《Biosystems Engineering》：Energy intensity of non-fossil CO2 enrichment in greenhouse horticulture
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为应对化石CO2的不可持续性并维持温室园艺高产，本研究旨在评估三种非化石CO2源（生物源、直接空气捕获和通风）的能源强度。研究者开发了一种新方法，量化了CO2供应的“固定”和“天气相关”能源需求，并通过全年模拟比较了它们对产量和产品能源强度的影响。结果表明，生物源CO2是能源效益最高的选择，直接空气捕获应优先考虑能源效率而非高输出浓度，而通过通风提供环境CO2的作用有限。该研究为种植者和技术提供商优化CO2利用、降低单位产量环境足迹提供了重要指导。
在现代化的高科技温室中，为了提高作物产量，种植者常常会向室内空气中补充额外的二氧化碳（CO2），这一过程被称为CO2施肥。目前，荷兰温室中使用的大部分CO2都来源于化石燃料，例如现场燃烧天然气产生的烟气，或是来自工业副产品。然而，这两种来源都面临着不可持续的未来。一方面，为了实现气候中和的目标，温室园艺部门正朝着全电气化转型，这意味着未来将不再产生化石CO2。另一方面，工业产生的CO2也因碳信用体系而更倾向于被封存，而非供给农业。更关键的是，即使作物能100%高效地利用这些CO2，其中固定的碳最终仍会通过产品消费和分解回到大气中。如果这些碳最初来自地质储存（即化石燃料），那么整个过程仍会导致大气CO2的净增加，这与减缓气候变化的全球努力背道而驰。
如果无法获得可持续的CO2来源，温室将无法进行补碳，从而导致单位面积产量下降。为了维持总产量，可能需要扩大温室种植面积，这将增加能源、肥料、基质和塑料等投入，最终导致每公斤农产品对环境的影响升高。那么，如何在维持高产的同时，摆脱对化石碳的依赖呢？答案在于使用“短周期”CO2，即来自大气快速循环的碳。这包括直接从大气中获取的CO2，以及通过生物过程（如堆肥）浓缩的CO2（生物源CO2）。然而，获取和供应这些非化石CO2本身也需要消耗能源。不同的供应方式（如通风引入室外空气、使用直接空气捕获（DAC）机器、或利用生物源废气）其能源成本差异巨大，并且会与温室的供暖、降温等气候调控需求相互影响。目前，尚缺乏一个系统性的框架来评估和比较不同非化石CO2来源对最终产品“能源强度”（即每公斤产量所消耗的能源）的影响。
为此，来自荷兰瓦赫宁根大学与研究中心的Alexander van Tuyll、Cecilia Stanghellini、Martin K. van Ittersum、Alexander Boedijn和Silke Hemming开展了一项开创性研究。他们开发了一种新的方法论，首次从能源角度全面量化并比较了三种非化石CO2来源：生物源CO2、直接空气捕获（DAC）以及通过通风引入的环境CO2。该研究回答了三个核心问题：1) 使用不同CO2源达到期望室内浓度需要多少能源？2) 非化石CO2施肥能在不增加能源强度的前提下将产量提高多少？3) CO2的利用效率如何，其提升潜力有多大？这项研究为后化石燃料时代温室园艺的可持续发展提供了关键的量化工具和决策依据，其成果发表在农业工程领域权威期刊《Biosystems Engineering》上。
为开展此项研究，作者主要运用了以下几种关键技术方法：首先，他们建立了一个基于CO2质量平衡和温室能量平衡的理论模型框架，推导出计算CO2供应“固定”能源需求和“天气相关”能源需求的通用方程。其次，利用荷兰番茄作物的标准参数和为期一年的实际气象数据，进行了动态模拟计算，以评估不同CO2源在全年尺度上的表现。最后，采用了洛伦兹曲线（Lorenz curves）这一经济学工具，创新性地用于分析CO2供应的效率分布，识别出最能提升产量的关键CO2供应时段。
研究结果
1. CO2来源浓度对能源需求的影响
研究者通过理论推导发现，为达到特定室内CO2浓度（[CO2]in），所需置换的空气体积（QC）与CO2源浓度（[CO2]src）和室内浓度之差成反比。这意味着，当CO2源浓度越接近室内目标浓度时，需要引入的空气量就越大，从而导致因加热/冷却这些空气而产生的“天气相关”能源需求（Dwd）急剧上升，呈现双曲线关系。当[CO2]src远高于[CO2]in（例如浓度差超过约1%体积比）时，天气相关能源需求变得可忽略不计，总能源需求近似等于供应CO2本身的“固定”能源需求（Dfix）。这一理论发现表明，高浓度CO2源（如纯生物源废气）在能源效率上具有先天优势。
2. 不同CO2源的全年能源强度比较
通过对荷兰番茄温室进行全年模拟，研究比较了三种非化石CO2源：
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生物源CO2：假设来自蘑菇基质堆肥，浓度为3%（体积比）。由于其浓度远高于目标室内浓度（通常<1000 ppm），其天气相关能源需求极低。在考虑了收集和输送的固定能耗后，其总能源需求仍然是最低的，是能源效益最高的选择。
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直接空气捕获（DAC）：模拟了两种情景，一种是输出浓度为1%（低浓度），另一种是100%（高浓度，即纯CO2）。高浓度DAC的天气相关需求低，但其生产过程（捕获和压缩）的固定能耗非常高。相比之下，低浓度DAC的固定能耗稍低，但天气相关需求显著增加。模拟结果显示，优先提高DAC机器的能源效率，远比追求高输出浓度（>1%）更为重要。一个能源效率高的低浓度DAC系统，其总能耗可能低于一个效率低下的高浓度系统。
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环境通风：即直接引入室外空气（CO2浓度约425 ppm）。由于其浓度与室内目标浓度差很小，需要巨大的通风量，导致在寒冷季节产生极高的加热需求。模拟结果表明，通过通风来提供CO2的贡献微乎其微，且能源成本高昂，尤其是在冬季，因此它不是一种可行的主要CO2来源。
3. CO2利用效率与增产潜力
研究利用洛伦兹曲线分析了全年CO2供应与额外产量之间的关系。曲线呈现高度不平等分布，表明绝大部分的额外产量是由一小部分（约20%）在最有利条件下（高光、低温室通风需求）引入的CO2所贡献的。这意味着，通过优化CO2施肥策略，仅在光合作用效率最高、能源损失最小的时段进行精准补碳，可以大幅提高CO2的利用效率，从而在不大幅增加能源强度的前提下实现增产。研究还计算出，在模拟情景下，使用生物源CO2或高效DAC，可以在不增加产品能源强度的情况下，将产量提高约20-30%。
研究结论与讨论
本研究系统性地评估了温室园艺中非化石CO2施肥的能源强度，得出了一系列明确且具有实践指导意义的结论。首先，生物源CO2因其高浓度和相对较低的获取能耗，是能源效益最佳的选择，值得根据本地可用资源进行深入开发和利用。其次，对于直接空气捕获（DAC）技术，研发重点应放在降低其捕获过程的单位能耗（kWh/kg CO2）上，而非单纯提高输出气体的浓度。当DAC的能源效率足够高时，它可以成为一种灵活、可靠的CO2补充方式。第三，单纯依靠增加通风来补充CO2的作用有限且能效低下，不应作为主要策略。
该研究的重要贡献在于提出了一个通用的评估框架，将CO2供应的能源需求分解为“固定”和“天气相关”两部分，使得不同技术路线可以在同一基准上进行比较。这不仅帮助种植者根据实时天气和能源价格，动态选择最经济的CO2源，也为DAC等技术提供商指明了性能优化的关键方向——即极致提高能源效率。此外，对CO2利用效率的洛伦兹曲线分析，揭示了通过精准农业和智能化控制大幅提升资源利用效率的巨大潜力。
这项研究将温室作物模型、能源系统分析和经济学工具相结合，为温室园艺在后化石时代的可持续发展提供了坚实的科学依据和清晰的转型路径。它表明，通过明智地选择和创新性地利用非化石CO2源，并优化施肥管理，温室园艺完全可以在大幅降低碳足迹的同时，继续保持甚至提升其高产、高效的生产优势，为实现气候中和的农业未来铺平道路。
