陈应天
毛如柏
袁东来
张聪
杨名舟
一、什么是富碳农业——废物与宝藏的辩证
富碳农业是在全国乃至全球近些年来一片低碳经济的呼声中提出来的新对策，用以解决气候变化、能源危机、粮食短缺、困难立地四大难题。富碳农业，简言之，是一种积极的，将二氧化碳有机地使用、储存在地球表面的方式；将人类活动中，特别是工业生产中所产生的过量二氧化碳捕集后，以高于大气中二氧化碳含量的几倍浓度，作为气肥释放在相对密闭的人造气候的小区域中，培养种植各类作物，辅以其他科学技术手段，创造一个高效率的光合作用环境，生产出大量的作物产品供给人民生活，秸秆及其他干物质可以作为建材、化工、燃料等工业原料，进而形成一个巨大的新兴产业，创造极大的经济效益和社会效益。这种密封式的富碳小区域可以使用目前大量存在的废矿井、岩洞、废煤层、盐碱地、沙漠地、荒漠地等进行改造，所需要的能源应以太阳能、风能为主的再生能源就地消化使用。大规模地推广富碳农业可以起到“一石四鸟”的作用：应对气候变化、缓解能源危机、补充粮食短缺、利用困难立地。这又应验了那句俗话：在这个星球上，没有无用的废物，只有放错地方的资源。
二、鲧禹治水的教训——堵与疏的辩证
人们普遍认为，过量的二氧化碳是造成气候变化的祸因，从而提出节能减排的单一对策。然而，消极地推行低碳生活和低碳行为对当前人类社会的健康发展存在一定的负面影响，对争取发展中国家和已发展国家的平等会有一定障碍，因此在实际实施中困难很大，所以多次国际碳排放会议都在争吵中无果收场。
在治理温室气体的问题上，中国的鲧禹治水给我们提供了一定教训。在人类发展的几千年历史中，地球生态环境曾经历过两次气候变暖的时期：一次是在公元前22世纪到25世纪，那时由于气候变暖、冰川融化、大量洪水泛滥，遂产生了西方的“创世纪”中诺亚方舟和东方的“史记”中鲧禹治水的故事。对于气候变暖所产生的大量洪水，鲧的方法是“堵”，水来土挡，终于治水不成，越堵洪水越肆虐，九年不成；禹的方法是“疏”、“堵”结合，开山劈岭，疏通九州，为洪水找出路，将多余的水排向海洋，历经十余年，保住了刚刚在东方发展起来的中华文明。对温室气体的治理也应当在尽量减少二氧化碳排放的同时，给多余的二氧化碳找到出路，而不是纯粹地减少或者掩埋它们。富碳农业就是在这样一个世界性的争议大课题中所产生的新命题。
从整体上说，富碳农业（包括富碳林业）是将多余的二氧化碳转化为碳水化合物，并以粮食或其他干物质的形式储存在地球表面的一种碳储存方法。它所转换成的碳水化合物不仅可以作为粮食供给人类生活，而且碳水化合物的其他干物质形式可以代替目前需要大量碳排放才能获得的钢材、水泥、化学纺织品、化石燃料等。所以尽管人类对碳水化合物的食用部分是恒量，但人类生活需求和改善刚性要求是二氧化碳的巨大存储库，可以比拟成经过大禹治理后的洪水，变成了灌溉良田的生命之源。
三、植物的光合作用
植物以水和二氧化碳作为原料，在光的催化下生成碳水化合物并放出氧气。作者在近期所发表的科学论文中提出，对于大部分植物，在充分具备三要素的条件下，这样的极限效率可以达11%左右。这是一个同近代农业的常规效率（约为0.8%左右）差距很大的数据。这个数据的背后说明农业进一步增产的可能性。
作者在同一篇论文中引证了地球生态史上延续了几亿年的富碳时期，提出了富碳环境是提高光合作用效率的重要生态条件。现在国内外大量的科学实验和生产实践也充分证明了这一点。
植物光合作用的科学研究已经揭示，太阳光的全色光谱中只有部分谱线是对光合作用做出贡献的；另外，光合作用的光饱和点也并非是全部的太阳光强，对有些植物，只有四分之一的光强就足够高效催化了，选频的人造光源是在密闭环境下实现高效光合作用的可选择技术手段。
二氧化碳作为光合作用所需要的重要原料，可以通过人工的方法进行补给，气体来源于工业生产中所释放出来的二氧化碳，即控制二氧化碳在大气中的排放。廉价地实现二氧化碳的捕集，运输和在密封场所的释放是实现富碳农业的另一技术要求。
经过综合分析，我们得出结论：现代科学技术的发展已经提供了所有实现以上要求的条件，只要近代科学能够在成本不高的条件下给我们提供充分的光和二氧化碳，我们就可以摒弃传统使用阳光下的土地进行耕作的农业方法。在一个密闭的人造气候中，重新设计植物生产方法，将农业生产工业化。这不仅会大大增加农作物的产量，而且可以有效地缓解气候变化，有效地利用太阳能、风能等二次能源。目前发生在全球范围内的气候变化以及它所产生的对人类生存的严重威胁，已经倒逼我们不得不走富碳农业之路。
四、涉及到植物生长所需要的光和气的几项技术研究
近些年来，对于人造光源的研究和开发，已经极大提高了农业生产大规模使用的可行性。作为单色光谱冷光源的发光二极管的光效已经比白炽灯、节能灯和荧光灯高出许多，从2009年开始，其发光效率以每年约8%的速率提高，已经从29%跃进到2012年的52%。而其成本的年下降速率在这一段时期几乎达到了10%。对于单色的发光二极管的成本，目前是每瓦0.4元，用于植物的光合作用，以所取得的农业干物质的价值进行计算，达到了初步可行的程度。
对于地下不是很深的密封农业工厂，使用太阳光的光导纤维导入阳光是采光的另外一个技术方案。由于拘泥于聚光透镜的使用，太阳光纤导入系统的开发一直受到成本高企的限制。近期，无光像光学研究已经使得对传统的设计提出反射聚光改进变得可能，可使太阳光导入系统的制造成本大大下降，极大地提高了在富碳农业中应用的可行性。经过仔细改进后，廉价的塑料光纤在富碳农业中可以应用。
本文中提出的使用困难立地开发富碳农业工厂的设想，一个更大的障碍是能源，人造光源需要消耗相当多的电能。富碳农业还是一种非常节水的技术，十分适用于干旱缺水地区。富碳农业的用电应当主要来自风能、太阳能等可再生能源，我国绝大部分困难立地处于电网无法延伸的地区，然而，当地的风能、光能资源却异常丰富。目前国家的能源政策是将这些新能源通过长距离的高压传输到高负荷地区，成本很高。我们应当大力提倡困难立地地区的富碳农业，就地发电，就地使用。先进的太阳能发电密度可以达到每平方米50—70瓦，同以上要求是比较接近的。
这些年来为了生产有机农作物及其他反季的蔬菜、水果，以温室为目的的农业工场及农业大棚已在世界各国发展迅猛，仅我国大约建有以蔬菜种植为主的农业大棚达200万公顷。在这些温室中，并不乏见实施二氧化碳气肥并取得丰产的实例。然而，所述的这些温室，大部分遇到由于控温要求而消耗大量能量，由于保留高浓度的二氧化碳气氛而需要密封温室的困难，所有这些所产生的高成本已经成为进一步发展的障碍。我们所提出的富碳农业工厂的设想，在一开始就从解决光源入手，提出农业工厂可以不必建造在阳光普照的土地上。如果可以解决光合作用所需要的光，则可利用已存的大量可以进行密封的废井、废矿、废地层、废地道等进行就地改造以实现富碳农业的耕作方法。在富有阳光资源、风力资源的沙漠、荒漠、盐碱地、荒地等典型的困难立地，可以实施一种半埋式的地下农业工厂设计，半埋式的地下农业工厂车间使用地热和太阳能光热相结合的方法进行控温；使用太阳能直接光照、人造光源和太阳光导相结合的方法提供植物生长所需要的光能；在全密封的环境下使用热解的碳酸氢铵所产生的高浓度二氧化碳提供植物生长的原料。
五、富碳农业是否真能改变生态环境？
按照IPCC（国际政府间气候变化委员会）对全球的减排目标，根据目前全球工业及交通排放的实际状况，应当每年减少10亿吨碳排放。根据这样的目标，作为一个发展中国家，假设中国可以承担1亿吨的减排，折合成二氧化碳就会成为3.6亿吨。如果按照本文所述，这3.6亿吨的二氧化碳全部通过富碳农业工厂转换为农业、林业产品，则可以增产7.2亿吨农、林作物的干物质，其中包括2.5亿吨的可食用作物。其他部分可以作为生物质燃料，更可以作为代替钢材、水泥、塑料的木材和其他丝织品。
可以预见，富碳农业时代应当是人类回归到更多地使用非人造材料的时代。我们的下一代可能需要使用更多天然材料的房屋、家具、用品等，以这种形式，在地球表面储存我们这一代人所过分产生的碳排放。这应当是对碳封存的一个最经济的处置方式。
我们也做了一个估算，对于上述使用1亿吨的碳排放进行富碳农业生产的目标，按照现在的工业水准，所需要的农业工厂面积约为450万公顷，需要包括发光二极管、二氧化碳捕集、光导纤维、聚光光伏光热、半埋式富碳车间等在内的年总投资1万亿元左右。这个数据相比于目前二氧化碳捕集和封存的成本，相比于目前粮食、蔬菜、木材、生物燃料的价值，更加验证了上述富碳农业的设想的可行性。
与美国等大规模的农业机械化生产不同，本文提出的是一种农作物生产工业化的概念。根据我国国土资源的特点，特别是我们具有太多的困难立地，富碳农业工厂是在已发展起来的农业温室、大棚等农业科技基础上提出来的新的生产方式。它将近代科学技术的许多分支，包括光伏光热技术、气肥技术、发光二极管技术、机器人技术、光导纤维技术、近代建筑控温技术、新种子技术、超净无菌车间技术等有机地溶合入新的农业生产。
人类社会经过漫长的发展进程，从自然界中吸取养分并进行交换，已经同生态环境浑为一体，形成了一个类似于人体结构的硕大的自适应系统。在这个大系统中，哲学、科学、文学作为大脑，通讯、语言、媒介作为神经，欲望、信仰、好奇作为激素，工农业生产作为营养循环系统，生态环境作为所依托的肉体和骨骼。现在的问题是，由于碳循环的严重失调，这个大系统开始生病了，主要症状为气候变化、能源危机及粮食匮乏；生病是自适应系统的一种自然反应。生病的原因应当是工农业生产的营养系统的碳循环出了毛病，正像人体中的血液或气体循环出了毛病，富碳农业则可能是重要的处方。我们需要通过大面积的富碳农业工厂，消化掉过量的二氧化碳并用于调解气候，滋养农业，使整个生态系统进行调整和休养生息，在生存发展的同时，修复地球。这个过程，可能需要几十年到上百年甚至上千年，虽则在历史的长河中，只是瞬间，然而是极其关键的瞬间，如同当年大禹治水，捍卫了一个刚刚在东方萌发的文明。
