農業溫室氣體排放與減排固碳措施分析

程秀娟

（1.開封大學財政經濟學院，河南 開封 475004；2.中國社會科學院大學，北京 102488）

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告第一工作組報告指明，2011—2020 年全球地表溫度比1850—1900 年高1.09 ℃［1］，全球變暖對人類生存和發展帶來更為嚴峻的挑戰。氣候變化由人類活動排放溫室氣體造成。聯合國糧農組織（UN FAO）在第26 屆聯合國氣候變化大會上指出，1990—2019 年，全球農業溫室氣體（包含二氧化碳、甲烷和氧化亞氮）排放量增加了17%；2019 年全國人為排放量為540 億t 二氧化碳當量，其中農業二氧化碳排放量為170 億t 當量，占比31%；2019 年農業甲烷排放量和氧化亞氮排放量占比分別為53%和78%。農業溫室氣體排放（包含二氧化碳、甲烷和氧化亞氮）是全球溫室氣體排放量的最大貢獻者，也是溫室氣體減排的主體。習近平總書記在第75 屆聯合國大會上提出中國2 個階段碳減排奮斗目標（以下簡稱“雙碳”戰略目標），力爭到2030 年二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060 年實現碳中和。根據這一重大戰略部署，中國將加快推進理論與政策研究，明確“雙碳”戰略目標的具體路徑，破解減碳固碳難題。

圍繞農業減排固碳積累了豐碩的研究成果，更多關注農業溫室氣體排放的影響因素和排放量、減排固碳措施等主題。圍繞農業溫室氣體排放量的監測，主要運用持續更新的IPCC 清單方法進行核算。譚秋成［2］，閔繼勝等［3］結合農業生產過程、化肥和能源投入，對中國農業溫室氣體排放量進行計算及區域匯總。李陽等［4］研究發現，在高情景和中情景下中國農業非二氧化碳的溫室氣體排放量呈上升趨勢，區域農業生產與其農業二氧化碳的溫室氣體排放的脫鉤狀態具有異質性。圍繞農業溫室氣體排放的影響因素，學者主要結合農業溫室氣體的不同排放來源進行因素剖析，種植業、農田土壤和農業生產資料是二氧化碳排放的主要來源［5］，水稻種植、動物腸道發酵和動物糞便是甲烷和氧化亞氮的主要來源，農業機械總動力、農業柴油量、化肥施用量、耕作方式與灌溉是主要影響因素［6-8］。圍繞減排固碳措施，學者分別討論了減排固碳的主要措施與現實困難。從農業室溫氣體排放來源來看，科學水肥管理與保護性耕作有助于農田減排［8，9］，同時農村生活減排和生物質能源利用存在巨大減排潛力［10］；從農田碳匯來看，保護性耕作、農林復合系統、覆蓋作物輪作有助于提高農田土壤碳庫儲量［11，12］，促進農田增匯是有效的固碳措施；從固碳和減排的協同效應來看，氮肥與秸稈還田技術產生的溫室氣體排放對農田土壤固碳存在不同程度的抵消效應［13］，農機節能減排對農田土壤固碳效應有5.31%～40.40%的強化效應［14］，減排固碳協同并進需要進一步探索。然而，從減排的收益來看，農業面源污染減排的經濟收益不明顯，農民增收效應不足，農民缺乏減排的積極主動性［15］。已有研究對農業溫室氣體排放與減排固碳提供了研究基礎，但對農業減排固碳的輻射效應和增收效應探討不足，尤其是推進農業溫室氣體減排固碳的動力機制有待進一步研究。

《2030 年前碳達峰行動方案》明確提出要推進農業農村減排固碳，大力發展綠色低碳循環農業，開展耕地質量提升行動，實施化肥農藥減量替代計劃。針對農業溫室氣體的不同類別，排放來源、排放現狀、農業減排固碳等問題有待研究。基于此，參考IPCC 排放因子和《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》估算農業溫室氣體排放量，圍繞農業減排潛力和土壤固碳潛力，農業減排固碳的主要措施展開討論，明確農業減排固碳的動力機制，為實現國家“雙碳”戰略目標做出更大貢獻。

1 農業溫室氣體排放來源與固碳效應

1.1 農業溫室氣體的排放來源

結合農業溫室氣體排放來源和排放物的成分來看，種植業、農田土壤、畜牧業和農業生產資料是農業溫室氣體排放的4 大來源，主要產生甲烷、氧化亞氮和二氧化碳3 種溫室氣體。二氧化碳排放主要來自于農業生產過程中直接或間接的能源消費、農作物根系的呼吸以及有機質的腐爛分解。土壤微生物數量及其活性、有機質含量、溫度、濕度、水分等是二氧化碳排放量的主要影響因子［16，17］。農業非二氧化碳溫室氣體（包含甲烷和氧化亞氮）是農業溫室氣體的主體，以下重點討論農業非二氧化碳溫室氣體的排放來源。

1.1.1 農業甲烷排放 農業面源排放的甲烷主要來自于水稻田生產、動物腸道發酵和動物糞便，排放量占人為甲烷排放總量的57%［18］。①水稻田產生甲烷。水稻生長期間，土壤中甲烷菌在厭氧條件下通過二氧化碳與氫氣的還原反應產生甲烷。水稻品種、耕地方式、灌溉方式、施肥量和方式是水稻田甲烷排放的主要影響因子［19］。②動物腸道發酵產生甲烷。牛、山羊和綿羊等反芻動物具有獨特的消化系統，在腸道發酵的過程中瘤胃中的二氧化碳和氫氣還原反應產生甲烷，通過動物的嘴和鼻孔排放。動物種類、動物年齡與體重，飼料的化學物理特性，采食水平和采食時間，動物的健康狀況等是影響甲烷排放的主要影響因子。③動物糞便產生甲烷。動物糞便中的有機物在厭氧環境下發酵產生甲烷，糞便管理方式和環境的溫濕度是甲烷排放量的主要影響因子。

1.1.2 農業氧化亞氮排放 農業面源排放的氧化亞氮主要來自于農田土壤施肥、動物糞便與農田土壤本底。①農田土壤施肥產生氧化亞氮。氮肥和復合肥的施用直接產生了氧化亞氮，同時徑流與淋溶等間接產生了氧化亞氮。肥料類型、施肥技術、作物秸稈還田、大氣沉積、土壤類型等是氧化亞氮排放量的主要影響因子。②動物糞便產生氧化亞氮。動物糞便儲存、處理、運輸和施肥過程中的微生物進行硝化和反硝化作用，硝化作用產生硝態氮，反硝化作用產生氮氣，氧化亞氮是副產品。硝化過程、氧氣濃度、pH、溫度和微生物群體是氧化亞氮排放量的主要影響因子。③農田土壤本底產生氧化亞氮［20，21］。土壤中的有機質在微生物作用下分解排放氧化亞氮，土壤中的有機質含量是氧化亞氮排放量的主要影響因子。另外，秸稈不完全焚燒也是產生氧化亞氮的來源之一。

1.2 農田土壤的固碳效應

1.2.1 農田土壤的固碳效應 陸地生態系統在全球碳循環中發揮關鍵作用，農作物生長需要二氧化碳進行光合作用，同時農業土壤本身又是陸地碳匯系統，對二氧化碳進行吸收和儲存。根據糧農組織2017 年發布的全球土壤碳儲量圖，按地表30 cm 深度計算，全球土壤碳儲量約有6 800 億t碳當量；按地表1 m 深度計算，全球土壤碳儲量約有1.5 萬億t 碳當量，約為大氣碳庫容量的2 倍、陸生植物碳儲量的3 倍；按地表2 m 深度計算，全球土壤碳儲量約有2.2萬億t 碳當量，土壤具有顯著的固碳效應。2015 年巴黎聯合國氣候變化大會上提出“千分之四全球土壤增碳計劃”，因為地表30 cm 深度土壤碳儲量年增長率為4‰。而全球礦物燃料燃燒排放約為89 億t碳當量，約為按2 m 深度全球土壤有機碳儲量的4‰。土壤的固碳效應發揮了巨大的抵消作用，有助于抵消全球二氧化碳的凈排放量。

1.2.2 農田土壤碳儲量的變化 土壤碳儲量經歷了2 階段巨大轉變。第1 階段，土壤開墾為農田土壤，土壤碳存儲量明顯下降。隨著自然生態系統轉變為農田，地表1 m 深度土壤碳儲量減少了20%～50%，土壤碳損失率在開墾的最初幾年很高。第2 階段，農田土壤流失導致土壤碳儲量再次下降。粗放式耕作，工業化和城市化進程不斷加快都是造成農田土壤水土流失的主要原因，釋放大量二氧化碳。

農田土壤對二氧化碳的吸收與固定效應具有異質性。對比2017 年與2018 年不同地類土壤碳儲量的試驗結果可以發現，水稻田的土壤碳儲量增長速率最大，水稻田是主要碳匯，荒草地、灌木林、水庫沉積區和松樹小區是主要碳源，土壤碳儲量呈負增長［22］。

2 農業非溫室氣體排放量估算

2.1 計算公式

2.1.1 農業甲烷排放量 農業面源排放的甲烷主要來自于水稻田生產、動物腸道發酵和動物糞便，計算公式如下。

式（1）中，GHGCH4為農業甲烷排放量，CH4c、CH4l和CH4f分別為水稻田、禽畜腸道發酵和禽畜糞便的甲烷排放量。式（2）中，Si為第i種水稻的年播種面積，i分別為單季稻、雙季早稻與雙季晚稻，∝i為不同種類水稻田的甲烷排放因子，取值參考《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》的排放系數。式（3）中，Hj為第j種禽畜的年均飼養量，j分別為牛，馬，驢、騾、駱駝、豬、羊、家禽、兔，出欄量小于1 的禽畜，Hj為第j種禽畜的年末存欄量和前一年年末存欄量的加和平均值，出欄量大于1 的禽畜（包含生豬、兔和家禽），Hj為第j種禽畜的平均生命周期與年末出欄量的乘積除以365，生豬、兔和家禽的平均生產周期分別為200、105 d 和55 d；βj為第j種禽畜的腸道發酵的甲烷排放因子，取值參考IPCC 的排放系數［23］。式（4）中，Hj為第j種禽畜的年均飼養量，γj為第j種禽畜糞便的甲烷排放因子，取值參考IPCC（2006）的排放系數。

2.1.2 農業氧化亞氮排放量 農業面源排放的氧化亞氮主要來自于農田土壤施肥、動物糞便、農田本底與生物質燃燒，計算公式如下。

式（5）中，GHGN2O為農業氧化亞氮排放量，N2Ob、N2Of、N2Ol和N2Os分別為農用地本底、化肥施用量、禽畜糞便和秸稈燃燒的氧化亞氮排放量。式（6）中，Sk為第k種農作物的年播種面積，k分別為小麥、水稻、大豆、玉米、薯類、蔬菜、棉花和其他旱地作物，εk為第k種農作物的氧化亞氮排放因子，根據閔繼勝等［24］、王智平［20］的研究結果，整理得出排放系數。式（7）中，FN和FC分別為氮肥和復合肥的施用量，θN和θC分別為氮肥和復合肥的排放因子，其中，θN是θC的3 倍，取值參考《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》的排放系數。式（8）中，Hj為第j種禽畜的年均飼養量，μj為第j種禽畜糞便的氧化亞氮排放因子，取值參考IPCC（2006）的排放系數。式（9）中，Sk為第k種農作物的年產量，ρk為第k種農作物的秸稈子粒比，σk為第k種農作物的秸稈含氮量，τk為第k種農作物的還田比例，中國水田和旱田的氧化亞氮排放系數分別為0.41%和1.05%，取值參考張強等［25］。

2.1.3 農業二氧化碳排放量 二氧化碳排放主要來自于農業生產過程中直接或間接的能源消費、農作物根系的呼吸以及有機質的腐爛分解。根據IPCC的建議，農業二氧化碳排放量的估量只考慮農業能源消費產生的二氧化碳，計算公式如下。

式（10）中，GHGCO2為農業二氧化碳氮排放量，Cm為第m種農業生產使用的能源，eftm、ccm、cofm分別為第m種農業生產使用能源的熱值轉換系數、單位熱值含碳量與碳被氧化的比例。

2.1.4 農業溫室氣體排放總量 不同溫室氣體排放總量稱之為全球變暖潛能值，根據IPCC 推薦的全球變暖潛能值，將甲烷、氧化亞氮轉換為二氧化碳排放量，農業溫室氣體二氧化碳排放量的計算公式如下。

式中，不同類型的農業溫室氣體排放量單位均為百萬t碳當量（Tg CO2）。

2.2 數據來源

農作物（包含春小麥、冬小麥、單季水稻、雙季晚稻、大豆、玉米、薯類、蔬菜、棉花和其他旱地作物）的年播種面積與產量，禽畜（包含牛，馬，驢、騾、駱駝、豬、羊、家禽、兔）的年末出欄量與年末存欄量，氮肥和復合肥的施用量，農業生產使用的能源數量等農業生產活動數據分別來自《中國統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國能源統計年鑒》。

2.3 農業溫室氣體排放量

2.3.1 總排放量分析 對2001—2019 年中國農業溫室氣體排放量進行估算，結果見圖1。2001—2019年間中國農業溫室氣體排放量整體呈現出先增長后下降的波動趨勢，2019 年處于穩步下降階段。2001年總排放量為884.71百萬t碳當量，2013年達到區間峰值1 093.68 百萬t 碳當量，自2016 年開始持續下降，2019 年總排放量降至988.84 百萬t 碳當量。農業溫室氣體減排效應顯現，持續推進農業減碳固碳，實現中國兩階段碳減排奮斗目標的責任重大。

圖1 2001—2019 年中國農業溫室氣體排放量

2.3.2 不同類型的農業溫室氣體排放量 從農業溫室氣體的類別來看，2001—2019 年間農業二氧化碳排放量持續增加，農業非二氧化碳溫室氣體依然是農業溫室氣體排放主體。2001 年農業二氧化碳排放量為122.87 百萬t碳當量，占全部農業溫室氣體排放量的比例為13.89%，2017 年達到區間峰值313.74百萬t 碳當量，占比為29.48%，2019 年降至274.42 百萬t 碳當量，占比為27.75%。中國農業仍處于高投入、高耗能的粗放式發展階段，農業是二氧化碳重要的排放源。

2001 年農業非二氧化碳排放量為761.84 百萬t碳當量，甲烷和氧化亞氮排放量分別為490.78、271.06 百萬t 碳當量，占比分別為55.47%、30.64%。農業甲烷排放量在2006 年達到區間峰值后穩步下降，2019 年排放量為424.71 百萬t 碳當量，占比降至42.95%。農業氧化亞氮排放量整體呈現增長態勢，在2015 年達到區間峰值之后快速下降，2019 年排放量為289.7百萬t碳當量，占比降至29.3%。農業非二氧化碳溫室氣體是農業面源的排放主體，甲烷是最重要的排放源，甲烷減排是農業領域減排降碳的關鍵。

2.3.3 不同來源的農業溫室氣體排放量 從農業溫室氣體排放來源看，化肥和能源投入、種植業、畜牧業是農業溫室氣體排放的主要來源。2001—2019年間這3 種排放來源的排放量整體均呈現先增后減趨勢，區間峰值在不同年份出現，農田土壤本底排放量小幅上漲，凸顯出農業領域減排降碳的復雜性。

2001—2019 年化肥和能源投入產生的氧化亞氮和二氧化碳排放快速上升，2017 年達到區間峰值后持續下降，這與中國農業機械化、化學化發展緊密相連。2001 年化肥和能源投入產生的農業溫室氣體排放量為197.69 百萬t 碳當量，占比為22.35%，2019 年排放量為353.64%，占比為35.76%，年均增長率為2.45%。

2001—2019 年動物腸道發酵和糞便產生的甲烷和氧化亞氮排放在2006 年達到區間峰值后開始下降，2015 年出現一次回升后不斷下降。2001 年的畜牧業產生的溫室氣體排放量為430.18 百萬t 碳當量，占比為48.62%，2019 年排放量降至345.8 百萬t碳當量，占比降至34.97%。家禽、兔、奶牛、豬、羊飼養量快速增長，馬、驢、騾飼養量明顯下降是畜牧業溫室氣體排放量減少的主要原因。由于家禽、兔、奶牛、豬、羊等禽畜提供動物蛋白，滿足了居民不斷上升的動物性食物消費需求，馬、驢、騾逐漸被愈加機械化的農業發展模式替代。

2001—2019 年種植業溫室氣體排放量整體呈上升趨勢，在2013 年達到區間峰值后緩慢下降。2001 年的種植業產生的溫室氣體排放量為217.52百萬t 碳當量，占比為24.59%，2019 年排放量為209.93 百萬t碳當量，占比為21.23%。

由秸稈燃燒產生的氧化亞氮排放在2016 年后明顯下降，秸稈禁燒補貼效應凸顯。

3 農業減排固碳的政策措施與動力機制

3.1 農業減排固碳的政策措施

中國先后出臺一系列支持農業減排固碳的政策，提出測土配方施肥、耕地質量提升、有機廢棄物能源化利用、畜禽糞污資源化利用等措施持續推進農業面源污染防控。相關的政策與主要內容見表1。

表1 農業減排固碳的政策

農業減排固碳的政策以農業綠色低碳循環發展為主導目標。政策旨在實現農業溫室氣體減排和農田土壤增匯，先后提出一系列明確的行動目標。在農業溫室氣體減排方面，先后提出以下行動目標，到2020 年，全國測土配方施肥技術推廣覆蓋率達到90%以上，秸稈綜合利用率達到85%以上，養殖廢棄物綜合利用率達到75%以上，規模化養殖場、養殖小區配套建設廢棄物處理設施比例達到75%以上；到2030 年，全國基本實現農業廢棄物趨零排放，農業主產區農作物秸稈得到全面利用，養殖廢棄物綜合利用率達到90%以上。在農田土壤的固碳方面，提出以下行動目標，確保耕地保有量在120 萬hm2以上，基本農田不低于104 萬hm2；到2020 年和2030 年全國耕地基礎地力提升0.5 個等級和1 個等級以上，農田有效灌溉率分別達到55%和57%，節水灌溉率分別達到64%和75%；到2020 年建成集中連片、旱澇保收的53.3 萬hm2高標準農田。

農業減排固碳的政策措施具有前瞻性，引領農業領域綠色低碳循環發展。在農業溫室氣體減排方面，政策提出高產低排水稻品種改良，化肥減量增效，畜禽糞污資源化利用，農作物秸稈綜合利用，保護性耕作，節水灌溉，能源綠色低碳消費等措施。在農田土壤的固碳方面，提出穩定耕地面積，耕地質量保護與提升行動，推廣秸稈還田、精準耕作技術和少免耕等保護性耕作、耕地輪作休耕，增施有機肥，建設高標準農田，節水灌溉等重要舉措。保護性耕作、化肥減量增效與節水灌溉既能實現農田土壤增匯，也有利于減少農業溫室氣體排放。農業減排措施和農田土壤的固碳措施存在交叉與重合，兩類措施耦合發力、協作改善，能更有效地實現農業減排固碳的行動目標。

農業減排固碳的政策致力于關鍵技術創新發展，通過示范效應和補貼政策推進落實各項政策措施。集成示范耕地質量提升與保育技術，推廣應用機械化深松整地、保護性耕作、秸稈全量處理利用與秸稈腐熟還田等技術。重點研發節能低耗智能化農業裝備，推廣應用智能化深松整地與高效免耕精量播種裝備，高效節水灌溉設備，化肥深施和有機肥機械化撒施裝備，秸稈綜合利用設備，畜禽養殖廢棄物資源化利用裝備等。化肥減量增效技術通過推廣普及測土配方施肥、增施有機肥、環保高效肥料和生物制劑使用。畜禽糞污資源化利用技術主要改善糞便處理技術，推進畜禽糞污肥料化、基質化、能源化等多元化循環利用，規范畜禽糞肥還田利用。秸稈資源化利用技術在秸稈“五料化”（能源化、肥料化、基質化、材料化和飼料化）與秸稈離田炭化—生物質炭還田技術取得重要進展，能夠有效實現農業減排，改善耕地生態。

3.2 農業減排固碳的動力機制

農業溫室氣體減排與農田土壤固碳通過降碳和增匯，為實現國家“雙碳”戰略目標發揮重要作用。在農業減排固碳的核心措施與關鍵技術的基礎上，論述農業減排固碳的動力機制，旨在為農業溫室氣體減排與農田土壤固碳協同發展搭建“橋梁”（圖2）。

圖2 農業減排固碳路徑

在2005 年，中國全面實施測土配方施肥沃土工程計劃，引導農業改善粗放施肥方式，提升農民科學施肥技術水平。之后，通過補貼政策激勵農業農村開展溫室氣體減排行動，落實農田土壤的固碳措施服務于國家糧食安全戰略。然而，要全面推進農業減排固碳措施，實現各項行動目標，單純依靠政府補貼對關鍵技術進行研發、示范和推廣應用的做法明顯缺乏持續動力。中國于2021 年2 月1 日起施行《碳排放權交易管理辦法（試行）》，全國碳市場于2021 年7 月16 日啟動上線交易，農業以項目形式參與了碳排放權交易。建議有序推進農業納入碳排放權交易范圍，探索建立農業碳交易產品的動態監測和核查、農業碳交易的規范標準和科學方法，形成農業自愿減排的經濟激勵和內生動力。同時，進一步探索通過補貼政策和碳交易政策發揮農民增收效應與示范帶頭作用，釋放更多農業減排固碳紅利。

4 小結

在農業溫室氣體排放原理與農田土壤固碳效應的基礎上，依據IPCC 排放因子和《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》估算2001—2019 年間中國農業溫室氣體排放量，揭示出農業減排降碳的復雜性。圍繞農業減排固碳的潛力，厘清中國農業減排固碳的政策措施、關鍵技術與動力機制。考慮到國家“雙碳”戰略目標，中國農業綠色低碳循環發展具有緊迫性，結合研究結論提出以下政策建議。

1）深入開展耕地質量保護與提升行動，保障糧食安全。在“后疫情”時代與“雙循環”新發展格局下，把中國人的飯碗牢牢端在自己手中的重要性進一步凸顯。保護性耕作、耕地輪作休耕、化肥農藥減量增效、加強建設高標準農田能夠有效提升耕地質量，增加土壤有機碳儲量，更是保障糧食和重要農產品有效供給的重要措施。

2）加快形成農業碳排放權交易市場，挖潛農業減排固碳的內生動力。農業是溫室氣體減排的重要主體，農田土壤更是重要碳匯，潛在碳匯量可中和1∕4 的農業溫室氣體排放，農業進入和參與到碳減排與碳交易的框架體系具有重大意義。農業碳交易市場將釋放更多紅利，形成經濟激勵，誘使農業經營主體自愿減排固碳，主動進行低碳綠色循環農業生產活動。

3）分區分類施策，合理運用補貼政策效應。《全國農業可持續發展規劃（2015—2020）》將全國劃分為優先發展區、適度發展區和保護發展區，不同地區的農業資源承載力、環境容量、生態類型、生產特點和溫室氣體排放現狀各不相同，制定差異化的減排目標和具體路徑，精準施策，持續完善各類補助獎勵與生態補償制度，充分發揮政府補貼的輻射效應。

4）擴大農民增收效應與示范效應。農業減排固碳有效協調國家“雙碳”目標與糧食安全目標，亦需要兼顧農民增收目標。探索實現“綠水青山就是金山銀山”向“綠水青山變成金山銀山”轉變，使農民在碳減排和碳交易過程中獲得更多經濟收益，拓寬農民增收渠道。同時，發揮新型農業經營主體的引領示范作用，促進綠色低碳循環農業理念和技術在更大范圍、更寬領域、更深層次內應用。