综述：碳生物封存技术在碳捕获与封存（CCUS）中的应用：植物根系及沼气浆体作为二氧化碳载体吸收无机碳的潜力与优化策略

《Journal of Cleaner Production》：Application of carbon biological sequestration technology in CCUS: Potential and optimization strategies for inorganic carbon absorption by plant root and CO 2 carriers by biogas slurry

大气CO2浓度升高引发极端天气等问题，生物碳固定技术利用植物根系吸收CO2，结合生物气污泥作为载体和肥料，生命周期评估显示其节能减排效果显著，需在不同气候区部署并优化技术。

　　大气中二氧化碳（CO?）浓度的迅速上升已成为全球气候变化的重要驱动力。这一趋势不仅引发了极端天气事件的频发，还加剧了生物多样性的丧失，并对粮食安全构成了严峻挑战。为了应对这些环境问题，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被视为一种关键的解决方案。然而，传统的物理化学方法在能耗和操作成本方面存在显著缺陷，限制了其广泛应用。因此，生物碳封存技术逐渐受到关注，因为它通过自养生物将无机CO?转化为有机生物量，提供了一种低能耗、清洁的替代方案。尽管如此，该技术的大规模推广仍面临固定效率有限和工艺成熟度不足等障碍。本文综述了CCUS技术在植物基无机碳吸收和新型CO?载体在农业应用中的最新进展，重点探讨了植物根系对HCO??的吸收机制，并评估了沼气淤渣作为一种营养丰富的副产品，作为CO?载体和肥料的双重功能。同时，本文还分析了提高淤渣中CO?负载的策略，如通过生物质灰和生物炭改良提高pH值，以及这些策略对作物生长、土壤健康和碳保留的影响。生命周期评估显示，基于沼气淤渣的碳封存技术相比单一乙醇胺捕集技术，可降低能源需求高达65%，并减少温室气体强度达67%。此外，本文提出了针对热带、温带、干旱和寒冷农业生态系统定制的部署方案，并提出了未来研究的优先方向，包括多点田间试验、优化载体复合材料、进行全面的生命周期评估以及跨学科合作，以推动低能耗、高价值的农业碳生物封存技术在全球范围内的发展。

随着全球工业化进程的加快，人类活动对大气中CO?浓度的影响日益显著。2025年1月，CO?浓度达到了424.57 ppm，这是有记录以来的最高水平，比工业化前增加了50.5%。这一现象导致了一系列环境问题，包括极端天气事件的增加、冰川加速融化、海平面上升以及生物多样性的减少。这些变化不仅对人类社会活动造成了干扰，还影响了森林生态系统的稳定性、社会凝聚力以及农业生产力。此外，近年来的研究表明，大气中CO?浓度的升高会改变作物的营养成分。例如，水稻的蛋白质含量和铁、锌等关键微量元素的含量均出现下降。这一现象被称为“营养稀释效应”，对全球公众健康构成了直接和间接的威胁，因为这些营养素通过食物链传播，可能影响到10%至20%的人口健康。

面对日益增长的CO?浓度及其带来的环境和健康问题，全球范围内对减少排放的努力不断加强。2015年12月12日，巴黎气候协定的签署标志着各国在应对气候变化方面迈出了重要一步，承诺将全球平均气温上升控制在2°C以下，并努力将其限制在1.5°C以内。作为全球最大的CO?排放国，中国在能源结构上高度依赖煤炭，导致其排放水平持续居高不下。根据气候行动追踪器（Climate Action Tracker）的估计，到2030年，中国的CO?排放量可能达到13.8至14.6亿吨。因此，中国的环境政策在全球气候治理中具有举足轻重的地位，对于应对气候变化具有不可替代的作用。为了应对这一严峻形势，2020年9月22日，中国国家主席习近平正式提出了“双碳”战略目标，即在2030年前实现碳排放达峰，并在2060年前实现碳中和。

在应对气候变化和推动可持续发展的背景下，CCUS技术逐渐成为实现近零CO?排放的重要手段。CCUS技术基于碳捕集与封存（CCS）技术，但在此基础上加入了CO?利用环节，形成了一种更加全面的碳管理方案。该技术通过三种关键技术路径实现CO?的减排：捕集、利用和封存。捕集技术主要针对工业生产过程中CO?的提取，包括燃烧前、燃烧中和燃烧后阶段的捕集，旨在从源头减少排放。利用技术则通过化学、生物或地质途径将捕集的CO?转化为有价值的产品或能源。封存技术则通过深海或地质封存将CO?永久隔离于地下或水下。然而，尽管CCUS技术在全球范围内受到重视，目前其实际应用阶段仍面临诸多挑战，包括高昂的操作成本、关键技术的不成熟、支持性基础设施建设的滞后以及政策支持的不足。

在众多CCUS技术分支中，碳生物封存技术因其独特的优势而逐渐受到关注。该技术属于CCUS中CO?利用阶段的重要组成部分，具有低能耗和清洁无污染的特点。它利用生物或生物技术手段，将无机CO?转化为有机化合物，从而推动全球碳循环的可持续发展。地球上的自养生物具有强大的CO?固定能力，理论上可达到每年380亿吨的水平，这表明碳生物封存技术在大规模减少和利用CO?方面具有巨大的潜力。其中，高等植物是碳生物封存技术的重要组成部分，它们通过光合作用吸收大气中的CO?，并将其储存在自身的生物质中。这一过程不仅有助于降低大气中的CO?浓度，还能为生态系统提供丰富的有机物质。然而，植物在干旱、高温等胁迫条件下，其碳固定效率可能受到影响，从而限制了该技术的应用范围。为了克服这些限制，研究人员正在探索如何通过植物根系系统提高无机碳的吸收和固定能力，以实现更高效的碳封存。

本文旨在对CCUS技术的现状进行综述，重点探讨碳生物封存技术及其在农业中的应用前景。首先，本文将总结当前CCUS技术的优势与不足，以明确其发展路径。其次，本文将深入分析植物根系吸收HCO??的分子和生理机制，为优化碳吸收提供理论依据。然后，本文将评估多种载体策略，特别是沼气淤渣、生物质灰和生物炭改良，探讨如何将工业CO?转化为土壤中的可用形式。最后，本文将提出针对不同农业生态系统的定制化部署方案，并提出未来研究的重点方向，包括多点田间试验、优化载体复合材料、全面的生命周期评估以及跨学科合作，以推动低能耗、高价值的农业碳生物封存技术在全球范围内的发展。

在当前的全球气候治理背景下，CCUS技术被视为实现碳中和目标的关键手段之一。然而，其实际应用仍面临诸多挑战，包括高昂的运行成本、技术成熟度不足、基础设施建设缓慢以及政策支持不够。因此，推动CCUS技术的发展不仅需要技术创新，还需要政策引导和资金支持。与此同时，碳生物封存技术因其独特的生态和经济优势，被认为是一种具有潜力的解决方案。通过利用植物根系系统吸收和固定CO?，这一技术不仅有助于减少大气中的碳浓度，还能提升土壤的碳储存能力，从而为农业生产和生态保护提供双重效益。此外，碳生物封存技术还可以与其他碳捕集和利用技术相结合，形成更加完善的碳管理方案。

在农业应用中，碳生物封存技术的潜力尤为显著。一方面，农业生态系统是全球碳循环的重要组成部分，通过优化作物种植方式和土壤管理策略，可以显著提高碳封存效率。另一方面，农业活动本身也是碳排放的重要来源，特别是在化肥使用、土地翻耕和有机质分解等方面。因此，将碳生物封存技术应用于农业生产，不仅可以减少农业碳排放，还能提高土壤的碳储存能力，从而实现农业生产的低碳化转型。此外，碳生物封存技术还可以与农业废弃物资源化利用相结合，例如利用沼气淤渣作为CO?载体和肥料，实现资源的循环利用和碳的高效封存。

在具体实施过程中，如何提高CO?的负载能力和利用效率是碳生物封存技术面临的关键问题。一方面，可以通过调节土壤pH值，提高植物根系对HCO??的吸收能力。例如，添加生物质灰和生物炭可以有效提高土壤的碱性，从而促进CO?的吸收和固定。另一方面，可以通过优化植物根系结构和功能，提高其对CO?的吸收和利用效率。例如，某些植物品种具有较强的根系吸收能力，能够更有效地将CO?转化为有机物质。此外，还可以通过基因改良技术，提高植物的碳固定能力，使其在不同环境条件下均能发挥良好的碳封存作用。

除了技术优化，碳生物封存技术的推广还需要考虑生态系统的适应性和可持续性。不同农业生态系统对CO?的吸收和固定能力存在差异，因此需要根据具体的环境条件，制定相应的部署方案。例如，在热带和亚热带地区，高温和高湿度有利于植物的生长和碳固定，因此可以优先推广碳生物封存技术。而在干旱和寒冷地区，由于气候条件的限制，可能需要采取其他辅助措施，如改进灌溉系统或选择耐寒耐旱的作物品种，以提高碳封存的效率。此外，还需要关注碳封存技术对土壤健康和作物生长的影响，确保其在实际应用中不会对农业生产造成负面影响。

为了推动碳生物封存技术在农业中的广泛应用，需要从多个方面进行努力。首先，应加强多点田间试验，验证不同技术方案在不同农业生态系统中的适用性和效果。其次，应优化载体复合材料，提高其在实际应用中的稳定性和有效性。此外，还应进行全面的生命周期评估，确保碳生物封存技术在整个生命周期中均具有较低的环境影响和较高的经济效益。最后，还需要加强跨学科合作，整合生物学、农业科学、环境科学和工程学等领域的知识，共同推动碳生物封存技术的发展。

总之，碳生物封存技术作为一种新兴的CCUS技术，具有广阔的应用前景。它不仅能够有效减少大气中的CO?浓度，还能提升土壤的碳储存能力，为农业生产和生态保护提供双重效益。然而，要实现其大规模应用，还需要在技术优化、生态适应性和政策支持等方面进行深入研究和实践。通过不断探索和创新，碳生物封存技术有望成为全球农业实现低碳转型的重要手段之一。