综述与评论 | 中国粮食生产的温室气体减排策略以及碳中和实现路径

卷期：《土壤学报》2023年第60卷第5期

作为世界上最大的农业生产国和温室气体排放国，我国承诺力争到2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和（“双碳”战略目标）。国家“双碳”战略目标给粮食生产和农田土壤温室气体减排带来很大挑战，主要因为粮食生产碳排放环节众多、源汇效应不明确、空间分布不均匀、影响因素复杂；减排效果存在“此消彼长”的效应，全面减排难度大。为克服这些难点，近二十年来，我国学者在粮食生产温室气体减排领域进行了大量研究，总结出一系列行之有效的减排措施，但采取哪些减排措施的集合能够帮助我国粮食生产实现碳中和，目前仍然不清楚。系统分析我国粮食生产碳排放的源汇效应、时空特征和减排策略，探究粮食生产的碳中和实现路径，对于发展绿色低碳农业、实现国家“双碳”战略目标，以及缓解全球气候变化至关重要。

粮食生产具有碳源和碳汇效应的双重属性。明确粮食生产过程碳排放的源汇效应对于识别热点排放环节，制定减排优先级具有指导意义。

图1 我国主粮作物生命周期生产过程碳排放的源汇效应和时空特征

作为我国主粮作物生产的最大碳排放源，稻田CH₄的有效减排是实现粮食生产碳中和的关键。据估算，我国稻田CH₄排放量约为740 万吨，占我国农业源碳排放总量的20%。水稻种植过程的CH₄排放主要是指土壤中产生的CH₄经过氧化、传输后的净效应。减少土壤CH₄产生，促进CH₄氧化，抑制CH₄传输的措施均能有效降低稻田CH₄排放。有机物料施用（如农作物秸秆）是影响稻田CH₄排放最主要的人为因素之一。通过对大量田间试验结果进行分析，秸秆还田显著促进稻田CH₄排放111%（图2a），而且CH₄增幅与秸秆施用量之间呈现明显的正相关关系。主要原因在于，短期秸秆施用为土壤产甲烷菌提供了丰富的底物，促进产甲烷菌生长，造成CH₄大量排放。

Fig. 2 Effects of organic materials application and intermittent irrigation on CH₄ emissions from paddy fields in China

氮肥生产过程的能耗CO₂排放以及施用引起的土壤N₂O 排放，共占我国主粮生产碳排放总量的44%（图1a）。推广以氮肥优化管理为核心的N₂O 减排策略迫在眉睫。土壤 N₂O 排放主要来源于土壤微生物的硝化和反硝化作用。化学氮肥施用可以直接为硝化和反硝化微生物提供底物，是影响 N₂O排放最重要的人为因素。

抑制土壤微生物的硝化和反硝化作用是农田土壤N₂O减排的重点策略。研究发现，脲酶抑制剂施用平均降低我国三大主粮田间种植过程的 N₂O排放量 28%，其中水稻减排 45%，小麦减排 12%，玉米减排 37%（图 3a）。采取以“4R”为核心的氮肥优化管理措施，对于农业碳中和的实现和环境可持续发展具有重要意义。

图3 氮肥优化管理措施对我国主粮作物种植过程N₂O排放的影响

氮肥优化管理的“4R”策略主要是指，选择正确的氮肥品种（Right source），采用正确的氮肥用量（Right rate），在正确的施肥时间（Right time），施用在正确的位置（Right place）。

选择正确的氮肥品种（Right source）主要是指选择控释氮肥等高效氮肥品种。我国主粮种植消耗氮肥所引起的能耗排放（31%）高于N₂O排放（14%）的发现表明（图1a），通过单一调控氮肥种类减少土壤N₂O排放，很难实现温室气体的全面减排，需要配合氮肥用量优化。

采用正确的氮肥用量（Right rate）主要是指根据土壤供氮能力与作物氮素需求，通过配方施肥等技术确定氮肥用量。通过对大量田间试验结果进行分析，发现通过配方施肥确定的氮肥用量较传统用量低28%。

在正确的时间施肥（Right time）主要是指通过增加氮肥施用次数或减少基肥施用比例，减少作物生长初期的氮肥损失。研究发现，减少基肥比例和增加施用次数能够促进作物生长后期对于氮素的大量吸收，分别提高主粮作物氮肥利用率8%和30%，减少土壤N₂O排放 5%和8%（图3b），降低其他活性氮损失13%~62%和24%~37%，提高作物产量4%和 6%。

施用在正确的位置（Right place）通常是指采取氮肥深施。研究发现，氮肥深施能够促进作物根系对氮素吸收，提高我国主粮作物氮肥利用率29%，降低土壤N₂O排放15%（水稻，-17%；小麦，-13%）（图3b），降低NH₃挥发 35%，减少氮径流 16%，提高作物产量7%。优化有机氮肥施用同样对于土壤N₂O减排至关重要。

我国农田土壤固碳量（每年0.6亿吨CO₂当量）仅能抵消主粮生产8%的碳排放量，碳汇效应薄弱（图1），亟需采取固碳增汇措施。农田土壤固碳增汇的核心是提高外源碳输入量并降低土壤本底有机碳分解。

我国农作物秸秆资源丰富，大面积推广秸秆还田是增加土壤碳库储量的重点措施。大量田间试验结果表明，秸秆还田显著提高农田土壤有机碳含量 15%~20%，有机碳增幅与秸秆施用量之间呈现明显的正相关关系。据统计，2018年我国三大主粮作物秸秆还田比例约为 44%，每年因此带来的农田表层土壤（0~20 cm）固碳量为0.6 亿吨CO₂当量。如果将生产动物饲料以外的主粮秸秆全部还田（82%），土壤固碳量则会增加117%，达到1.3 亿吨CO₂当量，同时提高主粮作物产量380 万吨。

我国动物有机肥（畜禽粪便）产量大，但有效还田率显著低于欧美国家。推广动物有机肥还田对于提升土壤碳库和土壤肥力，以及提高作物产量具有重要作用。免耕措施是有效减少农田土壤有机碳库分解的关键技术。然而，大量研究表明免耕会降低作物产量，不利于粮食安全。因此，在大面积推广免耕措施的同时需要配套采取作物保产技术，例如秸秆还田、种植绿肥作为覆盖作物或者加强氮肥优化管理等。

粮食生产固碳减排的难点在于土壤固碳和温室气体减排之间，或者不同温室气体种类之间存在“此消彼长”效应。具体表现为特定农田管理措施在提高土壤碳库储量或者减排某种温室气体的同时，促进了另一种温室气体的排放。秸秆还田是提升土壤碳库的重要措施，但同时会大幅促进稻田CH₄排放（图4）。对于稻田生态系统而言，秸秆或者动物有机肥还田应当在旱地作物季推广，或者将其炭化为生物炭还田。与秸秆或者动物有机肥相比，生物炭还田可以显著降低稻田CH₄和N₂O排放，并大幅提升土壤碳库储量，表明生物炭是消除固碳减排之间“此消彼长”效应的关键。

图4 固碳减排之间的“此消彼长”效应

Fig. 4 Trade-offs between GHG mitigation and carbon sequestration

我国粮食生产能否实现碳中和，或者采取哪些固碳减排措施集合能够实现碳中和，目前尚不清楚。为此，Xia等^[1]通过大数据分析结合经验模型的方法，评估了不同固碳减排措施集合（S1–S3），对于我国主粮生命周期生产过程碳排放的减排潜力，明确了粮食生产碳中和的实现路径。减排方案S1包括：（1）增加土壤固碳：将三大主粮秸秆还田比例从目前的 44%提高至82%（生产动物饲料以外的部分全部还田）；（2）稻田CH₄减排：全国所有稻田均采用间歇灌溉；（3）土壤N₂O减排：采取氮肥优化减量（-15%）配合氮肥分施（增加氮肥施用次数）。

据估算，生物炭的总减排潜力（田间固碳减排+能源替代减排）伴随着热解温度增加先增加后降低，大约在500 ℃达到峰值。在减排方案S2的基础上，Xia等^[1]进一步考虑生物油和生物气的能源替代效应（500 ℃热解秸秆），并保持传统的CH₄和N₂O减排措施不变（S3，简称生物炭耦合能源捕获模式），发现仅需要72%的主粮秸秆生产生物炭，我国主粮生产总碳排放可以实现从源（6.7 亿吨）到汇（−0.4 亿吨）的转变，实现碳中和（图5）；小麦和玉米生产已转化为碳汇，水稻生产仍为碳源（0.59 亿吨CO₂当量），表明水稻种植是我国粮食生产实现碳中和的最大挑战。S3情景下，除江西、福建、广东、广西和海南五个水稻种植大省有少量碳排放，其他省份均实现了碳中和。因此，生物炭耦合能源捕获模式是我国粮食生产实现碳中和的重要路径（图5）。

图5 我国粮食生产实现碳中和的路径^[1]

近二十年来，我国在粮食生产固碳减排方面取得了丰硕的成果，初步明确了粮食生产实现碳中和的基本路径，但未来研究仍需要聚焦以下难点：

1) 明确固碳减排措施的产量、经济和环境效应。农业碳中和的实现不应以损失粮食产量和牺牲环境健康为代价。未来固碳减排措施的研究，需要更加重视减碳和增产之间以及减碳和降污之间的协同。当前固碳减排的研究大多未考虑对土壤氮损失的影响，忽视了减碳和降污之间的“此消彼长”效应。

2) 明确固碳减排措施的长期减排增汇效应。目前对于固碳减排措施的效果评价多基于短期田间试验，长期的减排增汇效应仍不清楚。例如，作为碳中和实现路径的核心措施，生物炭长期施用能够保持稳定的固碳减排效果？长期施用对土壤健康和作物产量是否具有负面效应？需要进一步明确。作为土壤N₂O减排的有效措施，氮肥优化管理措施（如高效肥料、配方施肥和氮肥深施等）对于稻田CH₄排放和土壤固碳的长期效果同样不清楚。未来研究需要通过开展长期定位试验，明确核心固碳减排措施的长期减排增汇效应。

3) 明确固碳减排措施的空间优化匹配方案。本文中关于生物炭及氮肥优化管理措施固碳减排潜力的估算是基于不同措施的平均减排效果，未考虑空间尺度的变异。目前，固碳减排措施的平均减排增汇效应已经基本明确，但仍然缺乏区域化的匹配方案。未来研究需要通过开展区域联网试验结合机器学习的方法，制定从省级到县域尺度减排的空间匹配方案，实现全面有效的增汇减排。重点需要明确生物炭在不同气候、土壤条件下的固碳减排效果、驱动机制和施用方案。

参考文献

作者简介

颜晓元

博士，研究员，博士生导师。

中国科学院南京土壤研究所研副所长、土壤与农业可持续发展国家重点实验室副主任、学术委员会副主任。

主持国家重点研发专项项目、国家科技支撑计划项目、973项目课题、国家自然科学基金委杰出青年基金项目、重大国际合作项目、联合基金项目、面上项目等多个项目。

曾任国际氮素研究组织（International Nitrogen Initiative）东亚中心主任，现任国际氮素研究组织（International Nitrogen Initiative）科学委员会委员、美国地球物理学会Technical Committee on Soil Systems and Critical Zone Processes委员、Environmental Research Letters 顾问委员会委员、Soil Science and Plant Nutrition编委、《农业资源与环境学报》副主编等职。

发表学术论文170多篇，其中包括Nature、PNAS、Global Change Biology等在内的SCI收录论文120多篇，被他引5600多次；主参编学术著作《土壤氮循环试验研究方法》等3部；曾获国家自然科学二等奖、江苏省科技进步一等奖、日本农林水产省国际青年农业科学家奖、神农中华农业科技奖。

长期从事农田碳氮循环对全球气候及环境变化的影响研究：1）在流域尺度上，揭示了典型稻作农业流域的氮素收支特点，解析了各面源氮对水体氮浓度的实际贡献，据此提出面源污染高效调控策略。2）在全国尺度上，建立了成本低、操作性强、可统计检验的全国农田土壤有机碳含量变化的研究方法，验证了全国尺度上农田土壤有机碳含量近30年来的增加趋势。3)在全球尺度上，明确了稻田CH₄排放的主要影响因子，建立了影响因子与排放量的定量关系，据此建立的全球稻田CH₄排放量估算方法被《IPCC国家温室气体排放清单指南》采用为缺省方法。