“双碳”战略背景下农业与农村减排技术路径分析*

谢立勇, 杨育蓉, 赵洪亮, 郭李萍, 靳泽群, 杨 扬, 何雨桐

(1.沈阳农业大学农学院 沈阳 110161; 2.沈阳农业大学经济管理学院 沈阳 110161; 3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081)

工业革命以来, 随着人类消耗化石燃料(煤炭、石油等)的不断增长和森林植被的大量破坏, 人为排放的CO等温室气体不断增长。根据世界气象组织(WMO)公报, 2020年大气CO含量已经达410 μmol·mol,比工业革命前增长60%。刚刚发布的IPCC第一工作组第六次评估报告指出, 与1850-1900年比较, 全球地表平均温度已上升1.09 ℃, 全球海平面上升10～25 cm, 从未来20年的平均温度变化来看, 全球升温预计将达1.5 ℃。应对气候变化, 必须推动立即、迅速和大规模地减少温室气体排放, 否则全球将升温限制在1.5 ℃或2 ℃的目标将无法实现。在此背景下, 中国政府郑重宣布将于2030年前使CO排放达到峰值, 努力争取2060年前实现碳中和。碳达峰指在某一个时间点人为温室气体(CO为主, 并以此为代表)的排放不再增长, 达到峰值之后逐步回落;碳中和指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量, 通过植树造林、节能减排等形式, 不断降低大气中CO浓度, 最终实现大气中CO达到平衡。

与此同时, 几十年来经济的高增长伴随着高污染、高碳经济的转移, 一定程度上放大了中国劳动力成本比较优势和全要素生产率提高所带来的经济增长效应。支撑中国经济高速增长的不仅有劳动力成本, 还有巨大的环境成本。这样的经济增长模式是不可持续的, 必须从高耗能、高污染向高质量的发展模式转变, 向绿色低碳经济转型, 实现经济社会可持续发展。同时更要看到, 应对气候变化的政策行动, 不但不会阻碍经济增长, 而且有助于提高经济增长的质量, 培育带动新的产业和市场, 扩大就业,改善民生, 保护环境, 提高人们的健康水平, 实现协同发展。2005-2019年GDP增长了约4倍, 实现了亿万农村贫困人口基本脱贫, 同期单位GDP的CO排放下降了48.1%, 非化石能源占一次能源的比重从7.4%提高到15.3%, 相当于减少了56亿t (CO)的排放, 大气环境质量明显改善, 实现了经济社会发展与碳排放初步脱钩。在农业与农村领域, 同样存在着减污降碳、绿色发展的内在需求。中国用占世界约9%的耕地养活世界约20%的人口, 农业承担着巨大的责任和压力。由于技术和设备等方面的原因,目前农业和农村的能源利用效率还很低, 节能潜力巨大。综合农业部门的统计资料, 全国每年化肥使用量达4700万t, 利用率仅为35%左右; 农药使用量140多万t, 利用率仅为30%左右; 灌溉用水效率仅为45%; 大量畜禽粪便没有得到资源化利用。全国每年产生近8亿t的秸秆、120万t的农用地膜、2亿多t的农村垃圾、90亿t的农村生活废水, 对环境影响非常突出, 而解决这些问题又与“双碳”战略目标殊途同归。换言之, 现代农业与农村的发展具有强烈的减污降碳的内在需求。加强农业和农村节能减排, 切实推进农业清洁生产和节约生产, 必将有效促进农业投入品的高效利用, 减少温室气体排放和农业面源污染, 有助于实现碳中和以及保护生态环境。

1 农业与农村碳源、碳汇特征

农业是温室气体重要的排放源之一, 它对全球温室气体排放总量的贡献达13.5%。同时, 农林生态系统也是重要的碳汇, 增强碳汇是减缓大气CO浓度上升最经济有效的方法。根据最新研究结果,中国农业温室气体排放约占温室气体总排放量的16%, 农业土壤固碳量每年约为0.5亿～1.0亿t碳, 减排和固碳将成为未来农业发展的新特征。因此, 厘清农业与农村领域碳源、碳汇是研究农业与农村温室气体减排路径的前提。

1.1 农业与农村主要排放源

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的清单指南, 农业主要排放途径包括稻田排放CH, 农田施用氮肥排放NO, 反刍动物肠道产生CH, 畜禽粪便产生CH和NO等。当前大气CH含量约为1870 nmol·mol, 对全球增温的作用仅次于CO; 大气NO含量约为330 nmol·mol, 增温作用贡献排名第3。农田施用氮肥是NO的重要排放源。2014年中国农业温室气体排放量为8.3亿t二氧化碳当量(eCO), 占全国温室气体排放总量的8%。农田施肥、水稻种植、家畜饲养和粪便管理的排放量分别占农业温室气体排放总量的43%、20%、26%和10%。此外, 农业生产用能(包括农机、渔船渔机等)排放量为2.3亿t (eCO), 农村生活用能排放量为6.5亿t (eCO), 累计占全国排放总量的15%左右。因此, 推进农业农村领域减排固碳, 降低农业农村生产生活温室气体排放强度, 是温室气体减排的潜力所在, 是实现碳达峰、碳中和的重要举措。除去农牧业(包括其废弃物)温室气体排放以外, 随着生活方式的改变和生活质量的提高, 农村居民的生活行为排放也会多样化、增量化。农村取暖、餐饮、用电、交通等与城市生活一样, 需要大量能源消耗, 这里间接的CO排放量也在发生变化, 其中的减排潜力也值得关注(表1)。

1.2 农业与农村主要碳汇

农田生态系统是陆地生态系统的三大系统之一,对大气碳含量影响较大, 中国农业土壤年均生物碳截获量约为10 Tg, 但是不同利用方式、不同土壤类型、施肥方式等对土壤碳储存能力产生显著影响。滨海湿地是重要的海岸带生态系统, 可从大气中吸收 CO并将其稳定储存起来。全球滨海湿地的总碳埋藏速率为 54 Tg(C)·a。这意味着通过垂直方向的土壤碳累积, 滨海湿地便可抵消人类活动碳排放的0.5%～1.0%。并且不论在何种气候变化情景和人类干扰模式下, 全球的滨海湿地碳埋藏速率都将稳定增加。此外, 森林系统是陆地生态系统中最大的碳库, 通过光合作用可吸收大气中的CO, 草地系统也蕴藏着大量的土壤层碳。由于本文主要讨论种植业和养殖业, 所以森林系统和草地系统此文未做讨论。

2 农业与农村减排增汇路径

联合国粮农组织(FAO)最新研究报告显示, 世界粮食体系占全球人为温室气体排放量的1/3以上,粮食生产阶段(包括肥料等生产投入)是目前整个粮食体系碳排放的主要贡献环节, 占排放总量的39%。土地利用及其相关因素占38%, 分配阶段当前占比为29%。所以农业与农村领域的减排增汇潜力不容忽视、责任义不容辞。控制温室气体排放的途径主要是减少森林植被的破坏, 降低农田、畜牧养殖以及垃圾填埋场排放。增加温室气体吸收的途径主要有植树造林、增加碳汇和采用捕获和利用技术。

2.1 减排路径与措施

农业与农村实现碳达峰、碳中和的减排技术路径主要是稳定和强化生态系统固碳增汇能力; 其次是改进生产方式, 提高生产效率, 降低排放强度; 第三是推广和使用技术创新, 开展节能与可再生能源替代(表1)。

表1 农业与农村主要温室气体排放源及减排措施Table 1 Key greenhouse gases emission resources and key mitigation technologies from agriculture and rural region

农田生态系统具有较大的温室气体减排空间,具体措施包括针对农田土壤环境、微生物活动规律以及硝化和反硝化作用机理, 采取适当的田间管理方式, 对农田系统进行水肥调控, 采取轮作方式, 减少温室气体排放量, 增加土壤固碳量, 实现固碳减排的目标。研究表明, 施用缓释肥、节水灌溉以及两种措施配合等技术, 可分别减少稻田CH排放19%、21%和41%。联合国环境规划署和气候与清洁空气联盟联合发布《2021全球CH评估报告》认为, 减少人类活动产生的CH排放, 是缓解全球气候变化最经济、最有效的措施之一。报告指出, 如采取有效措施, 在2030年前每年可能减少CH排放1.8亿t, 即在2030年实现比2020年CH排放减少45%, 那么到2050年全球可以避免约0.3 ℃的升温。规模化养殖场选择合理的处理利用方式, 不仅可以有效减少温室气体排放, 还可以实现畜禽粪污的资源化利用, 减少环境污染。

技术创新及其推广应用是减少排放、实现碳中和的关键。通过推广先进适用的低碳节能农机装备,降低化石能源消耗和CO排放, 发展生物质能、太阳能等新能源, 加快农村取暖炊事、农业设施等方面新能源利用, 降低化石能源排放。通过对反刍动物进行生理调节和饲料工艺, 减少动物肠道及其粪便的温室气体排放; 通过畜禽养殖废弃物污染治理和综合利用, 强化污水、垃圾等集中处置设施环境管理, 协同控制温室气体。成熟的技术要有组织地进行宣传推广, 使之得到广泛使用。比如光伏发电是清洁能源, 可以大大抵消电力能源消耗, 从而降低排放。再如农村地区停车、充电比较方便, 且可以使用分布式可再生能源, 可以通过政策倾斜、财政补贴等方式鼓励农村居民使用新能源汽车, 引导农村消费者直接转向电动化出行方案。

提高公众意识、改变生活方式也至关重要。要积极引导民众树立“节省能源、减少排放为荣, 浪费能源、任意排放为耻”的风尚, 让节能减排家喻户晓、深入人心、付诸行动、持之以恒。减少食物浪费和厨余垃圾也是实现“双碳”目标不可忽视的途径之一。从前端食物浪费到后端的厨余垃圾处理, 都会产生资源消耗、环境污染和温室气体排放。

2.2 固碳增汇路径与措施

土壤中存在的大量微生物和植物根系都能够通过呼吸作用排出CO, 而保护性耕作具有良好的固碳减排效果。通过改进和优化耕作措施, 提高秸秆和有机物质还田量, 推广少免耕技术, 配合使用化肥和有机肥, 补充微量元素、实现平衡施肥, 施加生物炭,有利于减少农田温室气体净排放。中国有1.33亿hm耕地, 土壤固碳潜力为2200～3700万t。未来50年, 如果实施有效的农田管理措施, 对土壤固碳的贡献率约为30.0%～36.0% (相当于抵消工业温室气体排放3.4%～19.0%)。此外, 施用石灰性改良剂提高了36.3%的作物产量, 同时降低21.3%的土壤NO年排放量以及19.0%的稻田CH年排放量。

森林是陆地生态系统中最大的碳库, 在降低大气中温室气体浓度、减缓全球气候变暖中, 具有十分重要的作用。大部分森林与农村地区紧密相连,而农村植树造林也是森林的重要组成部分。农村地区通过合理植树造林, 扩大森林覆盖面积, 更新树龄和结构, 抵减部分工业的温室气体排放, 经济可行、成本较低。应多渠道加大对林业的投入力度, 充分考虑森林的固碳效果, 把林业碳汇放到与工业减排同等重要的位置, 将林业生态建设纳入到应对气候变化的行动中。草地分布广, 具有巨大的碳汇潜力。扩大草原面积、提高草地生态系统机能有利于增大草原固碳潜力。要形成统一衡量草原生态系统的价值标准, 增加保护草原生态补贴资金, 优化草地管理方式, 改进草地利用方式, 增强草地碳汇功能。城市绿地也是草地重要组成部分, 扩大绿地面积是改善城市环境、提高城市人居环境的举措, 也是增加草地面积、增加碳汇的有效措施。减少垃圾填埋, 实现高比例资源化, 加大固废中金属等再生资源利用,用好能源转型当中产生的新型固废, 为实现碳中和作贡献。

3 讨论

实施农业与农村碳达峰、碳中和要以全面推进乡村振兴、加快农业农村现代化为引领, 以绿色低碳科技创新为支撑, 以降低温室气体排放强度、提高农田土壤固碳能力、实施农村可再生能源替代为抓手, 全面提升农业综合生产能力, 建立完善监测评估体系, 完善政策保障机制, 加快形成资源节约型和环境友好型的农业与农村产业结构、生产方式、生活方式和空间格局。在此过程中, 有如下几个问题值得特别关注。

3.1 追求农业与农村领域碳中和战略目标必须保障粮食安全

农业是基础产业, 粮食是特殊的商品, 中国又是人口大国, 粮食安全具有特殊的意义。所以必须充分认识到, 农业与农村的减排必须是建立在粮食安全为基础之上的减排, 必须在充分保障粮食稳产高产的前提下进行。与其他领域明显不同的是, 不能舍弃粮食产量去讨论农业与农村减排。要努力挖掘农业与农村领域节能减排的潜力, 承担实现碳中和目标的责任, 但是由于农业的基础性和战略性地位,不能单纯追求农业与农村系统内部的碳中和。换言之, 推进农业与农村碳达峰、碳中和, 最终要形成农村发展与资源环境承载力相匹配、与生产生活条件相协调的总体布局。既利于保障粮食安全和重要农产品有效供给, 又降低了农业农村生产生活温室气体排放强度, 协同推动农业高质量发展和生态环境高水平保护, 促进农业农村现代化建设, 助推全面实现乡村振兴, 让低碳产业成为乡村振兴新的经济增长点。

3.2 农业与农村领域碳中和必须坚持与农业绿色发展、减污降碳同步推进

农业绿色发展强调的是资源节约与环境友好,同时保证农产品安全健康, 与减污降碳的目标在本质上高度一致。近年来, 随着工业化、城镇化加快推进, 耕地数量减少、质量下降, 水资源总量不足,必须统筹推进工程节水、农艺节水和治污节水。在化肥、农药使用方面, 畜禽粪便、秸秆、农膜基本资源化利用方面还存在很多问题, 要坚持投入减量、绿色替代、种养循环、综合治理, 实施农药化肥减量工程, 着力提高化肥农药利用率, 大力推广秸秆机械化全量还田, 积极开展秸秆饲料、秸秆造纸、秸秆沼气、秸秆食用菌等多渠道利用示范与推广, 提高秸秆资源综合利用率。使农业面源污染得到遏制和逆转。农业生产系统温室气体排放的份额较大,但是随着农业科技进步, 农业生产减排潜力巨大。为防止气候变化带来的重大伤害, 粮食生产的各环节急需快速而重大的改革, 齐心协力减少粮食生产中的温室气体排放, 以限制全球气温上升。要进一步支持绿色技术创新, 推进农业清洁生产, 推进农村建筑、交通等重点行业和重要领域绿色化改造, 形成清洁低碳安全高效的能源体系。

3.3 农业与农村领域碳中和必须与适应气候变化、生态文明建设协同推进

广大农村地区是受气候变化影响的脆弱地区,尤其是刚刚脱贫的地区所面临的持续发展和应对气候变化双重挑战日益严重。在农村快速发展进程中,实现能源清洁化、低碳化, 并增强农村防范气候灾害、适应气候变化的能力, 必须协同推进。在为应对气候变化做出重要贡献的同时, 也有效促进经济、社会和环境的可持续发展, 催生新技术、新产品、新模式, 显著提升经济发展效率和碳生产力水平。良好的生态环境是人和社会持续发展的基础。要全面提升农村生态环境, 努力把农村打造成环境优美、生态宜居的美丽乡村, 积极推动社会物质财富与生态财富共同增长、社会环境质量与农民生活质量同步提高。要把农业产业生态化、发展清洁化作为建设美丽乡村的根本举措, 积极发展生态农业, 转变农业增长方式, 严格防控农业面源污染, 改善和提升农业生态环境。以农业废弃物资源循环利用为切入点,推广种养相结合、循环利用的生态健康种养生产方式。“双碳”战略目标下, 继续把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局, 推动绿色低碳技术实现重大突破, 加快推广应用减污降碳技术, 提升生态碳汇能力, 有效发挥森林、草原、湿地、海洋的固碳作用, 提升生态系统碳汇增量。将碳达峰、碳中和纳入生态文明整体布局是对“零碳陷阱论”和“低碳阴谋论”的有力驳斥, 并实现了生态环保领域国内目标和国际承诺的衔接和统一。

3.4 农业与农村领域碳中和必须建立完善的创新和保障机制

我国人口基数大, 随着人们对生活质量要求的不断提高, 生产生活用能需求将持续增长, 在保障粮食安全及社会经济持续发展前提下, 实现农业与农村领域双碳目标压力较大。在劳动力和成本投入、生产经营规模、废弃物循环利用等方面需要国家政策和财政支持, 出台针对农业与农村领域“双碳”目标的法律法规, 制定相应的技术标准; 组织和建立研究机构和研究平台, 投入资金和科研力量, 加快技术创新, 研发颠覆性技术, 探索区域化的整体解决方案。强化人为管理措施对农田生态系统碳源、碳汇的影响研究, 加强农田生态系统的固碳能力, 将经济效益与生态环境效益相结合。生活用能与生产用能变化大、涉及的影响因素多, 需要进一步深入解析核算。与农业生产一样, 务必保障农村地区居民生活用能和生产用能充足与便利的基础上, 改进能源供应模式和渠道, 实现节能减排的目标。

在实现农业与农村双碳战略目标的过程中, 碳排放权交易是需要关注的路径之一。应积极推动形成政府主导、社会参与、市场化运作的农业碳交易体系, 在保障国家粮食安全与重要农产品有效供给的同时, 降低碳排放、增加碳汇, 并使农民在碳交易市场中得到更多红利, 最终形成与资源环境承载力相匹配、与生产生活生态相协调的农业农村低碳发展新格局。