2021年第9期(总第21期) 往期回顾
农业与碳中和
点击次数:299  更新时间:2021-12-28

农业既是非二氧化碳温室气体的主要排放源,又有着巨大的碳汇潜力,农业减排增汇将是国家实现碳中和战略目标的重要贡献者。

2020年底全球平均气温比工业化前高出了1.2℃,是2016年和2019年后的第三个高温年纪录 [1]。《中国气候变化蓝皮书(2021)》指出,中国是全球气候变化的敏感区和影响显著区,升温速率明显高于同期全球平均水平。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第六次评估报告,工业化以来总的辐射强迫(即温室效应),98%来自人类活动,而人为源温室气体排放是最主要的驱动因子。二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等6种成分是大气温室气体成分。《京都议定书》实施后,卤代烃得到了有效控制,二氧化碳、甲烷和氧化亚氮成为最重要的温室气体。作为非二氧化碳温室气体,甲烷和氧化亚氮的100年尺度全球增温潜势分别是二氧化碳的34倍和298倍。2015年12月12日《联合国气候变化框架公约(UNFCCC)》缔约方会议通过了具有历史意义的《巴黎协定》,其目标是将全球升温控制在2℃ 内,力争在1.5℃以内。因此,各个国家和行业都在制定自主减排方案。2019年,欧盟委员会宣布欧洲将在2050年建成全球首个“碳中和”地区。 

早在2009年,中国就提出了到2020年的减排目标,并在《巴黎协定》通过前夕承诺了自主减排贡献。2020年9月,习近平主席在第75届联合国大会上宣布,中国努力争取2060年前实现碳中和。碳中和是指通过使用清洁能源、植树造林、节能减排等形式的负碳效应,抵消经济活动中直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。因此,碳中和目标体现了中国政府推进气候行动的巨大雄心,也对经济低碳发展提出了更高要求。

农业源温室气体

农业是非二氧化碳温室气体(主要指甲烷和氧化亚氮)的主要排放源,排放量占全球人类源温室气体排放总量的10%~12%。

甲烷是厌氧环境条件下的产物,它的农业排放源主要包括:一是稻田长期处于淹水条件下,产甲烷细菌分解土壤中活性有机物质(如动植物残体、根系分泌物以及有机肥等),产生甲烷,进而排放到大气中。稻田淹水时间越长、投入的新鲜有机物料越多,甲烷排放则越多。二是动物(主要是反刍动物)采食饲料后在消化道中经特殊微生物发酵会产生甲烷,然后通过打嗝和肠道排放到大气中。三是畜禽粪便在贮存和处理过程中(特别是厌氧环境下)、秸秆不完全焚烧也会产生甲烷。

农田土壤是最大的氧化亚氮释放源。农田土壤氧化亚氮是硝化和反硝化作用过程的中间产物。化学氮肥和有机肥的投入可提高硝化和反硝化率,进而增加氧化亚氮的排放量。同时,土壤氧化亚氮排放还与灌溉引起的土壤水分状况变化有着密切的关系,例如,淹水稻田在中期落干会大大刺激氧化亚氮的排放。与土壤类似,粪便贮存和管理过程中其所含的氮也会在硝化和反硝化过程中产生氧化亚氮。秸秆不完全焚烧也会产生氧化亚氮,但数量极少。

除了上述的直接排放,农业生产还有一些“隐藏”的排放。农作物种植过程使用了大量的化肥、农药、农膜,这些农业生产资料在生产过程中也会排放温室气体,例如,生产1千克的尿素,会排放约16千克二氧化碳当量温室气体。而在畜禽养殖过程中,饲料的生产、养殖场日常水电消耗等也会导致温室气体的排放。

为了评价某个产品或者活动整个生命周期直接和间接的温室气体排放总量,“碳足迹”计量和评价应运而生。农产品碳足迹包括农用生产资料生产、加工过程的排放和农田或养殖场发生的直接排放,如果将再加工和消费过程一并考虑在内,还应包括如精米和面粉的加工、畜禽的屠宰和储存等再加工过程和烹调过程中能源消耗带来的排放。农作物生产的碳足迹中份额较大的是稻田甲烷排放和化肥生产过程的排放。畜禽生产的主要排放源则是饲料生产过程、粪便处理过程和反刍动物肠胃发酵 [3]。如将边界设置到消费端,以肉类为主的饮食习惯的碳足迹要远高于以素食为主的饮食习惯,且外出就餐的碳足迹远高于在家吃饭的碳足迹。

农业对碳中和的影响

根据国家温室气体排放清单, 2014年中国温室气体净排放总量为111.86亿吨二氧化碳当量,其中农业为8.3亿吨,占7.4%。不过,在非二氧化碳温室气体排放中,农业占比达48%。在农业源总排放中,种植业占58.4%(稻田产甲烷22.6%、氮肥产氧化亚氮34.7%和田间焚烧1.1%),养殖业占比41.6%(动物肠道产甲烷24.9%和粪便排放16.7%)[2]。如将前面提到的“隐藏”排放也计入在内,农业生产引起的温室气体排放占全国温室气体排放总量的比例将达到18%以上。

由于土壤碳汇计量的不确定性较高,且固定在土壤中有机碳的稳定性持续年限尚有争议,国家温室气体排放清单中通常只考虑森林植被碳汇,而未将土壤碳汇计入。然而,全球2米深土壤有机碳库高达24 000亿吨,土壤碳库的微小增加都会产生巨大的碳汇效应。2015年12月第21届联合国气候变化大会期间,作为东道主的法国农业部部长正式提出了名为“千分之四计划:服务于粮食安全和气候的土壤”的国际动议,简称“千分之四计划” [4]。“千分之四计划”的依据是,全球2米深土壤储存的有机碳达到24 000亿吨,而全球矿质燃料燃烧排放为89亿吨二氧化碳当量,正相当于全球土壤有机碳储量的千分之四,也就意味着,只要全球2米深土壤的有机碳储量每年增加千分之四,就只以抵消当年全球矿质燃料燃烧的碳排放。尽管“千分之四计划”实现存在巨大挑战,但彰显了土壤在减缓气候变化中的重要地位。富含有机碳的肥沃农田土壤是保障粮食安全的基础,而土壤有机质是土壤质量和健康的核心。与其他自然土壤不同,农田土壤质量主要受人为管理的影响,而农田土壤碳库可通过人为管理进行短期和长期的调节。尽管我国仍未将土壤固碳纳入国家温室气体排放清单当中,但IPCC气候变化评估报告仍将采取良好措施增加农田土壤固碳以清除大气中二氧化碳作为减缓气候变化的重要途径。在当前土壤安全备受压力的背景下,通过提高土壤有机质含量,既可保障全球粮食安全,又能减缓气候变化。

中国1米深土壤有机碳库总量约为900亿吨,2014年能源排放为96亿吨二氧化碳当量,土壤碳库需增碳2.9%才能抵消,远高于千分之四 [4]。造成这种巨大反差的原因是中国土壤每公顷现有的有机碳储量较低,而碳排放又处在高位。尽管无法完全依靠土壤固碳带来碳中和,但土壤固碳无疑会为碳中和的实现起到重要作用。据估计,当前管理模式下,中国农田土壤碳库的年增加量为2500多万吨,相当于近1亿吨二氧化碳当量,能够抵消2014年农业排放的12%。

中国农业以占全球9%的耕地,生产供应占全球20%的人口的食物和纤维需求。中国的农业既面临着保障粮食安全的重大任务,农业固碳减排还将为国家碳中和目标的实现贡献自己的力量。

农业固碳减排技术

中国农业实现碳中和在于固碳(大气二氧化碳固定)和减排(减少甲烷和氧化亚氮排放)两个方面,习惯上统称固碳减排,主要通过加强土壤的固碳能力和提高化肥等农业生产资料利用率来实现。

提升农田土壤碳库主要通过减少碳损失和增加碳输入来实现。保护性耕作是对农田采用免耕、少耕、地表微型改造,结合覆盖、轮作、农药病害虫防除等措施,确保耕地可持续利用的综合性土壤管理技术体系。通过保护性耕作,不但可以减少碳库损失、增加碳输入以增加土壤固定,还能够提高土壤蓄水保墒能力和土壤肥力,防止土壤侵蚀、退化等。构建农林复合系统、加强对永久性放牧草地的保护和退化草地的修复也是提升土壤碳库、保护土壤功能的可持续措施。覆盖作物轮作、豆科固碳作物轮作以及豆科作物与其他作物的间套种都是有利于土壤固碳(减排)的农业措施。

农业废弃物的资源化利用对农业固碳减排也有着潜在的巨大贡献。中国农作物秸秆每年高达10亿吨以上,秸秆露地焚烧一度十分普遍,本世纪初以来中国政府一直实行严厉的秸秆禁烧管控。根据国家温室气体排放清单,2014年之前秸秆焚烧导致每年约900万吨的温室气体排放。2015年以来,农业部通过财政专项支持,鼓励在华北、东北、西北等地区发展秸秆的“五料化”(能源化、肥料化、基质化、材料化和饲料化),利用率已达80%以上,避免或者抵消排放的贡献十分显著。虽然中国秸秆利用率已经较高,但是其深度农业利用仍然有待推广。中国目前除了有约20%的秸秆被废弃,被利用的部分中有40%的秸秆被直接还田。为避免秸秆还田的病虫害残留和对下茬作物生长的不利效应,并考虑到农民实施还田的实际困难,秸秆离田炭化—生物质炭还田技术应运而生。中国的秸秆炭化工程技术,以及生物质炭土壤改良和炭基肥生态农业技术已处于全球领先。含生物质炭15%~20%的炭基肥,可以减少化肥15%,实现农作物产量和品质的双向提升,并减少农田温室气体排放20%以上,且有利于改善耕地生态。

在减排上,通过施肥模式优化以及新型肥料和抑制剂(如缓控释肥、硝化抑制剂)的使用,可减少农田氧化亚氮排放达50%。通过科学制定施肥和农药、农膜等使用方案,采用高效、环保的新型农业生产资料,既有助于农田氧化亚氮的减排,也可通过倒逼农资产业结构改革和生产优化,以避免生产过程的温室气体排放。

节水灌溉可以减少甲烷排放,但由于甲烷和氧化亚氮排放此消彼长的特征,可能增加氧化亚氮排放。另外,稻田秸秆还田,可能增加有机质,减少氧化亚氮排放,但会刺激甲烷的排放。只有将间歇淹水等节水灌溉措施与优化施肥措施相结合,才可能减少稻田温室气体总排放,同时还可提高水分和养分利用效率。对水旱轮作农田,如水稻—小麦、水稻—油菜等轮作,在非稻季施用有机肥,在提升土壤碳库的同时,避免了由于有机肥施用造成的甲烷排放。筛选低排放高产水稻品种、添加甲烷抑制剂等新型材料、施用生物质炭等稳定性高的有机物料,也是降低稻田甲烷排放的有效途径,是新的固碳减排协同技术的发展方向。

畜禽养殖温室气体减排可以通过优化饲料配比、使用新型饲料、改善粪便处理技术、科学设计和搭建畜舍等方式实现。例如,将秸秆氨化处理后再投喂,可以减少黄牛16%~30%甲烷排放;而使用多功能舔砖,不但可提高黄牛日增重量,还可减少10%~40%的甲烷排放;与水冲清粪和水泡粪相比,人工干清粪可减少甲烷排放50%以上 [5]

农业生产如何在应对气候变化挑战的同时,为碳中和做出贡献是全社会的共同关切。联合国粮农组织倡导构建气候智慧型农业(climate smart agriculture),其目标是持续增加农业产量和收入、建立和提高对气候变化的适应能力、在可能的情况下降低或避免温室气体排放。气候智慧型农业技术的研发和推广将会是未来农业固碳减排技术的热点。

农业减排的国家行动

2005年以来,全国实施了“测土配方施肥”沃土工程计划,使化肥利用率提高了5%,累计减少施用量1000多万吨,同时还实现了6%~10%的粮食增产;2017年以来,农业部进一步开展“绿色农业发展五大行动”,包括果菜茶化肥有机肥替代行动,取得了土壤增碳、农业减肥和农民增收的多重效果。2015年以来,中国化肥用量开始负增长。与2015年相比,2019年氮、磷和钾肥分别下降了18%、19%和13%,总计带来5600万吨二氧化碳当量的减排量。

根据国家发改委发布的《可再生能源中长期发展规划》,以农作物秸秆为主的生物质固化成型燃料产量将达到4000万吨以上,将可抵消化石能源温室气体排放至少1.5亿吨二氧化碳当量。2017年,“秸—炭—肥”模式被农业部推荐为秸秆资源化十大模式之一;2021年,秸秆炭化还田固碳减排技术被农业农村部公布为重大引领性技术。如果能将尚未利用和被直接还田的60%的秸秆通过热裂解炭化为生物质炭基肥施用于农田,可显著实现土壤增碳并减少化肥过量施用带来的排放,其所带来的潜在碳汇量可高达2亿吨二氧化碳当量,可中和约四分之一的农业温室气体排放。

但与此同时,养殖业粪污的温室气体排放控制却仍然面临极大挑战。2014年,中国养殖业粪污温室气体排放已相当于农业源排放的17%。单位动物粪便的甲烷和氧化亚氮排放强度已是1994 年的4倍以上。农业部“绿色农业发展五大行动”中,明确将粪污资源化列为主要任务,温室气体控制的资源化利用技术进步当有巨大潜力。但由于养殖业温室气体研究滞后于种植业,目前仍缺少充分的数据显示改善粪污管理对养殖业减排的具体贡献。况且,工业化的畜禽养殖产生了远离农田的大量粪污,其处理涉及用于消纳的土地资源紧张,资源化产品的经济出路,以及如何达到日趋严格的环境保护要求等问题,有待妥善解决。

为了推进自主减排,早在2011年10月,国家发改委就印发了《关于开展碳排放权交易试点工作的通知》;2012年6月13日,又印发了《温室气体自愿减排交易管理暂行办法》。“碳交易”包含碳排放权交易和碳减排量交易两部分。碳排放权交易是指卖方将管理者分配的排放配额中多余的部分在碳交易平台出售给排放配额不足的买方,而碳减排量交易则是将通过碳汇项目的实施获得的经核证的减排量出售给排放量较大的买方,用于抵消其过量的碳排放。农业尚未纳入中国碳排放权交易体系,但农业减排项目可以参加温室气体自愿减排碳交易活动。《碳排放权交易管理办法(试行)》自2021年2月1日起施行,全国碳交易市场于2021年6月25日正式启动。目前,《温室气体自愿减排交易管理暂行办法》正在修订中,相信在不久的将来,农业自愿减排碳交易市场将活跃起来。农业项目参与碳减排交易包括减排技术的开发和项目方法学的编制。目前,国家已备案的方法学清单中,与农业直接相关的方法学只有三个。相信未来农业领域将有更多减排技术被开发出来,服务于农业碳交易的规范标准和方法学也将不断完善。

2021年10月26日,国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》,特别指出“推进农业农村减排固碳”。随着生态文明理念和“两山理论”在农业部门的深入贯彻,农业对国家碳中和的贡献将持续加大。


程琨,副教授;潘根兴,教授:南京农业大学农业资源与生态环境研究所,南京210095。kuncheng@aliyun.com

Cheng Kun, Associate Professor; Pan Genxing, Professor: Institute of Resources, Ecosystem and Environment of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095.

  1. World Meteorological Organization (WMO). WMO statement on the state of the global climate 2020. 2021. https://public.wmo.int/en/our-mandate/climate/wmo-statement-state-of-global-climate
  2. 中华人民共和国生态环境部. 中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告. 2018. https://www.mee.gov.cn/ywgz/ydqhbh/wsqtkz/201907/P020190701765971866571.pdf

  3. Yue Q, Xu X R, Hillier J, et al. Mitigating greenhouse gas emissions in agriculture: From farm production to food consumption. Journal of Cleaner Production, 2017, 149: 1011-1019.

  4. Minasny B, Malone B P, Mcbratney A B, et al. Soil carbon 4 per mille. Geoderma, 2017, 292: 59-86.

  5. 董红敏, 李云娥, 陶秀萍, 等. 中国农业源温室气体排放与减排技术对策. 农业工程学报, 2008, 24(10): 269-273.


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