与生态文明相统一的现代化,使我们的文明成为人与自然和谐共生的新的文明。

  碳是组成有机体的重要元素,生命是碳循环创造的产物。在生物的器官、组织、细胞和有机物分子中,碳元素约占生物体干重的49%,从生命的开始到终结,二氧化碳全程陪伴着我们,她是人类最忠实的朋友和宝贵的资源财富。利用二氧化碳载体通过光合作用获得物质与能量,是顺应自然规律的生态文明之道,是人与自然和谐共存的不二选择。碳循环才有生命,碳循环就是财富,碳循环才可持续。只有顺应自然才能生存与可持续发展,这是人类应当具备的智慧。

  1.提供更多优质生态产品

  综合开发利用大气碳资源,制造碳产品,形成碳产业,创造碳经济;科学地统筹“山、水、湖、草、林、田、城”系统工程治理,协调发展“草、林、牧、副、渔业”,形成大自然、大生态、大碳汇的一体农业格局,不断地增加地球生物质总量和生物的种群数量,获得优质的生态产品。

  2.应对全球气候变化策略

  应对全球气候变化不能使用唯心的、主观的、孤立的、片面的、静止的、被动的、消极的态度与方法,不可盲目遵从和照搬西方国家提倡的“低碳经济发展模式”,要用唯物的、辩证的、系统的、全面的、发展的、主动的、积极的态度与方法,勇敢创新。采取多途径、多手段集成的符合我国国情的方法对待全球气候变化问题,以发展新气候经济为主导,以植物碳封存为手段,以创建“零碳”区域发展模式为方向,以实现全球零碳排放为目标,是解决全球气候变化问题的正确道路。

  3.区域“零碳”与新气候经济

  区域“零碳”是一种技术、一种模式、一种目标、一种境界、一种责任、一种担当。 “零碳”是运用《零碳规划》和统筹方案,对区域内的二氧化碳进行普查,采用节能减排、绿色能源替代、碳产品封存、生态碳汇补偿及实体碳、热、氧量交易等方法,使一个行政区划(或一个单位)边界范围内的总减碳量与总排碳量处于动态平衡(即光合作用吸收的二氧化碳总量减去生物氧化排放的二氧化碳总量等于零)。长沙县、娄底市、桃源县以“速生碳汇草捕碳固碳技术”和“实现‘零碳’区域发展模式的方法”为支撑,编制《零碳发展规划》,创建全国首个“零碳县”、“零碳市”和“负碳县”,其范围之广,人口之众,排碳之多,要素复杂,难度之大,是人类历史上征服自然,克服温室效应,控制全球气候变暖的大胆创新实践。

  大气碳资源及二氧化碳当量物质的综合开发利用,为人类创造了丰富的资源与财富,植物封存既是能源储藏,又是“碳黄金”储备,可转化为巨大的社会经济效益。

  研究掌握碳循环规律,对碳释放、碳转化、碳传递、碳封存、碳应用等碳循环过程实施技术控制、统筹和顶层设计,使人类能充分合理地利用没有国界、没有纷争的大气碳资源,获得可持续发展的大量物质财富,解决生态、环境、资源、经济与气候变化问题。

  (作者:中南林业科技大学碳循环研究中心主任、湖南省精细化工研究所所长)


 
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