基于生物地球化學循環視角下我國農業碳達峰、碳中和應對策略

中國網/中國發展門戶網訊 聯合國政府間氣候變化專門委員會評估結果表明，大氣二氧化碳（CO₂ ）體積分數由1860年285ppm增加至2020年414ppm，全球海陸表面平均溫度升高了1.09℃；預測21世紀末大氣CO₂濃度將達到730—1000ppm，可能使全球表面平均溫度上升1.0°C—3.7°C。2015年《巴黎協定》指出“把全球平均氣溫較工業化前水平升高控制在2℃之內，并為把升溫控制在1.5℃之內而努力”。然而，預測2030—2052年間全球平均地表升溫幅度就達到1.5℃。人類活動加劇和加快了大氣溫室效應。

國家或地區通常是分配排放責任的單元。歐盟在1980年前后、美國在2005年前后分別實現碳達峰。2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。截至2021年全球已有54個國家實現碳達峰，近期碳中和成為應對氣候變化的熱點。近130個國家和地區提出實現碳中和目標，如烏拉圭2030年、芬蘭2035年、冰島與奧地利2040年、瑞士2045年、中國2060年。英國農業聯盟于2019年宣布英格蘭和威爾士地區將在2040年實現農業碳排放“凈零”。

碳達峰是指化石燃料使用產生的CO₂排放量達到峰值；碳中和是指化石燃料使用及土地利用變化產生的碳排放量，通過陸海生態系統吸收及其他技術方式固存的碳量之間達到平衡，即CO₂凈排放為零?；趪页叨忍歼_峰和碳中和（以下簡稱“雙碳”），是以國家為單元將全球低碳發展應盡承擔責任進行分割，在相互協作與監督機制下，促進各國加快探索低碳發展模式，并盡早實現目標。由于國家稟賦資源條件、社會基礎、發展階段、產業結構與人文理念存在較大差異，推進“雙碳”目標將各不相同，因此，不同的國家或地區，制定符合各自國情的實施措施，才能推動“雙碳”發展。農業對國家“雙碳”發展具有重要的支撐作用，以生物地球化學循環（biogeochemical cycle）理論為指導，在深度分析農業碳循環的基礎上，結合中國實際情況，提出農業“雙碳”應對策略，為我國農業綠色低碳發展提供理論依據。

生物地球化學循環視角下的碳循環

簡單來說，生物地球化學循環是組成生命的化學元素從環境進入生物體，再從生物體返回環境的循環過程。由于碳是構成一切有機物的基本元素，所以碳循環是最重要生物地球化學循環：通過光合作用植物將大氣CO₂合成碳水化合物，把太陽能轉化為化學能，沿食物鏈表現為轉化、傳遞與分解，并最終以CO₂返還大氣。隨著工業革命后采礦等工業飛速發展和能源大量使用，巖石圈碳轉化釋放的CO₂數量增多與大氣CO₂濃度增加，導致全球溫室效應。由此可見，通過生物、物理或化學等途徑轉化大氣CO₂為穩定性強的生物碳或其他碳材料，或轉入土壤或海洋或巖石圈深層密封儲存，才能夠有效降低大氣CO₂。

基于生物地球化學循環視角的碳循環模型如圖1所示。大氣CO₂濃度的相對穩定對生物圈至關重要。從泥盆紀生物在地球上大量出現以來，生物地球化學循環保持了CO₂不斷產生和氧氣（O₂）不斷消耗過程的相對穩定性。早期的CO₂是火山噴發和碳酸鹽巖石風化產生量與植物光合固定量基本相當，年通量大約為3億噸，是大氣CO₂總量（2.4萬億噸）的0.01%，才使得大氣CO₂保持穩定。否則，每經過1萬年，大氣CO₂就要增加1倍；氧化過程消耗與光合作用釋放的氧氣量也基本相當，才使得大氣O₂基本穩定，否則，經過400萬年，大氣的O₂將消耗殆盡。從早期大氣CO₂保持穩定可以推斷，碳地質大循環在陸地、海洋與大氣之間處于相對平衡狀態，碳在三大庫的凈積累為零或近似零（年際波動），作為碳“轉換器”的生物圈基本穩定，即凈收支為零。工業革命影響了全球碳循環，大氣CO₂濃度顯著升高，也相應激發了陸地與海洋自然碳匯增加，這也是生物圈目前表現為碳匯的根本原因；未來將達到峰值，重新建立陸地、海洋與大氣的碳循環新平衡體系，生物圈碳匯再次歸零，大氣CO₂濃度也將再次保持穩定。屆時，大氣CO₂濃度是否能達到人類期望的那樣回歸到工業革命前狀態，將存在較大的不確定性。為此，依照生物地球化學循環原理，通過控制化石能源與調整能源結構，促進人工碳匯和強化自然碳匯，持續推動“雙碳”深入實施將成為全人類可持續發展的重大使命。

農業碳達峰、碳中和的釋義與路徑

農業碳達峰、碳中和的釋義

碳達峰、碳中和概念在三大產業及其行業與部門表現出較強的親和力，衍生了很多非嚴格意義上的二級概念或子概念。農業是人類社會與自然生態系統高度融合的產物，是最為基礎和最重要的產業，農業碳達峰、碳中和與人類社會發展息息相關。具體來講，農業碳達峰是農業生產使用化石燃料導致CO₂排放量達到峰值（廣義農業或大農業，包括農林副牧漁）；農業碳中和是農業化石燃料及農業用地導致的碳排放量，與陸海生態系統吸收及采用固碳技術封存碳量之間達到平衡，即農業CO₂凈排放為零。農業碳達峰主要涉及兩部分：第一部分是使用化石能源排放，農業生產活動過程中用電與農業機械等產生CO₂，如農業設施、灌溉、耕地、播種、施肥、收獲、倉儲及加工，還包括肥藥、地膜等生產資料生產運輸、農產品流動及農機制造；第二部分是農田土壤耕作、農作物與家畜家禽生產過程中排放的CO₂、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）等溫室氣體。農業碳中和也涉及兩部分：第一部分是陸海生態系統的自然途徑，包括陸地、海洋植物光合作用以及海水吸收等，將大氣圈CO₂轉入生物圈與水圈；另一部分是碳封存人工途徑，如有機碳深埋、密封、或轉化為生物炭等。

農業碳減排與碳固定途徑

農業碳減排途徑

化石能源途徑碳減排是通過降低農業生產過程中化石能源消耗和提高能源利用效率，減少CO₂產生，并達到峰值。全世界人類活動產生CO₂年排放量約390億噸，我國約100億噸。2020年全球化石能源消耗CO₂排放占總量的75%，大氣CO₂新增18億噸。農業碳減排途徑包括：①構建低碳農業模式。升級農業基礎設施與生產裝備，促進節能降耗；發展替代能源，減少化石能源的消耗。②促進電能驅動農機。發展電動農業機械，提高農事與加工環節的綠色能源比例。③農業生產資料升級創新。提升肥藥、農膜等工藝水平，創制低碳農資，建立低碳供應鏈與產業鏈體系。④建立具有農產品減損與能源減耗特征的低碳運輸鏈與低碳農業貿易體系。

溫室氣體排放碳減排主要涉及土壤耕作、施肥、灌溉和噴藥等農業生產環節，以減少溫室氣體排放。減排途徑包括：①適度擴大少免耕與休耕比例。歐盟設置農田生態區（大于15公頃農田必須保留5%農田生態區）以促進減排。②發展有機農業和生態農業，降低肥藥投入。歐盟提出2030年有機農業面積至少達到農業土地總面積的25%，英國提出農田自然修復和恢復泥炭地的計劃，英國計劃2050年將20%的農業用地轉為自然修復和提出“千分之四土壤增碳計劃”促進土壤固碳。③秸稈等有機廢棄物還田、控制肥藥施用量，以及增加有機肥料替代比例。④稻田采用旱直播、間斷灌水、曬田與旱栽等途徑能夠減少CH₄排放。⑤發展精準農業，采用“3S”（遙感、全球定位系統和地理信息系統）、智能農機、物聯網與互聯網等手段，實時監測，肥藥水精確施用，以最少的資源投入與最有效的農事作業，換取最大產量收益和最少的碳排放。

農業碳固定途徑

農業碳固定涉及自然與人工兩方面。自然途徑碳固定包括：①保護和擴大綠色植被面積，合理采伐木材與適度放牧。全球森林碳儲量8610億噸，草地碳儲量約為5200億噸。②保護海洋和海陸過渡帶，維護海洋生態健康安全。海洋儲存了全球約93%的CO₂，年可吸收30%以上排放到大氣中的CO₂，濱海濕地占海洋沉積物碳儲量的50% 。③開發農業生態系統碳匯潛力。農業僅有10%的碳長久保存在各種農產品和土壤中，農業生產的溫室氣體貢獻約20%；植物固定碳約有3%留在陸地上，一般只維持幾十年，其余97%由植物和土壤再次排放。

人工途徑碳固定是通過時空尺度轉換，人為直接或間接移除大氣CO₂。包括：①大氣CO₂深儲巖石圈，如礦化固存、CO₂注入儲油層用于石油開采等。②化學物理轉化利用途徑，如甲醇、尿素、塑料、碳氫燃料制品，CO₂微藻高效固定，以及CO₂水泥固化等。塑料較難降解且用途廣泛，可能是碳固定潛在途徑。③農田土壤改良劑途徑，如生物炭土壤施用可保持千年左右。④開發以木材生物碳為主原料的家具與建筑物等，保存幾十年至上百年。⑤秸稈等有機廢棄物還田，尤其是深施。⑥生物碳深儲，如巖石圈或水圈或地面封存，顯著延長儲存周期。

農業碳達峰、碳中和思考

農業碳達峰面臨的挑戰

工業革命發明了農機、肥藥與農膜等是重要的農業生產資料，使農業與化石能源的關系越來越密切，如耕地、播種、灌溉、收獲與運輸等農業生產環節離不開農機，日光溫室等設施種養離開電力就無法運轉等，尤其是盛行西方發達國家的“石油農業”?？紤]到我國仍然是發展中國家，工業化與城鎮化遠遠落后于歐美發達國家，化石能源不可缺少，新型能源替代時機還遠未成熟，不得不面臨諸多挑戰。①國家能源碳達峰約束下的未來農業現代化與產業化可持續發展戰略與道路選擇。到2030年不足8年，意味著肥藥地膜等農業生產資料與農業機械的化石能源消耗即將達到峰值，建立能源提效與替代雙輪驅動機制以確保國家糧食安全和推動農業現代化與產業化發展進程。②農業現代化與產業化發展進程中的“高碳”地板（需求）與“低碳”天花板（達峰）形成上下夾擊挑戰，而發達國家大都在完成充分發展的基礎上開始碳達峰。③突破低碳農作核心技術如高氮作物品種，加快推進區域性低碳農作技術體系的試驗示范推廣迫在眉睫。④國家尺度能源途徑碳達峰與溫室氣體碳達峰和兩手抓與同步推動。依據聯合國糧食及農業組織（FAO）報告，全球尺度的農糧系統溫室氣體排放量約占總量的31%，人為因素占10%—20%，我國2016年出現化肥施用量拐點，可以說任重但道已不遠。

農業碳中和面臨的挑戰

農業碳中和挑戰包括：①作物秸稈利用與農田土壤固碳挑戰。農作物具有較高初級生產力，農田具有較大的碳通量，但由于農業生產的主要功能是提供食物和能量，限制了農田生態系統碳匯潛力開發。②維持森林等生態系統碳匯持續性的挑戰。大氣CO₂濃度升高相當于施用“碳肥”量增加，激發了森林、濕地、草地、農田與海洋生態系統初級生產力提高，但隨著碳肥效逐漸降低，森林等生態系統碳匯將逐漸減少，到達峰值就會出現零碳匯。森林管控具有較大挑戰性，如果過多干預，可能導致碳排放（如同農田生態系統）；如果沒有干預，在一定時段就會出現上述情況。因此，森林科學管控顯得非常重要，并且在全國尺度上保持森林生態系統可持續碳匯功能是一項復雜的巨型系統工程。另外，陸地海洋的不均勻性（如氣候帶、生態類型等分布）與大氣CO₂相對均勻性之間的不對稱性，高碳匯時空如森林生態系統并沒有對應的高濃度大氣CO₂分布區，高碳源地區如礦山、工程與城市等往往也不是高碳匯區域，關于森林碳匯潛力還具有不確定性，高效率碳匯機制還有待研究。③土地退化與海洋污染碳中和負效應挑戰。土地退化的因素很多如鹽堿化、污染與土地用途改變等導致生態系統光合能力降低，海洋污染是從陸地開始的江海湖泊水體污染排入海洋導致海洋吸收及其生態系統功能下降。④人工途徑碳中和挑戰。農業范疇的人工途徑碳中和主要問題是缺乏核心技術，現有技術成本太高（也可能消耗更多碳），推廣應用難度大。

農業碳中和潛力分析

生物碳在食物鏈上降解為CO₂的過程相對較短，如植物果實與嫩枝葉、肉奶蛋等降解幾個至十幾個小時，微生物降解幾天至幾個月不等；木質素和纖維素含量較高的樹枝、動物皮毛與骨骼降解幾年至幾十年。農業生態系統的作物碳（籽粒、蔬菜、水果等）與動物碳（家畜、家禽）生命周期較短，如農作物1年左右，家禽僅幾個月，大型役用家畜幾年至十幾年。農業碳（作物碳與動物碳）主要功能是提供生活物質與能量，絕大部分在較短時期內又返回大氣圈；時間尺度短，對大氣圈CO₂濃度增減基本沒有影響。生物圈的生物碳普遍具有短命性與不穩定性特征，農業生物碳更是如此。如果不能提高生物碳穩定性或封存，對大氣碳減排效應將很有限；而僅僅通過農田土壤實現較大碳匯目標的過程較長，加上土壤耕作導致土壤碳庫具有較強的活躍性，土壤固碳難度較大，但潛力不可忽視。秸稈與畜禽糞便等有機廢棄物還田是農業碳中和的主要途徑，如秸稈還田20—50年土壤有機碳持續增加，配合少免耕、休閑與輪作等更好。我國農田表層土壤最大固碳潛力處于20億—30億噸之間，生態恢復、管理與重大生態工程有利于碳匯。農作物秸稈轉化為生物炭、耐用耐腐材料與能源替代等，如生物炭平均壽命約2000年。秸稈經過物理化學處理制作成家具，延長儲存期，據估算我國城市系統建筑物和家具的碳儲量2.1億噸。開發現代林木加工技術，制作經久耐用的家具、建材或其它用材是高效、便捷、經濟的固碳途徑。秸稈可轉化熱能、電能與機械能等替代化石能源。

農業碳中和誤區

碳中和判斷依據是減少碳排放（傳統能源的節能增效與新能源替代）和增加碳吸收（生物圈碳匯與工業固碳），前者是減少化石能源開采利用，發展替代能源；后者是移除大氣CO₂。生物圈碳匯（自然氣候解決方案）是應對溫室效應最成熟途徑。農業碳中和誤區主要表現在：①有機廢棄物還田增加土壤CO₂排放違反質量守恒定律。土壤碳源來自生物有機殘體與廢棄物，降解過程由地表轉入土壤，只是改變了降解空間而已。②秸稈燃燒增加CO₂排放。無論秸稈是否燃燒最終都將降解為CO₂，在碳地質循環尺度下，沒有本質差別。③食肉（包括奶蛋）增加溫室氣體排放缺乏科學依據。肉奶蛋是由植物碳通過食物鏈轉換而來的，只是植物碳降解的時空不同而已，這個時空尺度差異相對于大氣CO₂濃度時空變化可以忽略，最終排放的CO₂不增加也不減少。反芻家畜體內排放到大氣的CH₄穩定性差，最終也將成為CO₂。④提高農作物產量就是碳中和。農作物產量增加是碳中和的必要條件，但并不充分。農作物生物量增長并不會對碳儲存有實質貢獻，將通過食物網返還大氣。只有生物碳儲存或封存幾十年至百年以上才可認為是碳中和。

生物圈減排的重要性

生物圈介于巖石圈、水圈與大氣圈的交界面，是巖石、水和大氣交互的特殊表現形式，可被認為是有生命的巖石、有生命的水或有生命的大氣。在物質形態上，生物近似巖石，都是固體；在組成物質上，生物近似水，生物體水分占比大都在70%以上，高者達95%甚至更多，如人體內的含水量75%以上；在化學元素組成上，生物近似大氣，生命的基本元素是碳、氫、氧、氮，大氣的主要元素是氮、氧、碳、氫。在生物生命活動視角上，生物圈與大氣圈的相似度更高或距離更近；生物圈有機碳可看作是大氣圈CO₂的固態形式，大氣圈CO₂也可看作是生物圈有機碳的氣態形式。生物圈與大氣圈聯系紐帶是CO₂，通過生物生命活動（光合與呼吸）完成最重要的碳循環雙向路徑；光合作用類似于抽水泵，把大氣圈CO₂轉入生物圈；呼吸作用相當于排水渠，又把生物碳以CO₂形式返還大氣圈。由此可見，如果能使生物碳保持較長周期（對大氣CO₂濃度產生影響的時間周期），大氣CO₂減排就有效；反之亦然。生物碳保持較長周期的途徑是改性與密封保存，如生物炭等。生物圈控制大氣溫室效應的總體策略是強化生物碳匯功能，控制碳源途徑。因此，生物圈作為碳循環的樞紐，具有碳循環定向調控功能，不但能實現碳中和，更是開啟大氣負碳循環的密鑰。

我國農業碳達峰、碳中和應對策略

農業碳達峰應對策略

我國農業現代化與產業化發展初級階段決定了農業生產系統的基礎設施、生產資料、生產設備、能源及科技等還要持續加大投入，才能滿足社會發展需要。①在農田利用方面，在發揮高標準農田優勢的同時，加快中低產田改造，為農業生產系統提質增效奠定基礎，為節肥節藥節水節能創造條件，促進農業碳達峰。②在農業機械裝備方面，我國總體水平較低，農業生產環節機械的智能、物聯、網聯、信息、精準、“3S”、高效、電控、節能、綠色等方面與歐美發達國家有較大差距，對農業碳達峰支撐不足，應加大投入。③在農業農村能源建設方面，要充分利用農村區域空間優勢，發展適合區域特點的太陽能、水能、風能、沼氣、秸稈與地熱等多能互補及發電技術，升級電力能源設施，減少和降低農業生產與農村生活的化石能源依賴，加快綠色能源替代步伐，為農業碳達峰創造基礎條件。

農業碳中和應對策略

我國人地矛盾突出、資源匱乏、區域差異大、農業產業水平低、農業經營模式多樣等決定了農業碳中和任重道遠。①保護林地、草地、濕地等生態系統，倡導植樹造林和草地恢復。近半個世紀，我國增加10億計的樹木，全國森林覆蓋率達到23.04%。強化森林火災預防非常重要，如2021年美國加州大山火釋放了創紀錄的47億噸CO₂（歐盟27個成員國年排放還不到27億噸）。②預防陸地與海洋污染。我國正處于全產業上升期，易發生態環境污染，加強點源與面源污染的預防治理，保護流域水環境、海岸與海洋生態系統非常重要。研究表明，海洋吸收人為排放CO₂效能與工業革命前相比已損失31%。③開展區域水資源調配。我國水資源短缺問題突出，嚴重制約碳中和發展，尤其西北地區。開展南水北調等大型水利工程，為森林、草地、濕地、湖泊等生態系統創造條件，為構建全球碳中和作貢獻。④加大農田土壤有機質提升力度。我國農田土壤有機質含量普遍較低，90%以上的土壤有機碳在每公頃100噸以下，表土有機碳密度是歐盟平均值的70%—75%。農作物秸稈應還盡還，畜禽糞便強制還田，農產品加工廢棄物麩皮與渣料等安全還田。多熟種植情況至少一年還田一茬，盡量減少秸稈焚燒，重視秸稈產業化發展（肥料化、飼料化、燃料化、基料化和原料化）。⑤發展海洋農業?？茖W規劃海水養殖和海洋牧場，促進海洋生態系統吸收CO₂和發揮漁業碳匯潛能。我國海洋漁業和水產養殖業有望實現年4.6億噸的藍色固碳量，約相當于10%的碳減排量；目前海水養殖面積僅為204萬公頃，未來漁業產業及碳匯潛力很大。⑥升級改造農業生態系統碳中和功能。從農田劃出或配置一定面積的林地、濕地、草地與水塘，構建復合農業生態系統模式，克服傳統農田生態結構低碳匯缺陷，北方潛力極大。⑦加大農產品減損力度。農產品全產業鏈與消費鏈的食物損耗與浪費問題突出，我國糧食全產業鏈總損耗率約12.3%，蔬菜和水果采摘后平均損耗率高達25%—30%，城市餐飲每年食物浪費170萬—180萬噸（不包括居民家庭飲食中的食物浪費）。⑧科學利用生產生活垃圾。我國農業有機廢棄物管理體系與處理設施落后，民眾垃圾分類意識不強，廚余垃圾與養殖糞污等數十億噸資源化利用水平低，環境污染風險增大，通過厭氧發酵與好氧堆肥等途徑，能夠降低碳匯損失和減少碳源。

農業碳達峰、碳中和科技創新應對策略

農業碳達峰、碳中和的科技創新應對策略主要有以下幾個方面：①建立國家農業碳達峰、碳中和科技創新驅動體制機制，以管理、科研、產業到應用的全鏈條推動模式，打造適合國情的“雙碳”科技創新體系。②攻克長期限制我國農業生產的肥、藥、水、能、機等核心技術，提升生產與利用效率。③研發以生物碳為基礎的新型材料，全面提升碳匯-碳源管控水平。④探索生物碳深儲技術，在百年尺度以上建立碳中和技術體系。⑤加強農業碳達峰、碳中和科普，樹立“雙碳”農業發展理念和強化“雙碳”農業發展意識，助推低碳農業轉型發展。⑥建立大氣生態文明理念，推動傳統生態文明向大氣生態文明轉型升級，促進農業碳達峰、碳中和法律法規體系建設。傳統生態文明的主要載體是土地，具有明顯的區域性特征，如水污染、土地退化與生物多樣性減少等；氣候變化具有顯著的全球性特征，與全人類密切相關，任何國家任何人都無法逃避且必須面對。在生態文明時代，受制于CO₂排放約束，傳統社會生產模式與生活方式等將受到極大挑戰，在科技、經濟、法律、道德，甚至是世界地緣格局、國家關系與國際貿易秩序等也將發生重大變化。

農業碳達峰、碳中和是“雙碳”發展的重要內容之一，對我國實現“雙碳”目標具有堅實的支撐作用。農業碳達峰、碳中和面臨較大挑戰，需要國家管理政策引導，需要科學技術支持，需要更多的民眾參與。農業碳達峰需要在生產資料與生產裝備方面升級換代，以及能源結構調整等方面加快步伐。農業碳中和需要在生物圈保護、污染防治、區域水資源配置、生態系統功能優化、減少浪費與垃圾處理等方面進一步強化。農業碳達峰、碳中和科技創新需要在體制機制、生物碳基材料開發與深儲、法律法規，以及大氣生態文明等方面深入研究。

（作者：楊世琦、顏鑫，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所；《中國科學院院刊》供稿）

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