關于我國農業碳達峰，助力碳中和若干問題的思考*

張夢璇，王迎春，李建政，王立剛※

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.農業農村部科技發展中心，北京 100122；3.中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081）

0 引言

應對氣候變化是國際社會的共識，碳中和是未來世界大國博弈的新焦點，我國提出了“2030 年前實現碳達峰，2060 年前實現碳中和”的明確目標，從應對氣候變化的積極參與者轉變為引領者和主導者。習近平總書記強調“實現碳達峰、碳中和是我國向世界作出的莊嚴承諾，也是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革”。碳中和大變革時代下如何應對國際新變局、構建新發展格局、落實新發展理念，已經成為全社會高度關注和熱議的話題。

農業是實現碳達峰、碳中和目標的重要領域之一，推進農業領域碳達峰、助力碳中和，是加快農業生態文明建設的重要內容，更是全面應對氣候變化的重要途徑。農業既是重要的溫室氣體排放源（農業生態系統溫室氣體排放總量占全國的6.7%～7.9%，主要是甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）非二氧化碳溫室氣體）[1]，也是重要的碳匯系統（經測算到2050年耕地0～30cm土壤深度固碳潛力在2 Pg以上）[2]。相較于其他行業減排，農業固碳減排更具有成本有效性，并且在提高農產品產量、土壤肥力增加和減少農業面源污染等方面獲得多種惠益[3]，因此，被全球公認為是應對氣候變化的重要途徑[4]。我國歷來重視農業應對氣候變化及固碳減排的重要作用，在國家、部委的規劃和政策指導下，許多科研成果及技術被推廣應用，取得了卓有成效的成果。在“碳達峰與碳中和”目標指引下，農業農村部制定了農業“碳達峰”實施方案，相關科研人員也提出了各自的建議和見解。但不同于其他產業，農業是保障國家糧食安全和生態安全的基礎性產業，隨著我國人口及需求的增長，農業生產中碳排放可能在未來幾年呈現上升趨勢，從碳排放到“碳達峰”，再到助力“碳中和”并非一蹴而就，仍然需要很長的路要走。文章針對農業碳達峰，助力碳中和過程中的若干問題，提出見解從而為農業助力國家“碳達峰與碳中和”工作的開展提供科學建議和理論支撐。

1 農業生產固碳減排涉及的碳氮循環過程

“碳達峰與碳中和”所涉及到的農業生態系統固碳減排和農業生產碳氮循環過程息息相關[5,6]。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發布的清單指南，農業溫室氣體主要排放途徑包括稻田CH4排放，農田施用氮肥排放N2O，動物腸道產生CH4，畜禽糞便處理過程中產生CH4、N2O 等（圖1）。稻田CH4排放是由于稻田中隔水層的存在，使土壤與大氣隔離，形成有利于CH4產生的厭氧環境[7]。全球稻田CH4排放約占農業溫室氣體總排放量的10%[8]，且有逐漸增加的趨勢[9]。盡管稻田曬田過程使土壤由厭氧環境轉變為好氧環境，減少了CH4的排放，但促進土壤硝化和反硝化作用，使稻田N2O的排放量增加。然而大量N2O排放來源于旱地和設施農業中，不合理的施肥為土壤硝化和反硝化過程提供了充足的碳氮底物，加速N2O排放。隨著化肥施用量的增加，N2O 的排放成為農業種植領域增長速率最大的排放源[8]。同時，畜牧業作為農業溫室氣體最大的排放源，其中由反芻動物腸道發酵過程所產生的CH4排放占絕對比例（占農業溫室氣體總排放量的40%左右），畜禽養殖廢棄物處理過程中（包括堆放、堆漚、氧化塘等方式）通過硝化和反硝化過程產生N2O，發酵過程產生CH4。此外，田間生產過程中機械耗能排放的CO2也是重要的農業溫室氣體排放源。因此，農業溫室氣體減排技術的提出要以排放過程為依據，這樣才能“有的放矢”。

圖1 固碳減排涉及的農業生態系統碳氮循環過程

農田土壤有機碳（SOC）受到有機肥施用和秸稈還田及作物殘余物（凋落物、死亡的根系和根系淀積物）的影響，在腐殖質化和礦化之間形成平衡，這決定了SOC的盈余或虧缺狀態[10]。土壤固碳量取決于植物和微生物碳庫的數量和質量，主要通過影響碳效率和碳庫的滯留時間影響土壤固碳[11]，同時也與溫度、土壤水分、通氣狀況、土壤基本理化性狀和耕作管理措施等諸多因素有關[12]，因此，農田土壤固碳要重點關注SOC平衡特征及其周轉過程[13]。

2 農業助力“碳達峰與碳中和”過程中需要關注的幾個問題

2.1 農業固碳減排需要解決的科技問題

農業在保障糧食安全與農產品供給的重要性毋庸置疑，到2030 年隨著我國人口的增長和農產品消費量的不斷增長，其碳排放總量可能呈現逐年增長的態勢。在國家整體“碳達峰與碳中和”實現過程中，不同階段農業碳排放需要解決不同的科技問題（圖2）。

圖2 “碳達峰與碳中和”實現過程中農業固碳減排需要解決的主要科技問題

首先，當前到2030年碳達峰階段：（1）構建農業碳排放系統監測與評價體系，這是明確農業碳達峰、助力碳中和時間表和路線圖的工作基礎。重點針對我國不同農區典型種養殖類型及其管理措施開展系統監測、數據匯交和排放因子的研究（具體描述系統監測問題見2.2）。（2）持續開展氣候變化對農業的影響及其適應方面的研究，這是明確“氣候變化與農業生產”關系和農業固碳減排量的科學基礎。重點探究氣候變化不同情景下農業產量及其穩定性、SOC分解速率和固碳速率、溫室氣體排放過程的動態變化，農業在品種、耕作、栽培等方面如何適應氣候變化影響。（3）凝練提出保障糧食安全基礎上的農業固碳減排技術清單，不僅包括技術實施的細節、所適用的區域及其注意的問題，還需明確指出技術實施所產生的固碳減排量。其次，“碳達峰”到“碳中和”階段：主要明確農業固碳減排技術及其模式凈減排潛力，包括氣候變化情景下農業耕地土壤碳匯潛力和溫室氣體減排潛力評估、重大農業工程（如高標準農田建設）的增匯減排潛力評估等，且需綜合考慮人口穩定期之后滿足人民生產生活需求和固碳減排的協調關系。確定由點位尺度到區域尺度實施固碳減排技術所產生的效應值，重點是在完全實現機械化、集約化后，大區域、大尺度技術實施所產生的凈溫室效應，這也是農業助力“碳中和”的關鍵時期。最終形成“投入低成本、資源高效率、環境低效應”的綠色低碳農業生產體系，使低碳成為一種常態化的生產生活方式。

2.2 農業固碳減排監測體系構建的問題

定量監測農業溫室氣體排放和農田土壤固碳，不僅對探究農田溫室氣體排放規律與機制、農田固碳過程及潛力有重要的科學意義，而且可為制定合理的固碳減排措施和國家農業溫室氣體清單的編制提供依據。對于農業溫室氣體監測體系，“十二五”期間，在國家公益性行業（農業）科研專項的支持下，由中國農業科學院組織全國本研究領域的優勢研究力量，構建了覆蓋全國主要農區典型種植模式的中國農業源溫室監測體系[14]，設置了21 個農業溫室氣體監測點（圖3），覆蓋全國主要農區典型種植養殖模式，且每個監測點按照項目組建立的溫室氣體監測方法、技術規程和計量體系統一實施監測任務，改變了以往我國農田溫室氣體監測研究“零散、破碎化”的狀態。然而，隨著項目的結束和國家科研體制的變革，目前國內農業溫室氣體監測研究又恢復到以前只是個人（或某個研究團隊）“單打獨斗”的態勢，對服務于國家“碳達峰”溫室氣體減排需求形不成“合力”。總體而言，目前我國農業溫室氣體監測呈現“三多三少”的特點：“零星監測點多，系統監測點少；短期監測點多，長期監測點少（5年以上）；一般監測點多，規范監測點少”。監測點的空間分布也極不均衡，農田生態系統的監測主要集中在長江中下游、華北和西南地區，東北、西北、華南地區觀測位點較少；觀測的作物類型主要針對水稻田、冬小麥、夏玉米和春玉米農田，對菜地、放牧草地生態系統觀測較少；畜禽養殖大多側重于奶牛或肉牛養殖過程[15,16]、生豬養殖廢棄物處理過程[17]，而其他畜種養殖及廢物處理過程溫室氣體排放系統監測則相對較少。因此，未來一方面是重點彌補華南、西北、青藏、東北的監測點，加強典型菜地、果樹、茶樹等種植業，奶牛（肉牛）、生豬、蛋雞（肉雞）等典型養殖業溫室氣體排放的原位觀測；另一方面是迫切需要建立系統的覆蓋我國主要農區典型種養殖類型的農業溫室氣體監測網絡，并能夠長期穩定的支持其運行。鑒于農田耕地SOC變化是一個相對長期（5年以上）的結果，對其監測可借鑒和引用國家或農業農村部野外臺站長期SOC 監測的數據結果，或依托構建的農業溫室氣體監測網絡，在其中的各個站點開展監測工作，做到SOC變化與溫室氣體排放量的協同監測。

圖3 “十二五”農業源溫室氣體項目監測點布局

2.3 需要關注和解決三大關系的問題

農業作為第一產業，在實現碳達峰、助力碳中和過程中，必須要關注三大關系，從科學和政策上要處理好這三大關系。一是固碳減排與生產力穩定性之間的協同關系。農業作為陸地生態系統中受人類干預最強烈的系統，需要調控和決策發展適應氣候風險管理措施的能力，保障糧食安全的同時增加SOC 儲量、減少溫室氣體排放。然而，不同調控措施對農業生態系統生產力穩定性和固碳減排的長期效應尚無定論[18]，尤其是對土壤固碳和溫室氣體排放均有顯著影響的養分調控措施。二是土壤固碳與溫室氣體減排之間的協同關系。農田土壤固碳措施的主要目的是將CO2固持在農田土壤中，以降低大氣中溫室氣體濃度，減緩全球變暖。但在實施固碳措施過程中，與之相關的溫室氣體排放發生變化可能對固碳效果產生抵消作用。研究表明，少/免耕等農業保護性耕作措施導致N2O排放量的增加，從而削減了碳匯潛力[19]。盡管秸稈還田是增加農田SOC含量的有效措施之一，但試驗研究和模型研究均顯示，秸稈還田在增加SOC的同時，將會激發稻田CH4或旱地N2O的排放，成為固碳過程中主要的“泄漏”因素[20,21]。此外，施用有機肥所造成的溫室氣體排放對土壤固碳效益的抵消可達-241%～313%[22]。因此，探究土壤固碳與溫室氣體減排的協同關系及其機制，對準確評估不同管理措施的“源/匯效應”至關重要。三是溫室氣體與污染物協同減排的關系。農業溫室氣體排放涉及碳氮循環的關鍵過程（圖1），并且和氮淋溶、氨揮發和NOx排放等過程息息相關，并呈現復雜的相互關系，如互為消漲關系、協同關系等。例如，Zhang等[23]研究指出在設施蔬菜田N2O排放峰值與硝態氮淋溶峰值之間存在顯著正相關關系，農民習慣施肥量基礎上優化氮肥施用并且添加硝化抑制劑能夠保證蔬菜產量并同時減少N2O排放和硝態氮淋溶。類似的關系也可發生在N2O排放和氨揮發、N2O排放和NOx排放之間，但目前對此類復雜關系的呈現形式、發生條件與內在機制尚不清晰，這對調控措施的實施效果也會是個嚴峻的“挑戰”。

2.4 農業固碳與溫室氣體減排碳貿易及方法學問題

引入碳貿易來減少溫室氣體排放，增加碳固存已經成為全球實際操作并切實可行的新型市場經濟模式，它將最終助力實現減緩全球變暖的目標。據聯合國和世界銀行預測，全球碳貿易市場潛力巨大，全球CO2交易需求量預計為每年7億～13億t，年交易額高達140億～650億美元的國際溫室氣體貿易市場。我國已經形成的碳排放交易市場體系，側重于能源、化工等領域，在農業領域的實施與研究相對滯后。目前在農業領域被認可的農業碳貿易方法學，主要集中于生物炭農業利用[24]、規?；B殖及其農村戶用沼氣等方面[25-27]，對于農業固碳或溫室氣體減排方法學的研究相對缺乏。當前被農民普遍接受使用的“輕簡化”技術（如減量優化施肥技術等）普適性強、適用范圍廣，具有巨大的減排潛力和實施空間[28,29]，但目前還未見圍繞技術應用試點項目開發的相關標準和方法學。因此，建議通過分析現有農業減排措施的可行性，優選出溫室氣體減排量大、可操作性強的農業碳貿易潛在項目，同時通過建立農業碳貿易測算的典型案例，重點關注農業N2O、CH4減排碳貿易測算，探索出適合我國國情的農業碳貿易方法學。此外，值得關注的是，在農業固碳與溫室氣體減排碳貿易的推行方面，除國家政策和補貼外，將“國家目標—行動技術—農民意愿”三者緊密聯系在一起，是提高農民減排積極性的有效途徑[30]。

2.5 農業固碳減排研究技術隊伍構建的問題

我國目前對分布于不同區域、不同土地利用方式、不同田間管理措施的農業固碳和溫室氣體排放已有深入研究，但無論是從過程機理上還是技術模式研發及其潛力評估上與國家“碳達峰與碳中和”的目標需求相差甚遠，與國外相關研究還存在明顯差距，尤其是國家投入不足，科研力量分散薄弱，缺少系統的集成協作。因此迫切需要在目前研究的基礎上，建議設置專門“農業碳體系或碳計劃”，建立一支集中央科研院所、大學、地方農科院、地方技術推廣等本領域優勢科學研究與技術研發力量所組成的“四位一體”式的科研團隊。由首席科學家領銜，根據多名研究與技術骨干相輔的長期開展農業固碳減排監測與技術研究的、穩定的專家隊伍和科研團隊，建立起全國農業固碳減排協作網。首席科學家主要負責農業固碳減排整體研究的組織和實施，分別設立監測規程組、數據質量組、基礎研究組和技術研發組，同時配備執行專家組和專家顧問組（圖4）。監測規程組主要負責監測方法與技術規程的制定、培訓和實際監測指導；數據質量組主要負責監測數據質量控制、數據整合分析、相關模型的構建及應用等；基礎研究組主要負責土壤固碳與溫室氣體減排循環過程、不同管理措施的調控機制；技術研發組主要負責土壤固碳或溫室氣體減排技術的研發、培訓和現場應用指導。目前建議以化肥減施增效技術（少免耕技術、有機無機肥料配施技術等）的減排研究、示范推廣為突破口，對農田生態系統溫室氣體排放從國家層面上頂層設計、系統部署多點位監測，多尺度的研究工作；中遠期針對固碳減排潛力研究和技術實施提供支撐，確保溫室氣體凈減排效應的實現。

圖4 農業固碳減排研發團隊組成框架

3 結論

碳達峰與碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，農業作為保障國家糧食安全和生態安全的基礎性產業，在推動我國實現雙碳目標中將起到關鍵作用。正如習近平總書記在2020 年底中央農村工作會議上強調指出“農業農村固碳減排既是碳達峰、碳中和的重要舉措，也是潛力所在，這方面要做好科學測算，制定可行方案，采取有力措施”。為推進農業領域碳達峰、助力碳中和，該文針對“碳達峰，碳中和”實現過程中農業領域需要重點考慮的若干問題，開展了相應研究，主要研究結論如下：（1）探究了“碳達峰碳中和”不同階段下需要關注的科學問題及技術難題；（2）需要關注農業生產中固碳減排與生產力穩定性之間的協同關系，土壤固碳與溫室氣體減排之間的協同關系，溫室氣體與污染物協同減排的關系；（3）建議形成具有系統性、長期性和規范性的監測網絡，構建合理的農業固碳減排監測體系；（4）完善農業固碳與溫室氣體減排碳貿易體系，探索適用于我國農業生產特點的方法學；（5）建立全國農業固碳減排協作網，加強農業固碳減排研究與技術示范推廣“一體化”實施隊伍的建設。以期為實現我國“碳中和”目標貢獻農業力量和農業解決方案。