中国种植业碳中和技术路径探讨与对策建议

高旺盛，陈源泉*，王小龙，黄坚雄

（1. 中国农业大学国家农业科技战略研究院，北京 100193；2. 华南农业大学农学院，广东 广州 510462；3. 中国热带农业科学院橡胶研究所，海南 海口 571101）

碳达峰、碳中和（简称“双碳”）是中国作为发展中的大国向世界的庄严承诺，是基于推动构建人类命运共同体的大国责任担当，也是实现中国可持续发展的内在需求和长远大计。农业是“双碳”战略不可忽视、不可或缺的重要领域。中国是世界农业生产大国和农产品消费大国，农业温室气体排放量占到全球总排放量的较大份额。种植业是我国农业的主体，是全球CH4和N2O排放贡献最重要的部门之一[1]。因此，中国种植业如何实现碳中和，对推进我国“双碳”目标实现至关重要。

近年来，美国、加拿大、澳大利亚和日本等提出发展有机农业、生态农业、精准农业或绿色农业等农业发展模式以应对全球气候变化。德国和法国出台最严格规定对农田氮盈余和氮利用率进行精准控制，并提高生态农业用地比例[2]。欧盟则规定面积大于15 hm2的农场必须保留5%的农田生态区[3]。法国发起“千分之四”全球土壤增碳计划，拟通过土壤碳汇提升应对气候变化和保障粮食安全[4]。总体来看，发达国家在种植业碳中和技术、政策等方面起步早，应对措施也较为系统。我国虽然目前已有不少研究估计了中国种植业（多数以粮食作物为主）的固碳减排潜力，并且围绕减排与固碳领域开展了大量的研究、探索和实践，但是，目前多数研究尚处于单一技术效果的分析，关于不同技术的综合影响效益尚缺乏系统性研究，导致我国种植业系统实现“碳中和”目标的技术路径仍不清晰，缺少顶层战略设计。因此，本文基于国内外种植业固碳与温室气体排放相关研究进展的分析，对相关关键问题进行了理论认识梳理，探讨了中国种植业实现碳中和的技术路径，并提出了提升中国种植业碳中和科技创新能力的建议，以期为加快我国种植业向丰产、高效和低碳转型，助力国家“双碳”目标尽早实现提供思路借鉴。

1 种植业碳中和问题的基本认识

1.1 关于种植业固碳或排碳的认识

近年来，学术界围绕农田种植业的固碳与温室气体排放开展了大量研究。大部分研究认为农田作物种植是碳源。例如，Chen等[5]对2001—2018年中国谷物、油料、糖类等16种作物生产系统的结果分析表明，蔬菜和茶叶贡献了最多的碳足迹，分 别 为11.9 t ce/hm2和4.6 t ce/hm2（ce为CO2当量）。严圣吉等[6]基于国家统计数据分析结果表明，2018年我国作物生产碳排放占全国农业碳排放总量45.5%，其中农田甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）和农用柴油消费的二氧化碳（CO2）排放分别占农业碳排放总量的22.9%、14.7%和7.9%。Zhang等[7]研究结果表明，中国三大粮食作物生产系统是净温室气体排放的“碳源”体系，其中玉米排放量为4.05 t ce/hm2、小 麦5.46 t ce/hm2和 水 稻11.88 t ce/hm2。邓丽平[8]的研究结果表明，1997—2016年我国农业碳排放量呈“波动增长—快速下降—平稳增长—平稳下降”的四阶段变化趋势，农业碳排放源已从畜牧业转向种植业。

但是，也有部分研究指出农田作物种植是碳汇。如刘巽浩等[9]研究认为：基于改进的“全环式”农田碳足迹核算体系，全国历年农田系统减少温室气体排放量为2.19～10.97 t ce/hm2，无论是低水平的传统农作还是较高水平的现代集约农作，中国农田生态系统碳平衡都是固碳＞耗碳。2006年全国排放CO2共46亿t，而1995—2010年期间全国农田净固碳量约为每年13亿t，相当于全国排放量的1/4[9]。国外也有学者采用类似方法研究证明农田种植系统表现出固碳功能。Burney等[10]通过历史比较得出，集约化农业减少了碳排放，这与主流看法相悖的结论，引起了美国学术界的轰动。Gan等[11]分析加拿大半干旱地区25年试验的结果显示，连作小麦农田土壤年固碳量为1.34 t ce/hm2，是小麦—休闲的127%，说明作物种植农田相比于不种植农田（休闲）有利于促进种植业碳中和。

目前，关于种植业存在“碳源”和“碳汇”的不同认识，其根本在于碳核算方法的不一致性。Huang等[12]通过文献整理将国内外相关研究方法归纳为两类：基于土壤碳库和生物量的评价方法分别命名为土壤碳库—排放法（Soil-based approach,SBA）和生物量—排放法（Crop-based approach,CBA），通过应用这两种方法计算了同一个玉米大豆间作试验，结果显示采用CBA方法的间作系统为碳汇，采用SBA方法为碳源。两类方法应用结果的差异性主要是由于计算边界与参数的不同造成的。SBA采用土壤有机碳储量的变化量减去土壤N2O排放和CH4排放以及来自农业投入的间接排放所得，CBA则是采用净生物生产力减去土壤N2O和CH4排放以及来自农业投入的间接排放所得[12]。刘巽浩等[13]研究指出：国内外农田生态系统碳足迹研究取得了某些成果，同时也存在碳流路径的“短路”和指标逻辑起点不一，导致研究结果的失真与扭曲。因此，在评估方法方面，要考虑到种植业系统固碳与排碳并存的特点，评估种植业系统的碳中和必须进行系统综合考虑，单一环节减排或增排不代表整个农田系统能减排或增排，要从“净排放”的角度综合考虑其“源”与“汇”的平衡，建立标准化的农田碳核算方法体系。

1.2 关于种植业碳排放来源的认识

国内外目前关于种植业碳排放来源的相关研究，大都采用基于生命周期评价框架的碳足迹方法进行量化分析。根据碳足迹分析方法，种植业温室气体排放除了农田土壤直接排放外，还包括农资生产、运输过程中产生和农用燃料消耗产生的碳排放。其中，考虑到种植业光合作用和呼吸作用等过程产生的碳中性特征，农田土壤直接排放通常仅考虑N2O和CH4排放。从研究结果来看，目前几乎所有研究均表明，农业生产过程农用物资投入（包括化肥、农药、柴油、电力等化石能源）的使用是农业碳排放的主要贡献者。根据Chen等[5]最新的研究数据，中国种植业（16种作物的统计）净碳排放总量的主要贡献是施肥和灌溉，两者导致的碳排放占种植业排放总量的73.7%～76.8%；从历史的角度，2001—2018年中国种植业的净碳排放总量增加了410.4 Mt ce，其中玉米、水果和蔬菜3种作物贡献了该增量的99.0%，其施肥和灌溉过程平均贡献了91.9%的碳排放。可见，对于种植业农田系统的碳排放，以化肥为主的农用化学品投入和农田灌溉耗能导致的碳排放是重要贡献者，这是种植业减低碳排放需要考虑的重点领域。

1.3 关于种植业低碳生产的认识

鉴于生产物质投入是农业碳排放的重要贡献者，出现了提倡低碳甚至要“农业低碳化”的认识。但也有学者认为，“中国农业不能盲目低碳化”。刘巽浩等[13]认为，所谓“低碳”，指的是在人类各种活动中要尽量减少作为能源碳的消耗和CO2等温室气体的排放。粮食增产的两条基本路径是提升单产和扩大面积，目前一种观点认为粮食增产过程会导致化肥等农用化学品投入增加，以及开垦更多的自然林地、草地和湿地等，进而大幅提高温室气体排放[14]。但是，若是过度追求农业生产低碳化，可能会影响我国粮食安全。而且，作物生长过程中通过光合作用可以固定空气中的CO2，从而减少全球温室效应。因此，农业要提倡“低碳”，但不能盲目追求“低碳”，要努力追求单位产品以较低的耗碳率换取较高的固碳率[13]，不能走向低碳生产就是盲目降低必要的农业生产投入影响粮食产能保障的误区。

1.4 关于种植业碳中和路径的认识

科技创新是我国种植业固碳减排的根本出路。国内外相关研究表明，合理的农业管理措施具有固碳减排作用，主要技术路径有耕作、施肥、水分管理和种植制度等。Lal[15]认为通过改善农田管理措施能有效促进土壤固碳，其土壤固碳潜力相当于固定了每年5%～15%的全球化石燃料燃烧造成的碳排放。Wang等[16]基于meta分析得出，秸秆还田措施使中国农田土壤有机碳含量平均增加13.97%。Li等[17]研究表明，有机物料添加可以促进农田碳储量增强和土壤肥力提升。Zhang等[18]的研究结果表明，品种、育秧方式、灌溉和施肥技术等增产减排相协调的稻作新技术可在增加水稻产量的情景下降低36.3%～57.4%单位产量的直接碳排放强度。Chen等[5]研究结果表明，优化施氮量、氮形态和施肥方法，使用生物炭、硝化或脲酶抑制剂，以及采取作物覆盖和灌溉计划管理等措施，可以有效减少温室气体排放。总体上，现有不少研究表明，合理的农事措施可以起到农田作物生产固碳减排的效果，但是相关研究多数还是局限在单一技术角度或者模型模拟的角度，尚需开展不同技术田间集成应用的综合效果研究。

2 中国种植业实现碳中和的技术路径探讨

通过以上的基本认识，我国种植业要实现碳中和，需要清楚认识到不能盲目走向“低投入”的误区，而是要走依靠科技创新提高生产效率、促进土壤固碳能力的路径，具体的技术路径要从系统角度考虑，从农用物质投入、农田生产过程管理、种植末端的废弃物处理等全过程统筹，从作物品种及种植模式、土壤水肥管理、农机耕作等全环节兼顾，通过系统全面的研究形成综合解决方案。本文基于前人的相关研究进展，初步归纳提出种植业实现碳中和重点可以从农资合理减量、养分效率提升、物质循环利用和作物生产技术创新“四大”路径开展深入系统的研究，形成适应不同区域、不同作物的综合减排技术方案。

2.1 通过农资合理减量实现减排

前面的分析可以看出，农田生产物资投入是中国种植业碳排放的重要贡献者。总体上，我国农业生产的物资投入偏高，这不仅造成农田种植业直接碳排放增加，也导致更多农资生产过程的上游产业链间接排放。因此，农田生产的减排重点途径之一就是如何通过科技创新减少不必要的农业生产资料投入。

一是通过数字技术实现精准投入。传统施肥、施药和灌溉方式多数是基于农户经验或者田间试验指导，各类农资在农田内的精准施用还没有全部发挥出来。随着智慧农业的发展，数据技术将可实现农业生产全过程、全要素的精准控制。需要通过研发质量更优的农资产品，研究制定更合理的施肥、植保和水分管理方案，应用大数据等智慧农业技术及装备的应用实现精准施肥、精准施药和精准灌溉。

二是提高农业机械作业效能。农业现代化的重要标志是农业机械化，这是世界发达农业国家的普遍特征，也是中国农业现代化的必由之路。世界上主要发达国家均实现了全面机械化，农业机械化率达到95%以上。目前我国农作物耕种收综合机械化率刚刚超过72%，未来还有发展空间。随着中国农业机械化的发展，柴油等燃油消耗和农机作业的碳排放不可忽视，农业机械耗能的减排是未来农业节能减排需要关注的重点之一，要研发、推广先进适用的低碳节能农机装备，降低化石能源消耗和二氧化碳排放。

同时，推广保护性耕作技术。目前，国内外学者基本一致认为，与传统翻耕相比，以少免耕和秸秆还田为主要特征的保护性耕作能提高土壤SOC含量，且减少农田机械能耗[19]。因此，在提高农机作业能效的同时应用保护性耕作技术，也是未来值得关注的重点领域。

2.2 通过提升养分效率实现减排

农田是N2O重要的排放源之一，N2O的排放量与氮肥施用量成线性关系，随着无机氮施用的增加，N2O的产生越多[20]。项虹艳等[21]的研究表明，施氮处理对紫色土壤夏玉米N2O排放量显著高于不施氮肥处理。Xiao等[22]通过连续5年的田间定位试验证明，控释肥技术使土壤N2O减排49.56%。张枝盛等[23]研究指出，在江汉平原稻田采用实时氮肥管理、精确定量施肥和一次性施肥技术，可以使农田温室气体排放强度较农民习惯施肥降低22.2%、24.4%和26.7%。李晓立等[24]指出，等氮量条件下有机肥替代化肥能够在保持玉米稳产的同时有效降低温室气体排放强度和单位产量碳足迹。Shang等[25]则指出，由于氮肥施用量的减少，中国农田N2O排放增量近年来正在放缓。Cui等[26]的最新研究表明，由于施氮量减少和播种面积的变化，中国农田N2O排放量从1998年后开始减缓，预计到2050年，中国农田N2O可能减排63%。总体来看，国内外相关研究皆指出，农田土壤N2O排放主要受无机氮肥施用影响，且在一定程度上随氮肥用量的增大而增大。因此，如何科学合理施肥，提高农业化学品投入的利用效率，是种植业减排的重点。

目前，我国三大作物的氮肥利用率平均为32%，低于同期世界平均水平20%～30%左右[27]。农业生产碳排放不仅要看单位土地面积的碳排放，更要看单位产品产出和经济产出的碳排放，也就是说要降低种植业的温室气体排放强度，通过提高生产效率，降低单位产量和经济产出的排放强度。因此，提升农田养分利用效率是减少种植业排放的技术研发重点。

2.3 通过物质循环利用实现减排

从农业系统来看，除了源头投入的减量，使用过程的效率提高，还有重要的末端物质循环利用。通过秸秆还田、有机物料部分替代化肥、有机无机配施等技术应用，一是可以替代源头的化学农用品投入，二是提高土壤固碳能力，三是可以减少末端废弃物的污染和排放增加的问题。有研究表明，全国表层土壤平均每年净增加140 kg ce/hm2[28]，主要是由于秸秆还田等有机物输入的贡献。也有研究表明，与无机肥处理相比，秸秆、沼渣和猪粪处理的农田土壤碳储量分别提高7.35%、49.76%和37.54%[29]，能够“抵销”一部分田间温室气体排放，最终使得有机物料还田能够显著减少了农田种植系统的净温室气体排放。Ren等[30]研究表明，有机肥替代化肥可以维持作物产量并减轻氮损失，从而降低化肥施用带来的温室气体排放。Wei等[31]研究表明，生物炭还田使小麦种植系统N2O减排8%～23%。

中国每年都会产生巨大数量和种类的农业废弃物，种植业领域每年产生的秸秆量约9亿t，畜禽生产产生的畜禽粪便量达到了30亿吨之多。其中有很大一部分作为废弃物而未被循环利用，这些未被利用的农业废弃物造成了一系列的环境污染问题且在整个世界也成为棘手的生态环境问题。估计每年因作物秸秆和畜禽粪便产生的潜在温室气体排放量分别多达6.51×106Gg 碳当量和1.23×105Gg 碳当量[32]。可见，通过发展循环农业，可以将大量的农业废弃物资源“变废为宝”，是应对农业节能减排的重要路径。

2.4 通过作物技术创新实现减排

1）育种技术创新。农作物品种的更新换代对中国种植业的减排具有重要的作用。高产品种的现代水稻育种策略可以显著减少中国和其他水稻种植区域的水稻CH4排放[33]。针对黄淮海不同年代小麦品种的研究表明，随着品种的更新，每十年麦田增温潜势的下降率达1.2%～2.0%[34]。Jiang等[35]研究指出，通过作物育种提高水稻收获指数，可以减少稻田碳足迹4.4%。未来农作物新品种培育应在促进产量增长的同时，更加聚焦于综合绿色性状的提升，通过品种更新促进种植业效率提升与节能减排。

2）生态种植技术创新。国内外诸多研究表明，通过合理的间作、套作和轮作等多样化生态种植模式，可以有效减少农田温室气体排放。Andreas等[36]对加拿大一个20年的长期定位的试验结果分析表明，玉米—玉米—苜蓿—苜蓿轮作体系土壤固碳量较大。West和Post[37]总结了全球67个长期定位试验，表明轮作使土壤每年平均增加约200 kg ce/hm2。国内也有不少研究表明，合理的种植模式具有减排效果，比如Raheem等[38]研究表明，南方稻田紫云英—水稻—水稻种植模式能通过调节产甲烷菌群落来降低甲烷排放，同时提高水稻产量。此外，华北平原玉米与大豆间作、玉米与马铃薯套作[39-41]、红薯→棉花→红薯→冬小麦—夏玉米4年轮作、黑麦草—棉花→花生→冬小麦—夏玉米3年轮作等种植模式[42]、冬小麦→冬小麦—夏玉米、春甘薯→冬小麦—夏玉米、冬小麦—夏花生→冬小麦—夏玉米等隔年休耕轮作[43]等模式都具有良好的减排效果。

3 提升中国种植业碳中和科技创新能力的建议

目前，我国种植业固碳减排的研究具有较好的基础，但是总体上依然存在技术创新方向系统性不足、创新体系和协作能力不够等问题，建议加强我国种植业碳中和科技创新的支持力度，以显著提升我国农业实现碳中和的科技支撑能力和国际话语权。

3.1 明确农田生态系统碳中和科技创新重点

建议国家有关部门针对农业碳中和科技创新组织开展系统性战略研究，制定中长期农业碳中和科技研究与发展规划，重点需要关注的内容有：一是亟需尽快布局研究制定农业系统碳核算技术与标准，为技术研究开发提供“底盘”支撑；二是加强农田生态系统固碳减排的基础研究，包括不同区域不同作物不同技术措施的碳排放科学参数，以及影响排放的生物和非生物机制；三是不同种植系统的碳减排关键技术研究，尽快形成适应不同区域、不同作物种植系统的碳中和解决方案；四是研究开发基于大数据的农田系统碳中和智慧系统优化模型，为各项单一技术的集成与优化调控提供科学工具。

3.2 加强全国农业碳中和研究平台基地建设

农业活动受各地地势、地貌、气候、土壤、植被等自然因素和人口、经济、社会、交通、市场、文化、政策等人文因素的影响，具有强烈地域差异性，建议国家有关部门组织全国涉农高校、科研院所相关单位，基于已有农业科研平台基地，针对我国不同农业生态类型区，顶层设计、合理布局，围绕自然因素和社会因素，系统设计建设覆盖不同区域不同农业生产模式与技术的碳研究监测基地与研究平台，为农业碳中和研究提供长期稳定的平台基地支撑。

3.3 成立全国农业碳中和研究联盟

建议全国涉农高校、科研院所联合组建农业碳中和研究联盟，组织优势研究团队开展有组织的科研，围绕不同区域的农业生产合作开展农业碳中和战略研究、技术研发、碳补偿与碳交易政策等多学科的协同创新研究，形成全国农业碳中和研究协作网，建立资源与成果共享机制，合力为国家“双碳”目标的实现通过农业领域的解决方案。

3.4 谋划牵头农业碳中和国际科学研究合作项目

建议国家有关部门组织有国际合作优势基础的高校和科研院所，围绕提升我国农业碳中和的国际话语权，牵头谋划布局国际科学研究合作项目。重点关注：一是在农业碳排放核算技术与标准方面，需要形成国际认可的通行标准，通过国际合作项目，有利于吸收国际权威专家的参与，快速形成成果；二是针对全球不同的气候、土壤条件和作物种植类型，合作开展不同种植模式与技术的农田碳排放及其影响机理研究，有利于推进农业领域碳中和的基础研究；三是开展农业碳中和关键核心技术的国际合作研究与开发。

4 结语

农田种植业是中国农业温室气体排放的重要来源，也是具备生态系统碳汇提升潜力的重要领域，通过科技赋能，实现我国种植业增汇减源是推进我国“双碳”目标实现的重要途径。本文综合分析了国内外相关研究进展，对我国种植业实现碳中和的关键问题进行了探讨，提出依靠科技创新是实现种植业碳中和的关键道路。围绕种植业碳中和的技术研究现状，初步归纳了依靠农资合理减量、肥药效率提升、物质循环利用、作物技术创新等“四大”减排技术路径。在此基础上，围绕提升中国种植业碳中和科技创新能力建设提出了强化农田生态系统碳中和科技创新、加强全国农业碳中和研究平台基地建设、成立全国农业碳中和研究联盟、谋划牵头农业碳中和国际科学研究合作项目对策建议。以期为我国农业领域落实“双碳”战略的科技创新研究和相关政策制定提供参考。