【专访.颜晓元】农业碳中和潜力与实现途径

颜晓元：中国科学院南京土壤研究所 研究员

1.问：颜老师您好！我国承诺在2030年前实现碳达峰，二氧化碳排放达到峰值之后不再增长；在2060年前通过人工干预达到正负抵消，实现二氧化碳零排放。当前，碳排放造成的全球气候变暖正在倒逼我们加快碳达峰碳中和的进程。我们是否需要按下减碳加速键？在这个进程中，农业碳中和具有怎样的潜力？农业碳中和潜力会发挥它怎样的作用呢？

颜晓元：近年来全球增温明显、极端气候事件频发，这些都是气候变化的典型特征。2021年的诺贝尔物理学奖的一部分授给了日本裔美国人真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼，以表彰对地球气候的物理建模、量化变化和可靠地预测全球变暖。这也反映了整个世界对气候变化问题的重视。2001年的时候真锅淑郎在日本全球变化前沿研究所工作，我当时也在那里工作。因为真锅淑郎是第一个用模型预测大气CO₂浓度加倍后地表温度变化的，所以他的文章引用数特别高，当时就有人说他可能会得诺贝尔奖，他自己则开玩笑说那需要他活得足够长，因为那时候还有很多人不认可气候变化是由人类活动排放的温室气体导致的这一观点。真锅淑郎果然活的够长，在90岁的时候获得了诺贝尔物理学奖。

碳排放导致全球气候变化应当成为了绝大多数人的共识，未来地表温度增加的多少取决于温室气体排放的多少，减缓碳排放成为全人类刻不容缓的任务，世界上主要国家都制定了碳中和计划，行动越迟将来温度将上升越多，所以说按下加速键是必要的。所谓碳中和就是一个国家/组织一年内所有温室气体（折算成CO₂）排放量与通过人为措施固定的CO₂量达到平衡。显然实现碳中和要从两方面着手，即减排和固碳。

农业是一个重要的碳排放行业。在全球尺度上，农业排放的温室气体占总排放量的比例超过11%，在我国，农业排放所占的比例大约为9.5%，这还不包括化肥生产所消耗的大量能源排放的部分。因此，在碳中和进程中，农业行业的减排必不可少，而农业也确实存在比较大的减排潜力，且农业减排往往与绿色发展是同步双赢的。

2.问：农业中的碳中和潜力有哪些，又会有哪些实现途径呢？

颜晓元：刚才提及的农业温室气体排放，主要包括反刍动物消化道排放的CH₄、畜禽废弃物处理过程中排放的CH₄和N₂O、稻田排放的CH₄、氮肥施用排放的N₂O，此外还包括农机、灌溉等能耗的排放，可见农业排放的主要是非CO₂温室气体，这些气体都可以通过优化农业生产管理措施来实现大幅度减排。比如反刍动物排放的CH₄，可以通过改变饲料结构、添加CH₄抑制剂、提高生产效率等措施来减少；通过合理氮肥运筹减少肥料用量、优化肥料结构、施用新型肥料和抑制剂（如缓控释肥、硝化抑制剂），可以减少农业土壤的N₂O排放，同时提高肥料利用率，实现高产、养分高效与温室气体减排协同。针对稻田的CH₄排放，也有很多减排措施。我粗略估计，目前的措施经过优化组合，对农业温室气体有30-50%减排潜力。此外，农业土壤还有一个潜力，就是固碳，也就是增加土壤有机碳含量，这其实跟土壤培肥目标是一致的，所以也有很多措施，比如保护性耕作、构建农林复合系统、优化间套种和轮作、加大有机物料还田的比例等。只是这些传统的土壤培肥措施固碳效率不太高，因为有机物料腐殖化系数低，大部分碳短时间内还是分解成CO₂回到大气中了。从固碳的角度，现在需要开发效率更高的方法。

3.问：中国是水稻总产量最高的国家,占全球总量31%。稻田是我们中国典型的农田生态系统, 水稻土是我国重要的土壤资源。我们都知道，稻田生态系统是一个重要的碳汇, 对减缓大气二氧化碳 (CO₂) 浓度升高起着不可忽视的作用; 同时, 水稻土也是温室气体排放的主要来源之一, 在温室气体减排方面也具有重要的生态功能。那么稻田土壤的固碳及减排，面对这两个科学问题，我们如何同时解决？

颜晓元：稻田是比较特殊，每生产一公斤水稻所排放的温室气体（折算成CO₂）是一公斤小麦或玉米的2倍以上，原因就是稻田经常处于淹水状态，这时候有机物质分解会产生CH₄，而单位重量的CH₄的热量捕获能力是单位重量的CO₂的34倍，所以稻米的碳足迹比较高。另一方面，稻田又有比较大的固碳潜力，我国稻田土壤有机碳目前平均含量约为20g/kg，而其平均潜在储存能力约为32g/kg，目前只有不到10%的土壤达到该值，因此还有比较大的增长空间。现在的问题在于，要实现稻田土壤的碳汇潜力就需要加大有机物料的投入，而有机物料的投入会导致CH₄排放增加。理论上，秸秆等有机物料碳变为CH₄的部分达到其变为土壤碳部分的8%时，其效应将由碳汇变为碳源。事实上，我国目前稻田秸秆直接还田导致的甲烷增排量远大于其变为土壤有机碳的量（折算成CO₂当量）。所以对稻田而言，目前存在固碳和减排的矛盾。我们可以尝试通过以下几个思路来实现稻田固碳与减排的协同：

1）选育丰产低碳品种：筛选适于我国水稻主产区的丰产低碳品种并研发配套栽培技术；

2）优化栽培技术，实现水碳分离：针对性地集成节水和覆膜等好氧栽培技术、垄厢栽培技术等，结合氮肥合理运筹，在保障水稻产量的前提下使得有机物料在非淹水状态下分解；

3）优化秸秆等有机物料还田方式：通过秸秆炭化、秸秆快腐等处理方式，降低秸秆碳向甲烷的转化，促进其向土壤碳的转化。

总体来讲，优化稻田水、碳、氮管理, 对于保障我国粮食安全以及实现“碳中和”目标都具有重要意义。

4.问：不同农艺措施对稻田固碳减排的影响及潜力表现是不同的，您提出，我们需要构建一套低碳稻作体系？

颜晓元：是的。根据我们的计算，目前我国每公斤稻米全生命周期过程的温室气体排放量约为2.4公斤CO₂当量，是一公斤面粉的2倍，一公斤玉米饲料的3倍。全生命周期就包括化肥农药等生产资料的生产运输、大田生产过程、收获后的加工运输等。所以说相对于小麦玉米而言，稻米不是低碳的。稻米的碳排放，最大的来源是稻田CH₄的排放，其次是氮肥消耗导致的，也就是生产氮肥所消耗的化石能源排放的CO₂和氮肥施用到稻田之后排放的N₂O。因此实现稻米生产的低碳，要从减少稻田CH₄排放和减少氮肥施用两方面着手。这就包括品种的选择、水分管理、秸秆和有机肥管理、化肥高效利用等系列步骤，与此同时，要保持稳产或丰产，所以说需要构建一个低碳的生产体系，而不是单项技术可以实现的。

5.问：探讨碳中和背景下农业所能发挥的作用，大家比较关心的一个问题是如何提升稻田土壤有机碳，您刚才从固碳的角度讲到，现在需要开发效率更高的方法？

颜晓元：其实我们也不应该只关心提升稻田土壤有机碳，其他土壤的有机碳也同样重要。在科研上，有时我们会更加关心稻田土壤有机碳，一是因为稻田的温室气体排放强度比旱地大，二是因为前面提到的，在稻田土壤上，存在固碳和减排的矛盾，有时还存在减排和丰产的矛盾。因此，对于稻田的固碳和减排，我们更需要有突破性的技术。目前我认为有几个方向，一是可以从水稻种质资源的挖掘出发，选育丰产低碳品种，并集成配套栽培技术。另一方面，是可以通过强化土壤中以及植株体内的CH₄氧化来减少CH₄排放。此外，需要开发低成本的秸秆钝化技术。

6.问：我看到一篇文章，里面提到了一个词--“负碳”，水稻碳中和水平是指碳固定量与碳排放量的差值，那么它的负值可以理解为“负碳”吗？

颜晓元：碳中和是指碳排放量与碳固定量刚好抵消，即净零排放那个点，因此，严格说不存在碳中和水平这个说法，水平是一个连续变量。碳排放量与碳固定量的差值，我更愿意将其称为碳排放水平，正的即为净排放，负的即为净固定，也可以称为“负碳”。值得注意的是，我国的水稻生产，目前还没有哪个地方实现碳中和或负碳。某些文献中提到我国一些省份水稻生产实现碳中和并呈现碳盈余状态（也即上面提到的负碳），完全是对概念的误解，把秸秆、根系等所含的碳全部当成固碳量了，其实这些物质所含的碳绝大部分很快都分解变成CO₂回到大气中了，不能算成固碳量。水稻生产要实现负碳，必需要使得秸秆碳变为稳定的碳长期保存。目前看，只有将秸秆炭化为生物炭这一途径。

7.问：那么将生物炭还田是否可视为“负碳”过程，它是实现农田土壤碳封存最直接有效的方式吗？

颜晓元：负碳技术就是从大气当中捕存和利用CO₂的技术，“负碳”也可以理解为吸收消纳CO₂，从大气中消除CO₂并储存在植物、土壤或塑料等产品中。生物炭是作物秸秆、果木修剪枝条、农产品下脚料、动物粪便等各种来源的废弃生物质在厌氧环境下发生热解反应生成的黑色固体，其在土壤中可以存留几百年。和CO₂的地质封存、生物能源利用、土壤固碳等当前较为流行的技术相比，生物质炭化还田成本更低，可行性更高。与此同时，生物炭施用于农田往往还有其他效果，如改良土壤，提高作物产量，减少农田CH₄和N₂O排放等。

8.问：当前，对于农业碳中和潜力的实现还面临哪些问题？未来对于农业碳中和潜力实现途径的研究还会涉及哪些方面呢？

颜晓元：首先，在技术层面上，目前尚未建立农业领域碳中和的统计体系和统一的核算方法。尤其是农田碳减排至今尚未形成统一的核算方法体系，无法形成标准化的碳减排产品进入碳交易市场，也使得现有的减排技术普及程度低，难以推广应用到实际生产；此外，好的技术还需要好的政策支持，但目前我国相关职能部门还未重启对我国特定项目的温室气体减排效果进行量化核证和审批，以及对温室气体自愿减排交易采取备案管理，使得推动农业领域的碳减排交易还比较难；最后，在意识层面上，这可能也是最难的，国内大部分农业生产者还缺乏碳中和意识，对于小农户或中小企业而言，尚未健全的市场机制和补偿机制难以带来足够的经济利益，无法形成促进农业温室气体减排的长效机制。

针对存在的问题，未来的研究可以从如下几点着手：一方面，围绕碳足迹的评估与碳标签制度的建立开展工作，通过碳足迹的评估，减少供给端全产业链中的负面环境影响，推进节能降耗和使用清洁能源，实现全产业链的碳减排；消费端则倡议调整国民饮食结构和消费习惯，减少食物损失和浪费，形成低碳健康的消费理念，并施行食品碳标签制度，让消费者自主知情地做出低碳消费的选择，逐步增强减排意识。另一方面，需要优化和集成已有农业减排固碳技术措施并形成区域示范，加强技术创新和研发。通过分区分类对关键技术进行适用性、减排潜力和成本评估，筛选高效低成本易推广的技术，并严格制定操作规范和行业标准，为实现农业碳中和提供切实可靠的落地方案。最后，在技术和制度理念得以突破提升的前提下，亟需建立农业低碳补偿机制，推动将农业生产活动纳入碳减排与碳交易框架体系。这就需要对优选出的温室气体减排量大、可操作性强的农业固碳减排技术模式，在相关职能部门的支持下建立并核证农业固碳减排的典型案例，重点关注农业CH_4、N₂O减排交易核算，探索适合我国国情的农业核证自愿减排量方法学和交易体系。

9.问：您和团队最新的科研动态，可否给我们介绍一下呢？

颜晓元：土壤碳氮循环对农业生产和生态环境具有非常重要的影响，如何协调其农学效应与环境影响从而实现保障粮食安全和环境可持续发展的双赢目标是当前国家的重大需求，也是土壤学研究的主要目的。围绕这一主题，本团队主要开展农田碳汇提升和温室气体减排、土壤氮素收支及其环境影响、粮食系统氮肥管理与控制等方面的研究，以实现农田碳氮减排与粮食稳产丰产和环境可持续发展相协调。最近，我们团队和一些同行刚刚获批了国家十四五重点研发“稻田碳汇提升和甲烷减排技术研发与集成示范”计划项目，未来的工作将重点围绕稻田固碳减排关键技术的研发和丰产低碳水稻品种的筛选、稻田碳汇形成与甲烷减排关键产品的研制，创建适宜于我国水稻主产区的丰产低碳栽培技术体系并进行示范，以期实现水稻丰产、土壤固碳与甲烷减排的协同。

采访人：王见

生态环境探索微平台出品

2022.10