中國種植業碳中和技術路徑探討與對策建議

高旺盛，陳源泉*，王小龍，黃堅雄

（1. 中國農業大學國家農業科技戰略研究院，北京 100193；2. 華南農業大學農學院，廣東 廣州 510462；3. 中國熱帶農業科學院橡膠研究所，海南 海口 571101）

碳達峰、碳中和（簡稱“雙碳”）是中國作為發展中的大國向世界的莊嚴承諾，是基于推動構建人類命運共同體的大國責任擔當，也是實現中國可持續發展的內在需求和長遠大計。農業是“雙碳”戰略不可忽視、不可或缺的重要領域。中國是世界農業生產大國和農產品消費大國，農業溫室氣體排放量占到全球總排放量的較大份額。種植業是我國農業的主體，是全球CH4和N2O排放貢獻最重要的部門之一[1]。因此，中國種植業如何實現碳中和，對推進我國“雙碳”目標實現至關重要。

近年來，美國、加拿大、澳大利亞和日本等提出發展有機農業、生態農業、精準農業或綠色農業等農業發展模式以應對全球氣候變化。德國和法國出臺最嚴格規定對農田氮盈余和氮利用率進行精準控制，并提高生態農業用地比例[2]。歐盟則規定面積大于15 hm2的農場必須保留5%的農田生態區[3]。法國發起“千分之四”全球土壤增碳計劃，擬通過土壤碳匯提升應對氣候變化和保障糧食安全[4]?？傮w來看，發達國家在種植業碳中和技術、政策等方面起步早，應對措施也較為系統。我國雖然目前已有不少研究估計了中國種植業（多數以糧食作物為主）的固碳減排潛力，并且圍繞減排與固碳領域開展了大量的研究、探索和實踐，但是，目前多數研究尚處于單一技術效果的分析，關于不同技術的綜合影響效益尚缺乏系統性研究，導致我國種植業系統實現“碳中和”目標的技術路徑仍不清晰，缺少頂層戰略設計。因此，本文基于國內外種植業固碳與溫室氣體排放相關研究進展的分析，對相關關鍵問題進行了理論認識梳理，探討了中國種植業實現碳中和的技術路徑，并提出了提升中國種植業碳中和科技創新能力的建議，以期為加快我國種植業向豐產、高效和低碳轉型，助力國家“雙碳”目標盡早實現提供思路借鑒。

1 種植業碳中和問題的基本認識

1.1 關于種植業固碳或排碳的認識

近年來，學術界圍繞農田種植業的固碳與溫室氣體排放開展了大量研究。大部分研究認為農田作物種植是碳源。例如，Chen等[5]對2001—2018年中國谷物、油料、糖類等16種作物生產系統的結果分析表明，蔬菜和茶葉貢獻了最多的碳足跡，分 別 為11.9 t ce/hm2和4.6 t ce/hm2（ce為CO2當量）。嚴圣吉等[6]基于國家統計數據分析結果表明，2018年我國作物生產碳排放占全國農業碳排放總量45.5%，其中農田甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）和農用柴油消費的二氧化碳（CO2）排放分別占農業碳排放總量的22.9%、14.7%和7.9%。Zhang等[7]研究結果表明，中國三大糧食作物生產系統是凈溫室氣體排放的“碳源”體系，其中玉米排放量為4.05 t ce/hm2、小 麥5.46 t ce/hm2和 水 稻11.88 t ce/hm2。鄧麗平[8]的研究結果表明，1997—2016年我國農業碳排放量呈“波動增長—快速下降—平穩增長—平穩下降”的四階段變化趨勢，農業碳排放源已從畜牧業轉向種植業。

但是，也有部分研究指出農田作物種植是碳匯。如劉巽浩等[9]研究認為：基于改進的“全環式”農田碳足跡核算體系，全國歷年農田系統減少溫室氣體排放量為2.19～10.97 t ce/hm2，無論是低水平的傳統農作還是較高水平的現代集約農作，中國農田生態系統碳平衡都是固碳＞耗碳。2006年全國排放CO2共46億t，而1995—2010年期間全國農田凈固碳量約為每年13億t，相當于全國排放量的1/4[9]。國外也有學者采用類似方法研究證明農田種植系統表現出固碳功能。Burney等[10]通過歷史比較得出，集約化農業減少了碳排放，這與主流看法相悖的結論，引起了美國學術界的轟動。Gan等[11]分析加拿大半干旱地區25年試驗的結果顯示，連作小麥農田土壤年固碳量為1.34 t ce/hm2，是小麥—休閑的127%，說明作物種植農田相比于不種植農田（休閑）有利于促進種植業碳中和。

目前，關于種植業存在“碳源”和“碳匯”的不同認識，其根本在于碳核算方法的不一致性。Huang等[12]通過文獻整理將國內外相關研究方法歸納為兩類：基于土壤碳庫和生物量的評價方法分別命名為土壤碳庫—排放法（Soil-based approach,SBA）和生物量—排放法（Crop-based approach,CBA），通過應用這兩種方法計算了同一個玉米大豆間作試驗，結果顯示采用CBA方法的間作系統為碳匯，采用SBA方法為碳源。兩類方法應用結果的差異性主要是由于計算邊界與參數的不同造成的。SBA采用土壤有機碳儲量的變化量減去土壤N2O排放和CH4排放以及來自農業投入的間接排放所得，CBA則是采用凈生物生產力減去土壤N2O和CH4排放以及來自農業投入的間接排放所得[12]。劉巽浩等[13]研究指出：國內外農田生態系統碳足跡研究取得了某些成果，同時也存在碳流路徑的“短路”和指標邏輯起點不一，導致研究結果的失真與扭曲。因此，在評估方法方面，要考慮到種植業系統固碳與排碳并存的特點，評估種植業系統的碳中和必須進行系統綜合考慮，單一環節減排或增排不代表整個農田系統能減排或增排，要從“凈排放”的角度綜合考慮其“源”與“匯”的平衡，建立標準化的農田碳核算方法體系。

1.2 關于種植業碳排放來源的認識

國內外目前關于種植業碳排放來源的相關研究，大都采用基于生命周期評價框架的碳足跡方法進行量化分析。根據碳足跡分析方法，種植業溫室氣體排放除了農田土壤直接排放外，還包括農資生產、運輸過程中產生和農用燃料消耗產生的碳排放。其中，考慮到種植業光合作用和呼吸作用等過程產生的碳中性特征，農田土壤直接排放通常僅考慮N2O和CH4排放。從研究結果來看，目前幾乎所有研究均表明，農業生產過程農用物資投入（包括化肥、農藥、柴油、電力等化石能源）的使用是農業碳排放的主要貢獻者。根據Chen等[5]最新的研究數據，中國種植業（16種作物的統計）凈碳排放總量的主要貢獻是施肥和灌溉，兩者導致的碳排放占種植業排放總量的73.7%～76.8%；從歷史的角度，2001—2018年中國種植業的凈碳排放總量增加了410.4 Mt ce，其中玉米、水果和蔬菜3種作物貢獻了該增量的99.0%，其施肥和灌溉過程平均貢獻了91.9%的碳排放?？梢?，對于種植業農田系統的碳排放，以化肥為主的農用化學品投入和農田灌溉耗能導致的碳排放是重要貢獻者，這是種植業減低碳排放需要考慮的重點領域。

1.3 關于種植業低碳生產的認識

鑒于生產物質投入是農業碳排放的重要貢獻者，出現了提倡低碳甚至要“農業低碳化”的認識。但也有學者認為，“中國農業不能盲目低碳化”。劉巽浩等[13]認為，所謂“低碳”，指的是在人類各種活動中要盡量減少作為能源碳的消耗和CO2等溫室氣體的排放。糧食增產的兩條基本路徑是提升單產和擴大面積，目前一種觀點認為糧食增產過程會導致化肥等農用化學品投入增加，以及開墾更多的自然林地、草地和濕地等，進而大幅提高溫室氣體排放[14]。但是，若是過度追求農業生產低碳化，可能會影響我國糧食安全。而且，作物生長過程中通過光合作用可以固定空氣中的CO2，從而減少全球溫室效應。因此，農業要提倡“低碳”，但不能盲目追求“低碳”，要努力追求單位產品以較低的耗碳率換取較高的固碳率[13]，不能走向低碳生產就是盲目降低必要的農業生產投入影響糧食產能保障的誤區。

1.4 關于種植業碳中和路徑的認識

科技創新是我國種植業固碳減排的根本出路。國內外相關研究表明，合理的農業管理措施具有固碳減排作用，主要技術路徑有耕作、施肥、水分管理和種植制度等。Lal[15]認為通過改善農田管理措施能有效促進土壤固碳，其土壤固碳潛力相當于固定了每年5%～15%的全球化石燃料燃燒造成的碳排放。Wang等[16]基于meta分析得出，秸稈還田措施使中國農田土壤有機碳含量平均增加13.97%。Li等[17]研究表明，有機物料添加可以促進農田碳儲量增強和土壤肥力提升。Zhang等[18]的研究結果表明，品種、育秧方式、灌溉和施肥技術等增產減排相協調的稻作新技術可在增加水稻產量的情景下降低36.3%～57.4%單位產量的直接碳排放強度。Chen等[5]研究結果表明，優化施氮量、氮形態和施肥方法，使用生物炭、硝化或脲酶抑制劑，以及采取作物覆蓋和灌溉計劃管理等措施，可以有效減少溫室氣體排放。總體上，現有不少研究表明，合理的農事措施可以起到農田作物生產固碳減排的效果，但是相關研究多數還是局限在單一技術角度或者模型模擬的角度，尚需開展不同技術田間集成應用的綜合效果研究。

2 中國種植業實現碳中和的技術路徑探討

通過以上的基本認識，我國種植業要實現碳中和，需要清楚認識到不能盲目走向“低投入”的誤區，而是要走依靠科技創新提高生產效率、促進土壤固碳能力的路徑，具體的技術路徑要從系統角度考慮，從農用物質投入、農田生產過程管理、種植末端的廢棄物處理等全過程統籌，從作物品種及種植模式、土壤水肥管理、農機耕作等全環節兼顧，通過系統全面的研究形成綜合解決方案。本文基于前人的相關研究進展，初步歸納提出種植業實現碳中和重點可以從農資合理減量、養分效率提升、物質循環利用和作物生產技術創新“四大”路徑開展深入系統的研究，形成適應不同區域、不同作物的綜合減排技術方案。

2.1 通過農資合理減量實現減排

前面的分析可以看出，農田生產物資投入是中國種植業碳排放的重要貢獻者?？傮w上，我國農業生產的物資投入偏高，這不僅造成農田種植業直接碳排放增加，也導致更多農資生產過程的上游產業鏈間接排放。因此，農田生產的減排重點途徑之一就是如何通過科技創新減少不必要的農業生產資料投入。

一是通過數字技術實現精準投入。傳統施肥、施藥和灌溉方式多數是基于農戶經驗或者田間試驗指導，各類農資在農田內的精準施用還沒有全部發揮出來。隨著智慧農業的發展，數據技術將可實現農業生產全過程、全要素的精準控制。需要通過研發質量更優的農資產品，研究制定更合理的施肥、植保和水分管理方案，應用大數據等智慧農業技術及裝備的應用實現精準施肥、精準施藥和精準灌溉。

二是提高農業機械作業效能。農業現代化的重要標志是農業機械化，這是世界發達農業國家的普遍特征，也是中國農業現代化的必由之路。世界上主要發達國家均實現了全面機械化，農業機械化率達到95%以上。目前我國農作物耕種收綜合機械化率剛剛超過72%，未來還有發展空間。隨著中國農業機械化的發展，柴油等燃油消耗和農機作業的碳排放不可忽視，農業機械耗能的減排是未來農業節能減排需要關注的重點之一，要研發、推廣先進適用的低碳節能農機裝備，降低化石能源消耗和二氧化碳排放。

同時，推廣保護性耕作技術。目前，國內外學者基本一致認為，與傳統翻耕相比，以少免耕和秸稈還田為主要特征的保護性耕作能提高土壤SOC含量，且減少農田機械能耗[19]。因此，在提高農機作業能效的同時應用保護性耕作技術，也是未來值得關注的重點領域。

2.2 通過提升養分效率實現減排

農田是N2O重要的排放源之一，N2O的排放量與氮肥施用量成線性關系，隨著無機氮施用的增加，N2O的產生越多[20]。項虹艷等[21]的研究表明，施氮處理對紫色土壤夏玉米N2O排放量顯著高于不施氮肥處理。Xiao等[22]通過連續5年的田間定位試驗證明，控釋肥技術使土壤N2O減排49.56%。張枝盛等[23]研究指出，在江漢平原稻田采用實時氮肥管理、精確定量施肥和一次性施肥技術，可以使農田溫室氣體排放強度較農民習慣施肥降低22.2%、24.4%和26.7%。李曉立等[24]指出，等氮量條件下有機肥替代化肥能夠在保持玉米穩產的同時有效降低溫室氣體排放強度和單位產量碳足跡。Shang等[25]則指出，由于氮肥施用量的減少，中國農田N2O排放增量近年來正在放緩。Cui等[26]的最新研究表明，由于施氮量減少和播種面積的變化，中國農田N2O排放量從1998年后開始減緩，預計到2050年，中國農田N2O可能減排63%?？傮w來看，國內外相關研究皆指出，農田土壤N2O排放主要受無機氮肥施用影響，且在一定程度上隨氮肥用量的增大而增大。因此，如何科學合理施肥，提高農業化學品投入的利用效率，是種植業減排的重點。

目前，我國三大作物的氮肥利用率平均為32%，低于同期世界平均水平20%～30%左右[27]。農業生產碳排放不僅要看單位土地面積的碳排放，更要看單位產品產出和經濟產出的碳排放，也就是說要降低種植業的溫室氣體排放強度，通過提高生產效率，降低單位產量和經濟產出的排放強度。因此，提升農田養分利用效率是減少種植業排放的技術研發重點。

2.3 通過物質循環利用實現減排

從農業系統來看，除了源頭投入的減量，使用過程的效率提高，還有重要的末端物質循環利用。通過秸稈還田、有機物料部分替代化肥、有機無機配施等技術應用，一是可以替代源頭的化學農用品投入，二是提高土壤固碳能力，三是可以減少末端廢棄物的污染和排放增加的問題。有研究表明，全國表層土壤平均每年凈增加140 kg ce/hm2[28]，主要是由于秸稈還田等有機物輸入的貢獻。也有研究表明，與無機肥處理相比，秸稈、沼渣和豬糞處理的農田土壤碳儲量分別提高7.35%、49.76%和37.54%[29]，能夠“抵銷”一部分田間溫室氣體排放，最終使得有機物料還田能夠顯著減少了農田種植系統的凈溫室氣體排放。Ren等[30]研究表明，有機肥替代化肥可以維持作物產量并減輕氮損失，從而降低化肥施用帶來的溫室氣體排放。Wei等[31]研究表明，生物炭還田使小麥種植系統N2O減排8%～23%。

中國每年都會產生巨大數量和種類的農業廢棄物，種植業領域每年產生的秸稈量約9億t，畜禽生產產生的畜禽糞便量達到了30億噸之多。其中有很大一部分作為廢棄物而未被循環利用，這些未被利用的農業廢棄物造成了一系列的環境污染問題且在整個世界也成為棘手的生態環境問題。估計每年因作物秸稈和畜禽糞便產生的潛在溫室氣體排放量分別多達6.51×106Gg 碳當量和1.23×105Gg 碳當量[32]。可見，通過發展循環農業，可以將大量的農業廢棄物資源“變廢為寶”，是應對農業節能減排的重要路徑。

2.4 通過作物技術創新實現減排

1）育種技術創新。農作物品種的更新換代對中國種植業的減排具有重要的作用。高產品種的現代水稻育種策略可以顯著減少中國和其他水稻種植區域的水稻CH4排放[33]。針對黃淮海不同年代小麥品種的研究表明，隨著品種的更新，每十年麥田增溫潛勢的下降率達1.2%～2.0%[34]。Jiang等[35]研究指出，通過作物育種提高水稻收獲指數，可以減少稻田碳足跡4.4%。未來農作物新品種培育應在促進產量增長的同時，更加聚焦于綜合綠色性狀的提升，通過品種更新促進種植業效率提升與節能減排。

2）生態種植技術創新。國內外諸多研究表明，通過合理的間作、套作和輪作等多樣化生態種植模式，可以有效減少農田溫室氣體排放。Andreas等[36]對加拿大一個20年的長期定位的試驗結果分析表明，玉米—玉米—苜?！俎］喿黧w系土壤固碳量較大。West和Post[37]總結了全球67個長期定位試驗，表明輪作使土壤每年平均增加約200 kg ce/hm2。國內也有不少研究表明，合理的種植模式具有減排效果，比如Raheem等[38]研究表明，南方稻田紫云英—水稻—水稻種植模式能通過調節產甲烷菌群落來降低甲烷排放，同時提高水稻產量。此外，華北平原玉米與大豆間作、玉米與馬鈴薯套作[39-41]、紅薯→棉花→紅薯→冬小麥—夏玉米4年輪作、黑麥草—棉花→花生→冬小麥—夏玉米3年輪作等種植模式[42]、冬小麥→冬小麥—夏玉米、春甘薯→冬小麥—夏玉米、冬小麥—夏花生→冬小麥—夏玉米等隔年休耕輪作[43]等模式都具有良好的減排效果。

3 提升中國種植業碳中和科技創新能力的建議

目前，我國種植業固碳減排的研究具有較好的基礎，但是總體上依然存在技術創新方向系統性不足、創新體系和協作能力不夠等問題，建議加強我國種植業碳中和科技創新的支持力度，以顯著提升我國農業實現碳中和的科技支撐能力和國際話語權。

3.1 明確農田生態系統碳中和科技創新重點

建議國家有關部門針對農業碳中和科技創新組織開展系統性戰略研究，制定中長期農業碳中和科技研究與發展規劃，重點需要關注的內容有：一是亟需盡快布局研究制定農業系統碳核算技術與標準，為技術研究開發提供“底盤”支撐；二是加強農田生態系統固碳減排的基礎研究，包括不同區域不同作物不同技術措施的碳排放科學參數，以及影響排放的生物和非生物機制；三是不同種植系統的碳減排關鍵技術研究，盡快形成適應不同區域、不同作物種植系統的碳中和解決方案；四是研究開發基于大數據的農田系統碳中和智慧系統優化模型，為各項單一技術的集成與優化調控提供科學工具。

3.2 加強全國農業碳中和研究平臺基地建設

農業活動受各地地勢、地貌、氣候、土壤、植被等自然因素和人口、經濟、社會、交通、市場、文化、政策等人文因素的影響，具有強烈地域差異性，建議國家有關部門組織全國涉農高校、科研院所相關單位，基于已有農業科研平臺基地，針對我國不同農業生態類型區，頂層設計、合理布局，圍繞自然因素和社會因素，系統設計建設覆蓋不同區域不同農業生產模式與技術的碳研究監測基地與研究平臺，為農業碳中和研究提供長期穩定的平臺基地支撐。

3.3 成立全國農業碳中和研究聯盟

建議全國涉農高校、科研院所聯合組建農業碳中和研究聯盟，組織優勢研究團隊開展有組織的科研，圍繞不同區域的農業生產合作開展農業碳中和戰略研究、技術研發、碳補償與碳交易政策等多學科的協同創新研究，形成全國農業碳中和研究協作網，建立資源與成果共享機制，合力為國家“雙碳”目標的實現通過農業領域的解決方案。

3.4 謀劃牽頭農業碳中和國際科學研究合作項目

建議國家有關部門組織有國際合作優勢基礎的高校和科研院所，圍繞提升我國農業碳中和的國際話語權，牽頭謀劃布局國際科學研究合作項目。重點關注：一是在農業碳排放核算技術與標準方面，需要形成國際認可的通行標準，通過國際合作項目，有利于吸收國際權威專家的參與，快速形成成果；二是針對全球不同的氣候、土壤條件和作物種植類型，合作開展不同種植模式與技術的農田碳排放及其影響機理研究，有利于推進農業領域碳中和的基礎研究；三是開展農業碳中和關鍵核心技術的國際合作研究與開發。

4 結語

農田種植業是中國農業溫室氣體排放的重要來源，也是具備生態系統碳匯提升潛力的重要領域，通過科技賦能，實現我國種植業增匯減源是推進我國“雙碳”目標實現的重要途徑。本文綜合分析了國內外相關研究進展，對我國種植業實現碳中和的關鍵問題進行了探討，提出依靠科技創新是實現種植業碳中和的關鍵道路。圍繞種植業碳中和的技術研究現狀，初步歸納了依靠農資合理減量、肥藥效率提升、物質循環利用、作物技術創新等“四大”減排技術路徑。在此基礎上，圍繞提升中國種植業碳中和科技創新能力建設提出了強化農田生態系統碳中和科技創新、加強全國農業碳中和研究平臺基地建設、成立全國農業碳中和研究聯盟、謀劃牽頭農業碳中和國際科學研究合作項目對策建議。以期為我國農業領域落實“雙碳”戰略的科技創新研究和相關政策制定提供參考。