原文發(fā)表于《中國科學(xué)院學(xué)報(bào)》《戰(zhàn)略與管理研究》第3期，原標(biāo)題《生物地球化學(xué)循環(huán)視角下我國農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰與碳中和的應(yīng)對策略》。 “這篇文章是一個簡化和改編版本

楊士奇*嚴(yán)鑫

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所

生物地球化學(xué)循環(huán)是大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈之間物質(zhì)（元素）流動的基本理論。 對實(shí)現(xiàn)國家碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)具有重要的指導(dǎo)作用。 農(nóng)業(yè)作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，具有較大時空尺度的大氣溫室效應(yīng)。 農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和值得重視和重視，以服務(wù)國家總體碳達(dá)峰和碳中和發(fā)展戰(zhàn)略。 文章基于生物地球化學(xué)循環(huán)的視角以及對農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和的解讀，從農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰面臨的挑戰(zhàn)、農(nóng)業(yè)碳中和面臨的挑戰(zhàn)以及農(nóng)業(yè)碳中和面臨的挑戰(zhàn)入手，分析了農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和的路徑。農(nóng)業(yè)碳中和的潛力。 分析、深入思考人們對農(nóng)業(yè)碳中和和生物圈減排重要性的認(rèn)識誤區(qū)，并從農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰、農(nóng)業(yè)碳中和和科技創(chuàng)新三個方面提出我國農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的應(yīng)對策略。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會評估結(jié)果顯示，大氣中二氧化碳（CO2）的體積分?jǐn)?shù)從1860年的285 ppm增加到2020年的414 ppm，全球平均海陸表面溫度上升1.09℃ ; 預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，全球平均地表溫度將上升1.0。 ℃—3.7℃。 2015年《巴黎協(xié)定》規(guī)定“將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平上升幅度限制在2°C以內(nèi)，并力爭將上升幅度限制在1.5°C以內(nèi)”。 然而，預(yù)計(jì)2030年至2052年全球平均地表溫度將上升1.5℃。歐盟在1980年左右達(dá)到碳峰值，美國在2005年左右達(dá)到碳峰值。2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會上宣布聯(lián)合國大會提出，中國二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)峰，力爭2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。截至2021年，全球已有54個國家達(dá)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變化造成的碳排放，以及通過陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)等技術(shù)手段封存的碳量。 他們之間達(dá)到一個平衡。

1 生物地球化學(xué)循環(huán)視角下的碳循環(huán)

生物地球化學(xué)循環(huán)是構(gòu)成生命的化學(xué)元素從環(huán)境進(jìn)入生物體，又從生物體返回環(huán)境的循環(huán)過程。 碳循環(huán)是利用光合植物從大氣中的CO2合成碳水化合物，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，沿著食物鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和分解，最后將CO2返回到大氣中。 基于生物地球化學(xué)循環(huán)視角的碳循環(huán)模型如圖1所示。早期的年CO2通量約為3億噸，占大氣CO2總量的0.01%。 陸地、海洋和大氣之間的碳地質(zhì)循環(huán)處于相對平衡狀態(tài)。 三大水庫的碳凈積累為零或接近于零。 生物圈作為碳“轉(zhuǎn)換器”基本穩(wěn)定，即凈平衡為零。 工業(yè)革命后，大氣中二氧化碳濃度顯著增加，也刺激了陸地和海洋天然碳匯的增加。 未來將達(dá)到頂峰，重新建立陸地、海洋、大氣碳循環(huán)新的平衡體系，生物圈碳匯再次歸零。

2 農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和的定義及路徑

農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和的定義

農(nóng)業(yè)碳峰值是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（廣義農(nóng)業(yè)或規(guī)?；r(nóng)業(yè)，包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)、副牧業(yè)和漁業(yè)）中使用化石燃料造成的CO2排放峰值； 農(nóng)業(yè)碳中和是指農(nóng)業(yè)化石燃料和農(nóng)業(yè)用地造成的碳排放，與土地和海洋的利用相一致。 利用固碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)吸收與固碳之間的平衡，即農(nóng)業(yè)CO2凈排放為零。

農(nóng)業(yè)碳減排與固碳途徑

農(nóng)業(yè)碳減排途徑

化石能源碳減排是通過減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化石能源消耗，提高能源利用效率。 全球每年人類活動產(chǎn)生的CO2排放量約為390億噸，我國約為100億噸。 2020年，全球化石能源消耗CO2排放量占總量的75%，大氣CO2增加18億噸。

減少農(nóng)業(yè)碳排放的方法包括：

1.構(gòu)建低碳農(nóng)業(yè)模式。

2、推廣使用電能驅(qū)動農(nóng)業(yè)機(jī)械。

3.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)手段升級創(chuàng)新。

4、建立以減少農(nóng)產(chǎn)品損失和能源消耗為特點(diǎn)的低碳運(yùn)輸鏈和低碳農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易體系。

減少溫室氣體排放的方法包括：

1.適度擴(kuò)大免耕休耕比例。

2.發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)，減少化肥和化學(xué)品投入。 歐盟提出到2030年有機(jī)農(nóng)業(yè)面積至少達(dá)到農(nóng)業(yè)用地總面積的25%，并提出“4/1000土壤碳化計(jì)劃”，促進(jìn)土壤固碳。

3、秸稈等有機(jī)廢棄物還田，控制化肥、農(nóng)藥施用量，提高有機(jī)肥替代率。

4、發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，換取最大產(chǎn)量效益和最小碳排放。

農(nóng)業(yè)固碳途徑

農(nóng)業(yè)固碳涉及自然和人工兩個方面。 碳固定的自然途徑包括：

1.保護(hù)和擴(kuò)大綠色植被面積。 全球森林碳儲量為8610億噸，草原碳儲量約為5200億噸。

2.保護(hù)海洋及陸海過渡帶，維護(hù)海洋生態(tài)健康安全。 海洋儲存了世界上約93%的二氧化碳，每年可吸收排放到大氣中的二氧化碳的30%以上。 沿海濕地占海洋沉積物碳儲量的50%。

3.開發(fā)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力。 農(nóng)業(yè)中只有10%的碳長期儲存在各種農(nóng)產(chǎn)品和土壤中，而植物固定的碳約97%又被植物和土壤再次排放出來。

人工固碳途徑包括：大氣CO2在巖石圈深層封存、化學(xué)物理轉(zhuǎn)化利用途徑、農(nóng)田土壤改良途徑、以木質(zhì)生物炭為主要原料的家具和建筑開發(fā)等。

三、農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰與碳中和的思考

農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰面臨的挑戰(zhàn)

我國仍是發(fā)展中國家，新能源替代時機(jī)還遠(yuǎn)未成熟，要面臨諸多挑戰(zhàn)。

1、國家能源碳達(dá)峰約束下農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和工業(yè)化未來可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及路徑選擇。

2、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和工業(yè)化發(fā)展過程中，“高碳”底線（需求）和“低碳”天花板（峰值）提出挑戰(zhàn)。

3.亟待突破高氮作物品種等低碳農(nóng)業(yè)核心技術(shù)，加快區(qū)域低碳農(nóng)業(yè)技術(shù)體系試點(diǎn)示范推廣。

4、國家層面能源路徑碳達(dá)峰和溫室氣體碳達(dá)峰應(yīng)同步解決和推進(jìn)。

農(nóng)業(yè)碳中和面臨的挑戰(zhàn)

農(nóng)業(yè)碳中和面臨的挑戰(zhàn)包括：

1.農(nóng)作物秸稈利用與農(nóng)田土壤固碳挑戰(zhàn)。

2. 維持森林等生態(tài)系統(tǒng)碳匯可持續(xù)性的挑戰(zhàn)。 大氣中CO2濃度的增加相當(dāng)于“碳肥”施用量的增加。

3. 碳中和的挑戰(zhàn)以及土地退化和海洋污染的負(fù)面影響。

4. 人工碳中和途徑的挑戰(zhàn)。

農(nóng)業(yè)碳中和潛力分析

農(nóng)業(yè)碳（農(nóng)作物碳和動物碳）的主要功能是提供生命物質(zhì)和能源。 大部分在短時間內(nèi)返回大氣，對大氣CO2濃度的增減基本沒有影響。 農(nóng)田土壤要達(dá)到較大碳匯的目標(biāo)需要較長的時間，土壤耕作導(dǎo)致土壤碳庫活性較強(qiáng)。 秸稈、畜禽糞便等有機(jī)廢棄物還田是農(nóng)業(yè)碳中和的主要途徑。 我國農(nóng)田表層土壤最大固碳潛力在20億至30億噸之間。 生態(tài)修復(fù)、治理和重大生態(tài)工程有利于碳匯。 。 農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化為生物炭的平均壽命可達(dá)200??0年。 秸稈經(jīng)過物理、化學(xué)處理制成家具，延長保存期。 據(jù)測算，我國城市體系的建筑和家具碳儲量為2.1億噸。 發(fā)展現(xiàn)代森林加工技術(shù)生產(chǎn)耐用的家具、建筑材料或其他材料是一種高效、便捷、經(jīng)濟(jì)的固碳方式。 秸稈可轉(zhuǎn)化為熱能、電能和機(jī)械能，替代化石能源。

對農(nóng)業(yè)碳中和的誤解

碳中和的判斷基于減少碳排放（傳統(tǒng)能源節(jié)能增效、新能源替代）和增加碳吸收（生物圈碳匯、工業(yè)碳匯）。 前者是減少化石能源的開發(fā)利用，發(fā)展替代能源； 后者是去除大氣中的二氧化碳。 生物圈碳匯（自然氣候解決方案）是應(yīng)對溫室效應(yīng)最成熟的方法。 對農(nóng)業(yè)碳中和的認(rèn)識誤區(qū)主要體現(xiàn)在：

1.有機(jī)廢棄物還田增加土壤二氧化碳排放，違反質(zhì)量守恒定律。 土壤碳源來自生物有機(jī)殘留物和廢物。 降解過程從地表轉(zhuǎn)移到土壤中，僅改變降解空間。

2. 秸稈燃燒增加二氧化碳排放。 無論秸稈是否燃燒，最終都會被降解為二氧化碳。 碳地質(zhì)循環(huán)的規(guī)模沒有本質(zhì)區(qū)別。

3、吃肉（包括牛奶、雞蛋）增加溫室氣體排放沒有科學(xué)依據(jù)。 肉、奶、蛋都是由植物碳通過食物鏈轉(zhuǎn)化而成，但植物碳降解的時間和空間不同。 與大氣二氧化碳濃度的空間和時間變化相比，這種空間和時間尺度的差異可以忽略不計(jì)。 最終的二氧化碳排放量不會增加或減少。

4. 提高農(nóng)作物產(chǎn)量可以實(shí)現(xiàn)碳中和。 作物生物量的生長對碳儲存沒有實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，而是通過食物網(wǎng)返回到大氣中。

減少生物圈排放的重要性

生物圈位于巖石圈、水圈和大氣層之間的界面。 它是巖石、水和大氣相互作用的一種特殊表現(xiàn)。 它可以被視為有生命的巖石、有生命的水或有生命的大氣。 生物圈與大氣之間的紐帶是CO2，它通過生物生命活動（光合作用和呼吸作用）完成碳循環(huán)最重要的雙向路徑； 光合作用類似于水泵，將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)移到生物圈中； 呼吸作用相當(dāng)于一個排水通道，并將生物碳以CO2的形式返回到大氣中。 因此，生物圈作為碳循環(huán)的樞紐，是實(shí)現(xiàn)碳中和、開啟大氣負(fù)碳循環(huán)的關(guān)鍵。

4 我國農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰與碳中和應(yīng)對策略

應(yīng)對農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰的策略

我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初級階段，決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)資料、生產(chǎn)設(shè)備、能源和技術(shù)等方面的投資必須持續(xù)增加，才能滿足社會發(fā)展的需要。

1、在耕地利用方面，充分發(fā)揮高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田在肥料、農(nóng)藥、節(jié)水、節(jié)能等方面的優(yōu)勢。

2、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備方面，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的智能化、物聯(lián)網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)、信息化、精準(zhǔn)化、“3S”、高效、電控、節(jié)能、綠色等。

3.在農(nóng)業(yè)農(nóng)村能源建設(shè)方面，要充分利用農(nóng)村空間優(yōu)勢，發(fā)展太陽能、水能、風(fēng)能、沼氣、秸稈等多種能源互補(bǔ)和發(fā)電技術(shù)。適合地區(qū)特點(diǎn)的地?zé)崮堋?/p>

農(nóng)業(yè)碳中和應(yīng)對策略

我國人地矛盾突出、資源匱乏、地區(qū)差異大、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化水平低、農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式多樣，決定了農(nóng)業(yè)碳中和任重而道遠(yuǎn)。

1.保護(hù)林地、草原、濕地等生態(tài)系統(tǒng)，倡導(dǎo)植樹造林、草原恢復(fù)。 半個世紀(jì)以來，我國新增樹木10億棵，全國森林覆蓋率達(dá)到23.04%。

2.防止陸地和海洋污染。 我國正處于工業(yè)高速增長時期，生態(tài)環(huán)境污染易發(fā)。 與工業(yè)革命前相比，海洋吸收人為二氧化碳排放的效率下降了 31%。

3.開展區(qū)域水資源配置。 我國缺水問題突出，嚴(yán)重制約碳中和發(fā)展，特別是西北地區(qū)。

4.加大農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)改良力度。 我國農(nóng)田表土有機(jī)碳密度為歐盟平均水平的70%-75%。

5.發(fā)展海洋農(nóng)業(yè)。 科學(xué)規(guī)劃海水養(yǎng)殖和海洋牧場，促進(jìn)海洋生態(tài)系統(tǒng)吸收二氧化碳，釋放漁業(yè)碳匯潛力。 我國海洋漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)封存的藍(lán)碳量相當(dāng)于碳減排量的10%左右。 目前海水養(yǎng)殖面積僅有204萬公頃。

6.升級改造農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳中和功能。 從農(nóng)田中劃定或劃撥一定面積的林地、濕地、草地和池塘，構(gòu)建復(fù)合型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型。

七、加大減少農(nóng)產(chǎn)品損失力度。 我國糧食全產(chǎn)業(yè)鏈總損失率約為12.3%，蔬菜、水果采摘后平均損失率高達(dá)25%-30%。 城市餐館每年產(chǎn)生食物浪費(fèi)170萬噸-180萬噸（不含家庭膳食食物浪費(fèi)）。

8、科學(xué)利用和產(chǎn)生生活垃圾。

農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰與碳中和科技創(chuàng)新應(yīng)對策略

農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和的科技創(chuàng)新應(yīng)對策略主要包括以下幾個方面：

1.建立國家農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和科技創(chuàng)新驅(qū)動體制機(jī)制，采用從管理、科研、產(chǎn)業(yè)到應(yīng)用的全鏈條推進(jìn)模式，打造“雙碳”科技創(chuàng)新適合國情的制度。

2、攻克長期制約我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的化肥、藥品、水、能源、機(jī)械等核心技術(shù)，提高生產(chǎn)利用效率。

3、開發(fā)以生物碳為基礎(chǔ)的新材料，全面提高碳匯和碳源的管控水平。

4、探索生物碳深度儲存技術(shù)，建立百年以上規(guī)模的碳中和技術(shù)體系。

5、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和普及，樹立“雙碳”農(nóng)業(yè)發(fā)展理念和強(qiáng)化“雙碳”農(nóng)業(yè)發(fā)展意識，推動低碳農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

六、樹立大氣生態(tài)文明理念，推動傳統(tǒng)生態(tài)文明向大氣生態(tài)文明轉(zhuǎn)型升級，推動農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和法律法規(guī)體系建設(shè)。

5 結(jié)論

農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和是“雙碳”發(fā)展的重要內(nèi)容之一，對實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)具有堅(jiān)實(shí)的支撐作用。 農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和面臨巨大挑戰(zhàn)，需要國家管理政策引導(dǎo)、科技支撐和更多公眾參與。 農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰需要加快生產(chǎn)手段和生產(chǎn)設(shè)備升級以及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。 農(nóng)業(yè)碳中和需要在生物圈保護(hù)、污染防治、區(qū)域水資源配置、生態(tài)系統(tǒng)功能優(yōu)化、廢棄物減量和垃圾處理等方面進(jìn)一步加強(qiáng)。 農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和科技創(chuàng)新需要對體制機(jī)制、生物碳基材料開發(fā)與深度儲存、法律法規(guī)、大氣生態(tài)文明等方面進(jìn)行深入研究。

楊士奇，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員，兼任中國農(nóng)業(yè)學(xué)會耕作制度分會、中國生態(tài)學(xué)會農(nóng)業(yè)生態(tài)專業(yè)委員會主任。 主要研究領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)生態(tài)、農(nóng)業(yè)環(huán)境、農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)。

文章來源：楊世奇，嚴(yán)鑫。 生物地球化學(xué)循環(huán)視角下的我國農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰與碳中和應(yīng)對策略。 中國科學(xué)院學(xué)報(bào), 2023, 38(3): 435-443.

DOI：10.16418/j.issn.1000-3045。