北方典型农业生态系统的固碳减排路径及模式*

蔡育蓉, 王立刚

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北京 100081)

中国碳达峰与碳中和目标(以下简称“双碳”目标)的提出, 彰显了我国作为负责任大国在国际社会“应对气候变化”中的担当与承诺。农业是国民经济的基础, 但同时农业碳排放受到越来越多的关注,尤其是两种主要的非二氧化碳温室气体——甲烷(CH)和氧化亚氮(NO)的排放。农业活动导致大约总排放量的50%和60%的CH和NO排放。虽然众多的研究者在农业碳氮循环过程、固碳减排途径、技术及其机理方面开展了很多研究, 但在目前“双碳”目标下开展的基础性研究和技术研发工作还相对缺乏, 尚未形成具有中国特色的农业碳减排技术与途径。

我国北方地区包括东北、华北、西北等17个省(市、自治区), 是我国粮食主产区、商品粮基地和重要的生态屏障区。尤其是近年来, 在我国粮食总产量呈现“稳中有升”的态势下, 北方粮食总产量的增长速度明显高于南方, 致使我国粮食生产由“南粮北运”转变为“北粮南送”。2004-2018年黑龙江、吉林、内蒙古三省(自治区)粮食调出率均保持在60%以上, 从长远来看北方主产区的粮食调出贡献整体高于南方主产区。北方主要以旱地农业为主, 是我国粮、棉、油、豆的重要产地。2019年我国北方粮食作物和经济作物产量分别占全国总产量的57.2%和34.3%, 牲畜出栏头数占全国的45.4%, 其畜产品产量占全国总量的53.4%(图1), 北方农林牧渔业年总产值为4.8×10元, 其中北方四大商品粮主产区(黑龙江、吉林、内蒙古和安徽)总产值占北方总产值的40.0%。另外, 北方草原牧区、农区和农牧交错带农业生产对保障我国生态环境保护和提升生态系统功能具有不可替代的作用。目前虽有研究表明我国北方地区农业碳排放总量低于南方地区, 但北方农业碳排放年均增长率是南方地区的1.2倍, 且呈现逐年上升的态势。我国北方农业生态系统固碳和温室气体排放方面研究工作虽然有很多报道,但缺乏“双碳”目标下北方农业生态系统固碳减排的路径选择和技术模式, 严重限制了本地区固碳减排效应的实现。

图1 2019年我国北方和南方农产品产量占全国产量比例[14]Fig.1 Proportions of output of agricultural products and livestock products in southern China and northern China in the national output in 2019[14]

因此, 本文在梳理北方农业生产特点的基础上,系统探究了不同分区的固碳减排路径, 并提出相应的技术模式, 为北方农业生产节能减排, 扎实做好“双碳”工作提供解决思路和支撑。

1 北方不同区域农业生产特点

根据我国北方地形地貌特征、气候条件和土壤性状, 北方农业生产特点主要为: 1)多以旱地农业为主, 基本是雨养农业, 灌溉水利用有效系数仅为0.48～0.59, 在西北和华北地区有一定面积的绿洲农业和灌溉农业。2)粮食作物种植制度以一年一熟制与一年两熟制为主, 包括华北地区的一年两熟制, 如冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)或冬小麦-夏大豆(Glycine max)轮作等; 东北和西北地区的一年一熟制, 春玉米、春大豆、水稻(Oryza sativa)、谷子(Setaria italica)、棉花(Gossypium spp.)等;另外, 设施蔬菜主要形成了以寿光模式为代表的“果菜-果菜”种植制度和以城郊型模式为例的“果菜-叶菜-叶菜”种植制度。3)北方粮食主产区化肥施用量占全国的比例(39.6%)高于南方主产区(27.1%),其中2019年华北地区(1.6×10t)化肥总投入量明显高于东北(0.6×10t)和西北地区(0.6×10t), 北方复合肥施用量占全国的57.2%。4)北方农业机械拥有量高于南方地区37.6%, 大型拖拉机、配套农具和小型拖拉机分别有3.1×10台、3.1×10套和11.6×10台, 其中华北地区农业机械数量占北方的数量(60.1%)远高于东北(23.0%)和西北(16.9%), 北方农业机械总动力约为5.1×10kW, 预计到2030年基本实现农业机械化。5)相较于南方养殖业的散养模式, 北方养殖业采取了家庭牧户养殖与牧企合作形式, 实现了畜牧业生产的各种要素科学管理与配置,养殖业产业化、规范化、现代化显著高于南方, 北方畜牧业的冬季饲草补充基地和畜牧业加工基地主要在农牧交错区。

2 北方典型农业生态系统固碳减排路径

根据北方农业生产的特点和在国家粮食安全、生态安全中的地位, 本文在“双碳”目标下, 绘制了北方农业生态系统固碳减排路径图(图2)。温室气体减排遵循“稳能减排”的路径, 即在稳定种养殖业产能的基础上, 种植业减排以控制农田NO排放、减少农机耗能排放为主; 养殖业减排以控制奶牛和肉牛肠道CH排放及废弃物处理过程中CH与NO为主。固碳则遵循“减速双增”的路径, 即减缓东北黑土耕地有机碳含量下降速率, 增加中低产田土壤有机碳储量和增加放牧草地土壤有机碳储量。

图2 北方农业生态系统固碳减排路径图Fig.2 Carbon sequestration and emission mitigation pathes of agricultural ecosystem in North China

不同区域农业生产特点不同, 固碳减排途径也应有所差别。华北区域的减排途径是“优能减排”:华北地区主要在优化农业产能的基础上, 重点调整粮食作物种植结构, 如2030年小麦种植比例应调整为25%, 玉米种植面积比例调整为36%; 以“节水、节肥、节药”为核心推动种植业温室气体减排,以“全混合日粮(TMR)、粗饲料氨化+精饲料”等畜禽养殖饲料优化饲喂和以“垫料堆肥、氧化塘发酵”为主体推进规模化养殖业及其废弃物处理过程温室气体减排。东北区域的减排途径是“双增双减”:东北地区在持续增产的基础上, 采取“增加有机物料还田比例、减缓黑土土壤有机碳含量下降速率、增加农机耕作效率和减少耗能排放”的路径, 实现“固碳减排和稳粮增收”的多重目标。在质地黏重黑土推行“玉米-大豆-玉米”轮作培肥、薄层黑土推行“玉米-大豆”轮作培肥、平原区“玉米连作”黑土保护培肥,注重黑土培肥与温室气体排放之间的协同, 注重规模化、集约化农田土壤培肥和农机耗能排放的协同, 注重有机物料多种利用方式与种养之间的协同。西北区域的减排途径是“提能保碳”: 西北地区以棉花、玉米、马铃薯(Solanum tuberosum)为重点作物, 推广地膜覆盖、秸秆还田等旱作农业技术, 加强高标准农田、中低产田建设, 增加综合生产能力。在甘肃、宁夏西部荒漠草原区、青藏高原东部江河源草原区和新疆北部退化草原区实施退牧还草, 增加地表覆盖, 提高该区域的碳储量。

3 北方典型农业生态系统固碳减排模式

目前众多研究者提出了北方不同地区固碳或温室气体减排技术, 对不同地区固碳减排均起到了一定的作用和支撑, 但由于技术众多, 且缺乏系统的评价, 而在农业生产实际中, 基本上都是多种技术的组合或综合成某种模式在起作用, 因此, 本文针对北方农业生产特点, 总结概括了目前北方不同区域典型农业生态系统固碳减排模式(表1)。主要包括1)低碳循环模式: 包括农牧结合模式、种养结合模式、“四位一体”和“五配套”生态农业模式等; 2)扩容增碳模式: 包括少免耕模式、深松结合秸秆还田模式、增加植被覆盖度、合理轮作模式等; 3)碳优化养殖模式: 包括禁牧围封模式、季节性轮牧模式、划区轮牧模式、TMR日粮结合废弃物优化处理模式;4)节氮保碳模式: 包括合理施肥模式、添加抑制剂模式、添加生物炭模式。在北方农业区域因地制宜使用不同模式或将模式互相结合, 则有利于达到固碳减排的目标。

表1 北方典型农业生态系统固碳减排模式Table 1 Carbon sequestration and emission mitigation models of typical agro-ecosystems in the northern China

4 北方典型农业生态系统固碳减排潜力研究

我国北方农田面积广阔, 农业生态系统各异, 拥有巨大的固碳和温室气体减排空间, 然而目前对北方耕地土壤固碳和温室气体减排潜力的研究并不深入。在固碳方面基本的判断是北方地区农田土壤有机碳整体呈增加趋势, 其中西北和华北持续增加, 而东北土壤有机碳则呈下降趋势。梁二等研究表明, 我国北方农田土壤固碳潜力约为153 Tg(C)·a。Lu等研究表明秸秆还田、施氮和免耕农田技术下北方农田固碳潜力分别为16.8 Tg(C)·a、6.3 Tg(C)·a和3.4 Tg(C)·a, 认为秸秆还田技术是最有固碳潜力的农田技术。而对于北方地区温室气体减排潜力的报道还基本上多见于个别技术或模式实施后的研究, 对于北方整体区域或个别区域温室气体减排潜力研究尚不多见。Li等基于APSIM模型和统计模型对东北春玉米种植地温室气体减排潜力进行研究, 发现优化施肥比农民常规管理措施减少氮肥用量15%, 可减少温室气体排放量约20%; 如果同时统筹土壤固碳效应, 秸秆还田率由10%提升到100%, 可减少温室气体净排放量约93%。而在华北冬小麦-夏玉米种植模式下, 降低氮肥用量30%, 可减少温室气体排放将近33%。随着研究的深入,固碳减排净潜力成为了判定土壤固碳措施或温室气体减排措施可行性的首要标准。按推荐量施用氮肥和秸秆还田技术下, 我国北方农业净减排潜力分别 为-49.3 Tg(C)·a和-0.07 Tg(C)·a, 证明按推荐量施用氮肥措施将加剧全球变暖。王小彬等研究发现推行优化管理措施下, 未来50年中国农业土壤固碳减排潜力约为87～393 Tg(C)·a, 其中有机肥应用、秸秆还田、保护性耕作等农田管理技术对土壤固碳的贡献率约为30%～36%。总体看来, 针对北方旱地土壤固碳减排路径下管理措施的净减排潜力还不明确, 对土壤减排潜力及固碳减排净潜力的研究仍是北方农业生态系统助力“双碳”目标的缺口, 因此开展这方面的研究将是今后研究工作的一个重点。

5 实现“双碳”过程中需要关注的几个问题

5.1 固碳与减排协同

在北方农业生态系统中主要包括以下两个方面的“固碳与减排协同”的问题。种植业固碳减排: 虽然众多的研究表明免耕和保护性耕作技术导致的温

室气体增排对土壤固碳效益的综合抵消作用为-40%～109%, 但该技术在绝大多数情况下能够减少大气中温室气体浓度, 可以作为固碳减排技术进行推行。另外, 施用氮肥所引起的温室气体排放完全抵消了其促进农田土壤固碳的作用, 抵消率达184%～552%, 因此也有研究者提出施用氮肥在我国农田土壤不具备有效固碳潜力。农业秸秆还田技术的温室气体排放因素可抵消土壤固碳减排效益的0～108%, 这也致使我国尚未全面估算不同利用情景与地域差异下秸秆还田对固碳减排的净效益。施用禽畜粪便的温室气体排放因素对土壤固碳效益的抵消可达-241%～313%, 但目前不同情景下禽畜粪便对大气温室气体浓度的贡献还缺少研究。综上所述, 不同区域、不同种植制度下, 农业固碳技术的实施需要在保证产量和土壤碳储量的同时, 减少温室气体的排放, 达到固碳减排的协同发展。

农机节能减排: 劳动力的持续非农转移导致农业劳动力不断减少, 农业劳动力成本的不断上升, 促使农业生产中农机代替人工成为主要生产模式, 但机械化提升所表现的燃油消耗上升导致的耗能排放增加也成为必须要解决的问题。农田土壤固碳技术的实施可能会改变农业机械的使用和其他农业投入,与之相关的温室气体排放变化对土壤固碳效益有抵消作用。少耕技术的农业机械化石燃料消耗导致的温室气体排放比传统翻耕减少7 kg(C)·hm·a, 免耕节约了耕作的燃料, 减少农业机械的化石燃料消耗, 降低了实施少免耕措施所增加的温室气体排放, 这种效应将保护性耕作的固碳效益提高了5.31%～40.0%。根据秸秆还田技术所需机械操作次数和机械油耗估算, 在我国全面推广秸秆还田每年需要额外消耗柴油1.65×10t, 产生的温室气体排放达1.33 Tg(C)·a, 温室气体排放对土壤固碳低效率可达3.15%, 但也有研究表明该技术实施后抵消了全部固碳潜力。而随着农机化率的逐渐增加, 如何协调“农机耗能排放和土壤固碳及温室气体减排”还有待于进一步探索。

5.2 固碳减排效率

相对于温室气体减排, 土壤固碳尤其是耕作土壤固碳是一个相对长时间的过程, 且土壤碳固存率的持续时间是有限的, 呈非线性增长且最终会达到一个平衡状况。对于农田土壤而言, 一般土壤碳库将在15～30年内达到一个饱和状态, 不同固碳技术达到平衡状态的时间存在很大的差异。研究表明,传统耕作转变为免耕模式后, 土壤固碳速率会在5～10年内达到峰值[570±140 kg(C)·hm·a], 之后固碳速率将逐渐降低, 当新的碳平衡产生, 会在15～20年内土壤固碳速率逐渐下降到0 kg(C)·hm·a, 但当土壤固碳停止后, 减排的效果依然存在。但也有研究者提出轮作复杂性提高后的固碳持续时间比保护性耕作的固碳持续时间长(40～60年)。王士超对我国东北地区土壤碳固持的研究发现, 33年内样地平均秸秆固碳效率为15.3%, 秸秆还田后8～17年土壤固碳速率达到平衡状态。Lu和Powlson等认为添加1.7 t(C)·hm·a秸秆后0～20年期间, 土壤有机碳累积率为0.46 t(C)·hm·a, 但在50～100年期间下降到该值的1/4, 尽管随着试验时间的延长, 土壤固碳速率逐渐降低, 但长期秸秆添加仍可促进土壤碳库的增加。另外, 有机肥施用的固碳时间效应约为40年。可见, 不同有机物料投入、不同耕作措施、不同区域土壤固碳速率及其持续时间决定了固碳量的多少。

5.3 技术模式大规模实施

我国农业固碳减排技术推广受农技人才缺失、农民意识不强、农村劳动力不足、政府财政基础薄弱、部分技术操作繁琐等因素影响。据农业农村部调查统计, 在我国约有97%农户的经营规模在3.33 hm以下。我国北方目前以小农户生产为主,经营规模小、品种散、效益差, 要发展产业化“公司+合作社+农户”的共生模式较为困难。另外, 农户缺少劳力、缺少机械且技术水平较低, 部分地区农民机械化应用意识尚未形成, 我国农业机械自动化缺乏精准且有针对性的发展。农户对固碳减排技术和优化管理措施的接受度较低, 生活生产双污染对农村环境的破坏严重, 农作物秸秆的还田比例相对较低, 在北方地区仍有不少农民一直沿用秸秆焚烧的处理模式, 造成秸秆浪费和环境污染。养殖业的饲料饲草质量不高, 部分牧民为了短期利益,出现了过度放牧的情况, 破坏了草原的生态平衡, 无法短期提高饲料质量。个别地区畜牧业规模较小,防疫与安全条件不满足, 综合效益较低, 出栏率与后期粪便处理不规范, 畜产品无保障, 无法发展成规模化、现代化和生态化养殖模式。如何调动固碳和温室气体减排技术或模式实施主体(农民)的主动性和积极性也是近年来必须要解决的问题。

6 结论

中国作为最大的发展中国家, 受疫情和经济活动性质的影响, 实现碳中和将面临各种挑战和机遇。北方农业生态系统作为保障我国粮食安全和生态安全的主体, 选择科学合理的固碳减排路径尤为重要。因此, 本文在系统分析北方农业生产特点的基础上:1)提出了保障国家粮食安全基础上, 温室气体遵循“稳能减排”、固碳遵循“减速双增”的路径, 并分区提出各自的固碳减排重点内容; 2)归纳整理出低碳循环、扩容增碳、碳优化养殖、节氮保碳等4种模式的技术构成、固碳减排效应及其适应区域; 3)综合目前的研究结果分析北方农业生态系统固碳减排潜力仍然是迫切需要解决的问题, 进而提出实现“双碳”过程中本地区需要关注“固碳与减排协同、固碳减排效率、技术模式大规模实施”等问题。建议我国北方典型农业生态系统基于上述路径和模式, 各个区域精准科学定位, 推进我国北方农业向“节能、减排、增汇、增效”的低碳绿色现代农业发展, 助力我国早日实现“双碳”目标。