農業與碳中和

程琨 潘根興

2020年底全球平均氣溫比工業化前高出了1.2℃，是2016年和2019年后的第三個高溫年紀錄[1]。《中國氣候變化藍皮書（2021）》指出，中國是全球氣候變化的敏感區和影響顯著區，升溫速率明顯高于同期全球平均水平。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的第六次評估報告，工業化以來總的輻射強迫（即溫室效應），98%來自人類活動，而人為源溫室氣體排放是最主要的驅動因子。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《巴黎協定》，其目標是將全球升溫控制在2℃ 內，力爭在1.5℃以內。因此，各個國家和行業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。

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

農業源溫室氣體

農業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%。

甲烷是厭氧環境條件下的產物，它的農業排放源主要包括：一是稻田長期處于淹水條件下，產甲烷細菌分解土壤中活性有機物質（如動植物殘體、根系分泌物以及有機肥等），產生甲烷，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特殊微生物發酵會產生甲烷，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（特別是厭氧環境下）、秸稈不完全焚燒也會產生甲烷。

農田土壤是最大的氧化亞氮釋放源。農田土壤氧化亞氮是硝化和反硝化作用過程的中間產物。化學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生氧化亞氮。秸稈不完全焚燒也會產生氧化亞氮，但數量極少。

除了上述的直接排放，農業生產還有一些“隱藏”的排放。農作物種植過程使用了大量的化肥、農藥、農膜，這些農業生產資料在生產過程中也會排放溫室氣體，例如，生產1千克的尿素，會排放約16千克二氧化碳當量溫室氣體。而在畜禽養殖過程中，飼料的生產、養殖場日常水電消耗等也會導致溫室氣體的排放。

為了評價某個產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”計量和評價應運而生。農產品碳足跡包括農用生產資料生產、加工過程的排放和農田或養殖場發生的直接排放，如果將再加工和消費過程一并考慮在內，還應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過程中能源消耗帶來的排放。農作物生產的碳足跡中份額較大的是稻田甲烷排放和化肥生產過程的排放。畜禽生產的主要排放源則是飼料生產過程、糞便處理過程和反芻動物腸胃發酵[3]。如將邊界設置到消費端，以肉類為主的飲食習慣的碳足跡要遠高于以素食為主的飲食習慣，且外出就餐的碳足跡遠高于在家吃飯的碳足跡。

農業對碳中和的影響

根據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量，其中農業為8.3億噸，占7.4%。不過，在非二氧化碳溫室氣體排放中，農業占比達48%。在農業源總排放中，種植業占58.4%（稻田產甲烷22.6%、氮肥產氧化亞氮34.7%和田間焚燒1.1%），養殖業占比41.6%（動物腸道產甲烷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，農業生產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定性持續年限尚有爭議，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生巨大的碳匯效應。2015年12月第21屆聯合國氣候變化大會期間，作為東道主的法國農業部部長正式提出了名為“千分之四計劃：服務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]。“千分之四計劃”的依據是，全球2米深土壤儲存的有機碳達到24 000億噸，而全球礦質燃料燃燒排放為89億噸二氧化碳當量，正相當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，就只以抵消當年全球礦質燃料燃燒的碳排放。盡管“千分之四計劃”實現存在巨大挑戰，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田土壤是保障糧食安全的基礎，而土壤有機質是土壤質量和健康的核心。與其他自然土壤不同，農田土壤質量主要受人為管理的影響，而農田土壤碳庫可通過人為管理進行短期和長期的調節。盡管我國仍未將土壤固碳納入國家溫室氣體排放清單當中，但IPCC氣候變化評估報告仍將采取良好措施增加農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。在當前土壤安全備受壓力的背景下，通過提高土壤有機質含量，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起到重要作用。據估計，當前管理模式下，中國農田土壤碳庫的年增加量為2500多萬噸，相當于近1億噸二氧化碳當量，能夠抵消2014年農業排放的12%。

中國農業以占全球9%的耕地，生產供應占全球20%的人口的食物和纖維需求。中國的農業既面臨著保障糧食安全的重大任務，農業固碳減排還將為國家碳中和目標的實現貢獻自己的力量。

農業固碳減排技術

中國農業實現碳中和在于固碳（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，習慣上統稱固碳減排，主要通過加強土壤的固碳能力和提高化肥等農業生產資料利用率來實現。

提升農田土壤碳庫主要通過減少碳損失和增加碳輸入來實現。保護性耕作是對農田采用免耕、少耕、地表微型改造，結合覆蓋、輪作、農藥病害蟲防除等措施，確保耕地可持續利用的綜合性土壤管理技術體系。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。構建農林復合系統、加強對永久性放牧草地的保護和退化草地的修復也是提升土壤碳庫、保護土壤功能的可持續措施。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）的農業措施。

農業廢棄物的資源化利用對農業固碳減排也有著潛在的巨大貢獻。中國農作物秸稈每年高達10億噸以上，秸稈露地焚燒一度十分普遍，本世紀初以來中國政府一直實行嚴厲的秸稈禁燒管控。根據國家溫室氣體排放清單，2014年之前秸稈焚燒導致每年約900萬噸的溫室氣體排放。2015年以來，農業部通過財政專項支持，鼓勵在華北、東北、西北等地區發展秸稈的“五料化”（能源化、肥料化、基質化、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較高，但是其深度農業利用仍然有待推廣。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，并考慮到農民實施還田的實際困難，秸稈離田炭化—生物質炭還田技術應運而生。中國的秸稈炭化工程技術，以及生物質炭土壤改良和炭基肥生態農業技術已處于全球領先。含生物質炭15%～20%的炭基肥，可以減少化肥15%，實現農作物產量和品質的雙向提升，并減少農田溫室氣體排放20%以上，且有利于改善耕地生態。

在減排上，通過施肥模式優化以及新型肥料和抑制劑（如緩控釋肥、硝化抑制劑）的使用，可減少農田氧化亞氮排放達50%。通過科學制定施肥和農藥、農膜等使用方案，采用高效、環保的新型農業生產資料，既有助于農田氧化亞氮的減排，也可通過倒逼農資產業結構改革和生產優化，以避免生產過程的溫室氣體排放。

節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，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水灌溉措施與優化施肥措施相結合，才可能減少稻田溫室氣體總排放，同時還可提高水分和養分利用效率。對水旱輪作農田，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。篩選低排放高產水稻品種、添加甲烷抑制劑等新型材料、施用生物質炭等穩定性高的有機物料，也是降低稻田甲烷排放的有效途徑，是新的固碳減排協同技術的發展方向。

畜禽養殖溫室氣體減排可以通過優化飼料配比、使用新型飼料、改善糞便處理技術、科學設計和搭建畜舍等方式實現。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]。

農業生產如何在應對氣候變化挑戰的同時，為碳中和做出貢獻是全社會的共同關切。聯合國糧農組織倡導構建氣候智慧型農業（climate smart agriculture），其目標是持續增加農業產量和收入、建立和提高對氣候變化的適應能力、在可能的情況下降低或避免溫室氣體排放。氣候智慧型農業技術的研發和推廣將會是未來農業固碳減排技術的熱點。

農業減排的國家行動

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，同時還實現了6%～10%的糧食增產；2017年以來，農業部進一步開展“綠色農業發展五大行動”，包括果菜茶化肥有機肥替代行動，取得了土壤增碳、農業減肥和農民增收的多重效果。2015年以來，中國化肥用量開始負增長。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5600萬噸二氧化碳當量的減排量。

根據國家發改委發布的《可再生能源中長期發展規劃》，以農作物秸稈為主的生物質固化成型燃料產量將達到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量。2017年，“秸—炭—肥”模式被農業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被農業農村部公布為重大引領性技術。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炭基肥施用于農田，可顯著實現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2億噸二氧化碳當量，可中和約四分之一的農業溫室氣體排放。

但與此同時，養殖業糞污的溫室氣體排放控制卻仍然面臨極大挑戰。2014年，中國養殖業糞污溫室氣體排放已相當于農業源排放的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。農業部“綠色農業發展五大行動”中，明確將糞污資源化列為主要任務，溫室氣體控制的資源化利用技術進步當有巨大潛力。但由于養殖業溫室氣體研究滯后于種植業，目前仍缺少充分的數據顯示改善糞污管理對養殖業減排的具體貢獻。況且，工業化的畜禽養殖產生了遠離農田的大量糞污，其處理涉及用于消納的土地資源緊張，資源化產品的經濟出路，以及如何達到日趨嚴格的環境保護要求等問題，有待妥善解決。

為了推進自主減排，早在2011年10月，國家發改委就印發了《關于開展碳排放權交易試點工作的通知》；2012年6月13日，又印發了《溫室氣體自愿減排交易管理暫行辦法》。“碳交易”包含碳排放權交易和碳減排量交易兩部分。碳排放權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。農業尚未納入中國碳排放權交易體系，但農業減排項目可以參加溫室氣體自愿減排碳交易活動。《碳排放權交易管理辦法（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，農業自愿減排碳交易市場將活躍起來。農業項目參與碳減排交易包括減排技術的開發和項目方法學的編制。目前，國家已備案的方法學清單中，與農業直接相關的方法學只有三個。相信未來農業領域將有更多減排技術被開發出來，服務于農業碳交易的規范標準和方法學也將不斷完善。

2021年10月26日，國務院印發了《2030年前碳達峰行動方案》，特別指出“推進農業農村減排固碳”。隨著生態文明理念和“兩山理論”在農業部門的深入貫徹，農業對國家碳中和的貢獻將持續加大。

[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環境部. 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. 中國農業源溫室氣體排放與減排技術對策. 農業工程學報， 2008， 24（10）： 269-273.

關鍵詞：農業 氣候變化 溫室氣體 碳中和 ■