· 文 章 摘 要 ·

农业生产是温室气体排放的主要来源，为了实现碳中和，必须大幅减少农业碳排放。基于文献分析和研究结果汇总，本研究调查并阐述了不同情景（方法和途径）下农业系统碳减排的效果和前景，农业领域的学者尚未就如何推进农业系统碳减排达成共识。本研究分析了不同的观点、标准和对策，为支持中国碳中和目标的农业行动提供参考。

· 文 章 亮 点 ·

1. 保障粮食安全，当前技术无法实现中国农食系统碳中和。2. 中国的双碳目标对农业绿色发展提出了更加严格的要求。3. 碳减排潜力的实现在于现有技术的广泛应用和技术创新。

· Graphical abstract ·

图1 中国双碳目标背景下农业绿色发展（AGD）的理论框架

· 研 究 内 容 ·

▎背景

气候变化是人类面临的全球性挑战，严重威胁全球生态系统。中国是最大的碳排放国，占全球年排放量的25%。为了改善全球环境，需要积极、持续地应对气候变化，为社会和环境创造可持续发展的未来。中国承诺在2030年前达到二氧化碳排放峰值，在2060年前实现碳中和，这被称为“双碳目标”。中国设定的碳达峰和碳中和之间的周期仅为30年，远低于发达国家（如欧洲和北美），一般从碳达峰到碳中和的时间预计为45−70年。考虑到中国碳排放量大，在如此短的时间内实现碳中和是一个巨大的挑战。

最近关于碳中和的大部分讨论都集中在能源和工业行业，特别是如何用可再生能源取代煤炭和天然气。然而，农业行业并未得到必要的重视。农业是碳排放和碳固存的主要贡献者，这对实现中国的双碳目标具有重要意义。作为碳排放的主要来源，农业−粮食系统占中国总排放量的16.7%。有研究报道中国土壤固碳潜力在22.9−27.8 Tg·yr–1（CO2当量，后同）左右。许多研究表明，优化农业技术可以大幅减少碳排放并增加碳固存。例如，土壤−植物综合管理系统可以将中国谷物生产过程中的温室气体（GHG）排放量减少11%−23%；优化灌溉（数量和时间）可以减少中国玉米生产过程中20%−25%的温室气体排放；改善有机肥管理方式，如优化牧场管理和增加农田有机肥施用，可以大幅减少间接的温室气体排放；秸秆还田有利于土壤固碳，可使土壤碳积累量增加约34 Tg·yr–1。然而，农业一直被视为净排放行业。因此，实现中国的双碳目标挑战在于赋予农业行业权力，此外还需明确应如何解决具体问题及其优先顺序。

▎问题与挑战

粮食安全一直是中国首要关注的问题，中国在严重缺水的情况下养活了世界22%的人口。在中国，确保粮食安全是农业部门追求双碳目标的前提，协调低碳农业和粮食安全面临着巨大压力。中国2020年粮食（包括农作物和畜产品）产量达到2 Gt，然而粮食安全的紧张局势尚未完全解决，粮食进口量仍高达140 Mt，超过40%的畜产品消费依赖于国际贸易。预计到2050年，中国的粮食产量将从当前水平（约2 Gt）增加到2.3 Gt，而畜牧业的温室气体排放量将从16.7 Tg·yr–1增加到19.9 Tg·yr–1。因此，从长远来看，在确保粮食安全的同时减少碳排放是中国农业部门面临的重大挑战。这种情况与发达国家不同，需要科技创新驱动。

在过去的40年里，中国农作物产量增加了90%，氮肥消费量增加了160%，农业温室气体排放量翻了一番。中国作物生产的氮素利用效率（作物氮素吸收占氮素输入的比例）仅为0.25，而全球为0.42，北美为0.65。过量的氮素输入导致了中国大范围的水污染和空气污染。例如，中国约三分之一的河流监测站和近三分之二的地下水井存在严重的硝酸盐污染（>30 mg·L−1）。为满足2050年粮食生产的预计需求，氮素输入将有可能会从目前的45−50 Tg水平继续增加，这将导致更严重的氮损失，例如NO3−淋溶将达到4.6 Tg，这意味着中国农业行业将很难实现碳中和。因此，要优先考虑农业绿色发展（AGD；定义为绿色低碳可持续发展）途径（图1，Graphical abstract）。

为了在双碳目标的背景下实现AGD，必须要自上而下地重新设计粮食系统，尤其要考虑粮食安全和环境安全（图2）。与此同时，对于自上而下食物链中的关键单元，必须采取措施来量化和优化生产，以实现双碳目标和中国未来长期可持续的发展。

图2 中国双碳目标背景下农业绿色发展（AGD）的实施路径

农业是一个具有许多组成部分的行业（如灌溉、施肥和运输），与其他行业有复杂的相互作用。例如，工业行业生产化肥，收获的作物需要运输行业。以往的研究一般强调单一组分或过程，忽略了整体的相互作用。因此，确定农业碳减排的关键组成部分或过程是非常困难的，并且农业系统碳减排和土壤固碳的潜力尚不清楚。因此，更好地了解使用这些方法的潜力并在实践中加以实施至关重要。

▎技术实现途径

改善作物生产的关键要素，包括土壤、肥料、水和种子管理，对于不断提高生产力至关重要。首先，优化土壤−作物系统综合管理技术，实现基于优化水、肥、药使用的绿色、高效、低排放技术途径（图3）。其次，区域种植系统应转变为促进作物多样化、提高产量和效率、实现更高固碳和降低排放的种植系统，以协同实现作物高产、资源利用效率和环境可持续性。第三，改善水稻灌溉管理，以减少甲烷和温室气体排放；优化管理措施，包括用非连续灌溉替代连续漫灌、增加有机肥施用量、选用节水抗旱的水稻品种等。第四，应发展基于根际微生物群落的生物调控技术，提高资源利用效率。第五，开发新型肥料和更加先进的管理方式（如深施肥、滴灌和保护性耕作），以减少碳排放和提高固碳能力。

图3 整个农业产业链的技术创新、碳减排和提高粮食安全协同

此外，还需要注意农业有机废弃物的利用（如秸秆）。这就需要提高农业有机废弃物整个处理和利用过程中的减排性能，以及有机废弃物中各种生物转化产品的质量。例如，整合生物质热解和发电系统，再加上普遍应用的甲烷和氮减排措施，可以帮助减少整个作物生命周期的温室气体排放。这可以通过推广循环农业创新技术，建立沼气和秸秆气化发电的农村循环农业体系来实现。根据生态农业的原则，家庭农业做法（由当地条件决定）可用于开发和回收作物和畜牧业生产中的原材料和废物。▎实现农业碳中和的政策和选择

在政策层面，首先，最重要的是在中国双碳目标的背景下制定可行的AGD路线图，以确保粮食安全，同时减少碳排放和增加碳固存。第二，实施问责制，鼓励大规模经营者采用更可持续的农业实践，为农业碳减排做出重要贡献，以实现双碳目标。第三，金融创新是必要的，创建绿色金融服务以促进绿色政策激励和金融信贷（例如碳账户和碳信贷），从而为促进AGD提供更大的金融杠杆。第四，加快发展AGD的支撑和保障体系，提高农业碳排放的监测和减缓能力；建立区域碳排放−固存数据库，以提供支持AGD的数据。最后，政策制定者和科学界应推动中国的可持续发展倡议，并为绿色农业生产提供指导，以提高公众对采用低碳系统和实现碳中和的社会效益的认识。

来源: Engineering前沿