关于我国农业碳达峰，助力碳中和若干问题的思考*

张梦璇，王迎春，李建政，王立刚※

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.农业农村部科技发展中心，北京 100122；3.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081）

0 引言

应对气候变化是国际社会的共识，碳中和是未来世界大国博弈的新焦点，我国提出了“2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和”的明确目标，从应对气候变化的积极参与者转变为引领者和主导者。习近平总书记强调“实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革”。碳中和大变革时代下如何应对国际新变局、构建新发展格局、落实新发展理念，已经成为全社会高度关注和热议的话题。

农业是实现碳达峰、碳中和目标的重要领域之一，推进农业领域碳达峰、助力碳中和，是加快农业生态文明建设的重要内容，更是全面应对气候变化的重要途径。农业既是重要的温室气体排放源（农业生态系统温室气体排放总量占全国的6.7%～7.9%，主要是甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）非二氧化碳温室气体）[1]，也是重要的碳汇系统（经测算到2050年耕地0～30cm土壤深度固碳潜力在2 Pg以上）[2]。相较于其他行业减排，农业固碳减排更具有成本有效性，并且在提高农产品产量、土壤肥力增加和减少农业面源污染等方面获得多种惠益[3]，因此，被全球公认为是应对气候变化的重要途径[4]。我国历来重视农业应对气候变化及固碳减排的重要作用，在国家、部委的规划和政策指导下，许多科研成果及技术被推广应用，取得了卓有成效的成果。在“碳达峰与碳中和”目标指引下，农业农村部制定了农业“碳达峰”实施方案，相关科研人员也提出了各自的建议和见解。但不同于其他产业，农业是保障国家粮食安全和生态安全的基础性产业，随着我国人口及需求的增长，农业生产中碳排放可能在未来几年呈现上升趋势，从碳排放到“碳达峰”，再到助力“碳中和”并非一蹴而就，仍然需要很长的路要走。文章针对农业碳达峰，助力碳中和过程中的若干问题，提出见解从而为农业助力国家“碳达峰与碳中和”工作的开展提供科学建议和理论支撑。

1 农业生产固碳减排涉及的碳氮循环过程

“碳达峰与碳中和”所涉及到的农业生态系统固碳减排和农业生产碳氮循环过程息息相关[5,6]。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，农业温室气体主要排放途径包括稻田CH4排放，农田施用氮肥排放N2O，动物肠道产生CH4，畜禽粪便处理过程中产生CH4、N2O 等（图1）。稻田CH4排放是由于稻田中隔水层的存在，使土壤与大气隔离，形成有利于CH4产生的厌氧环境[7]。全球稻田CH4排放约占农业温室气体总排放量的10%[8]，且有逐渐增加的趋势[9]。尽管稻田晒田过程使土壤由厌氧环境转变为好氧环境，减少了CH4的排放，但促进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排放来源于旱地和设施农业中，不合理的施肥为土壤硝化和反硝化过程提供了充足的碳氮底物，加速N2O排放。随着化肥施用量的增加，N2O 的排放成为农业种植领域增长速率最大的排放源[8]。同时，畜牧业作为农业温室气体最大的排放源，其中由反刍动物肠道发酵过程所产生的CH4排放占绝对比例（占农业温室气体总排放量的40%左右），畜禽养殖废弃物处理过程中（包括堆放、堆沤、氧化塘等方式）通过硝化和反硝化过程产生N2O，发酵过程产生CH4。此外，田间生产过程中机械耗能排放的CO2也是重要的农业温室气体排放源。因此，农业温室气体减排技术的提出要以排放过程为依据，这样才能“有的放矢”。

图1 固碳减排涉及的农业生态系统碳氮循环过程

农田土壤有机碳（SOC）受到有机肥施用和秸秆还田及作物残余物（凋落物、死亡的根系和根系淀积物）的影响，在腐殖质化和矿化之间形成平衡，这决定了SOC的盈余或亏缺状态[10]。土壤固碳量取决于植物和微生物碳库的数量和质量，主要通过影响碳效率和碳库的滞留时间影响土壤固碳[11]，同时也与温度、土壤水分、通气状况、土壤基本理化性状和耕作管理措施等诸多因素有关[12]，因此，农田土壤固碳要重点关注SOC平衡特征及其周转过程[13]。

2 农业助力“碳达峰与碳中和”过程中需要关注的几个问题

2.1 农业固碳减排需要解决的科技问题

农业在保障粮食安全与农产品供给的重要性毋庸置疑，到2030 年随着我国人口的增长和农产品消费量的不断增长，其碳排放总量可能呈现逐年增长的态势。在国家整体“碳达峰与碳中和”实现过程中，不同阶段农业碳排放需要解决不同的科技问题（图2）。

图2 “碳达峰与碳中和”实现过程中农业固碳减排需要解决的主要科技问题

首先，当前到2030年碳达峰阶段：（1）构建农业碳排放系统监测与评价体系，这是明确农业碳达峰、助力碳中和时间表和路线图的工作基础。重点针对我国不同农区典型种养殖类型及其管理措施开展系统监测、数据汇交和排放因子的研究（具体描述系统监测问题见2.2）。（2）持续开展气候变化对农业的影响及其适应方面的研究，这是明确“气候变化与农业生产”关系和农业固碳减排量的科学基础。重点探究气候变化不同情景下农业产量及其稳定性、SOC分解速率和固碳速率、温室气体排放过程的动态变化，农业在品种、耕作、栽培等方面如何适应气候变化影响。（3）凝练提出保障粮食安全基础上的农业固碳减排技术清单，不仅包括技术实施的细节、所适用的区域及其注意的问题，还需明确指出技术实施所产生的固碳减排量。其次，“碳达峰”到“碳中和”阶段：主要明确农业固碳减排技术及其模式净减排潜力，包括气候变化情景下农业耕地土壤碳汇潜力和温室气体减排潜力评估、重大农业工程（如高标准农田建设）的增汇减排潜力评估等，且需综合考虑人口稳定期之后满足人民生产生活需求和固碳减排的协调关系。确定由点位尺度到区域尺度实施固碳减排技术所产生的效应值，重点是在完全实现机械化、集约化后，大区域、大尺度技术实施所产生的净温室效应，这也是农业助力“碳中和”的关键时期。最终形成“投入低成本、资源高效率、环境低效应”的绿色低碳农业生产体系，使低碳成为一种常态化的生产生活方式。

2.2 农业固碳减排监测体系构建的问题

定量监测农业温室气体排放和农田土壤固碳，不仅对探究农田温室气体排放规律与机制、农田固碳过程及潜力有重要的科学意义，而且可为制定合理的固碳减排措施和国家农业温室气体清单的编制提供依据。对于农业温室气体监测体系，“十二五”期间，在国家公益性行业（农业）科研专项的支持下，由中国农业科学院组织全国本研究领域的优势研究力量，构建了覆盖全国主要农区典型种植模式的中国农业源温室监测体系[14]，设置了21 个农业温室气体监测点（图3），覆盖全国主要农区典型种植养殖模式，且每个监测点按照项目组建立的温室气体监测方法、技术规程和计量体系统一实施监测任务，改变了以往我国农田温室气体监测研究“零散、破碎化”的状态。然而，随着项目的结束和国家科研体制的变革，目前国内农业温室气体监测研究又恢复到以前只是个人（或某个研究团队）“单打独斗”的态势，对服务于国家“碳达峰”温室气体减排需求形不成“合力”。总体而言，目前我国农业温室气体监测呈现“三多三少”的特点：“零星监测点多，系统监测点少；短期监测点多，长期监测点少（5年以上）；一般监测点多，规范监测点少”。监测点的空间分布也极不均衡，农田生态系统的监测主要集中在长江中下游、华北和西南地区，东北、西北、华南地区观测位点较少；观测的作物类型主要针对水稻田、冬小麦、夏玉米和春玉米农田，对菜地、放牧草地生态系统观测较少；畜禽养殖大多侧重于奶牛或肉牛养殖过程[15,16]、生猪养殖废弃物处理过程[17]，而其他畜种养殖及废物处理过程温室气体排放系统监测则相对较少。因此，未来一方面是重点弥补华南、西北、青藏、东北的监测点，加强典型菜地、果树、茶树等种植业，奶牛（肉牛）、生猪、蛋鸡（肉鸡）等典型养殖业温室气体排放的原位观测；另一方面是迫切需要建立系统的覆盖我国主要农区典型种养殖类型的农业温室气体监测网络，并能够长期稳定的支持其运行。鉴于农田耕地SOC变化是一个相对长期（5年以上）的结果，对其监测可借鉴和引用国家或农业农村部野外台站长期SOC 监测的数据结果，或依托构建的农业温室气体监测网络，在其中的各个站点开展监测工作，做到SOC变化与温室气体排放量的协同监测。

图3 “十二五”农业源温室气体项目监测点布局

2.3 需要关注和解决三大关系的问题

农业作为第一产业，在实现碳达峰、助力碳中和过程中，必须要关注三大关系，从科学和政策上要处理好这三大关系。一是固碳减排与生产力稳定性之间的协同关系。农业作为陆地生态系统中受人类干预最强烈的系统，需要调控和决策发展适应气候风险管理措施的能力，保障粮食安全的同时增加SOC 储量、减少温室气体排放。然而，不同调控措施对农业生态系统生产力稳定性和固碳减排的长期效应尚无定论[18]，尤其是对土壤固碳和温室气体排放均有显著影响的养分调控措施。二是土壤固碳与温室气体减排之间的协同关系。农田土壤固碳措施的主要目的是将CO2固持在农田土壤中，以降低大气中温室气体浓度，减缓全球变暖。但在实施固碳措施过程中，与之相关的温室气体排放发生变化可能对固碳效果产生抵消作用。研究表明，少/免耕等农业保护性耕作措施导致N2O排放量的增加，从而削减了碳汇潜力[19]。尽管秸秆还田是增加农田SOC含量的有效措施之一，但试验研究和模型研究均显示，秸秆还田在增加SOC的同时，将会激发稻田CH4或旱地N2O的排放，成为固碳过程中主要的“泄漏”因素[20,21]。此外，施用有机肥所造成的温室气体排放对土壤固碳效益的抵消可达-241%～313%[22]。因此，探究土壤固碳与温室气体减排的协同关系及其机制，对准确评估不同管理措施的“源/汇效应”至关重要。三是温室气体与污染物协同减排的关系。农业温室气体排放涉及碳氮循环的关键过程（图1），并且和氮淋溶、氨挥发和NOx排放等过程息息相关，并呈现复杂的相互关系，如互为消涨关系、协同关系等。例如，Zhang等[23]研究指出在设施蔬菜田N2O排放峰值与硝态氮淋溶峰值之间存在显著正相关关系，农民习惯施肥量基础上优化氮肥施用并且添加硝化抑制剂能够保证蔬菜产量并同时减少N2O排放和硝态氮淋溶。类似的关系也可发生在N2O排放和氨挥发、N2O排放和NOx排放之间，但目前对此类复杂关系的呈现形式、发生条件与内在机制尚不清晰，这对调控措施的实施效果也会是个严峻的“挑战”。

2.4 农业固碳与温室气体减排碳贸易及方法学问题

引入碳贸易来减少温室气体排放，增加碳固存已经成为全球实际操作并切实可行的新型市场经济模式，它将最终助力实现减缓全球变暖的目标。据联合国和世界银行预测，全球碳贸易市场潜力巨大，全球CO2交易需求量预计为每年7亿～13亿t，年交易额高达140亿～650亿美元的国际温室气体贸易市场。我国已经形成的碳排放交易市场体系，侧重于能源、化工等领域，在农业领域的实施与研究相对滞后。目前在农业领域被认可的农业碳贸易方法学，主要集中于生物炭农业利用[24]、规模化养殖及其农村户用沼气等方面[25-27]，对于农业固碳或温室气体减排方法学的研究相对缺乏。当前被农民普遍接受使用的“轻简化”技术（如减量优化施肥技术等）普适性强、适用范围广，具有巨大的减排潜力和实施空间[28,29]，但目前还未见围绕技术应用试点项目开发的相关标准和方法学。因此，建议通过分析现有农业减排措施的可行性，优选出温室气体减排量大、可操作性强的农业碳贸易潜在项目，同时通过建立农业碳贸易测算的典型案例，重点关注农业N2O、CH4减排碳贸易测算，探索出适合我国国情的农业碳贸易方法学。此外，值得关注的是，在农业固碳与温室气体减排碳贸易的推行方面，除国家政策和补贴外，将“国家目标—行动技术—农民意愿”三者紧密联系在一起，是提高农民减排积极性的有效途径[30]。

2.5 农业固碳减排研究技术队伍构建的问题

我国目前对分布于不同区域、不同土地利用方式、不同田间管理措施的农业固碳和温室气体排放已有深入研究，但无论是从过程机理上还是技术模式研发及其潜力评估上与国家“碳达峰与碳中和”的目标需求相差甚远，与国外相关研究还存在明显差距，尤其是国家投入不足，科研力量分散薄弱，缺少系统的集成协作。因此迫切需要在目前研究的基础上，建议设置专门“农业碳体系或碳计划”，建立一支集中央科研院所、大学、地方农科院、地方技术推广等本领域优势科学研究与技术研发力量所组成的“四位一体”式的科研团队。由首席科学家领衔，根据多名研究与技术骨干相辅的长期开展农业固碳减排监测与技术研究的、稳定的专家队伍和科研团队，建立起全国农业固碳减排协作网。首席科学家主要负责农业固碳减排整体研究的组织和实施，分别设立监测规程组、数据质量组、基础研究组和技术研发组，同时配备执行专家组和专家顾问组（图4）。监测规程组主要负责监测方法与技术规程的制定、培训和实际监测指导；数据质量组主要负责监测数据质量控制、数据整合分析、相关模型的构建及应用等；基础研究组主要负责土壤固碳与温室气体减排循环过程、不同管理措施的调控机制；技术研发组主要负责土壤固碳或温室气体减排技术的研发、培训和现场应用指导。目前建议以化肥减施增效技术（少免耕技术、有机无机肥料配施技术等）的减排研究、示范推广为突破口，对农田生态系统温室气体排放从国家层面上顶层设计、系统部署多点位监测，多尺度的研究工作；中远期针对固碳减排潜力研究和技术实施提供支撑，确保温室气体净减排效应的实现。

图4 农业固碳减排研发团队组成框架

3 结论

碳达峰与碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，农业作为保障国家粮食安全和生态安全的基础性产业，在推动我国实现双碳目标中将起到关键作用。正如习近平总书记在2020 年底中央农村工作会议上强调指出“农业农村固碳减排既是碳达峰、碳中和的重要举措，也是潜力所在，这方面要做好科学测算，制定可行方案，采取有力措施”。为推进农业领域碳达峰、助力碳中和，该文针对“碳达峰，碳中和”实现过程中农业领域需要重点考虑的若干问题，开展了相应研究，主要研究结论如下：（1）探究了“碳达峰碳中和”不同阶段下需要关注的科学问题及技术难题；（2）需要关注农业生产中固碳减排与生产力稳定性之间的协同关系，土壤固碳与温室气体减排之间的协同关系，温室气体与污染物协同减排的关系；（3）建议形成具有系统性、长期性和规范性的监测网络，构建合理的农业固碳减排监测体系；（4）完善农业固碳与温室气体减排碳贸易体系，探索适用于我国农业生产特点的方法学；（5）建立全国农业固碳减排协作网，加强农业固碳减排研究与技术示范推广“一体化”实施队伍的建设。以期为实现我国“碳中和”目标贡献农业力量和农业解决方案。