农业碳达峰、碳中和面临较大挑战，我国该如何应对？

原文刊载于《中国科学院院刊》第3期“战略与管理研究”，原文标题《基于生物地球化学循环视角下我国农业碳达峰、碳中和应对策略》。本文为精简改编版

杨世琦* 颜 鑫

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

生物地球化学循环是物质（元素）在大气圈、水圈、生物圈与岩石圈之间流动的根本理论，对实现国家碳达峰、碳中和目标有重要指导作用。农业作为基础产业对大气温室效应的时空尺度较大，农业碳达峰、碳中和值得关注和重视，以服务于国家碳达峰、碳中和发展总体战略。文章基于生物地球化学循环视角和农业碳达峰、碳中和释义，分析了农业碳达峰、碳中和路径，从农业碳达峰面临挑战、农业碳中和面临挑战、农业碳中和潜力分析、农业碳中和误区及生物圈减排的重要性等 5 个方面进行了深入思考，并从农业碳达峰、农业碳中和与科技创新3个方面提出我国农业碳达峰、碳中和的应对策略。

联合国政府间气候变化专门委员会评估结果表明，大气二氧化碳（CO2）体积分数由 1860 年285 ppm 增加至 2020 年 414 ppm，全球海陆表面平均温度升高了1.09℃；预测 21 世纪末全球表面平均温度上升 1.0°C—3.7°C。2015 年《巴黎协定》指出“把全球平均气温较工业化前水平升高控制在 2℃ 之内，并为把升温控制在 1.5℃ 之内而努力”。然而，预测 2030—2052 年间全球平均地表升温幅度就达到 1.5℃。欧盟在 1980 年前后、美国在 2005 年前后分别实现碳达峰。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。截至 2021 年全球已有 54 个国家实现碳达峰。碳达峰是指化石燃料使用产生的 CO2 排放量达到峰值；碳中和是指化石燃料使用及土地利用变化产生的碳排放量，通过陆海生态系统吸收及其他技术方式固存的碳量之间达到平衡。

1 生物地球化学循环视角下的碳循环

生物地球化学循环是组成生命的化学元素从环境进入生物体，再从生物体返回环境的循环过程。碳循环是通过光合作用植物将大气 CO2 合成碳水化合物，把太阳能转化为化学能，沿食物链表现为转化、传递与分解，并最终以 CO2 返还大气。基于生物地球化学循环视角的碳循环模型如图 1 所示。早期的 CO2 年通量大约为 3 亿吨是大气 CO2 总量的 0.01%。碳地质大循环在陆地、海洋与大气之间处于相对平衡状态，碳在三大库的净积累为零或近似零，作为碳“转换器”的生物圈基本稳定，即净收支为零。工业革命后大气 CO2 浓度显著升高，也相应激发了陆地与海洋自然碳汇增加；未来将达到峰值，重新建立陆地、海洋与大气的碳循环新平衡体系，生物圈碳汇再次归零。

2 农业碳达峰、碳中和的释义与路径

农业碳达峰、碳中和的释义

农业碳达峰是农业生产使用化石燃料导致 CO2 排放量达到峰值（广义农业或大农业，包括农林副牧渔）；农业碳中和是农业化石燃料及农业用地导致的碳排放量，与陆海生态系统吸收及采用固碳技术封存碳量之间达到平衡，即农业 CO2 净排放为零。

农业碳减排与碳固定途径

农业碳减排途径

化石能源途径碳减排是通过降低农业生产过程中化石能源消耗和提高能源利用效率。全世界人类活动产生 CO2 年排放量约 390 亿吨，我国约 100 亿吨。2020 年全球化石能源消耗 CO2 排放占总量的 75%，大气 CO2 新增 18 亿吨。

农业碳减排途径包括：

1. 构建低碳农业模式。

2. 促进电能驱动农机。

3. 农业生产资料升级创新。

4. 建立具有农产品减损与能源减耗特征的低碳运输链与低碳农业贸易体系。

温室气体减排途径包括：

1. 适度扩大少免耕与休耕比例。

2. 发展有机农业和生态农业，降低肥药投入。欧盟提出 2030 年有机农业面积至少达到农业土地总面积的 25%和提出“千分之四土壤增碳计划”促进土壤固碳。

3. 秸秆等有机废弃物还田、控制肥药施用量，以及增加有机肥料替代比例。

4. 发展精准农业，换取最大产量收益和最少的碳排放。

农业碳固定途径

农业碳固定涉及自然与人工两方面。自然途径碳固定包括：

1. 保护和扩大绿色植被面积。全球森林碳储量 8 610 亿吨，草地碳储量约为 5200 亿吨。

2. 保护海洋和海陆过渡带，维护海洋生态健康安全。海洋储存了全球约93%的CO2，年可吸收 30% 以上排放到大气中的CO2，滨海湿地占海洋沉积物碳储量的50% 。

3. 开发农业生态系统碳汇潜力。农业仅有 10% 的碳长久保存在各种农产品和土壤中，植物固定碳约97%由植物和土壤再次排放。

人工途径碳固定包括：大气CO2深储岩石圈、化学物理转化利用途径、农田土壤改良剂途径、开发以木材生物碳为主原料的家具与建筑物等。

3 农业碳达峰、碳中和思考

农业碳达峰面临的挑战

我国仍然是发展中国家，新型能源替代时机还远未成熟，不得不面临诸多挑战。

1. 国家能源碳达峰约束下的未来农业现代化与产业化可持续发展战略与道路选择。

2. 农业现代化与产业化发展进程中的“高碳”地板（需求）与“低碳”天花板（达峰）形成上下夹击挑战。

3. 突破低碳农作核心技术如高氮作物品种，加快推进区域性低碳农作技术体系的试验示范推广迫在眉睫。

4. 国家尺度能源途径碳达峰与温室气体碳达峰和两手抓与同步推动。

农业碳中和面临的挑战

农业碳中和挑战包括：

1. 作物秸秆利用与农田土壤固碳挑战。

2. 维持森林等生态系统碳汇持续性的挑战。大气 CO2 浓度升高相当于施用“碳肥”量增加。

3. 土地退化与海洋污染碳中和负效应挑战。

4. 人工途径碳中和挑战。

农业碳中和潜力分析

农业碳（作物碳与动物碳）主要功能是提供生活物质与能量，绝大部分在较短时期内又返回大气圈，对大气圈 CO2 浓度增减基本没有影响。农田土壤实现较大碳汇目标的过程较长，加上土壤耕作导致土壤碳库具有较强的活跃性。秸秆与畜禽粪便等有机废弃物还田是农业碳中和的主要途径，我国农田表层土壤最大固碳潜力处于 20 亿—30 亿吨之间，生态恢复、管理与重大生态工程有利于碳汇。农作物秸秆转化为生物炭平均寿命可达 2000 年。秸秆经过物理化学处理制作成家具，延长储存期，据估算我国城市系统建筑物和家具的碳储量 2.1 亿吨。开发现代林木加工技术，制作经久耐用的家具、建材或其它用材是高效、便捷、经济的固碳途径。秸秆可转化热能、电能与机械能等替代化石能源。

农业碳中和误区

碳中和判断依据是减少碳排放（传统能源的节能增效与新能源替代）和增加碳吸收（生物圈碳汇与工业固碳），前者是减少化石能源开采利用，发展替代能源；后者是移除大气 CO2。生物圈碳汇（自然气候解决方案）是应对温室效应最成熟途径。农业碳中和误区主要表现在：

1. 有机废弃物还田增加土壤 CO2 排放违反质量守恒定律。土壤碳源来自生物有机残体与废弃物，降解过程由地表转入土壤，只是改变了降解空间而已。

2. 秸秆燃烧增加 CO2 排放。无论秸秆是否燃烧最终都将降解为 CO2，在碳地质循环尺度下，没有本质差别。

3. 食肉（包括奶蛋）增加温室气体排放缺乏科学依据。肉奶蛋是由植物碳通过食物链转换而来的，只是植物碳降解的时空不同而已，这个时空尺度差异相对于大气 CO2 浓度时空变化可以忽略，最终排放的 CO2 不增加也不减少。

4. 提高农作物产量就是碳中和。农作物生物量增长并不会对碳储存有实质贡献，将通过食物网返还大气。

生物圈减排的重要性

生物圈介于岩石圈、水圈与大气圈的交界面，是岩石、水和大气交互的特殊表现形式，可被认为是有生命的岩石、有生命的水或有生命的大气。生物圈与大气圈联系纽带是 CO2，通过生物生命活动（光合与呼吸）完成最重要的碳循环双向路径；光合作用类似于抽水泵，把大气圈 CO2 转入生物圈；呼吸作用相当于排水渠，又把生物碳以 CO2 形式返还大气圈。因此，生物圈作为碳循环的枢纽，是实现碳中和与开启大气负碳循环的密钥。

4 我国农业碳达峰、碳中和应对策略

农业碳达峰应对策略

我国农业现代化与产业化发展初级阶段决定了农业生产系统的基础设施、生产资料、生产设备、能源及科技等还要持续加大投入，才能满足社会发展需要。

1. 在农田利用方面，在发挥高标准农田的节肥节药节水节能优势。

2. 在农业机械装备方面，发展农业生产环节机械的智能、物联、网联、信息、精准、“3S”、高效、电控、节能、绿色等。

3. 在农业农村能源建设方面，要充分利用农村区域空间优势，发展适合区域特点的太阳能、水能、风能、沼气、秸秆与地热等多能互补及发电技术。

农业碳中和应对策略

我国人地矛盾突出、资源匮乏、区域差异大、农业产业水平低、农业经营模式多样等决定了农业碳中和任重道远。

1. 保护林地、草地、湿地等生态系统，倡导植树造林和草地恢复。近半个世纪，我国增加 10 亿计的树木，全国森林覆盖率达到 23.04%。

2. 预防陆地与海洋污染。我国正处于全产业上升期，易发生态环境污染。海洋吸收人为排放 CO2 效能与工业革命前相比已损失 31%。

3. 开展区域水资源调配。我国水资源短缺问题突出，严重制约碳中和发展，尤其西北地区。

4. 加大农田土壤有机质提升力度。我国农田表土有机碳密度是欧盟平均值的 70%—75%。

5. 发展海洋农业。科学规划海水养殖和海洋牧场，促进海洋生态系统吸收 CO2 和发挥渔业碳汇潜能。我国海洋渔业和水产养殖业的蓝色固碳量约相当于 10% 的碳减排量，目前海水养殖面积仅为 204 万公顷。

6. 升级改造农业生态系统碳中和功能。从农田划出或配置一定面积的林地、湿地、草地与水塘，构建复合农业生态系统模式。

7. 加大农产品减损力度。我国粮食全产业链总损耗率约 12.3%，蔬菜和水果采摘后平均损耗率高达 25%—30%，城市餐饮每年食物浪费 170万—180 万吨（不包括居民家庭饮食中的食物浪费）。

8. 科学利用生产生活垃圾。

农业碳达峰、碳中和科技创新应对策略

农业碳达峰、碳中和的科技创新应对策略主要有以下几个方面：

1. 建立国家农业碳达峰、碳中和科技创新驱动体制机制，以管理、科研、产业到应用的全链条推动模式，打造适合国情的“双碳”科技创新体系。

2. 攻克长期限制我国农业生产的肥、药、水、能、机等核心技术，提升生产与利用效率。

3. 研发以生物碳为基础的新型材料，全面提升碳汇-碳源管控水平。

4. 探索生物碳深储技术，在百年尺度以上建立碳中和技术体系。

5. 加强农业碳达峰、碳中和科普，树立“双碳”农业发展理念和强化“双碳”农业发展意识，助推低碳农业转型发展。

6. 建立大气生态文明理念，推动传统生态文明向大气生态文明转型升级，促进农业碳达峰、碳中和法律法规体系建设。

5 结 语

农业碳达峰、碳中和是“双碳”发展的重要内容之一，对我国实现“双碳”目标具有坚实的支撑作用。农业碳达峰、碳中和面临较大挑战，需要国家管理政策引导，需要科学技术支持，需要更多的民众参与。农业碳达峰需要在生产资料与生产装备方面升级换代，以及能源结构调整等方面加快步伐。农业碳中和需要在生物圈保护、污染防治、区域水资源配置、生态系统功能优化、减少浪费与垃圾处理等方面进一步强化。农业碳达峰、碳中和科技创新需要在体制机制、生物碳基材料开发与深储、法律法规，以及大气生态文明等方面深入研究。

杨世琦 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员，中国农学会耕作制度分会和中国生态学会农业生态专业委员会理事。主要研究领域：农业生态、农业环境和农业清洁生产。

文章源自：杨世琦, 颜鑫. 基于生物地球化学循环视角下我国农业碳达峰、碳中和应对策略. 中国科学院院刊, 2023, 38(3): 435-443.

DOI: 10.16418/j.issn.1000-3045.20220509005