植物填埋降低大气二氧化碳技术研究

雷学军

（湖南绿心农林科技有限公司，湖南 长沙 410117）

植物填埋降低大气二氧化碳技术研究

雷学军

（湖南绿心农林科技有限公司，湖南 长沙 410117）

种植速生、丰产、捕碳效率高的陆生和水生草本植物，一年可刈割多次，其叶面总面积和叶绿体总数量，大于相同种植面积、多年一次生命周期的乔木的叶面总面积和叶绿体总数量；其总捕碳量，是相同种植面积乔木总捕碳量的40～50倍。根据上述发现，作者首次提出种植速生、丰产的草本植物，通过光合作用将大气中的CO2转变成有机化合物填埋到地层下，实现全球大气CO2负增长的方法。每年填埋380～400亿t植物，50年内，即可将大气中的CO2浓度由当前的0.039 1%降低到工业革命前的0.027 5%。开辟了人类应对大气温室效应危害的新途径。

速生植物；光合作用捕碳；填埋封存；大气CO2负增长；降低温室效应

18世纪以来，由于煤炭、石油、天然气的大量使用，人类向大气中排放的CO2等温室气体逐年增加，温室效应随之增强。引起地球上病、虫、害和传染性疾病频发；海平面上升，气候反常，海洋风暴增多；土地干旱，粮食减产；沙漠化面积迅速扩大等一系列严重问题[1]。

目前，世界各国都在大力提倡植树造林，增加对大气中CO2的吸收，对防止水土流失、净化空气、美化环境、缓解温室效应[2]起到了非常重要的作用[3]。应扩大公益林概念的范围，用更严格的制度禁止森林开采、树木砍伐。提倡低碳生活，保护绿色地球。

由于单位面积乔木的总捕碳量是相对固定的，乔木生长前期和后期捕碳量较少，生长旺盛期捕碳量稳定持续，多数乔木在几十年的存活期内，固碳数量基本上是一个定值。每年乔木的枝叶脱落腐烂后又转变成温室气体进入了大气；乔木砍伐后，一部分用于饲料、燃料、肥料等，直接转变成了温室气体；一部分用于建材、家具、工艺品、文化用品、运动器材等，在加工过程中产生大量木屑，最终也转化成温室气体进入大气。繁育和种植乔木周期长、成本高。世界森林面积约为38亿hm2，生物总量约为3 864亿m3，可吸收40.6亿tCO2。2012年全球排碳总量却高达356亿t[1-3]。因此，现有乔木难以抵消人类生活、生产活动日益增加的CO2排放量，最终无法遏制大气温室效应的加剧。

鉴于上述情况，作者提出了种植速生、丰产、捕碳效率高的陆生和水生草本植物，通过光合作用将大气中的CO2转变成有机化合物，大量的填埋到地层下，实现全球大气CO2负增长的方法。

1 实验设计

1.1 实验组和对照组

实验组：植物填埋捕碳组，即速生、丰产、捕碳效率高的陆生和水生草本植物组。

对照组：乔木捕碳组，即常绿乔木组和落叶乔木组。

1.2 样 品

实验组陆生植物样品：皇竹草Pennisetum sinese、甜象草Suavis elephantus[4-5]。实验组水生植物样品：凤眼莲Eichhornia crassipes[6]、芦苇Phragmites australis[7]。对照组常绿乔木样品：桂花Osmanthus fragrans、女贞Ligustrum lucidum。对照组落叶乔木样品：国槐Sophora japonica、鸡爪槭Acer palmatum。

2 草本植物与乔木叶面总面积测量

用扫描式活体叶面积测量仪对实验组（草本植物）和对照组（乔木）叶面积进行了测量，结果见表1、表2。

表1 实验组植物叶面总面积†Table 1 Plant leaf total area of experimental group

表2 对照组植物叶面总面积†Table 2 Plant leaf total area of control group

实验证明：速生草本植物每年可刈割多次，其叶面积50年累计值是相同种植面积乔木50年累计值的260～370倍。

3 草本植物与乔木叶绿体总数量测定

采用机械法将叶片中叶绿体分离出来，在电子显微镜下对叶绿体数量进行计数，结果见表3、表4。

表3 实验组植物叶片叶绿体总数量†Table 3 Plant leaf total number of chloroplasts of experimental group

表4 对照组植物叶片叶绿体总数量†Table 4 Plant leaf total number of chloroplasts of control group

实验证明：速生草本植物每年可刈割多次，其叶绿体总数量50年累计值是相同种植面积乔木50年累计值的250～350倍。

4 草本植物与乔木捕碳量对比实验

4.1 方 法

4.1.1 试 样

取实验组和对照组各组1～50年(根据植物年轮确定)植物各0.1 hm2样品(整株)恒重后分别称重。

4.1.2 检验设备

烘箱、电子分析天平、油浴锅、电炉。

4.1.3 检验依据

LY/T 1237-1999

4.1.4 测定结果

含碳量分别是：皇竹草含碳量51.32%、甜象草含碳量49.63%、凤眼莲含碳量47.44%、芦苇含碳量48.39%、桂花含碳量48.01%、女贞含碳量47.01%、国槐含碳量51.20%、鸡爪槭含碳量51.05%。

植物含碳量与生长环境、含水率、降雨量、栽培土壤、温度、湿度有着密切的关系，以上数据系22°～40°N之间植物样本的实验检测值。

4.2 捕碳量计算公式

式(1)中：C捕为植物捕碳总量，W为植物单位面积的生物量，Rc为植物百分含碳量，S为植物种植面积（hm2），N为年限（设定值为50年）。

式(2)、式(3)中：X为乔木CO2的吸收量，C为乔木固碳量，W为乔木单位面积的生物量。乔木固碳量公式(2)、(3)引用于《森林生态系统服务功能评估规范》。

4.3 计算

按以上计算式对草本植物和乔木捕碳量进行计算，结果见表5、表6。

实验证明，种植速生、丰产、捕碳效率高的陆生和水生草本植物，50年的总捕碳量，是相同种植面积多年一次生命周期的乔木总捕碳量的40～50倍。

表6 对照组捕碳量Table 6 Carbon capture amount of control group

图1 植物填埋管理系统Fig.1 Management system of plant landf i ll

5 植物填埋管理方法

植物填埋管理系统包括计算机、若干个数据采集装置、若干个显示器、输入设备和打印机，所述数据采集装置、显示器、输入设备、打印机均与所述计算机连接。通过植物填埋管理系统来统计各个国家、地区及各个单位，填埋植物光合作用固定的CO2总量[8]（见图1）。

运用以上系统对植物填埋进行管理，植物填埋多的国家、地区及单位可帮助难以完成温室气体排放削减任务的国家、地区和单位，促进“全球植物填埋量与碳排放量交易”，完成减排任务。

6 植物填埋产生气体的综合利用

植物填埋产生气体后，采用主动抽气方式使填埋场处于负压状态，减少生物质的分解；对抽取的气体经预处理后，利用各种气体在压力的推动下透过膜的能力不同，从而达到分离目的[9]（见图2）。

图2 植物填埋气体的综合利用装置Fig.2 Comprehensive utilization devices of gas led by land-f i lled plants

上述装置处理植物填埋产生的气体，清洁高效、经济简单，能有效的降低植物填埋产生的气体对环境的污染和资源的浪费。

7 植物填埋产生渗滤液的利用

采用主动抽取液体的方式，使填埋场内水份减少，降低生物质的分解量。在碱性环境下渗滤液中NH4＋转化成游离态NH3，经氨氮吹脱塔去除游离氨、氮后，在酸性环境中经微生物发酵，产生大量的沼气溢出，再经曝气氧化，反渗透过滤达标后排出。通过该工艺将游离氨、氮最终变成了硫酸铵；沼气提纯成高浓度压缩甲烷液体。经处理后，渗滤液中的氨、甲烷得到充分利用，渗滤液得到达标处理，对水体不会产生污染[10]（见图3）。

图3 植物填埋过程中渗滤液利用装置Fig.3 Utilization devices of percolate led by land-f i lled plants

本装置处理植物填埋过程中产生的渗滤液，对防止污染地下水体和环境具有十分重大的意义。

8 植物填埋产生恶臭的处理

植物在填埋时设置主动式气体、液体收集装置，在风机的作用下，集气罐中的臭气和渗滤液池中的恶臭经布水塔吹脱后进入A、B生物过滤池，在高效复合微生物的分解作用下，有机物在腐烂分解过程中产生的气态代谢产物或中间产物，成为微生物生存的营养物质，最终变成没有污染的微生物代谢产物，彻底消除了植物填埋过程中产生的含硫化合物、含氮化合物、含氧有机物、卤素及衍生物、烃类及芳香烃等形成的恶臭。利用微生物菌群去除植物填埋过程产生的臭气[11]（见图4）。

图4 植物填埋过程中恶臭处理方法Fig.4 Processing method for eliminating odor led by land-f i lled plants

本装置处理植物填埋过程产生的恶臭，能降低植物填埋气体对环境的影响和对生态的破坏。

9 植物填埋产生热量的综合利用

利用前期填埋的植物在分解过程中产生的热量，对中期和后期填埋的植物进行升温干燥，减少生物质的分解量；同时，经地热井收集热量，通过地源热泵供发电、制冷、工厂供热、日常供热、农业大棚供热、水产养殖、种植等多个领域使用[12]（见图5）。

图5 植物填埋热量综合利用装置Fig.5 Comprehensive utilization devices of heat amountled by land-f i lled plants

本装置发电效能高、清洁安全、经济简单，能有效的降低植物填埋过程中产生的热量对环境的破坏和资源的浪费。

10 植物填埋场的结构及植被恢复方法

植物填埋场由底部衬层系统、填埋单元、覆盖系统、渗滤液收集处理系统、填埋气体收集处理系统、填埋热量收集处理系统、地下水监测系统组成。填埋场封场后进行植被恢复，在埋土层中加入有机肥、草炭土等混合的种植土后再种植先锋植物，将次生裸地由草丛、灌木丛向树林演变。利用种植土改良生物质覆盖土土壤性质，以保证所种植的植物不易受生物质降解产生的气体、液体和热量影响而死亡，同时减少植被恢复工程量和投资，提高土地利用率，减少土壤裸露对环境的不良影响[13]（见图6）。

图6 植物填埋场结构及植被恢复Fig.6 Structure of plant landf i ll yard and re-vegetation

该方法可迅速使填埋场恢复植被，形成良性的生态系统。降低污染，实现土地资源可持续利用，达到人、资源和环境的和谐共生。

在化石能源用尽后，大气温室效应平衡时，开启植物填埋场，将填埋的生物质制造成型燃料或直接用于燃烧发电等；也可将生物质制造肥料及开发其它用途的产品。

11 结论与讨论

（1）实验证明：种植速生、丰产、捕碳效率高的陆生和水生草本植物，一年可刈割多次，其叶面总面积和叶绿体总数量，大于相同种植面积、多年一次生命周期的乔木叶面总面积和叶绿体总数量；其总捕碳量，是相同种植面积乔木总捕碳量的40～50倍；首次提出种植速生、丰产草本植物，通过光合作用将大气中的CO2转变成有机化合物，大量的填埋到地层下，并对植物产生的气体、渗滤液、热量等收集利用，实现全球大气CO2负增长的方法。其特点是：安全、节能、环保、储能、成本低。本项目种植速生植物所用肥料全部为生物质肥料；种植、收割、运输、加工、封存全过程所用能源，全部采用生物质能源。

目前，已在湖南建立了世界第一个科研种植示范基地和植物填埋示范基地，可推广到长江中下游、黄河中下游等湿地。全国湿地总面积达6 600万hm2，只需用3 000万hm2种植速生植物；我国有海洋总面积约29 700万hm2，可在南海、东海、黄海、渤海等海域使用7 000万hm2海面种植速生藻类[9-17]。每年可产速生植物380～400亿t；每年可捕捉150～160亿t CO2。可抵消全世界100%的CO2年排放增长总量，50年内可使全球大气CO2含量降低到工业革命前的水平。我国将成为世界上唯一创造大气CO2负增长和解除全球大气温室效应危害的国家！

（2）1992年5月22日由多个国家达成的《联合国气候变化框架公约》提出，控制大气中CO2等造成“温室效应”的气体的排放，将温室气体的浓度稳定在使气候系统免遭破坏的水平上。《公约》要求发达国家作为温室气体的排放大户，要向发展中国家提供资金，以支付他们履行《公约》义务所需的费用。《公约》没有从根本上控制大气中CO2浓度绝对值的增加。要想从根本上解决大气温室效应对人类和自然生态系统的危害，应从减少大气中CO2着手，开展全球性的植物填埋工程。建议创立《国际植物填埋量与碳排放权交易新公约》，植物填埋捕碳多的国家或地区，可帮助难以完成温室气体排放削减任务的国家或地区，促进碳排放量与植物填埋量的全球性交易。

对排碳单位和个人采取课税的办法支持植物填埋捕碳，增加碳汇；让农民用大量秸秆、稻草等生物质抵税，用经济运行的杠杆模式约束秸秆田间自由燃烧的现象，走低碳生活的道路，减少碳源。努力创造全球碳排放量负增长的新格局。

（3）填埋植物捕碳是全人类的一项浩大的拯救工程，由排碳者出钱，埋碳者靠埋碳营生，光合作用制造的生物质成为直接填埋的商品，可谓是“碳负增长生产”！本项目提供了迅速创造社会财富的新方法，将为成千万上亿的人从事该领域的科研、生产、植物填埋与碳排放权交易提供新的工作岗位；为人类创造巨大的经济需求，找到了全球经济危机时代新的经济增长点；开辟了人类应对大气温室效应危害的新途径。

[1] 关 忆.浅谈温室效应产生的影响和防治措施[J].科学理论,2008,(2):101-102.

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[6] 雷学军.凤尾莲和水藻的速生生产与高效捕碳栽培方法:中国.201310081312.5[P].2013-05-29.

[7] 雷学军.芦苇和荻的速生生产与高效捕碳栽培方法:中国.201310081341.1[P].2013-05-29.

[8] 雷学军,祝加铧,雷谨榕,等.一种生物质填埋管理方法:中国.201210588374.0[P].2013-05-06.

[9] 雷学军.一种生物质填埋产生气体的综合利用设备及方法:中国.201210529862.4[P].2013-04-03.

[10] 雷学军.一种生物质填埋过程中渗滤液利用设备及方法:中国. 201210573050.X[P].2013-04-24.

[11] 雷学军.一种生物质填埋过程中恶臭处理设备及方法:中国.201210529822.X[P].2013-03-27.

[12] 雷学军.一种生物质填埋热量的综合利用设备及方法:中国.201210588028.2[P].2013-04-17.

[13] 雷学军.一种生物质填埋场植被恢复方法:中国.201310065542.2[P].2013-05-29.

[14] 雷学军.通过速生藻类的种植、收获和填埋实现固碳的方法:中国. 201310140098.6[P].2013-06-05.

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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

长沙科技局重点项目（k1301061-21）

雷学军(1958-)，男，湖南安乡人，研究员，国务院政府特殊津贴专家，主要从事生物学、精细化工等领域的研究与开发

[本文编校：吴 毅]