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

原文发表于《中国科学院学报》《战略与管理研究》第3期，原标题《生物地球化学循环视角下我国农业碳达峰与碳中和的应对策略》。 “这篇文章是一个简化和改编版本

杨士奇*严鑫

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大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间物质（元素）流动的基本理论。 对实现国家碳达峰和碳中和目标具有重要的指导作用。 农业作为基础产业，具有较大时空尺度的大气温室效应。 农业碳达峰和碳中和值得重视和重视，以服务国家总体碳达峰和碳中和发展战略。 文章基于生物地球化学循环的视角以及对农业碳达峰和碳中和的解读，从农业碳达峰面临的挑战、农业碳中和面临的挑战以及农业碳中和面临的挑战入手，分析了农业碳达峰和碳中和的路径。农业碳中和的潜力。 分析、深入思考人们对农业碳中和和生物圈减排重要性的认识误区，并从农业碳达峰、农业碳中和和科技创新三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显示，大气中二氧化碳（CO2）的体积分数从1860年的285 ppm增加到2020年的414 ppm，全球平均海陆表面温度上升1.09℃ ; 预计到21世纪末，全球平均地表温度将上升1.0。 ℃—3.7℃。 2015年《巴黎协定》规定“将全球平均气温较工业化前水平上升幅度限制在2°C以内，并力争将上升幅度限制在1.5°C以内”。 然而，预计2030年至2052年全球平均地表温度将上升1.5℃。欧盟在1980年左右达到碳峰值，美国在2005年左右达到碳峰值。2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会上宣布联合国大会提出，中国二氧化碳排放力争2030年前达峰，力争2060年前实现碳中和。截至2021年，全球已有54个国家达到碳峰值。 碳峰值是指化石燃料使用引起的二氧化碳排放峰值； 碳中和是指化石燃料使用和土地利用变化造成的碳排放，以及通过陆地和海洋生态系统等技术手段封存的碳量。 他们之间达到一个平衡。

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构成生命的化学元素从环境进入生物体，又从生物体返回环境的循环过程。 碳循环是利用光合植物从大气中的CO2合成碳水化合物，将太阳能转化为化学能，沿着食物链进行转化、转移和分解，最后将CO2返回到大气中。 基于生物地球化学循环视角的碳循环模型如图1所示。早期的年CO2通量约为3亿吨，占大气CO2总量的0.01%。 陆地、海洋和大气之间的碳地质循环处于相对平衡状态。 三大水库的碳净积累为零或接近于零。 生物圈作为碳“转换器”基本稳定，即净平衡为零。 工业革命后，大气中二氧化碳浓度显着增加，也刺激了陆地和海洋天然碳汇的增加。 未来将达到顶峰，重新建立陆地、海洋、大气碳循环新的平衡体系，生物圈碳汇再次归零。

2 农业碳达峰和碳中和的定义及路径

农业碳达峰和碳中和的定义

农业碳峰值是指农业生产（广义农业或规模化农业，包括农业、林业、副牧业和渔业）中使用化石燃料造成的CO2排放峰值； 农业碳中和是指农业化石燃料和农业用地造成的碳排放，与土地和海洋的利用相一致。 利用固碳技术实现生态系统吸收与固碳之间的平衡，即农业CO2净排放为零。

农业碳减排与固碳途径

农业碳减排途径

化石能源碳减排是通过减少农业生产中的化石能源消耗，提高能源利用效率。 全球每年人类活动产生的CO2排放量约为390亿吨，我国约为100亿吨。 2020年，全球化石能源消耗CO2排放量占总量的75%，大气CO2增加18亿吨。

减少农业碳排放的方法包括：

1.构建低碳农业模式。

2、推广使用电能驱动农业机械。

3.农业生产手段升级创新。

4、建立以减少农产品损失和能源消耗为特点的低碳运输链和低碳农产品贸易体系。

减少温室气体排放的方法包括：

1.适度扩大免耕休耕比例。

2.发展有机农业和生态农业，减少化肥和化学品投入。 欧盟提出到2030年有机农业面积至少达到农业用地总面积的25%，并提出“4/1000土壤碳化计划”，促进土壤固碳。

3、秸秆等有机废弃物还田，控制化肥、农药施用量，提高有机肥替代率。

4、发展精准农业，换取最大产量效益和最小碳排放。

农业固碳途径

农业固碳涉及自然和人工两个方面。 碳固定的自然途径包括：

1.保护和扩大绿色植被面积。 全球森林碳储量为8610亿吨，草原碳储量约为5200亿吨。

2.保护海洋及陆海过渡带，维护海洋生态健康安全。 海洋储存了世界上约93%的二氧化碳，每年可吸收排放到大气中的二氧化碳的30%以上。 沿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。 农业中只有10%的碳长期储存在各种农产品和土壤中，而植物固定的碳约97%又被植物和土壤再次排放出来。

人工固碳途径包括：大气CO2在岩石圈深层封存、化学物理转化利用途径、农田土壤改良途径、以木质生物炭为主要原料的家具和建筑开发等。

三、农业碳达峰与碳中和的思考

农业碳达峰面临的挑战

我国仍是发展中国家，新能源替代时机还远未成熟，要面临诸多挑战。

1、国家能源碳达峰约束下农业现代化和工业化未来可持续发展战略及路径选择。

2、农业现代化和工业化发展过程中，“高碳”底线（需求）和“低碳”天花板（峰值）提出挑战。

3.亟待突破高氮作物品种等低碳农业核心技术，加快区域低碳农业技术体系试点示范推广。

4、国家层面能源路径碳达峰和温室气体碳达峰应同步解决和推进。

农业碳中和面临的挑战

农业碳中和面临的挑战包括：

1.农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可持续性的挑战。 大气中CO2浓度的增加相当于“碳肥”施用量的增加。

3. 碳中和的挑战以及土地退化和海洋污染的负面影响。

4. 人工碳中和途径的挑战。

农业碳中和潜力分析

农业碳（农作物碳和动物碳）的主要功能是提供生命物质和能源。 大部分在短时间内返回大气，对大气CO2浓度的增减基本没有影响。 农田土壤要达到较大碳汇的目标需要较长的时间，土壤耕作导致土壤碳库活性较强。 秸秆、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在20亿至30亿吨之间。 生态修复、治理和重大生态工程有利于碳汇。 。 农作物秸秆转化为生物炭的平均寿命可达200​​0年。 秸秆经过物理、化学处理制成家具，延长保存期。 据测算，我国城市体系的建筑和家具碳储量为2.1亿吨。 发展现代森林加工技术生产耐用的家具、建筑材料或其他材料是一种高效、便捷、经济的固碳方式。 秸秆可转化为热能、电能和机械能，替代化石能源。

对农业碳中和的误解

碳中和的判断基于减少碳排放（传统能源节能增效、新能源替代）和增加碳吸收（生物圈碳汇、工业碳汇）。 前者是减少化石能源的开发利用，发展替代能源； 后者是去除大气中的二氧化碳。 生物圈碳汇（自然气候解决方案）是应对温室效应最成熟的方法。 对农业碳中和的认识误区主要体现在：

1.有机废弃物还田增加土壤二氧化碳排放，违反质量守恒定律。 土壤碳源来自生物有机残留物和废物。 降解过程从地表转移到土壤中，仅改变降解空间。

2. 秸秆燃烧增加二氧化碳排放。 无论秸秆是否燃烧，最终都会被降解为二氧化碳。 碳地质循环的规模没有本质区别。

3、吃肉（包括牛奶、鸡蛋）增加温室气体排放没有科学依据。 肉、奶、蛋都是由植物碳通过食物链转化而成，但植物碳降解的时间和空间不同。 与大气二氧化碳浓度的空间和时间变化相比，这种空间和时间尺度的差异可以忽略不计。 最终的二氧化碳排放量不会增加或减少。

4. 提高农作物产量可以实现碳中和。 作物生物量的生长对碳储存没有实质性贡献，而是通过食物网返回到大气中。

减少生物圈排放的重要性

生物圈位于岩石圈、水圈和大气层之间的界面。 它是岩石、水和大气相互作用的一种特殊表现。 它可以被视为有生命的岩石、有生命的水或有生命的大气。 生物圈与大气之间的纽带是CO2，它通过生物生命活动（光合作用和呼吸作用）完成碳循环最重要的双向路径； 光合作用类似于水泵，将大气中的二氧化碳转移到生物圈中； 呼吸作用相当于一个排水通道，并将生物碳以CO2的形式返回到大气中。 因此，生物圈作为碳循环的枢纽，是实现碳中和、开启大气负碳循环的关键。

4 我国农业碳达峰与碳中和应对策略

应对农业碳达峰的策略

我国农业现代化和产业化发展的初级阶段，决定了农业生产体系的基础设施、生产资料、生产设备、能源和技术等方面的投资必须持续增加，才能满足社会发展的需要。

1、在耕地利用方面，充分发挥高标准农田在肥料、农药、节水、节能等方面的优势。

2、农业机械装备方面，发展农业生产机械的智能化、物联网、联网、信息化、精准化、“3S”、高效、电控、节能、绿色等。

3.在农业农村能源建设方面，要充分利用农村空间优势，发展太阳能、水能、风能、沼气、秸秆等多种能源互补和发电技术。适合地区特点的地热能。

农业碳中和应对策略

我国人地矛盾突出、资源匮乏、地区差异大、农业产业化水平低、农业经营模式多样，决定了农业碳中和任重而道远。

1.保护林地、草原、湿地等生态系统，倡导植树造林、草原恢复。 半个世纪以来，我国新增树木10亿棵，全国森林覆盖率达到23.04%。

2.防止陆地和海洋污染。 我国正处于工业高速增长时期，生态环境污染易发。 与工业革命前相比，海洋吸收人为二氧化碳排放的效率下降了 31%。

3.开展区域水资源配置。 我国缺水问题突出，严重制约碳中和发展，特别是西北地区。

4.加大农田土壤有机质改良力度。 我国农田表土有机碳密度为欧盟平均水平的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二氧化碳，释放渔业碳汇潜力。 我国海洋渔业和养殖业封存的蓝碳量相当于碳减排量的10%左右。 目前海水养殖面积仅有204万公顷。

6.升级改造农业生态系统碳中和功能。 从农田中划定或划拨一定面积的林地、湿地、草地和池塘，构建复合型农业生态系统模型。

七、加大减少农产品损失力度。 我国粮食全产业链总损失率约为12.3%，蔬菜、水果采摘后平均损失率高达25%-30%。 城市餐馆每年产生食物浪费170万吨-180万吨（不含家庭膳食食物浪费）。

8、科学利用和产生生活垃圾。

农业碳达峰与碳中和科技创新应对策略

农业碳达峰和碳中和的科技创新应对策略主要包括以下几个方面：

1.建立国家农业碳达峰和碳中和科技创新驱动体制机制，采用从管理、科研、产业到应用的全链条推进模式，打造“双碳”科技创新适合国情的制度。

2、攻克长期制约我国农业生产的化肥、药品、水、能源、机械等核心技术，提高生产利用效率。

3、开发以生物碳为基础的新材料，全面提高碳汇和碳源的管控水平。

4、探索生物碳深度储存技术，建立百年以上规模的碳中和技术体系。

5、加强农业碳达峰和碳中和普及，树立“双碳”农业发展理念和强化“双碳”农业发展意识，推动低碳农业转型发展。

六、树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，推动农业碳达峰和碳中和法律法规体系建设。

5 结论

农业碳达峰和碳中和是“双碳”发展的重要内容之一，对实现我国“双碳”目标具有坚实的支撑作用。 农业碳达峰和碳中和面临巨大挑战，需要国家管理政策引导、科技支撑和更多公众参与。 农业碳达峰需要加快生产手段和生产设备升级以及能源结构调整。 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、废弃物减量和垃圾处理等方面进一步加强。 农业碳达峰和碳中和科技创新需要对体制机制、生物碳基材料开发与深度储存、法律法规、大气生态文明等方面进行深入研究。

杨士奇，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员，兼任中国农业学会耕作制度分会、中国生态学会农业生态专业委员会主任。 主要研究领域：农业生态、农业环境、农业清洁生产。

文章来源：杨世奇，严鑫。 生物地球化学循环视角下的我国农业碳达峰与碳中和应对策略。 中国科学院学报, 2023, 38(3): 435-443.

DOI：10.16418/j.issn.1000-3045。