我国作为世界上最大的农业生产国和温室气体排放国，承诺到2030 年前实现碳达峰，2060 年实现碳中和（“双碳”战略）。我国农业源温室气体排放约占全国温室气体总排放的14%，国家“双碳”战略给农业源温室气体减排带来很大的挑战。粮食作物生产是农业源温室气体排放的重要贡献源，而目前我国农田土壤平均有机碳固定速率低于全球平均水平。面临“排放高、固碳低”的困境，明确粮食作物生产的碳中和实现路径，对于实现我国“双碳”战略和缓解全球气候变化具有重要意义。围绕“我国粮食生产如何实现碳中和？”这一关键科技问题，南京土壤研究所颜晓元研究员团队联合中国农业大学、清华大学、昆士兰大学、康奈尔大学等国内外十余家研究单位，运用生命周期法结合大数据分析，评估了我国三大主粮作物生产过程的固碳减排潜力以及碳中和实现路径。
研究发现，2018 年我国主粮作物生命周期生产过程的碳排放总量为6.7 亿吨CO2 当量。其中，稻田CH4 排放占比38%，氮肥生产施用占比45%，土壤固碳仅能抵消总碳排放的8%。传统固碳减排措施的集成，比如增加秸秆还田比例+氮肥优化管理+稻田间歇灌溉，仅能够将总碳排放从6.7 亿吨降低至5.6 亿吨，主要原因在于稻田秸秆还田对CH4 排放的促进效应远大于固碳效应。如果进一步将秸秆碳化为生物炭还田+氮肥优化管理+稻田间歇灌溉，能够将总碳排放从5.6 亿吨降低至2.3 亿吨，减排幅度高达66%，但仍然无法实现碳中和。
为此，研究人员创建了一套“生物质热解多联产物”系统，将生物炭生产过程中的生物油和生物气纯化后发电（“能源捕获”），进行能源替代减排。在生物炭集合的基础上耦合能源捕获效应，我国主粮作物生产碳排放可以进一步实现从源（2.3 亿吨）到汇（-0.4 亿吨）的转变，实现碳中和；同时能够提高作物产量，降低活性氮和大气污染物排放。
