粮农

中国农业还能中和多少碳?

中国农业的低碳化已经获得一些成就但仍有巨大提升空间,“2060碳中和”目标为它树立了新的标杆,两位专家为它的潜力算了一笔账。
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秸秆和残茬等农业废弃物如今越来越多地得到资源化利用,发挥着抵消温室气体的作用。图片来源:Alamy
秸秆和残茬等农业废弃物如今越来越多地得到资源化利用,发挥着抵消温室气体的作用。图片来源:Alamy

为应对全球气候变化,习近平主席2020年9月在联合国大会宣布,中国将提高国家自主贡献力度,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。一个月后发布的中国共产党“十九届五中全会”公报也提出,作为“基本实现社会主义现代化远景目标”的一部分,到2035年实现“碳排放达峰后稳中有降”。这些目标的提出,体现了中国政府在经济发展中加强气候行动的巨大雄心,对中国农业的低碳发展也提出了新的要求,为绿色农业的“中国故事”树立了更高的标杆。

中国农业排放的构成

农业是温室气体的主要排放产业之一。种植和养殖的排放在全球温室气体(以二氧化碳当量计)总排放中占10-12%。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,在国家温室气体排放清单中也占据了相当大的比重。

和全球情况相似,农业源温室气体同样约占中国总排放的十分之一。农业对二氧化碳的吸收与排放达成一种自然平衡,因此其二氧化碳排放不作为温室气体统计,其温室气体排放主要体现为甲烷和氧化亚氮,这两者的100年尺度全球增温潜势(GWP)分别达到二氧化碳的34和298倍之多。以2010年为例,中国农业部门(种植业加养殖业)总温室气体排放为6.6亿吨二氧化碳当量,其中45%来自水稻种植、牲畜肠道发酵、养殖业粪污管理和作物秸秆降解及田间焚烧形成的甲烷排放,而55%来自化肥施用、草原动物粪便、作物秸秆降解及田间焚烧形成的氧化亚氮排放。

水稻种植和氮肥施用分别是农业源甲烷和氧化亚氮排放的主要来源,分别占这两种气体全国总排放的约40%和47%。

减肥即是减排

中国农业实现低碳减排的焦点在于两个方面,即减少源自化肥和农业废弃物的温室气体排放,以及加强土壤的固碳能力。

化肥是农业部门引起温室气体排放的最主要途径。化肥的生产过程会释放大量温室气体,按每公斤纯养分计,中国生产氮肥、磷肥和钾肥产生的平均温室气体排放普遍为欧美平均水平的2倍左右。此外,施用到农田的氮肥约有1%会以氧化亚氮排放的形式损失。因此,减少化肥施用一直是中国农业减排和环境保护的努力方向。

2005年以来,国家财政部、农业部在全国实施“测土配方施肥”沃土工程计划,中央财政累计投入近80亿元,为2亿农户和近15亿亩农田提供测土配方施肥服务,使化肥利用率提高了5%,累计减少施用量1000多万吨,累计减排达2500多万吨二氧化碳当量,同时还实现了6%-10%的粮食增产;2017年以来,中国政府为落实“绿水青山就是金山银山”的生态文明理念,进一步开展“绿色农业发展五大行动”,其中提出以果菜茶有机肥替代化肥,收到了农业减肥、农民增收、土壤增碳的多重效果。

据国家统计局统计,2016年中国农用化肥用量下降到6000万吨以下,氮肥下降到4100万吨,这是自上世纪70年代以来首次出现负增长。次年,中国主要粮食作物氮肥当季平均利用率比2013年提高了7.8个百分点。这“一减一提”,不仅是农业减肥的成就,也意味着减排的重大机遇。研究表明,施肥模式的优化,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%。相比2015年6000万吨的化肥用量,中国政府正在实行的减肥10%的绿色农业行动将避免排放1800多万吨二氧化碳当量。

废弃物利用喜忧参半

化肥减量的减排意义巨大,而农业废弃物管理则是农业温室气体减排最具产业潜力和农业改土节肥增效意义的途径。最重要的当属农作物秸秆和禽畜粪污的资源化利用。

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。根据国家温室气体清单,2012年之前秸秆焚烧导致每年900万吨的温室气体排放。2012年,中国政府实施“绿色能源示范县建设”计划,财政补贴支持秸秆等农业生物质能源。根据国家发改委发布的《可再生能源中长期发展规划》, 2015年中国以农作物秸秆为主的生物质固化成型燃料产量达到1000万吨左右,预计2020年将达到4000万吨左右。常说“两吨秸秆一吨煤”,此项可潜在抵消化石能源温室气体排放达1.5亿吨二氧化碳当量以上。

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。

农作物秸秆制成的工业化生物炭。图片来源:程琨、潘根兴

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,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。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;2018年,全国农业技术推广服务中心开始在全国示范推广秸秆炭基肥;2020年,秸秆生物质炭增效技术被农业部公布为农业十大引领性技术。

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排放,如将热裂解过程产生的生物质气能源的减排效应也一并计入,那么秸秆热裂解炭化所带来的潜在碳汇量可高达5亿吨二氧化碳当量,可中和中国60%的农业温室气体排放

值得一提的是,秸秆直接还田是水稻田甲烷排放的主要贡献者,而秸秆炭化后再还田不但避免了其厌气分解过程中的甲烷排放,而且施用生物质炭还能通过促进甲烷氧化来帮助淹水稻田实现甲烷减排。而通过节水栽培减少稻田排放,则往往可能加剧土壤酸化,并增加土壤重金属特别是镉的有效性,影响稻米的安全。因此,秸秆生物质炭是能够同时实现减排、增碳、节肥、增产的多赢措施,得到联合国环境署的全球示范。中国的废弃生物质炭化技术和装备已日趋成熟,将强力支撑农业为中国碳达峰和碳中和作出贡献,有望成为本世纪低碳农业的“中国故事”。

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18%。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。

养地固碳大有可为

2014年IPCC第五次气候变化评估报告将土壤碳库纳入农业应对气候变化的贡献之列。作为《巴黎协定》路线图的实施行动之一,联合国气候变化公约组织(UNFCCC)启动了“千分之四土壤增碳”计划,试图以土壤增碳抵消碳排放。“千分之四”的构想来自于这一事实——全球2 米深土壤储存的有机碳达2.4万亿吨,而2014年全球化石能源的温室气体排放为89亿吨碳当量(合326亿吨二氧化碳),正相当于前者的约千分之四。

但不巧的是,中国是土壤贫碳的国家,背景土壤有机质含量平均比欧美低1/3以上。广大地区要么土壤浅薄、要么土地肥力低下,加上高强度耕种和化肥过度施用以及土壤侵蚀,使中国的农业是贫瘠土地上的农业。中国1米深土壤碳库仅为900亿吨碳当量(由于广大地区土壤浅薄,中国缺少两米深土壤碳库数据),而全国化石能源排放在2014年高达26亿吨碳当量(合95亿吨二氧化碳),土壤碳库需增碳2.9%才能与当年化石能源产生的二氧化碳排放相平衡

好在本世纪以来,中国政府通过“沃土工程”推进农田有机质提升,中国农田土壤碳库的年增加量为2500多万吨,合近1亿吨二氧化碳当量,相当于2014年中国农业部门温室气体排放的12%。如果采用有机无机复合施肥、秸秆还田、少免耕等措施配合,中国农田的年固碳能力还能再翻一番,达到近2亿吨二氧化碳当量。

可以期望,农业部正在开展的“耕地质量保护与提升行动”将促进这一潜力的实现。去年7月,习近平总书记还发出了保护利用好黑土地这一“耕地中的大熊猫”的号召。通过现代生态农业技术提升土壤有机质,不仅是弘扬 “用地养地结合”的中国传统农耕文明,亦是构建健康农业,推进以农业为基础的乡村产业发展的有力举措,更是对世界气候行动的贡献。

中国农业减排潜力(单位:万吨二氧化碳当量)

减排潜力分解万吨二氧化碳当量
秸秆热裂解炭化带来的减排50000
良好有机质管理带来的土壤固碳14667
化学氮肥10%减施带来的减排1835
数据来源:据作者们计算

低碳农业之“中国故事”

对以上各项加以盘点,可知土壤增碳、化肥减施、秸秆碳化及其他利用技术总计能为中国农业减排达5.4亿吨二氧化碳当量。考虑到农业生物质能源生产的替代减排,每年减排量最高可达7亿吨二氧化碳当量。这虽然只能中和2014年全国能源温室气体排放的7%,但已经相当于中和了2010年代中国农业部门温室气体全部排放量。若未来加强粪污资源化利用,农业可望具有更大的碳中和能力。

作为负责任的发展中大国,中国是全球农业减排的积极推动者和富有成效的实践者。2007年,农业部发布以畜禽粪便综合利用和秸秆能源利用技术为主的“农业和农村节能减排十大技术”;2009年,中国开始实施一系列国家科技支撑计划和行业专项计划,以国家尺度研究、开发和推广农业应对气候变化的技术和模式;2017年,农业低碳减排技术还被纳入了国家发改委公布的《国家重点推广的低碳技术目录》。此外,不同时期的国家农业发展计划,都直接或间接地服务于碳排放达峰和碳中和的早日实现。随着生态文明理念和“两山理论”在农业部门的深入贯彻,农业对国家碳达峰和碳中和的贡献将持续加大。

我们有信心,呼应国家2030年二氧化碳排放达峰和2060年碳中和的伟大使命,绿色农业之“中国故事”将迎来辉煌的篇章!