植物碳匯可以幫助人類將大氣中的二氧化碳“拉回”地下。然而，自由生長的植物并非天生為固碳而生。因此，植物固碳也面臨諸多難題。

在這些難題中，有三個最為關(guān)鍵。首先，植物光合作用通過自然光驅(qū)動二氧化碳固定，效率很低，對太陽輻射的利用只有1%左右。第二，植物儲碳的器官還不夠大，儲存的碳有限。第三，植物的組成成分容易降解，這等于又把二氧化碳釋放出來，這使得它保存二氧化碳的時間相當(dāng)短暫。

因此，若想通過改良植物生態(tài)系統(tǒng)來增加植物碳匯，必須同時解決上述三個難題。

如何提高植物的光能利用效率？

植物的光合作用有多種類型，其中碳三（C3）、碳四（C4）是最常見的兩種模式。

所謂C3植物，是指二氧化碳在植物光合細胞中被固定后，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的有機物分子具有3個碳原子，其最大理論光能利用率約為4.6%。常見的C3植物包括水稻、大豆、油菜、小麥，以及幾乎所有的喬木。

C4植物是指二氧化碳在植物光合細胞中產(chǎn)生的有機物分子具有4個碳原子，其最大理論光能利用率可達6%。常見的C4植物包括玉米、高粱、甘蔗、莧菜等。

顯而易見，C4植物比C3植物的光能利用效率高30%左右?？茖W(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，C3植物之所以光能利用率低，是因為其細胞中的二氧化碳濃度偏低，因此很難“抓住”二氧化碳分子參與光合作用。而C4植物體內(nèi)有一個“泵”，能夠大幅提高光合細胞中的二氧化碳分子濃度。為此，植物學(xué)家試圖通過基因工程的方法把C4植物的這個“泵”安裝到C3植物中，以提高C3植物的光合作用效率。

理論計算顯示，無論是C3還是C4植物，都有提高光能利用率的巨大空間，提升碳增匯效應(yīng)的潛力十分巨大。目前，科學(xué)家已經(jīng)挖掘鑒定出一系列能夠提高植物光合作用效率的基因。未來，通過生物技術(shù)對植物進行改造，有望提高植物的光能利用效率。

比如，科學(xué)家正考慮通過合成生物學(xué)方法設(shè)計一些元件，幫助植物更全面地利用光譜。在自然界中，植物只利用了光譜中相當(dāng)少的一部分，而閃動光、藍綠光等低光利用還有巨大潛力可挖。此外，通過研究葉綠體發(fā)育，將其改進得更加“強壯”，不懼強光損傷，也是科學(xué)家努力的方向。這可以讓葉綠體在正午強光下也不用通過休眠來自我保護，而是持續(xù)“奮力工作”，將更多二氧化碳轉(zhuǎn)變成有機質(zhì)。

怎樣增大植物的儲碳器官？

植物吸收二氧化碳之后，通過一系列反應(yīng)進行碳固定。對多年生植物來說，無論是地面的枝葉還是地底的根莖，固碳現(xiàn)象都能持續(xù)幾十年時間。位于植物根部的碳轉(zhuǎn)移到土壤中后，甚至有可能被埋藏數(shù)千年。

雖然植物全身都可以儲碳，但自然進化而來的植物器官幾乎沒有一個專門為儲碳而生。為此，科學(xué)家希望能對植物進行改造，使其某些器官特別有利于儲碳。由于可以將碳轉(zhuǎn)入土壤中封存，植物的根系是首先被考慮用于改造的儲碳器官。

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。美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科學(xué)家克里斯特爾·簡森解釋，這是因為一年生植物在生產(chǎn)種子和枝葉上消耗了太多的能源，而多年生植物則有更加發(fā)達的根部系統(tǒng)，以滿足生存需求。

從根系深度來看，現(xiàn)在大多數(shù)植物的根系僅生長于深度不足1.5米的土壤中。如果可以讓植物的根系體積變得更大、更加粗壯，并能深入土壤至兩三米，甚至更深，那么通過光合作用被固定下來的二氧化碳也就能隨著植物的根系被埋入土壤深處。

植物的組織生長是一個涉及多種基因和因子的復(fù)雜過程。美國杜克大學(xué)基因科學(xué)與政策研究所系統(tǒng)生物學(xué)中心主任菲力普·本菲教授和他的研究團隊找到了一些重要的轉(zhuǎn)錄因子，使模式植物擬南芥的根系長得更長。

更大的根部還可提高農(nóng)作物的抗旱能力，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。有研究指出，到2050年，人類通過栽培經(jīng)基因工程優(yōu)化的植物和樹木，每年可抵消50億至80億噸的碳排放量。

如何讓植物能夠更長久地儲碳？

我們都知道，所有的木頭都會腐爛，腐爛實際上就是將植物固碳產(chǎn)生的有機物又以二氧化碳的形式釋放到大氣中。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些方法，能夠使植物降解速度變得極慢，且機械性能等可以根據(jù)需要進行設(shè)計優(yōu)化，因而使得植物不僅成為更加持久的碳匯，還可替代石油化工制品，為人類的生活提供綠色可靠的材料。

近年來，新型木材基功能材料的設(shè)計與制備領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列具有突破性創(chuàng)新的研究成果，包括超強木頭、自發(fā)輻射散熱木頭、透明木頭、低熱收集木頭、隔熱木頭、海綿木頭、柔性木頭等新型木材基功能材料。

2021年，《科學(xué)》雜志發(fā)表了美國馬里蘭大學(xué)帕克分校胡良兵教授團隊的研究成果，并將其選為封面文章。這個團隊找到了一種將天然木材轉(zhuǎn)換為可塑性木材的方法，通過化學(xué)方法處理，天然木材就可以折疊、扭曲、模壓成所需形狀。更重要的是，可塑性提高還伴隨著材料強度的提高，再次干燥定型后的材料強度可達原始木材的六倍，與廣泛使用的鋁合金相當(dāng)。

該工作被評論稱為“打開了復(fù)雜幾何形狀的木基結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造大門”，也為植物長久儲碳找到了一條路徑。