植物碳汇可以帮助人类将大气中的二氧化碳“拉回”地下。然而，自由生长的植物并非天生为固碳而生。因此，植物固碳也面临诸多难题。

在这些难题中，有三个最为关键。首先，植物光合作用通过自然光驱动二氧化碳固定，效率很低，对太阳辐射的利用只有1%左右。第二，植物储碳的器官还不够大，储存的碳有限。第三，植物的组成成分容易降解，这等于又把二氧化碳释放出来，这使得它保存二氧化碳的时间相当短暂。

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因此，若想通过改良植物生态系统来增加植物碳汇，必须同时解决上述三个难题。

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如何提高植物的光能利用效率？

植物的光合作用有多种类型，其中碳三（C3）、碳四（C4）是最常见的两种模式。

所谓C3植物，是指二氧化碳在植物光合细胞中被固定后，通过化学反应产生的有机物分子具有3个碳原子，其最大理论光能利用率约为4.6%。常见的C3植物包括水稻、大豆、油菜、小麦，以及几乎所有的乔木。

C4植物是指二氧化碳在植物光合细胞中产生的有机物分子具有4个碳原子，其最大理论光能利用率可达6%。常见的C4植物包括玉米、高粱、甘蔗、苋菜等。

显而易见，C4植物比C3植物的光能利用效率高30%左右。科学家通过研究发现，C3植物之所以光能利用率低，是因为其细胞中的二氧化碳浓度偏低，因此很难“抓住”二氧化碳分子参与光合作用。而C4植物体内有一个“泵”，能够大幅提高光合细胞中的二氧化碳分子浓度。为此，植物学家试图通过基因工程的方法把C4植物的这个“泵”安装到C3植物中，以提高C3植物的光合作用效率。

理论计算显示，无论是C3还是C4植物，都有提高光能利用率的巨大空间，提升碳增汇效应的潜力十分巨大。目前，科学家已经挖掘鉴定出一系列能够提高植物光合作用效率的基因。未来，通过生物技术对植物进行改造，有望提高植物的光能利用效率。

比如，科学家正考虑通过合成生物学方法设计一些元件，帮助植物更全面地利用光谱。在自然界中，植物只利用了光谱中相当少的一部分，而闪动光、蓝绿光等低光利用还有巨大潜力可挖。此外，通过研究叶绿体发育，将其改进得更加“强壮”，不惧强光损伤，也是科学家努力的方向。这可以让叶绿体在正午强光下也不用通过休眠来自我保护，而是持续“奋力工作”，将更多二氧化碳转变成有机质。

怎样增大植物的储碳器官？

植物吸收二氧化碳之后，通过一系列反应进行碳固定。对多年生植物来说，无论是地面的枝叶还是地底的根茎，固碳现象都能持续几十年时间。位于植物根部的碳转移到土壤中后，甚至有可能被埋藏数千年。

虽然植物全身都可以储碳，但自然进化而来的植物器官几乎没有一个专门为储碳而生。为此，科学家希望能对植物进行改造，使其某些器官特别有利于储碳。由于可以将碳转入土壤中封存，植物的根系是首先被考虑用于改造的储碳器官。

▲相较于一年生植物，多年生植物根系更发达，有利于长期储碳。（图片来源：《科学》杂志）

在利用根部固碳方面，多年生植物要比一年生植物效率更高。美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家克里斯特尔·简森解释，这是因为一年生植物在生产种子和枝叶上消耗了太多的能源，而多年生植物则有更加发达的根部系统，以满足生存需求。

从根系深度来看，现在大多数植物的根系仅生长于深度不足1.5米的土壤中。如果可以让植物的根系体积变得更大、更加粗壮，并能深入土壤至两三米，甚至更深，那么通过光合作用被固定下来的二氧化碳也就能随着植物的根系被埋入土壤深处。

植物的组织生长是一个涉及多种基因和因子的复杂过程。美国杜克大学基因科学与政策研究所系统生物学中心主任菲力普·本菲教授和他的研究团队找到了一些重要的转录因子，使模式植物拟南芥的根系长得更长。

更大的根部还可提高农作物的抗旱能力，增加农作物的产量。有研究指出，到2050年，人类通过栽培经基因工程优化的植物和树木，每年可抵消50亿至80亿吨的碳排放量。

如何让植物能够更长久地储碳？

我们都知道，所有的木头都会腐烂，腐烂实际上就是将植物固碳产生的有机物又以二氧化碳的形式释放到大气中。科学家已经发现了一些方法，能够使植物降解速度变得极慢，且机械性能等可以根据需要进行设计优化，因而使得植物不仅成为更加持久的碳汇，还可替代石油化工制品，为人类的生活提供绿色可靠的材料。

近年来，新型木材基功能材料的设计与制备领域出现了一系列具有突破性创新的研究成果，包括超强木头、自发辐射散热木头、透明木头、低热收集木头、隔热木头、海绵木头、柔性木头等新型木材基功能材料。

2021年，《科学》杂志发表了美国马里兰大学帕克分校胡良兵教授团队的研究成果，并将其选为封面文章。这个团队找到了一种将天然木材转换为可塑性木材的方法，通过化学方法处理，天然木材就可以折叠、扭曲、模压成所需形状。更重要的是，可塑性提高还伴随着材料强度的提高，再次干燥定型后的材料强度可达原始木材的六倍，与广泛使用的铝合金相当。

该工作被评论称为“打开了复杂几何形状的木基结构的设计和制造大门”，也为植物长久储碳找到了一条路径。

作者：许琦敏

责任编辑：任荃

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