氣候智慧型農業技術碳計量方法學初探

柏振忠，鐘雨欣，胡婉玲，王紅玲

（1.中南民族大學經濟學院，武漢 430074；2.華中農業大學經濟管理學院，武漢 430070；3.湖北碳排放權交易中心，武漢 430070；4.湖北大學商學院，武漢 430062）

聯合國糧食及農業組織（FAO）2010年正式提出，氣候智慧型農業具體指能夠可持續提高農作物的生產效率、減少溫室氣體排放、提高農業對氣候的適應性、提高農業生產安全的現代農業發展模式。聯合國政府氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告指出，目前大氣中二氧化碳濃度處于至少200萬年來的最高點，同時全球將全面進入到“碳中和”時代，各國將努力到21世紀中葉實現碳中和。農業一方面是受氣候變化影響最顯著和最脆弱的領域，另一方面也是人為溫室氣體的重要排放源之一，在全球碳循環系統中發揮著重要作用。在此背景下，農業受環境限制將不得不改變現有的生產方式，氣候智慧型農業便成為發展可持續性農業的最優選擇，而碳計量又是測度和分析氣候智慧型農業技術低碳生產水平的工具。Van Wijk等［1］認為氣候智慧型農業對農業溫室氣體的排放有減緩作用。白雄雄等［2］采用綜合分析法評估氣候智慧型農業管理措施的土壤固碳效果，發現最有效的土壤固碳措施是生物固碳，其次是覆蓋應用和保護性耕作。羅婷［3］認為深入研究中國農業生產過程中的碳排放現狀，正確計量農業各相關產業及生產環節的碳排放量，并以此為依據制定合理的農業生產及發展模式，進而減少溫室氣體排放，對緩解全球氣候變暖趨勢具有重要而深遠的意義。程琨［4］構建中國農業生產及碳排放數據庫，并采用數學統計與模型相結合的研究方法，研究中國農業碳排放及其減排潛力的統計計量與模型模擬，并從經驗中獲得農業碳減排的總量及技術途徑，為后期農業碳排放計量方法及定量奠定基礎，并為國家農業碳減排政策及技術指導提供科學依據。

目前，國內外學者對氣候智慧型農業、農業碳計量方面的研究相對較少，對于智慧氣候型農業技術碳計量方法學的研究比較缺乏。本研究借鑒CDM項目經驗展開討論氣候智慧型農業碳減排方法學，綜合邊界和基準線的設定、碳庫和關鍵排放源的選取、固碳減排的計量方法，以稻蝦共作為例分析碳減排途徑，從而得出氣候智慧型農業固碳減排計量方法學問題。氣候智慧型農業技術碳計量方法學的完善能為開展低碳農業相關研究奠定理論基礎和提供研究背景。

1 氣候智慧型農業技術碳減排措施及實踐

1.1 氣候智慧型農業技術碳減排措施類別

農業生產過程直接或間接地排放溫室氣體，因而通過對主要農產品生產過程碳足跡進行分析評價，可以獲取該生產過程的溫室氣體排放總量情況。不同于傳統農業生產方式，氣候智慧型農業能夠實現提高農業生產產量、增強農業應對氣候變化的適應力以及減少溫室氣體排放。當前，氣候智慧型農業技術碳減排措施主要基于提高碳匯功能和減弱碳排放強度兩方面考慮。

1.1.1 提高農業碳匯功能技術措施 農業碳匯能力指農業系統通過林業、耕地、草地和濕地等土地資源，吸收并固定二氧化碳等溫室氣體的能力。研究表明，水稻、小麥等糧食作物具有明顯的碳匯功能［5］。利用中國現有大面積的耕地，通過加大對糧

1.1 氣候智慧型農業技術碳減排措施類別

農業生產過程直接或間接地排放溫室氣體，因而通過對主要農產品生產過程碳足跡進行分析評價，可以獲取該生產過程的溫室氣體排放總量情況。不同于傳統農業生產方式，氣候智慧型農業能夠實現提高農業生產產量、增強農業應對氣候變化的適應力以及減少溫室氣體排放。當前，氣候智慧型農業技術碳減排措施主要基于提高碳匯功能和減弱碳排放強度兩方面考慮。

1.1.1 提高農業碳匯功能技術措施 農業碳匯能力指農業系統通過林業、耕地、草地和濕地等土地資源，吸收并固定二氧化碳等溫室氣體的能力。研究表明，水稻、小麥等糧食作物具有明顯的碳匯功能［5］。利用中國現有大面積的耕地，通過加大對糧食作物種植的保護和投入，不僅可以保障中國的糧食生產安全，還可以增強農業的碳匯能力，為低碳減排發展目標做出貢獻。利用農業的碳匯能力，不僅能夠達到碳減排的目標，還可以實現提高土壤質量的效果，能夠帶來作物增產和氣候改善的雙贏局面。提高農業碳匯功能技術措施見表1。

表1 氣候智慧型農業提高農業系統碳匯功能的技術措施

1.1.2 減弱農業碳排放強度技術措施 開荒種植、生物質燃燒、牛羊等反芻動物腸道發酵、稻田厭氧分解、化肥施用、畜禽糞便等均會帶來溫室氣體的大量排放。氣候智慧型農業針對種植業、林木業和畜牧業采取相應的技術措施，以減弱農業碳排放強度。例如，農林、牧混合種養促進碳封存和資源循環利用［6］，采用科學的土壤管理方法減弱農業碳排放潛力，通過保護性耕作減少農業溫室氣體排放等［7］，具體途徑和技術措施見表2。

表2 氣候智慧型農業碳減排途徑及相應技術措施

1.2 氣候智慧型農業碳減排技術實踐

1.2.1 北美洲碳減排技術實踐 北美洲的加拿大和美國土地資源豐富，農業生產實現機械化、集約化和綠色化。其中，在綠色化生產上，美國設立了7個氣候中心和18個農業生態長期定位實驗站在內的聯網實驗平臺，實施包括農業廢棄物資源化利用、增強土壤固碳能力和提高農業部門可再生能源生產等在內的多項氣候智慧型農業技術措施，減緩農業溫室氣體排放［8］，具體技術措施見表3。

表3 北美洲氣候智慧型農業碳減排技術

1.2.2 歐洲碳減排技術實踐 以英國和丹麥為代表的歐洲國家，農業早在20世紀70年代就進入現代化發展階段，在注重提高經濟效益的同時，謀求達成社會效益、生態效益多贏目標。其中，在推進氣候智慧型農業實踐中，其主要是通過作物生產精準化管理、化學肥料替代以及建設農業基礎設施等，增強生產過程氣候應變力，減少溫室氣體排放，實現農業綠色低碳發展［8］，具體技術措施見表4。

表4 歐洲氣候智慧型農業碳減排技術

1.2.3 亞洲碳減排技術實踐 東亞、南亞、東南亞地區氣候類型多為熱帶季風氣候或亞熱帶季風氣候，降水豐沛，土壤肥沃，屬于全球的水稻種植區，所以亞洲的氣候智慧型農業碳減排技術主要針對稻田CH4的排放。目前，中國、日本和泰國等國家稻田減排技術研究已經相對成熟，并且得到了廣泛應用，具體措施見表5。

表5 亞洲氣候智慧型農業碳減排技術

1.2.4 中國碳減排技術實踐 中國是農業大國，也是遭受自然災害最多的國家之一，且全球性氣候變暖，對中國糧食生產和糧食安全產生了明顯影響。為了實現農業可持續發展、生產力的提升、固碳減排和緩解氣候變化的目標，中國積極響應綠色農業生態發展的號召，開始深入研究并應用氣候智慧型農業技術。在當前氣候變化條件下不僅能保障糧食生產安全，還可以提高資源利用效率、實現固碳減排［9］，具體措施見表6。

表6 中國氣候智慧型農業碳減排技術

2 農業領域固碳減排方法學類型和措施

1997年《京都議定書》引入了清潔發展機制，其核心內容是允許締約方（即發達國家）與非締約方（即發展中國家）進行溫室氣體的排放權交易即完成溫室氣體減排量抵消額的轉讓與獲得，該協議由發達國家提供資金和技術，進而在發展中國家實施溫室氣體減排項目，并且為這些國家制定了有差別的減排指標。《巴黎協定》提出對溫室氣體排放的量化控制，指定清潔發展機制（Clean development mechanism，CDM）是應對氣候變化挑戰的重要工具，并且是分析各因素對環境影響的重要依據，也是實現溫室氣體減排和減緩溫室效應的重要途徑。其中清潔發展機制中監測農業領域溫室氣體排放量的大規模項目方法學3個，小規模項目方法學14個［10］，如表7所示。

除表7中農業類的方法學外，其他方法學也可以應用于農業領域。例如，AMS-II.P（農用節能泵組）、AMS-II.F（農業設施和活動的能源效率和燃料轉換措施）、AMS-III.F（通過堆肥避免甲烷排放）、AMS-IIIY（通過從廢水或糞肥處理系統中分離固體而避免甲烷）等。此外，大規模造林和再造林方法中AR-ACM0003（濕地以外土地的造林和再造林）、小規模造林和再造林方法中AR-AMS0003（在濕地上開展的造林和再造林項目活動）、AR-AM 0014（退化紅樹林生境造林和再造林）、AR-AMS0007（在濕地以外的土地上實施造林和再造林項目活動），可用于開發相關農業溫室氣體減排項目。

表7 農業領域碳減排方法學類型和措施

3 氣候智慧型農業技術碳計量方法學構建存在的困難

3.1 農業碳計量不同測算方式帶來的結果差異

目前有關農業碳計量的研究，學者從不同角度出發所得到的研究結果也存在著很大差異。不同的數據采集渠道、參數的選擇和計量方法的不同等情況都給農業碳計量帶來了很大的不確定性。例如，計算農田生態系統的碳排放量，可以通過化肥施用量、灌溉面積、農藥消耗量、農機燃料消耗量、農用耕地面積和農作物產量等數據測算得出，也可以根據農作物產量和農田生產投入來測算。不同的測算方法最后得出的結果也會具有一定的差異。

3.2 農業溫室氣體排放評估很難做到準確

農業溫室氣體排放不僅與肥料施用量、灌溉量、肥料類型以及降雨量等有關，還受氣候、種植方式、土壤和農田管理等因素影響。因此，在計量碳排放量時如果只考慮主要的幾個因素，得出的結果很難做到精確。例如，華北地區土壤碳庫飽和水平較低，東北地區、西藏地區和西北地區因年平均氣溫相對較低、作物復種指數低不利于土壤有機質的分解，所以農田土壤碳飽和水平高于華北地區。華南地區氣候濕潤，盛產水稻，有機物在淹水條件下的土壤中不易分解，所以固碳能力較強。華北地區氣候干燥，盛產小麥，有機物在旱田土壤中易于分解，綜上華南地區土壤固碳能力較華北地區強。

3.3 農業碳計量方法較為復雜

由于實際數據的可獲得性會因考慮不足，而使得計量過程面臨很多不確定性。并且，碳計量結果也會因為不同的地理位置、地勢分布、技術水平和生產管理方式的不同，計量結果往往也會有差異。在計量過程中，由于農作物的時間邊界和空間邊界確定會有誤差，所以可能會導致重復計算。例如，在計量農作物的溫室氣體排放量時，其碳庫包括地上、地下生物量，植物凋落物、秸稈以及土壤碳庫。但是作物成熟以后，地上部分會被移除，地下部分和秸稈會在腐蝕后變為土壤碳庫的一部分，因此可能會導致溫室氣體排放的重復計算。

4 氣候智慧型農業碳計量方法學開發路徑：以稻蝦共作為例

4.1 稻蝦共作系統邊界和項目基線的認定

4.1.1 農業生產活動基準線確定 基線是在沒有項目活動情況下溫室氣體的排放量［5］。例如李玉娥等［11］研究規模化養雞場CDM碳減排計量項目中，未經過規模化養殖時禽類產生的糞便和污水是用厭氧氧化池處理的，那么就應該將基準線設為厭氧氧化池。程琨等［13］在測土配方施肥項目的研究中指出，配方項目基準線應該選取一個與實施配方施肥項目的種植方式、土壤特征、施肥方法3種控制量相同的農田作為參照，同時測量配方施肥項目與對比農田有機碳的變化和溫室氣體的排放量，將參照農田測量的結果取平均值作為基準線水平。

稻蝦共作田間結構包括稻田和蝦溝，基線選擇相同面積且未養殖龍蝦的相似地區。并且要對基線樣地利用密閉靜態箱-氣相色譜法（Shimadzu GG-14B型氣相色譜儀）對CH4和N2O的排放量進行動態監測，再利用回歸分析得出溫室氣體的濃度變化率，最后將監測值按照時間間隔累加平均后，便可得到項目期內總的排放量即基線情境下的溫室氣體排放量［14］。

4.1.2 稻蝦共作邊界的認定 邊界包括時間邊界和空間邊界，時間邊界是生產活動實施周期的計量范圍，界定時間邊界是為了提高碳計量精確度。一般而言，根據作物的生長周期，其溫室氣體排放量計量的時間邊界為1年，甚至1個作物生產周期，而土壤有機碳一到兩年的變化很難監測到，所以土壤固碳量的計量則需要較長的周期，特別是利用直接監測的方法進行計量時，短時間內監測結果并不準確。空間邊界是指參與碳計量過程中所涉及的地理范圍，主要包括兩部分，即植被碳庫和土壤碳庫。

對于稻蝦共作而言，水稻為一年生作物，從播種到水稻收獲的時間周期為1年，故其減排量核算時間邊界可設定為1年，而小龍蝦養殖則從投放蝦苗至水稻收獲后最后一次捕撈和投食播種的時間周期2年，故小龍蝦養殖減排核算時間邊界為2年。稻蝦共作的田間結構一般中心為水稻種植區，水稻種植區四周開挖環形養殖區，通常寬度為2.0 m、深度2.0 m［15］，故項目空間邊界應該包括水稻農田范圍和蝦溝農田范圍。

4.1.3 稻蝦共作溫室氣體泄露問題 泄露指發生在項目邊界以外，但由于項目活動需要所引起的且可測量的溫室氣體排放量增加的情況。所以在稻蝦共作的溫室氣體計量中，應該考慮由于養殖小龍蝦過程中所導致的額外的排放，主要包括以下幾個方面：一是項目實施前，需要人為對田間土壤情況及地溫進行測定，分析土壤含水量、硝化作用強度和土壤表面的溫度，從而得出項目用地是否適宜小龍蝦養殖。在這整個過程中，由于工作人員取樣以及樣品運輸所導致的溫室氣體排放發生在邊界以外，屬于泄露。二是運輸小龍蝦養殖過程中所需要的消毒劑、天然飼料，滅蟲燈、誘蛾器等物理防治的器具等所帶來的溫室氣體排放，屬于泄露。三是氧化亞氮的直接排放，氮肥的施用將會導致氮素在大氣中擴散到邊界以外，從而帶來氧化亞氮的排放。

4.2 稻蝦共作系統溫室氣體排放與減排途徑

4.2.1 稻蝦共作生態系統碳庫和邊界內溫室氣體排放源

1）稻蝦共作生態系統碳庫的選取。稻蝦共作模式的碳庫主要包括兩部分，植被碳庫和土壤碳庫。植被碳庫指農作物植物體，土壤碳庫包含植被秸稈、小龍蝦分泌物及排泄物、地下生物量和有機肥［16］。全球農業在不同的碳價格下的經濟減排潛力為1 600～4 300 Mt CO2當量，其中土壤固碳占比90%［17］。IPCC提倡的農田管理方式證實良好施肥條件下有機碳積累速率會顯著提高，并且通過減少氮肥的過量施用，能夠實現溫室氣體的減排。所以在稻蝦共作的項目活動中，土壤碳庫也包括在內。但是水稻在成熟之后，地下根部以及秸稈還田經過腐化又成為土壤碳庫的一部分，因此不納入計量范圍之內。

2）稻田溫室氣體關鍵排放源。①農田土壤CO2的排放。土壤呼吸是土壤和大氣碳通量交換的動態過程，項目土壤呼吸主要包括土壤有機質的分解、微生物分解以及水稻根系呼吸［18］。土壤呼吸受很多因素的影響，例如受溫度的影響，土壤呼吸在夏季呼吸絕對量相對于冬季大；土壤水分過低，土壤環境不適宜微生物和水稻根系生存，則CO2排放量就會減少；稻田施肥后，水稻根系的生物量增加，進而促進了土壤的呼吸作用，CO2排放量增加；稻田耕作后導致土壤間隙變大，使土壤深層有機質更易氧化并釋放CO2［19］。②淹水稻田CH4排放。CH4的100 a尺度的全球增溫潛勢是CO2的25倍，CH4是極端厭氧條件下的產物，所以稻田是CH4的重要排放源之一，土壤在淹水條件下處于厭氧狀態，土壤中動植物殘體、有機肥和根系分泌物等會被各種細菌和甲烷菌轉化為CH4排入大氣中。尤其是在水稻生長旺盛的時期，土壤中的微生物會更加活躍，根系分泌物和有機肥又為甲烷菌提供更多的碳源，再加上適宜的淹水溫度，會造成CH4排放的高峰［20］。③淹水稻田N2O排放。N2O在100 a尺度的增溫潛勢為CO2的298倍，淹水稻田的N2O排放主要來源于土壤中的硝化作用和反硝化作用，并且二者是可以同時發生的，硝化指在通氣良好的條件下，土壤微生物將銨鹽轉化為硝酸鹽并釋放部分N2O。反硝化過程指在通氣不良條件下，土壤微生物將硝酸鹽、硝態氮還原成N2或N2O、NO［21］。同時小龍蝦的排泄物、殘體等也提供了額外的氮源，導致了N2O的排放量增加。④農用機械的燃油排放。農業機械主要包括種植業機械、農業運輸機械、農用動力機械、農田基本建設機械等。稻田的農用機械溫室氣體排放主要包括灌溉過程中的電能消耗，播種、收割、施肥和運輸過程中燃油消耗。目前農用機械廣泛使用的是柴油，柴油較汽油動力強，更具經濟性，但氮氧化物和顆粒物排放顯著。

4.2.2 稻蝦共作的關鍵減排途徑 根據稻蝦共作的特點，在進行固碳減排計量時，應該重點考慮邊界內由于小龍蝦養殖而導致的溫室氣體排放量的差異。因此，本研究認為稻蝦共作碳減排計量應該考慮：①稻蝦共作模式CH4的直接減排。稻蝦共作模式下，小龍蝦鉆洞會增加稻田土壤中的O2含量，從而降低了甲烷菌的活性，致使CH4排放量降低。據徐祥玉等［21］試驗結果表明，稻蝦共作模式下，CH4排放量降幅在29.02%～41.19%，在水稻秸稈還田條件下，稻蝦共作模式下CH4排放量比不養殖小龍蝦稻田減少35.1%，比無秸稈還田、不養殖小龍蝦的稻田減少6.6%，小龍蝦取食秸稈會減少碳源，同時利用有機酸的微生物豐度提高可以降低乙酸累積，從而降低CH4排放量。②稻蝦共作模式N2O、CO2的直接減排。稻蝦共作模式即使在非稻季也能夠保持稻田長期處于淹水狀態，土壤中的氧氣含量較低，故好氧微生物的活性降低，硝化作用得到抑制，反硝化作用增強，N2O的生成量減少。另外由于使用生石灰進行消毒，使得水體的PH升高，從而減少N2O的排放。稻蝦共作模式通常施用有機肥代替化肥和農藥來保障小龍蝦的生產安全，小龍蝦的排泄物以及殘體也能夠為稻田土壤提供一部分養分，從而帶來溫室氣體的直接減排。Liu等［22］試驗表明，稻蝦共作較常規稻田可減少56%的N2O排放量。

4.3 稻蝦共作系統溫室氣體減排計量方法及途徑

4.3.1 計量的一般原理 稻蝦共作與常規的稻田相比，能夠降低幾個關鍵排放源的溫室氣體排放量，同時稻蝦共作模式也有利于增加土壤氮素養分含量。孫自川［16］研究表明稻蝦共作模式能夠增加土壤含水量，降低土壤溫度，降低稻田CH4和CO2溫室氣體的排放量。因此可以得到稻蝦共作模式固碳減排計量的總公式：

式中，Rnet表示稻蝦共作項目凈碳匯量；M表示CH4排放量的差值；N表示N2O直接排放量的差值；C表示稻蝦共作農田有機碳庫變化量的差值；O表示農用機械能源消耗溫室氣體排放量的差值；L表示運輸過程中的溫室氣體排放量的差值。

4.3.2 溫室氣體直接監測計量 利用田間試驗對溫室氣體排放和固碳量進行直接監測最常用的方法就是密閉靜態箱-氣相色譜法（Shimadzu GG-14B型氣相色譜儀）［23］。稻蝦種養期間每隔7 d在同一地點進行采樣，每次抽取20 mL放入真空玻璃瓶中，連續監測2日取平均值，最后用平均值乘以這段時間的天數，便可得到這一階段內的CH4和CO2排放量，最后只需要將不同階段的溫室氣體排放總量加總求和即可得到項目期內總的溫室氣體排放量。

式（2）中，F表示CH4和CO2排放量；ρ為標準大氣壓下CH4和CO2的密度；h為密閉箱距離稻田水面的距離；dc/dt為濃度的變化率；T為采樣過程中箱內平均溫度。

式（3）中，P表示兩次監測CH4和CO2的總排放量；G1、G2分別為第一次和第二次測得CH4和CO2的排放量；T為兩次測量間隔的天數。

4.4 稻蝦共作系統碳減排計量的不確定性

對計量進行不確定分析，主要是為了提高結果的可靠性，是進行稻蝦共作模式碳計量不可或缺的步驟之一。對稻蝦共作模式的不確定性分析主要討論不確定性的來源，包括稻田基準線選取的不確定性、由于水稻種植和小龍蝦養殖周期不同導致的稻蝦共作模式時間邊界和空間邊界選取的不確定性、小龍蝦多次捕撈和運輸過程中導致的溫室氣體泄露不能精準計量帶來的不確定性等。

5 小結

從稻蝦共作模式出發，通過考察農戶參與低碳農業生產的行為、決策等可以發現，無論是種植業還是養殖業，集約化、規模化生產均可顯著降低碳足跡，實現低碳農業，這與國家提出的經濟產業升級、走集約化、規模化道路相符合［24］。因此探索氣候智慧型農業碳計量方法學能夠為農業碳減排政策及技術指導提供科學依據，也能夠為開展低碳農業相關研究奠定理論基礎和提供研究背景。