農(nóng)業(yè)與碳中和

程琨 潘根興

2020年底全球平均氣溫比工業(yè)化前高出了1.2℃，是2016年和2019年后的第三個高溫年紀(jì)錄[1]?！吨袊鴼夂蜃兓{皮書（2021）》指出，中國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)，升溫速率明顯高于同期全球平均水平。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的第六次評估報告，工業(yè)化以來總的輻射強迫（即溫室效應(yīng)），98%來自人類活動，而人為源溫室氣體排放是最主要的驅(qū)動因子。二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等6種成分是大氣溫室氣體成分。《京都議定書》實施后，鹵代烴得到了有效控制，二氧化碳、甲烷和氧化亞氮成為最重要的溫室氣體。作為非二氧化碳溫室氣體，甲烷和氧化亞氮的100年尺度全球增溫潛勢分別是二氧化碳的34倍和298倍。2015年12月12日《聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）》締約方會議通過了具有歷史意義的《巴黎協(xié)定》，其目標(biāo)是將全球升溫控制在2℃ 內(nèi)，力爭在1.5℃以內(nèi)。因此，各個國家和行業(yè)都在制定自主減排方案。2019年，歐盟委員會宣布歐洲將在2050年建成全球首個“碳中和”地區(qū)。

早在2009年，中國就提出了到2020年的減排目標(biāo)，并在《巴黎協(xié)定》通過前夕承諾了自主減排貢獻。 2020年9月，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上宣布，中國努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。碳中和是指通過使用清潔能源、植樹造林、節(jié)能減排等形式的負(fù)碳效應(yīng)，抵消經(jīng)濟活動中直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，實現(xiàn)正負(fù)抵消，達到相對“零排放”。因此，碳中和目標(biāo)體現(xiàn)了中國政府推進氣候行動的巨大雄心，也對經(jīng)濟低碳發(fā)展提出了更高要求。

農(nóng)業(yè)源溫室氣體

農(nóng)業(yè)是非二氧化碳溫室氣體（主要指甲烷和氧化亞氮）的主要排放源，排放量占全球人類源溫室氣體排放總量的10%～12%。

甲烷是厭氧環(huán)境條件下的產(chǎn)物，它的農(nóng)業(yè)排放源主要包括：一是稻田長期處于淹水條件下，產(chǎn)甲烷細菌分解土壤中活性有機物質(zhì)（如動植物殘體、根系分泌物以及有機肥等），產(chǎn)生甲烷，進而排放到大氣中。稻田淹水時間越長、投入的新鮮有機物料越多，甲烷排放則越多。二是動物（主要是反芻動物）采食飼料后在消化道中經(jīng)特殊微生物發(fā)酵會產(chǎn)生甲烷，然后通過打嗝和腸道排放到大氣中。三是畜禽糞便在貯存和處理過程中（特別是厭氧環(huán)境下）、秸稈不完全焚燒也會產(chǎn)生甲烷。

農(nóng)田土壤是最大的氧化亞氮釋放源。農(nóng)田土壤氧化亞氮是硝化和反硝化作用過程的中間產(chǎn)物?；瘜W(xué)氮肥和有機肥的投入可提高硝化和反硝化率，進而增加氧化亞氮的排放量。同時，土壤氧化亞氮排放還與灌溉引起的土壤水分狀況變化有著密切的關(guān)系，例如，淹水稻田在中期落干會大大刺激氧化亞氮的排放。與土壤類似，糞便貯存和管理過程中其所含的氮也會在硝化和反硝化過程中產(chǎn)生氧化亞氮。秸稈不完全焚燒也會產(chǎn)生氧化亞氮，但數(shù)量極少。

除了上述的直接排放，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還有一些“隱藏”的排放。農(nóng)作物種植過程使用了大量的化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜，這些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料在生產(chǎn)過程中也會排放溫室氣體，例如，生產(chǎn)1千克的尿素，會排放約16千克二氧化碳當(dāng)量溫室氣體。而在畜禽養(yǎng)殖過程中，飼料的生產(chǎn)、養(yǎng)殖場日常水電消耗等也會導(dǎo)致溫室氣體的排放。

為了評價某個產(chǎn)品或者活動整個生命周期直接和間接的溫室氣體排放總量，“碳足跡”計量和評價應(yīng)運而生。農(nóng)產(chǎn)品碳足跡包括農(nóng)用生產(chǎn)資料生產(chǎn)、加工過程的排放和農(nóng)田或養(yǎng)殖場發(fā)生的直接排放，如果將再加工和消費過程一并考慮在內(nèi)，還應(yīng)包括如精米和面粉的加工、畜禽的屠宰和儲存等再加工過程和烹調(diào)過程中能源消耗帶來的排放。農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡中份額較大的是稻田甲烷排放和化肥生產(chǎn)過程的排放。畜禽生產(chǎn)的主要排放源則是飼料生產(chǎn)過程、糞便處理過程和反芻動物腸胃發(fā)酵[3]。如將邊界設(shè)置到消費端，以肉類為主的飲食習(xí)慣的碳足跡要遠高于以素食為主的飲食習(xí)慣，且外出就餐的碳足跡遠高于在家吃飯的碳足跡。

農(nóng)業(yè)對碳中和的影響

根據(jù)國家溫室氣體排放清單， 2014年中國溫室氣體凈排放總量為111.86億噸二氧化碳當(dāng)量，其中農(nóng)業(yè)為8.3億噸，占7.4%。不過，在非二氧化碳溫室氣體排放中，農(nóng)業(yè)占比達48%。在農(nóng)業(yè)源總排放中，種植業(yè)占58.4%（稻田產(chǎn)甲烷22.6%、氮肥產(chǎn)氧化亞氮34.7%和田間焚燒1.1%），養(yǎng)殖業(yè)占比41.6%（動物腸道產(chǎn)甲烷24.9%和糞便排放16.7%） [2]。如將前面提到的“隱藏”排放也計入在內(nèi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的溫室氣體排放占全國溫室氣體排放總量的比例將達到18%以上。

由于土壤碳匯計量的不確定性較高，且固定在土壤中有機碳的穩(wěn)定性持續(xù)年限尚有爭議，國家溫室氣體排放清單中通常只考慮森林植被碳匯，而未將土壤碳匯計入。然而，全球2米深土壤有機碳庫高達24 000億噸，土壤碳庫的微小增加都會產(chǎn)生巨大的碳匯效應(yīng)。2015年12月第21屆聯(lián)合國氣候變化大會期間，作為東道主的法國農(nóng)業(yè)部部長正式提出了名為“千分之四計劃：服務(wù)于糧食安全和氣候的土壤”的國際動議，簡稱“千分之四計劃”[4]?！扒Х种挠媱潯钡囊罁?jù)是，全球2米深土壤儲存的有機碳達到24 000億噸，而全球礦質(zhì)燃料燃燒排放為89億噸二氧化碳當(dāng)量，正相當(dāng)于全球土壤有機碳儲量的千分之四，也就意味著，只要全球2米深土壤的有機碳儲量每年增加千分之四，就只以抵消當(dāng)年全球礦質(zhì)燃料燃燒的碳排放。盡管“千分之四計劃”實現(xiàn)存在巨大挑戰(zhàn)，但彰顯了土壤在減緩氣候變化中的重要地位。富含有機碳的肥沃農(nóng)田土壤是保障糧食安全的基礎(chǔ)，而土壤有機質(zhì)是土壤質(zhì)量和健康的核心。與其他自然土壤不同，農(nóng)田土壤質(zhì)量主要受人為管理的影響，而農(nóng)田土壤碳庫可通過人為管理進行短期和長期的調(diào)節(jié)。盡管我國仍未將土壤固碳納入國家溫室氣體排放清單當(dāng)中，但IPCC氣候變化評估報告仍將采取良好措施增加農(nóng)田土壤固碳以清除大氣中二氧化碳作為減緩氣候變化的重要途徑。在當(dāng)前土壤安全備受壓力的背景下，通過提高土壤有機質(zhì)含量，既可保障全球糧食安全，又能減緩氣候變化。

中國1米深土壤有機碳庫總量約為900億噸，2014年能源排放為96億噸二氧化碳當(dāng)量，土壤碳庫需增碳2.9%才能抵消，遠高于千分之四[4]。造成這種巨大反差的原因是中國土壤每公頃現(xiàn)有的有機碳儲量較低，而碳排放又處在高位。盡管無法完全依靠土壤固碳帶來碳中和，但土壤固碳無疑會為碳中和的實現(xiàn)起到重要作用。據(jù)估計，當(dāng)前管理模式下，中國農(nóng)田土壤碳庫的年增加量為2500多萬噸，相當(dāng)于近1億噸二氧化碳當(dāng)量，能夠抵消2014年農(nóng)業(yè)排放的12%。

中國農(nóng)業(yè)以占全球9%的耕地，生產(chǎn)供應(yīng)占全球20%的人口的食物和纖維需求。中國的農(nóng)業(yè)既面臨著保障糧食安全的重大任務(wù)，農(nóng)業(yè)固碳減排還將為國家碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻自己的力量。

農(nóng)業(yè)固碳減排技術(shù)

中國農(nóng)業(yè)實現(xiàn)碳中和在于固碳（大氣二氧化碳固定）和減排（減少甲烷和氧化亞氮排放）兩個方面，習(xí)慣上統(tǒng)稱固碳減排，主要通過加強土壤的固碳能力和提高化肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料利用率來實現(xiàn)。

提升農(nóng)田土壤碳庫主要通過減少碳損失和增加碳輸入來實現(xiàn)。保護性耕作是對農(nóng)田采用免耕、少耕、地表微型改造，結(jié)合覆蓋、輪作、農(nóng)藥病害蟲防除等措施，確保耕地可持續(xù)利用的綜合性土壤管理技術(shù)體系。通過保護性耕作，不但可以減少碳庫損失、增加碳輸入以增加土壤固定，還能夠提高土壤蓄水保墑能力和土壤肥力，防止土壤侵蝕、退化等。構(gòu)建農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)、加強對永久性放牧草地的保護和退化草地的修復(fù)也是提升土壤碳庫、保護土壤功能的可持續(xù)措施。覆蓋作物輪作、豆科固碳作物輪作以及豆科作物與其他作物的間套種都是有利于土壤固碳（減排）的農(nóng)業(yè)措施。

農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用對農(nóng)業(yè)固碳減排也有著潛在的巨大貢獻。中國農(nóng)作物秸稈每年高達10億噸以上，秸稈露地焚燒一度十分普遍，本世紀(jì)初以來中國政府一直實行嚴(yán)厲的秸稈禁燒管控。根據(jù)國家溫室氣體排放清單，2014年之前秸稈焚燒導(dǎo)致每年約900萬噸的溫室氣體排放。2015年以來，農(nóng)業(yè)部通過財政專項支持，鼓勵在華北、東北、西北等地區(qū)發(fā)展秸稈的“五料化”（能源化、肥料化、基質(zhì)化、材料化和飼料化），利用率已達80%以上，避免或者抵消排放的貢獻十分顯著。雖然中國秸稈利用率已經(jīng)較高，但是其深度農(nóng)業(yè)利用仍然有待推廣。中國目前除了有約20%的秸稈被廢棄，被利用的部分中有40%的秸稈被直接還田。為避免秸稈還田的病蟲害殘留和對下茬作物生長的不利效應(yīng)，并考慮到農(nóng)民實施還田的實際困難，秸稈離田炭化—生物質(zhì)炭還田技術(shù)應(yīng)運而生。中國的秸稈炭化工程技術(shù)，以及生物質(zhì)炭土壤改良和炭基肥生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)已處于全球領(lǐng)先。含生物質(zhì)炭15%～20%的炭基肥，可以減少化肥15%，實現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的雙向提升，并減少農(nóng)田溫室氣體排放20%以上，且有利于改善耕地生態(tài)。

在減排上，通過施肥模式優(yōu)化以及新型肥料和抑制劑（如緩控釋肥、硝化抑制劑）的使用，可減少農(nóng)田氧化亞氮排放達50%。通過科學(xué)制定施肥和農(nóng)藥、農(nóng)膜等使用方案，采用高效、環(huán)保的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，既有助于農(nóng)田氧化亞氮的減排，也可通過倒逼農(nóng)資產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)改革和生產(chǎn)優(yōu)化，以避免生產(chǎn)過程的溫室氣體排放。

節(jié)水灌溉可以減少甲烷排放，但由于甲烷和氧化亞氮排放此消彼長的特征，可能增加氧化亞氮排放。另外，稻田秸稈還田，可能增加有機質(zhì)，減少氧化亞氮排放，但會刺激甲烷的排放。只有將間歇淹水等節(jié)水灌溉措施與優(yōu)化施肥措施相結(jié)合，才可能減少稻田溫室氣體總排放，同時還可提高水分和養(yǎng)分利用效率。對水旱輪作農(nóng)田，如水稻—小麥、水稻—油菜等輪作，在非稻季施用有機肥，在提升土壤碳庫的同時，避免了由于有機肥施用造成的甲烷排放。篩選低排放高產(chǎn)水稻品種、添加甲烷抑制劑等新型材料、施用生物質(zhì)炭等穩(wěn)定性高的有機物料，也是降低稻田甲烷排放的有效途徑，是新的固碳減排協(xié)同技術(shù)的發(fā)展方向。

畜禽養(yǎng)殖溫室氣體減排可以通過優(yōu)化飼料配比、使用新型飼料、改善糞便處理技術(shù)、科學(xué)設(shè)計和搭建畜舍等方式實現(xiàn)。例如，將秸稈氨化處理后再投喂，可以減少黃牛16%～30%甲烷排放；而使用多功能舔磚，不但可提高黃牛日增重量，還可減少10%～40%的甲烷排放；與水沖清糞和水泡糞相比，人工干清糞可減少甲烷排放50%以上[5]。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)如何在應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)的同時，為碳中和做出貢獻是全社會的共同關(guān)切。聯(lián)合國糧農(nóng)組織倡導(dǎo)構(gòu)建氣候智慧型農(nóng)業(yè)（climate smart agriculture），其目標(biāo)是持續(xù)增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和收入、建立和提高對氣候變化的適應(yīng)能力、在可能的情況下降低或避免溫室氣體排放。氣候智慧型農(nóng)業(yè)技術(shù)的研發(fā)和推廣將會是未來農(nóng)業(yè)固碳減排技術(shù)的熱點。

農(nóng)業(yè)減排的國家行動

2005年以來，全國實施了“測土配方施肥”沃土工程計劃，使化肥利用率提高了5%，累計減少施用量1000多萬噸，同時還實現(xiàn)了6%～10%的糧食增產(chǎn)；2017年以來，農(nóng)業(yè)部進一步開展“綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展五大行動”，包括果菜茶化肥有機肥替代行動，取得了土壤增碳、農(nóng)業(yè)減肥和農(nóng)民增收的多重效果。2015年以來，中國化肥用量開始負(fù)增長。與2015年相比，2019年氮、磷和鉀肥分別下降了18%、19%和13%，總計帶來5600萬噸二氧化碳當(dāng)量的減排量。

根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，以農(nóng)作物秸稈為主的生物質(zhì)固化成型燃料產(chǎn)量將達到4000萬噸以上，將可抵消化石能源溫室氣體排放至少1.5億噸二氧化碳當(dāng)量。2017年，“秸—炭—肥”模式被農(nóng)業(yè)部推薦為秸稈資源化十大模式之一；2021年，秸稈炭化還田固碳減排技術(shù)被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公布為重大引領(lǐng)性技術(shù)。如果能將尚未利用和被直接還田的60%的秸稈通過熱裂解炭化為生物質(zhì)炭基肥施用于農(nóng)田，可顯著實現(xiàn)土壤增碳并減少化肥過量施用帶來的排放，其所帶來的潛在碳匯量可高達2億噸二氧化碳當(dāng)量，可中和約四分之一的農(nóng)業(yè)溫室氣體排放。

但與此同時，養(yǎng)殖業(yè)糞污的溫室氣體排放控制卻仍然面臨極大挑戰(zhàn)。2014年，中國養(yǎng)殖業(yè)糞污溫室氣體排放已相當(dāng)于農(nóng)業(yè)源排放的17%。單位動物糞便的甲烷和氧化亞氮排放強度已是1994 年的4倍以上。農(nóng)業(yè)部“綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展五大行動”中，明確將糞污資源化列為主要任務(wù)，溫室氣體控制的資源化利用技術(shù)進步當(dāng)有巨大潛力。但由于養(yǎng)殖業(yè)溫室氣體研究滯后于種植業(yè)，目前仍缺少充分的數(shù)據(jù)顯示改善糞污管理對養(yǎng)殖業(yè)減排的具體貢獻。況且，工業(yè)化的畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生了遠離農(nóng)田的大量糞污，其處理涉及用于消納的土地資源緊張，資源化產(chǎn)品的經(jīng)濟出路，以及如何達到日趨嚴(yán)格的環(huán)境保護要求等問題，有待妥善解決。

為了推進自主減排，早在2011年10月，國家發(fā)改委就印發(fā)了《關(guān)于開展碳排放權(quán)交易試點工作的通知》；2012年6月13日，又印發(fā)了《溫室氣體自愿減排交易管理暫行辦法》。“碳交易”包含碳排放權(quán)交易和碳減排量交易兩部分。碳排放權(quán)交易是指賣方將管理者分配的排放配額中多余的部分在碳交易平臺出售給排放配額不足的買方，而碳減排量交易則是將通過碳匯項目的實施獲得的經(jīng)核證的減排量出售給排放量較大的買方，用于抵消其過量的碳排放。農(nóng)業(yè)尚未納入中國碳排放權(quán)交易體系，但農(nóng)業(yè)減排項目可以參加溫室氣體自愿減排碳交易活動?！短寂欧艡?quán)交易管理辦法（試行）》自2021年2月1日起施行，全國碳交易市場于2021年6月25日正式啟動。目前，《溫室氣體自愿減排交易管理暫行辦法》正在修訂中，相信在不久的將來，農(nóng)業(yè)自愿減排碳交易市場將活躍起來。農(nóng)業(yè)項目參與碳減排交易包括減排技術(shù)的開發(fā)和項目方法學(xué)的編制。目前，國家已備案的方法學(xué)清單中，與農(nóng)業(yè)直接相關(guān)的方法學(xué)只有三個。相信未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂懈鄿p排技術(shù)被開發(fā)出來，服務(wù)于農(nóng)業(yè)碳交易的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和方法學(xué)也將不斷完善。

2021年10月26日，國務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》，特別指出“推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳”。隨著生態(tài)文明理念和“兩山理論”在農(nóng)業(yè)部門的深入貫徹，農(nóng)業(yè)對國家碳中和的貢獻將持續(xù)加大。

[1]World Meteorological Organization （WMO）. WMO statement on the state of the global climate 2020. 2021. https：//public.wmo.int/ en/our-mandate/climate/wmo-statement-state-of-global-climate

[2]中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部. 中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告. 2018. https：//www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/ wsqtkz/201907/P020190701765971866571.pdf

[3]Yue Q， Xu X R， Hillier J， et al. Mitigating greenhouse gas emissions in agriculture： From farm production to food consumption. Journal of Cleaner Production， 2017， 149： 1011-1019.

[4]Minasny B， Malone B P， Mcbratney A B， et al. Soil carbon 4 per mille. Geoderma， 2017， 292： 59-86.

[5]董紅敏， 李云娥， 陶秀萍， 等. 中國農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放與減排技術(shù)對策. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2008， 24（10）： 269-273.

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