FASE专辑回顾丨农业碳中和与低碳经济

文摘三农 2024-10-24 15:16 北京

中国农业大学资源与环境学院/国家农业绿色发展研究院刘学军教授、田静副教授和英国洛桑试验站Keith Goulding教授组织了本期专辑，主要关注农业碳中和与低碳发展方面的最新进展和观点。本期专辑共有15篇研究文章和综述，围绕温室气体排放现状、减排技术潜力和途径；植物和土壤中的碳封存；低碳农业设计、原则、方法和推广示范；实现农业碳中和与低碳发展的政策、技术标准和监测系统等四个主题进行详细论述，帮助读者系统了解农业低碳发展的研究进展。

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专辑介绍

农业碳中和与低碳经济专辑由《农业科学与工程前沿》（英文简称FASE）期刊于2023年第10卷第2期出版，本期专辑包括6篇综述、6篇研究论文、1篇特色栏目文章（1篇报道）、1篇新闻与观点、1篇前景展望。

目录

1. 果园、菜地和茶园中的气态活性氮损失

2. 中国食物系统低碳化策略

3. 土壤有机碳储量在轮作后如何变化？

4. 团聚体内微生物残体碳对农田管理的响应

5. 农田土壤增碳技术综述

6. 中国畜牧业温室气体排放及减排方案

7. 创新改革模式助推中国氮肥行业低碳发展

8. 一种监测和指导农田土壤增碳的工具——Soil Carbon Check

9. 中国双碳目标背景下实现粮食安全和碳减排的农业绿色发展途径

10. 英国减缓温室气体和氨排放的优先策略

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EDITORIAL | 农业碳中和与低碳经济

HIGHLIGHTS OF THE SPECIAL ISSUE “CARBON NEUTRALITY AND A LOW CARBON ECONOMY FOR AGRICULTURE”

第一作者：田静

通讯作者：刘学军

Email：liu310@cau.edu.cn

引用此文：

Jing TIAN, Keith GOULDING, Xuejun LIU. HIGHLIGHTS OF THE SPECIAL ISSUE “CARBON NEUTRALITY AND A LOW CARBON ECONOMY FOR AGRICULTURE”. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 153‒154 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023497

· 组稿专家 ·

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刘学军

中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院教授。1997年获中国农业大学博士学位，2014年获国家杰出青年基金资助。主要从事农业与环境相互作用的研究，研究重点是大气沉降、氮循环及其对土壤酸化、富营养化、氨和农田温室气体排放的影响。发表了350多篇学术论文和书籍章节，担任Atmosphere、《生态环境学报》期刊的副主编和Frontiers of Agricultural Science and Engineering客座编辑。

田静

中国农业大学资源与环境学院、国家农业绿色发展研究院副教授。2013年获得中国农业大学博士学位。主要研究方向为土壤固碳沃土、产能提升机制与调控技术；利用同位素标记研究植物-土壤系统中的土壤碳氮循环（如碳分配、根际沉积和激发效应）等。发表70多篇学术论文及参与部分书籍章节撰写，担任European Journal of Soil Science和Land Degradation and Development副编辑、Frontiers of Agricultural Science and Engineering客座编辑。

Keith Goulding

英国洛桑试验站教授。1974年在雷丁大学获得土壤化学硕士学位，于1974年加入洛桑试验站。1980年在帝国理工学院获得博士学位。主要研究方向为作物养分吸收利用、土壤酸化、土壤碳氮循环。中国农业大学特邀科学家和客座教授。于2021年当选为IPSS（The Institute of Professional Soil Scientists）荣誉研究员，2003年因“扩散性污染研究”被授予英国皇家农业学会研究奖章，并因其对“IPCC 2007年诺贝尔和平奖”的贡献被授予IPCC证书。

果园、菜地和茶园中的气态活性氮损失

GASEOUS REACTIVE NITROGEN LOSSES FROM ORCHARDS, VEGETABLES AND TEA PLANTATIONS

第一作者：王金阳

通讯作者：邹建文

Email：jwzou21@njau.edu.cn

引用此文：

Jinyang WANG, Pinshang XU, Haiyan LIN, Shumin GUO, Zhaoqiang HAN, Jianwen ZOU. GASEOUS REACTIVE NITROGEN LOSSES FROM ORCHARDS, VEGETABLES AND TEA PLANTATIONS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 155‒166 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022477

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摘要：氮肥施用在保障粮食安全的同时，也加速了全球农田土壤的氮循环。与谷类作物相比，当前对于果园、菜地和茶园种植（orchards, vegetables and tea plantations，OVT）中的气态活性氮排放研究尚有不足。本研究通过对全球184个试验点的1454个OVT中土壤氨（NH₃）、氧化亚氮（N₂O）和一氧化氮（NO）排放数据的集成和定量估算，旨在辨析不同土地利用方式下的活性氮排放因子及其排放量的差异性特征，综合评估其对全球农田总排放的相对贡献。无论施肥与否，中国果园NH₃和N₂O排放量及菜地的N₂O和NO排放量均高于全球其他地区，而茶园N₂O排放量低于菜地。据估计，当前来自OVT土壤NH₃、N₂O和NO直接排放量分别占中国农田总排放的25%、67%和50%。未来研究需进一步加强野外观测试验，建立气态活性氮排放的标准化采样方法，并实施基于理论知识的管理措施，以助力实现农业绿色发展。

中国食物系统低碳化策略

STRATEGIES FOR A LOW-CARBON FOOD SYSTEM IN CHINA

第一作者：金欣鹏

通讯作者：马林

Email：malin1979@sjziam.ac.cn

引用此文：

Xinpeng JIN, Xiangwen FAN, Yuanchao HU, Zhaohai BAI, Lin MA. STRATEGIES FOR A LOW-CARBON FOOD SYSTEM IN CHINA. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 167‒182 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023494

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摘要：我国对食物系统温室气体排放和减排增汇潜力仍缺乏理解，可能会阻碍“双碳”目标的实现。为此，本文构建了一个从土地利用及其变化到农业生产、食物供应和消费的食物系统温室气体核算框架，定量了中国食物系统温室气体排放时空变化和减排固碳潜力。结果表明，1992–2017年，我国食物系统温室气体净排放从7.85亿吨（CO₂当量，后同）增长至10.8亿吨。其中，农业活动一直占排放量的一半以上，而农业能源是排放增长最快的部分。2017年，食物系统排放最高的地区包括中南地区（广东和湖南），华北平原（山东、河南和江苏），以及东北地区（黑龙江和内蒙古），合计占比超过总量的50%，而新疆、青海和西藏则为碳汇状态。低排放情景下，中国食物系统温室气体排放可降低至3.55亿吨，其中加强末端减排技术、促进社会经济和食物消费转变、提高农业生产力分别可贡献减排量的60%，25%和15%，三者在农业活动减排中还具有协同效应。

土壤有机碳储量在轮作后如何变化？

ORGANIC CARBON STOCKS IN A SILTY TEXTURED SOIL FOLLOWING REINTEGRATION OF A 20 YEARS OLD MISCANTHUS× GIGANTEUS SITE INTO A CROP ROTATION

第一作者：Lisa ESSICH

通讯作者：Lisa ESSICH

Email：lisa.idler@uni-hohenheim.de

引用此文：

Lisa ESSICH, Reiner RUSER, Jens HARTUNG, Anne HANEMANN, Meike GASSNER, Liam OBERDORFER, Jörn BREUER, Jürgen RECKNAGEL, Helmut NUßBAUMER, Torsten MÜLLER. ORGANIC CARBON STOCKS IN A SILTY TEXTURED SOIL FOLLOWING REINTEGRATION OF A 20 YEARS OLD MISCANTHUS × GIGANTEUS SITE INTO A CROP ROTATION. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 183‒197 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023485

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简介：奇岗（Miscanthus × giganteus）是禾本科芒草属（Miscanthus）多年生草本植物，在欧洲被广泛种植，其优势在于：（1）是替代化石能源的一种良好的生物能源植物；（2）使得土壤普遍富含有机碳。据报道，芒草产量通常在大约20年后会下降，这就需要重新纳入轮作系统。至于在加强土壤耕作和作物管理的同时，新系统的纳入能否维持较高的土壤有机碳尚有待研究。德国霍亨海姆大学Lisa ESSICH及其研究团队进行了一项田间试验：以连续种植20年芒草种植地为对照组，以移除种植20 年的芒草并将田地重新纳入有机耕地轮作为处理组，连续7年监测土壤有机碳库。此项研究旨在评估20年芒草种植后有机碳的富集，并检测轮作对土壤有机碳的效应。研究人员根据土壤δ¹³C值计算得出，26年芒草种植下土壤有机碳的年富集量为0.98 Mg·ha⁻¹，其中95%以上的芒草源有机碳是在0.25 m以上的土壤中被检测到的。在前5个延长年内，对照组继续种植芒草并没有影响产量，有机碳储量进一步增加。处理组轮作后，有机碳在5年内保持不变，这主要归因于大量被破坏的根和根状茎的腐殖化和/或稳定化。与继续种植芒草相比，在处理组重新融入轮作6年后首次发现有机碳储量显著降低，凸显了长期观测的必要性。该研究还表明：（1）芒草在本实验地区的生产周期可以延长；（2）至少在轮作后的前5年内，当根/根状茎被破坏后播种苜蓿–三叶草混合物，可以有效保存土壤有机碳储量。

团聚体内微生物残体碳对农田管理的响应

MICROBIAL NECROMASS WITHIN AGGREGATES STABILIZES PHYSICALLY-PROTECTED C RESPONSE TO CROPLAND MANAGEMENT

第一作者：周冉冉

通讯作者：田静

Email：tianj@cau.edu.cn

引用此文：

Ranran ZHOU, Jing TIAN, Zhengling CUI, Fusuo ZHANG. MICROBIAL NECROMASS WITHIN AGGREGATES STABILIZES PHYSICALLY-PROTECTED C RESPONSE TO CROPLAND MANAGEMENT. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 198‒209 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023498

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摘要：土壤微生物和结构的相互作用可调节土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）的降解和稳定过程。微生物残体是SOC的持久组成部分，其积累程度取决于田间管理和团聚体粒径大小。本研究对121组数据进行meta分析，以评估团聚体内微生物残体对SOC的贡献及对农田管理的响应。结果表明，真菌残体对SOC的贡献随着团聚体粒径的增大而增加，而细菌残体在粉粘粒组分中的比例更高。农田管理增加了较大的大团聚体、较小的大团聚体和微团聚体中的总微生物残体和真菌残体。农田管理增加所有组分中的细菌残体。粪肥和免耕使大团聚体内增加更多的真菌残体。覆盖作物使较小的大团聚体内的细菌残体增加。微生物残体的增加与土壤团聚体中SOC的增加成正比，并且在大团聚体中相关性更高。因此，增加微生物残体在大团聚体中的积累可以视为加速农业土壤中固碳管理的核心策略。

一分钟解读论文

农田土壤增碳技术综述

SEQUESTERING ORGANIC CARBON IN SOILS THROUGH LAND USE CHANGE AND AGRICULTURAL PRACTICES: A REVIEW

第一作者：吴连海

通讯作者：吴连海

Email：lianhai.wu@rothamsted.ac.uk

引用此文：

Lianhai WU. SEQUESTERING ORGANIC CARBON IN SOILS THROUGH LAND USE CHANGE AND AGRICULTURAL PRACTICES: A REVIEW. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 210‒225 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022474

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简介：英国洛桑试验站吴连海研究员在FASE刊发表了一篇综述文章，旨在：（1）根据最新发表的文献报道，分析讨论不同的陆基技术（land-based techniques）对土壤碳积累速率的影响；（2）讨论评估这些技术对土壤碳积累影响的复杂性。本文指出，利用不同的陆基技术，可以通过增加对土壤的碳输入或减少土壤中的碳释放来提高SCS。研究表明，造林和再造林虽是一个缓慢的过程，但在改善SCS方面有很大的潜力。大多数已发表的数据表明，当集约化土地利用（农业用地和管理草地）转变为一种广泛的土地利用（如荒地和半天然/天然草地）时，SCS的反应是积极的。在农业实践中，添加有机物是一种有效的土壤固碳方法。任何有助于植物增加碳固存的做法都可以通过增加残留物、死根物质和根系分泌物来增加土壤碳储量。本文还提出，需要积极探索SCS的新颖创新解决方案，并鼓励再生农业和碳农业。据报道，生物炭可以减缓分解过程并增加土壤有机碳。然而，生物炭对SCS的长期影响可能与短期实验得出的影响不同，因为尚未确定随时间推移的间接影响。因此，有必要建立长期实验来监测生物炭对农业系统SCS和其他指标的影响。在改进的牲畜放牧管理实践中，补种草（重新种草）似乎具有最高的SCS率。最后，建模是评估农业和牧业实践对SCS和农业生态系统中其他服务的影响的有效选择。

中国畜牧业温室气体排放及减排方案

GREENHOUSE GAS EMISSIONS FROM LIVESTOCK IN CHINA AND MITIGATION OPTIONS WITHIN THE CONTEXT OF CARBON NEUTRALITY

第一作者：朱志平

通讯作者：董红敏

Email：donghongmin@caas.cn

引用此文：

Zhiping ZHU, Yue WANG, Ting YAN, Zherui ZHANG, Shunli WANG, Hongmin DONG. GREENHOUSE GAS EMISSIONS FROM LIVESTOCK IN CHINA AND MITIGATION OPTIONS WITHIN THE CONTEXT OF CARBON NEUTRALITY. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 226‒233 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023486

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摘要：畜牧业是农业温室气体排放的主要来源。减少畜牧业的排放对中国农业绿色发展至关重要。本研究以联合国气候变化国家信息通报为基础，分析了1994‒2014年中国畜牧业温室气体排放特征，介绍了主要减排技术及其减排效果，探讨了中国畜牧业的减排方案。本文提出可以通过提高动物生产力、改善饲料质量和循环利用动物粪便来控制污染和碳排放。同时，本文还提出了畜牧业绿色低碳发展的建议，包括研发畜牧业减排固碳新技术，加强监测与评价，建立畜牧业减排固碳标准。

创新改革模式助推中国氮肥行业低碳发展

PROPOSED INNOVATION REFORM MODEL FOR THE MINERAL NITROGEN FERTILIZER INDUSTRY IN CHINA TO REDUCE GREENHOUSE GAS EMISSIONS

第一作者：李冬佳

通讯作者：刘蕊

Email：rliu@cau.edu.cn

引用此文：

Dongjia LI, Rui LIU, Li CHEN, Yu GAO, Xuanyu GU, Yu-hua SHI, Jiahuan LIU, Weifeng ZHANG. PROPOSED INNOVATION REFORM MODEL FOR THE MINERAL NITROGEN FERTILIZER INDUSTRY IN CHINA TO REDUCE GREENHOUSE GAS EMISSIONS. Front. Agr. Sci. Eng., https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022468

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摘要：在全球范围内，减少过多的氮损失和温室气体（greenhouse gas，GHG）排放是21世纪生态环境的核心挑战。合成氮肥是一个能源消耗密集型和污染排放严重的行业，中国70%的氮肥又以高耗能高排放的尿素参与生产和农田应用，进一步加剧氮肥链的碳排放风险。本研究采用生命周期分析法量化中国氮肥链的GHG排放量，比较不同氮肥的碳排放能力，并提出一种旨在减少碳足迹氮肥产业结构调整战略：（1）利用低GHG排放的氮肥替代尿素，实现多元氮素协同供应；（2）利用新型氮肥取代传统氮肥；（3）推动合成氮肥生产技术的升级。这将使中国氮肥产业GHG总排放量减少35%‒38%，助推“双碳”目标的实现。

一种监测和指导农田土壤增碳的工具——Soil Carbon Check

SOIL CARBON CHECK: A TOOL FOR MONITORING AND GUIDING SOIL CARBON SEQUESTRATION IN FARMER FIELDS

第一作者：Jan Adriaan REIJNEVELD

通讯作者：Jan Adriaan REIJNEVELD

Email：ArjanReijneveld@eurofins.com

引用此文：

Jan Adriaan REIJNEVELD, Martijn Jasper van OOSTRUM, Karst Michiel BROLSMA, Oene OENEMA. SOIL CARBON CHECK: A TOOL FOR MONITORING AND GUIDING SOIL CARBON SEQUESTRATION IN FARMER FIELDS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 248‒261 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023499

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简介：荷兰瓦赫宁根大学Jan Adriaan Reijneveld及其研究团队开发了一种新工具——Soil Carbon Check，该工具为监测农田SOC含量和指导农民增加SOC提供了一种快速的方法。该工具由近红外光谱NIRS和SOC矿化模型MINIP的土壤分析组成，提供SOC固存随时间变化的预测。NIRS对欧洲国家、中国、新西兰和越南的农田土壤分析进行了校准和验证。结果表明，SOC（R²≥0.93）、无机碳、土壤质地和土壤容重的测定精度较高。高锰酸盐可氧化土壤C被用作活性SOC的替代物，以检测早期管理引起的SOC含量变化，并通过NIRS进行量化（R²=0.92）。土壤传递函数可以将土壤分析转换为SOC固存、CO₂排放的结果。综上所述，该工具可以快速、定量和动态监测农田的SOC固存，从而成为监测可持续发展目标13（SDG13）进展的重要工具。

中国双碳目标背景下实现粮食安全和碳减排的农业绿色发展途径

AGRICULTURAL GREEN DEVELOPMENT TO ACHIEVE FOOD SECURITY AND CARBON REDUCTION IN THE CONTEXT OF CHINA’S DUAL CARBON GOALS

第一作者：尹宇龙

通讯作者：尹宇龙

Email：yinyl@cau.edu.cn

引用此文：

Yulong YIN, Kai HE, Zhong CHEN, Yangyang LI, Fengling REN, Zihan WANG, Yingcheng WANG, Haiqing GONG, Qichao ZHU, Jianbo SHEN, Xuejun LIU, Zhenling CUI. AGRICULTURAL GREEN DEVELOPMENT TO ACHIEVE FOOD SECURITY AND CARBON REDUCTION IN THE CONTEXT OF CHINA’S DUAL CARBON GOALS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 262‒267 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023496

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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。

英国减缓温室气体和氨排放的优先策略

GREENHOUSE GAS AND AMMONIA EMISSION MITIGATION PRIORITIES FOR UK POLICY TARGETS

第一作者：Sarah BUCKINGHAM

通讯作者：Sarah BUCKINGHAM

Email：sarah.buckingham@sruc.ac.uk

引用此文：

Sarah BUCKINGHAM, Cairistiona F. E. TOPP, Pete SMITH, Vera EORY, David R. CHADWICK, Christina K. BAXTER, Joanna M. CLOY, Shaun CONNOLLY, Emily C. COOLEDGE, Nicholas J. COWAN, Julia DREWER, Colm DUFFY, Naomi J. FOX, Asma JEBARI, Becky JENKINS, Dominika J. KROL, Karina A. MARSDEN, Graham A. MCAULIFFE, Steven J. MORRISON, Vincent O'FLAHERTY, Rachael RAMSEY, Karl G. RICHARDS, Rainer ROEHE, Jo SMITH, Kate SMITH, Taro TAKAHASHI, Rachel E. THORMAN, John WILLIAMS, Jeremy WILTSHIRE, Robert M. REES. GREENHOUSE GAS AND AMMONIA EMISSION MITIGATION PRIORITIES FOR UK POLICY TARGETS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 268‒280 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023495

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摘要：农业对于提供粮食和维护粮食安全至关重要，同时提供多种其他生态系统服务。然而，农业系统通常是温室气体和氨的净来源。因此，农业需要为减缓气候变化和实现净零排放目标做出实质性贡献。本文概述了2022年3月在英国举行温室气体和氨减排研讨会后，农业研究和咨询领域的一系列专家的意见。会议确定了英国农业部门的首要缓解重点，以实现符合政策目标的温室气体和氨的减少。此外，专家们概述了他们认为的关键知识差距、未来机会和缓解实践的共同利益，并指出了所讨论的缓解情景的潜在障碍。

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