农业温室气体排放与减排固碳措施分析

程秀娟

（1.开封大学财政经济学院，河南 开封 475004；2.中国社会科学院大学，北京 102488）

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告第一工作组报告指明，2011—2020 年全球地表温度比1850—1900 年高1.09 ℃［1］，全球变暖对人类生存和发展带来更为严峻的挑战。气候变化由人类活动排放温室气体造成。联合国粮农组织（UN FAO）在第26 届联合国气候变化大会上指出，1990—2019 年，全球农业温室气体（包含二氧化碳、甲烷和氧化亚氮）排放量增加了17%；2019 年全国人为排放量为540 亿t 二氧化碳当量，其中农业二氧化碳排放量为170 亿t 当量，占比31%；2019 年农业甲烷排放量和氧化亚氮排放量占比分别为53%和78%。农业温室气体排放（包含二氧化碳、甲烷和氧化亚氮）是全球温室气体排放量的最大贡献者，也是温室气体减排的主体。习近平总书记在第75 届联合国大会上提出中国2 个阶段碳减排奋斗目标（以下简称“双碳”战略目标），力争到2030 年二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060 年实现碳中和。根据这一重大战略部署，中国将加快推进理论与政策研究，明确“双碳”战略目标的具体路径，破解减碳固碳难题。

围绕农业减排固碳积累了丰硕的研究成果，更多关注农业温室气体排放的影响因素和排放量、减排固碳措施等主题。围绕农业温室气体排放量的监测，主要运用持续更新的IPCC 清单方法进行核算。谭秋成［2］，闵继胜等［3］结合农业生产过程、化肥和能源投入，对中国农业温室气体排放量进行计算及区域汇总。李阳等［4］研究发现，在高情景和中情景下中国农业非二氧化碳的温室气体排放量呈上升趋势，区域农业生产与其农业二氧化碳的温室气体排放的脱钩状态具有异质性。围绕农业温室气体排放的影响因素，学者主要结合农业温室气体的不同排放来源进行因素剖析，种植业、农田土壤和农业生产资料是二氧化碳排放的主要来源［5］，水稻种植、动物肠道发酵和动物粪便是甲烷和氧化亚氮的主要来源，农业机械总动力、农业柴油量、化肥施用量、耕作方式与灌溉是主要影响因素［6-8］。围绕减排固碳措施，学者分别讨论了减排固碳的主要措施与现实困难。从农业室温气体排放来源来看，科学水肥管理与保护性耕作有助于农田减排［8，9］，同时农村生活减排和生物质能源利用存在巨大减排潜力［10］；从农田碳汇来看，保护性耕作、农林复合系统、覆盖作物轮作有助于提高农田土壤碳库储量［11，12］，促进农田增汇是有效的固碳措施；从固碳和减排的协同效应来看，氮肥与秸秆还田技术产生的温室气体排放对农田土壤固碳存在不同程度的抵消效应［13］，农机节能减排对农田土壤固碳效应有5.31%～40.40%的强化效应［14］，减排固碳协同并进需要进一步探索。然而，从减排的收益来看，农业面源污染减排的经济收益不明显，农民增收效应不足，农民缺乏减排的积极主动性［15］。已有研究对农业温室气体排放与减排固碳提供了研究基础，但对农业减排固碳的辐射效应和增收效应探讨不足，尤其是推进农业温室气体减排固碳的动力机制有待进一步研究。

《2030 年前碳达峰行动方案》明确提出要推进农业农村减排固碳，大力发展绿色低碳循环农业，开展耕地质量提升行动，实施化肥农药减量替代计划。针对农业温室气体的不同类别，排放来源、排放现状、农业减排固碳等问题有待研究。基于此，参考IPCC 排放因子和《省级温室气体清单编制指南（试行）》估算农业温室气体排放量，围绕农业减排潜力和土壤固碳潜力，农业减排固碳的主要措施展开讨论，明确农业减排固碳的动力机制，为实现国家“双碳”战略目标做出更大贡献。

1 农业温室气体排放来源与固碳效应

1.1 农业温室气体的排放来源

结合农业温室气体排放来源和排放物的成分来看，种植业、农田土壤、畜牧业和农业生产资料是农业温室气体排放的4 大来源，主要产生甲烷、氧化亚氮和二氧化碳3 种温室气体。二氧化碳排放主要来自于农业生产过程中直接或间接的能源消费、农作物根系的呼吸以及有机质的腐烂分解。土壤微生物数量及其活性、有机质含量、温度、湿度、水分等是二氧化碳排放量的主要影响因子［16，17］。农业非二氧化碳温室气体（包含甲烷和氧化亚氮）是农业温室气体的主体，以下重点讨论农业非二氧化碳温室气体的排放来源。

1.1.1 农业甲烷排放 农业面源排放的甲烷主要来自于水稻田生产、动物肠道发酵和动物粪便，排放量占人为甲烷排放总量的57%［18］。①水稻田产生甲烷。水稻生长期间，土壤中甲烷菌在厌氧条件下通过二氧化碳与氢气的还原反应产生甲烷。水稻品种、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响因子［19］。②动物肠道发酵产生甲烷。牛、山羊和绵羊等反刍动物具有独特的消化系统，在肠道发酵的过程中瘤胃中的二氧化碳和氢气还原反应产生甲烷，通过动物的嘴和鼻孔排放。动物种类、动物年龄与体重，饲料的化学物理特性，采食水平和采食时间，动物的健康状况等是影响甲烷排放的主要影响因子。③动物粪便产生甲烷。动物粪便中的有机物在厌氧环境下发酵产生甲烷，粪便管理方式和环境的温湿度是甲烷排放量的主要影响因子。

1.1.2 农业氧化亚氮排放 农业面源排放的氧化亚氮主要来自于农田土壤施肥、动物粪便与农田土壤本底。①农田土壤施肥产生氧化亚氮。氮肥和复合肥的施用直接产生了氧化亚氮，同时径流与淋溶等间接产生了氧化亚氮。肥料类型、施肥技术、作物秸秆还田、大气沉积、土壤类型等是氧化亚氮排放量的主要影响因子。②动物粪便产生氧化亚氮。动物粪便储存、处理、运输和施肥过程中的微生物进行硝化和反硝化作用，硝化作用产生硝态氮，反硝化作用产生氮气，氧化亚氮是副产品。硝化过程、氧气浓度、pH、温度和微生物群体是氧化亚氮排放量的主要影响因子。③农田土壤本底产生氧化亚氮［20，21］。土壤中的有机质在微生物作用下分解排放氧化亚氮，土壤中的有机质含量是氧化亚氮排放量的主要影响因子。另外，秸秆不完全焚烧也是产生氧化亚氮的来源之一。

1.2 农田土壤的固碳效应

1.2.1 农田土壤的固碳效应 陆地生态系统在全球碳循环中发挥关键作用，农作物生长需要二氧化碳进行光合作用，同时农业土壤本身又是陆地碳汇系统，对二氧化碳进行吸收和储存。根据粮农组织2017 年发布的全球土壤碳储量图，按地表30 cm 深度计算，全球土壤碳储量约有6 800 亿t碳当量；按地表1 m 深度计算，全球土壤碳储量约有1.5 万亿t 碳当量，约为大气碳库容量的2 倍、陆生植物碳储量的3 倍；按地表2 m 深度计算，全球土壤碳储量约有2.2万亿t 碳当量，土壤具有显著的固碳效应。2015 年巴黎联合国气候变化大会上提出“千分之四全球土壤增碳计划”，因为地表30 cm 深度土壤碳储量年增长率为4‰。而全球矿物燃料燃烧排放约为89 亿t碳当量，约为按2 m 深度全球土壤有机碳储量的4‰。土壤的固碳效应发挥了巨大的抵消作用，有助于抵消全球二氧化碳的净排放量。

1.2.2 农田土壤碳储量的变化 土壤碳储量经历了2 阶段巨大转变。第1 阶段，土壤开垦为农田土壤，土壤碳存储量明显下降。随着自然生态系统转变为农田，地表1 m 深度土壤碳储量减少了20%～50%，土壤碳损失率在开垦的最初几年很高。第2 阶段，农田土壤流失导致土壤碳储量再次下降。粗放式耕作，工业化和城市化进程不断加快都是造成农田土壤水土流失的主要原因，释放大量二氧化碳。

农田土壤对二氧化碳的吸收与固定效应具有异质性。对比2017 年与2018 年不同地类土壤碳储量的试验结果可以发现，水稻田的土壤碳储量增长速率最大，水稻田是主要碳汇，荒草地、灌木林、水库沉积区和松树小区是主要碳源，土壤碳储量呈负增长［22］。

2 农业非温室气体排放量估算

2.1 计算公式

2.1.1 农业甲烷排放量 农业面源排放的甲烷主要来自于水稻田生产、动物肠道发酵和动物粪便，计算公式如下。

式（1）中，GHGCH4为农业甲烷排放量，CH4c、CH4l和CH4f分别为水稻田、禽畜肠道发酵和禽畜粪便的甲烷排放量。式（2）中，Si为第i种水稻的年播种面积，i分别为单季稻、双季早稻与双季晚稻，∝i为不同种类水稻田的甲烷排放因子，取值参考《省级温室气体清单编制指南（试行）》的排放系数。式（3）中，Hj为第j种禽畜的年均饲养量，j分别为牛，马，驴、骡、骆驼、猪、羊、家禽、兔，出栏量小于1 的禽畜，Hj为第j种禽畜的年末存栏量和前一年年末存栏量的加和平均值，出栏量大于1 的禽畜（包含生猪、兔和家禽），Hj为第j种禽畜的平均生命周期与年末出栏量的乘积除以365，生猪、兔和家禽的平均生产周期分别为200、105 d 和55 d；βj为第j种禽畜的肠道发酵的甲烷排放因子，取值参考IPCC 的排放系数［23］。式（4）中，Hj为第j种禽畜的年均饲养量，γj为第j种禽畜粪便的甲烷排放因子，取值参考IPCC（2006）的排放系数。

2.1.2 农业氧化亚氮排放量 农业面源排放的氧化亚氮主要来自于农田土壤施肥、动物粪便、农田本底与生物质燃烧，计算公式如下。

式（5）中，GHGN2O为农业氧化亚氮排放量，N2Ob、N2Of、N2Ol和N2Os分别为农用地本底、化肥施用量、禽畜粪便和秸秆燃烧的氧化亚氮排放量。式（6）中，Sk为第k种农作物的年播种面积，k分别为小麦、水稻、大豆、玉米、薯类、蔬菜、棉花和其他旱地作物，εk为第k种农作物的氧化亚氮排放因子，根据闵继胜等［24］、王智平［20］的研究结果，整理得出排放系数。式（7）中，FN和FC分别为氮肥和复合肥的施用量，θN和θC分别为氮肥和复合肥的排放因子，其中，θN是θC的3 倍，取值参考《省级温室气体清单编制指南（试行）》的排放系数。式（8）中，Hj为第j种禽畜的年均饲养量，μj为第j种禽畜粪便的氧化亚氮排放因子，取值参考IPCC（2006）的排放系数。式（9）中，Sk为第k种农作物的年产量，ρk为第k种农作物的秸秆子粒比，σk为第k种农作物的秸秆含氮量，τk为第k种农作物的还田比例，中国水田和旱田的氧化亚氮排放系数分别为0.41%和1.05%，取值参考张强等［25］。

2.1.3 农业二氧化碳排放量 二氧化碳排放主要来自于农业生产过程中直接或间接的能源消费、农作物根系的呼吸以及有机质的腐烂分解。根据IPCC的建议，农业二氧化碳排放量的估量只考虑农业能源消费产生的二氧化碳，计算公式如下。

式（10）中，GHGCO2为农业二氧化碳氮排放量，Cm为第m种农业生产使用的能源，eftm、ccm、cofm分别为第m种农业生产使用能源的热值转换系数、单位热值含碳量与碳被氧化的比例。

2.1.4 农业温室气体排放总量 不同温室气体排放总量称之为全球变暖潜能值，根据IPCC 推荐的全球变暖潜能值，将甲烷、氧化亚氮转换为二氧化碳排放量，农业温室气体二氧化碳排放量的计算公式如下。

式中，不同类型的农业温室气体排放量单位均为百万t碳当量（Tg CO2）。

2.2 数据来源

农作物（包含春小麦、冬小麦、单季水稻、双季晚稻、大豆、玉米、薯类、蔬菜、棉花和其他旱地作物）的年播种面积与产量，禽畜（包含牛，马，驴、骡、骆驼、猪、羊、家禽、兔）的年末出栏量与年末存栏量，氮肥和复合肥的施用量，农业生产使用的能源数量等农业生产活动数据分别来自《中国统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国能源统计年鉴》。

2.3 农业温室气体排放量

2.3.1 总排放量分析 对2001—2019 年中国农业温室气体排放量进行估算，结果见图1。2001—2019年间中国农业温室气体排放量整体呈现出先增长后下降的波动趋势，2019 年处于稳步下降阶段。2001年总排放量为884.71百万t碳当量，2013年达到区间峰值1 093.68 百万t 碳当量，自2016 年开始持续下降，2019 年总排放量降至988.84 百万t 碳当量。农业温室气体减排效应显现，持续推进农业减碳固碳，实现中国两阶段碳减排奋斗目标的责任重大。

图1 2001—2019 年中国农业温室气体排放量

2.3.2 不同类型的农业温室气体排放量 从农业温室气体的类别来看，2001—2019 年间农业二氧化碳排放量持续增加，农业非二氧化碳温室气体依然是农业温室气体排放主体。2001 年农业二氧化碳排放量为122.87 百万t碳当量，占全部农业温室气体排放量的比例为13.89%，2017 年达到区间峰值313.74百万t 碳当量，占比为29.48%，2019 年降至274.42 百万t 碳当量，占比为27.75%。中国农业仍处于高投入、高耗能的粗放式发展阶段，农业是二氧化碳重要的排放源。

2001 年农业非二氧化碳排放量为761.84 百万t碳当量，甲烷和氧化亚氮排放量分别为490.78、271.06 百万t 碳当量，占比分别为55.47%、30.64%。农业甲烷排放量在2006 年达到区间峰值后稳步下降，2019 年排放量为424.71 百万t 碳当量，占比降至42.95%。农业氧化亚氮排放量整体呈现增长态势，在2015 年达到区间峰值之后快速下降，2019 年排放量为289.7百万t碳当量，占比降至29.3%。农业非二氧化碳温室气体是农业面源的排放主体，甲烷是最重要的排放源，甲烷减排是农业领域减排降碳的关键。

2.3.3 不同来源的农业温室气体排放量 从农业温室气体排放来源看，化肥和能源投入、种植业、畜牧业是农业温室气体排放的主要来源。2001—2019年间这3 种排放来源的排放量整体均呈现先增后减趋势，区间峰值在不同年份出现，农田土壤本底排放量小幅上涨，凸显出农业领域减排降碳的复杂性。

2001—2019 年化肥和能源投入产生的氧化亚氮和二氧化碳排放快速上升，2017 年达到区间峰值后持续下降，这与中国农业机械化、化学化发展紧密相连。2001 年化肥和能源投入产生的农业温室气体排放量为197.69 百万t 碳当量，占比为22.35%，2019 年排放量为353.64%，占比为35.76%，年均增长率为2.45%。

2001—2019 年动物肠道发酵和粪便产生的甲烷和氧化亚氮排放在2006 年达到区间峰值后开始下降，2015 年出现一次回升后不断下降。2001 年的畜牧业产生的温室气体排放量为430.18 百万t 碳当量，占比为48.62%，2019 年排放量降至345.8 百万t碳当量，占比降至34.97%。家禽、兔、奶牛、猪、羊饲养量快速增长，马、驴、骡饲养量明显下降是畜牧业温室气体排放量减少的主要原因。由于家禽、兔、奶牛、猪、羊等禽畜提供动物蛋白，满足了居民不断上升的动物性食物消费需求，马、驴、骡逐渐被愈加机械化的农业发展模式替代。

2001—2019 年种植业温室气体排放量整体呈上升趋势，在2013 年达到区间峰值后缓慢下降。2001 年的种植业产生的温室气体排放量为217.52百万t 碳当量，占比为24.59%，2019 年排放量为209.93 百万t碳当量，占比为21.23%。

由秸秆燃烧产生的氧化亚氮排放在2016 年后明显下降，秸秆禁烧补贴效应凸显。

3 农业减排固碳的政策措施与动力机制

3.1 农业减排固碳的政策措施

中国先后出台一系列支持农业减排固碳的政策，提出测土配方施肥、耕地质量提升、有机废弃物能源化利用、畜禽粪污资源化利用等措施持续推进农业面源污染防控。相关的政策与主要内容见表1。

表1 农业减排固碳的政策

农业减排固碳的政策以农业绿色低碳循环发展为主导目标。政策旨在实现农业温室气体减排和农田土壤增汇，先后提出一系列明确的行动目标。在农业温室气体减排方面，先后提出以下行动目标，到2020 年，全国测土配方施肥技术推广覆盖率达到90%以上，秸秆综合利用率达到85%以上，养殖废弃物综合利用率达到75%以上，规模化养殖场、养殖小区配套建设废弃物处理设施比例达到75%以上；到2030 年，全国基本实现农业废弃物趋零排放，农业主产区农作物秸秆得到全面利用，养殖废弃物综合利用率达到90%以上。在农田土壤的固碳方面，提出以下行动目标，确保耕地保有量在120 万hm2以上，基本农田不低于104 万hm2；到2020 年和2030 年全国耕地基础地力提升0.5 个等级和1 个等级以上，农田有效灌溉率分别达到55%和57%，节水灌溉率分别达到64%和75%；到2020 年建成集中连片、旱涝保收的53.3 万hm2高标准农田。

农业减排固碳的政策措施具有前瞻性，引领农业领域绿色低碳循环发展。在农业温室气体减排方面，政策提出高产低排水稻品种改良，化肥减量增效，畜禽粪污资源化利用，农作物秸秆综合利用，保护性耕作，节水灌溉，能源绿色低碳消费等措施。在农田土壤的固碳方面，提出稳定耕地面积，耕地质量保护与提升行动，推广秸秆还田、精准耕作技术和少免耕等保护性耕作、耕地轮作休耕，增施有机肥，建设高标准农田，节水灌溉等重要举措。保护性耕作、化肥减量增效与节水灌溉既能实现农田土壤增汇，也有利于减少农业温室气体排放。农业减排措施和农田土壤的固碳措施存在交叉与重合，两类措施耦合发力、协作改善，能更有效地实现农业减排固碳的行动目标。

农业减排固碳的政策致力于关键技术创新发展，通过示范效应和补贴政策推进落实各项政策措施。集成示范耕地质量提升与保育技术，推广应用机械化深松整地、保护性耕作、秸秆全量处理利用与秸秆腐熟还田等技术。重点研发节能低耗智能化农业装备，推广应用智能化深松整地与高效免耕精量播种装备，高效节水灌溉设备，化肥深施和有机肥机械化撒施装备，秸秆综合利用设备，畜禽养殖废弃物资源化利用装备等。化肥减量增效技术通过推广普及测土配方施肥、增施有机肥、环保高效肥料和生物制剂使用。畜禽粪污资源化利用技术主要改善粪便处理技术，推进畜禽粪污肥料化、基质化、能源化等多元化循环利用，规范畜禽粪肥还田利用。秸秆资源化利用技术在秸秆“五料化”（能源化、肥料化、基质化、材料化和饲料化）与秸秆离田炭化—生物质炭还田技术取得重要进展，能够有效实现农业减排，改善耕地生态。

3.2 农业减排固碳的动力机制

农业温室气体减排与农田土壤固碳通过降碳和增汇，为实现国家“双碳”战略目标发挥重要作用。在农业减排固碳的核心措施与关键技术的基础上，论述农业减排固碳的动力机制，旨在为农业温室气体减排与农田土壤固碳协同发展搭建“桥梁”（图2）。

图2 农业减排固碳路径

在2005 年，中国全面实施测土配方施肥沃土工程计划，引导农业改善粗放施肥方式，提升农民科学施肥技术水平。之后，通过补贴政策激励农业农村开展温室气体减排行动，落实农田土壤的固碳措施服务于国家粮食安全战略。然而，要全面推进农业减排固碳措施，实现各项行动目标，单纯依靠政府补贴对关键技术进行研发、示范和推广应用的做法明显缺乏持续动力。中国于2021 年2 月1 日起施行《碳排放权交易管理办法（试行）》，全国碳市场于2021 年7 月16 日启动上线交易，农业以项目形式参与了碳排放权交易。建议有序推进农业纳入碳排放权交易范围，探索建立农业碳交易产品的动态监测和核查、农业碳交易的规范标准和科学方法，形成农业自愿减排的经济激励和内生动力。同时，进一步探索通过补贴政策和碳交易政策发挥农民增收效应与示范带头作用，释放更多农业减排固碳红利。

4 小结

在农业温室气体排放原理与农田土壤固碳效应的基础上，依据IPCC 排放因子和《省级温室气体清单编制指南（试行）》估算2001—2019 年间中国农业温室气体排放量，揭示出农业减排降碳的复杂性。围绕农业减排固碳的潜力，厘清中国农业减排固碳的政策措施、关键技术与动力机制。考虑到国家“双碳”战略目标，中国农业绿色低碳循环发展具有紧迫性，结合研究结论提出以下政策建议。

1）深入开展耕地质量保护与提升行动，保障粮食安全。在“后疫情”时代与“双循环”新发展格局下，把中国人的饭碗牢牢端在自己手中的重要性进一步凸显。保护性耕作、耕地轮作休耕、化肥农药减量增效、加强建设高标准农田能够有效提升耕地质量，增加土壤有机碳储量，更是保障粮食和重要农产品有效供给的重要措施。

2）加快形成农业碳排放权交易市场，挖潜农业减排固碳的内生动力。农业是温室气体减排的重要主体，农田土壤更是重要碳汇，潜在碳汇量可中和1∕4 的农业温室气体排放，农业进入和参与到碳减排与碳交易的框架体系具有重大意义。农业碳交易市场将释放更多红利，形成经济激励，诱使农业经营主体自愿减排固碳，主动进行低碳绿色循环农业生产活动。

3）分区分类施策，合理运用补贴政策效应。《全国农业可持续发展规划（2015—2020）》将全国划分为优先发展区、适度发展区和保护发展区，不同地区的农业资源承载力、环境容量、生态类型、生产特点和温室气体排放现状各不相同，制定差异化的减排目标和具体路径，精准施策，持续完善各类补助奖励与生态补偿制度，充分发挥政府补贴的辐射效应。

4）扩大农民增收效应与示范效应。农业减排固碳有效协调国家“双碳”目标与粮食安全目标，亦需要兼顾农民增收目标。探索实现“绿水青山就是金山银山”向“绿水青山变成金山银山”转变，使农民在碳减排和碳交易过程中获得更多经济收益，拓宽农民增收渠道。同时，发挥新型农业经营主体的引领示范作用，促进绿色低碳循环农业理念和技术在更大范围、更宽领域、更深层次内应用。