中国农业碳减排任务是3亿吨，我们如何做到？| 前沿扫描
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本文根据中国科学院学部开展的“科学与技术前沿论坛”第134次会议内容编辑
报告人：谭支良，中国科学院亚热带农业生态研究所所长
原标题：“双碳”目标驱动的农业低碳技术
日期：2023年2月25日-26日
专家介绍
谭支良
谭支良，二级研究员，中国科学院亚热带农业生态研究所所长，中国畜牧兽医学会动物营养学会副理事长。
报告视频
我今天跟大家汇报的是小故事，到底能不能通过减排以及相应的增汇来解决农业（种植业和养殖业））里面的碳排放问题，有几个方面的工作向大家做一个汇报。
农业碳减排背景
首先，农业实际上是全球的第二大排放源。中国农业的温室气体排放量估算每年8亿吨左右，占全球农业碳排放12%左右。
全国的碳排放中23%的甲烷和67%的氧化亚氮来自农业。主要的农业温室气体排放源有：化肥的施用，动物胃肠道的甲烷生成发酵，养殖粪污的处理以及水稻种植。
我们再来看看增汇方面。我国农田是重要的碳汇。据估算，我们国家农田0-20厘米的土壤碳储量仅有169亿吨，与欧美日土壤有机碳数据相差巨大，如果说按每年增碳0.4%到1%（当然我们更期望达到1.5%）计算，我国农田的增汇潜力是相当可观的。
面对国家提出“碳达峰”和“碳中和”计划，我们比对了一下日本、美国和欧盟以及中国的情况，到底未来技术的出口会在哪里？尽管为了达到“双碳”目标，很多国家在政策上给予了指导和引领，但是真正的农业减排技术都就那么几项（在发达国家和中国都是这样），比如说化肥的减施，秸秆还田，生物质炭的施用等。对于畜禽养殖来讲，主要是如何提高饲料的利用效率，以及如何运用甲烷抑制剂。全球都这样，没有什么别的路径可走。
如果按照欧美日现在的技术或者是现在的生产模式来计算的话，我国农业估算还要降低30%的碳排放，也就是说，我们减排的压力（或者说减排的任务）有3亿吨。比对一下，如果按照目前的技术和社会发展水平的话，欧美日农业可以在2050年以前减排7.6% 以上，而我们国家农业碳排放可能还会持续增加。所以（留给）我国农业减排的时间是非常短的。
我国农业领域要实现“碳中和”，有几个科技性的瓶颈需要去探索和应对，比如农业温室气体的减排过程和机理，农业用地的固碳机制，特别是在我们国家目前的农业生产方式下，农业中的种植业和畜牧业如何耦合？现在这个问题摆在全体农业科学工作者以及政府面前——畜牧业和种植业现在分离得特别严重。我们过去用有机肥的情况几乎是全球最好的，但到现在这一代农民几乎不用有机肥，所以有机肥还田是一个巨大的挑战。种养结合之间资源如何转换这方面需要去研究。
总之，在技术层面上，实际上没有什么太多颠覆性的技术产生，主要是化肥、饲料的利用效率问题、甲烷的抑制问题、以及未来对农业的碳排放评估要更精准的问题。
种植业减排固碳技术
接下来向大家具体汇报一下，在种植业领域可以考虑到的一些减排技术。虽然我们国家种植业的温室气体目前每年的排放总量是3.7亿吨，高于欧美国家。但单位耕地面积排放强度还是具有减排潜力的。目前种植业温室气体减排和农田固碳技术优缺点分明，但缺乏创新性，大面积的推广应用也受到限制。
如何突破稻田甲烷高效减排技术？如何突破农田氮肥高效利用与氧化亚氮减排技术？以及如何把土壤固碳与温室气体减排技术协同起来？这是我们农业减排的重点技术。
举例说，在稻田甲烷的优化减排技术方面，可以通过调整稻田系统的农业措施（指灌溉、施肥、耕作和种植方式），有效实现甲烷减排：如免耕、集约化管理和直播等种植管理可有效减少甲烷达23%；生物菌剂、硝化抑制剂和缓/控释肥等施肥管理可有效减少甲烷排放达60%。相应的实验结果已经证明。
同时我们也希望，未来能够培育水稻新品种，增加甲烷的氧化和减少甲烷的产生，比如培育节水耐旱水稻，提高水分利用效率的同时，保证水稻高产和减少甲烷排放。
在农田控氮、稳产、减排一体的优化减氮技术方面，合理施肥是一个非常有用的减排措施，包括无机、有机氮的耦合和配合，氮肥的减量、施用等一些技术。不过，这些措施看起来简单，但是目前很难操作，现在很多农民希望操作越简单越好，不愿意下地了。第二个措施就是合理灌溉。第三个措施是合理的农作措施，第四，未来高度集约化种植，在一些区域的分散型经营模式会影响减排的效果。
培育氮肥利用的高效品种也是未来非常重要的方向。高效的利用氮肥品种可以减少氮肥施用和降低氧化亚氮的排放。
在农田固碳技术方面，有机肥、秸秆还田和生物质炭可以提高碳储量。另外，由于每一类型的土地固碳速率不一样，调整土地的利用方式也是一个方向。
例如，有一种农田固碳新材料——岩石粉末——用富含钙离子的岩石粉末改良土壤，降雨时淋溶形成碳酸钙沉淀，尤其适用于碱性土壤和有降雨条件的地区。所以我们也关注到我国干旱半干旱地区富含钙离子的碱性土壤，这些地区的自然碳酸钙沉淀固碳作用不可忽视。
大量的研究以及实践证明，生物质炭还田可以减少大约12%的温室气体排放。但是，生物质炭固碳虽然技术上可行，但是在应用上面临全民自愿参与的问题，是未来在农业里最麻烦也是最重要的一个任务。
养殖业减排技术
接下来跟大家汇报一下我们在养殖领域的探索。
目前，中国畜牧业温室气体排放占到了农业总排放的49%，其中（动物）胃肠道（尤其是牛和羊胃肠道）的甲烷占到了72%，猪、家禽和其他相对比较少；粪便也是非常关键的一环，粪便的氧化亚氮占到了18%，甲烷占到了15%。所以养殖端减排，要瞄准的目标第一个是胃肠道，第二个就是粪便。
我们在这两个问题上也做了很多的研究和探索。
比如说中国的牛和羊能不能过得比发达国家的牛羊“好一点”？也就是说，能不能把饲料的品质提高一点？上世纪60年代、70年代我们比较穷，中国的牛吃谷壳、稻草、小麦秸就算比较好的了。现在，我们希望通过提高非纤维的碳水化合物、提高精料的比重，在有效提高生产效率的同时，减少甲烷的排放。
此外，牛和羊也一定要吃粗饲料也就是草。推广用青贮代替干草、用豆科牧草代替禾本科牧草都可以有效降低甲烷排放。另外还要关注对草的管理，管理不到位，草的品质就下降，甲烷的生成排放就会增加。
针对牛羊的瘤胃发酵，我们一方面希望通过粗饲料的合理加工提高品质，使饲料通过胃肠道的速率增加，流通速率提高了，胃肠道的甲烷生成就减少了。还可以调控瘤胃的发酵模式，使氢向丙酸和耗氢代谢化合物路径迁移。当然，我们现在更多地中通过甲烷抑制剂减少瘤胃甲烷的生成，打断它的代谢路径，有效实现减排。
我们现在也在探索，除了提高生产效率，能不能培育低排放的家畜品种？品种的选育能不能为养殖端做出贡献？大部分研究已经证明，无论是牛还是羊，它的瘤胃微生物是可以遗传的。如果遗传力相对比较高，我们就很有可能培育出比较好的品种。比如有实践证明，选育低排放的绵羊，甲烷排放可以减少25%；选育高产的奶牛也可以减排接近23%。
在粪污处理问题方面。我们国家现在养殖业和种植业是分离的。实际上在养殖业内部。农场也好，企业也好，只关心牛羊是不是长得快，是不是奶产得多。但是，能否利用动物排出的废物中的有机资源，却没有太多人关注。这不仅对环境产生非常大的压力，而且在这个点上产生的温室气体排放是最大的。未来如何把相应的智能有机肥发酵系统研发出来，把有机肥的发酵控制在可控的范围之内是一个研究重点。如果有了废弃物有机资源处理这种装置，养殖场的甲烷就能够收集起来了。这一块的工作在未来应该是非常有前景的。
在养殖端废弃物的资源化利用上，我期望还会出现新的技术出现。比如把这种技术应用到畜牧行业，提高生产效率：利用细胞工程和蛋白质工程，让微生物消耗二氧化碳和甲烷生产微生物蛋白。
种养结合减排技术
第四部分，谈一下种养结合。中国的种（植业）养（殖业）目前已经是分离得很厉害了。种养一分离，不仅造成粪便、秸秆养分的流失，温室气体的排放也在增加，土壤固碳的能力也在下降。
第五部分，我们的估算是：有机肥可以替代很大一部分化肥，全国畜禽粪便每年有 40 亿吨，其中的氮磷钾含量很可观。通过有机肥种养循环，农业减排潜力巨大。如果以农田面积1.3亿公顷计算，有机肥施用碳增汇潜力可以达到1. 91Pg（1Pg=10亿吨）。所以，未来种养结合一定是农业领域要推广的重要模式。
种养结合技术瓶颈是秸秆的饲料化工艺落后，养殖废弃物的处理成本非常高，另外对种养结合的研究、政府部门的推动能力也是种养结合循环农业领域需要去探讨的问题。
图片来源：中国科学院学部
未来研究构想
未来，我们的农业怎么办？中国农业要强，农民要富，中国才会强，根基才会稳，未来可能要对农业生态系统排放与固持的时空格局进行研究，包括碳收支核算、碳源-汇的格局、低碳的对策路径。
另外，在农业减碳减排的技术里面，针对种植业减排、畜牧业减排和种养结合的模式，在农场、农田和生态系统尺度要取得技术性的突破，否则无法应用到现实场景。农业是国民经济的重要基础，每一年中央一号文件都是农业，所以在农业减排时在不同的区域要有技术集成与示范。
图片来源：中国科学院学部
在农业系统里面，我们要把碳足迹格局与低碳对策作为一个重点的研究方向和领域，包括农业的投入、管理、生产和加工。把排放格局搞清楚之后，形成相应的调控对策。
在种植业也是一样，针对不同的区域，把旱地、水田、集约化的农田分成几个区域，面向主要的种植业区研发集成化肥减量、温室气体减排、土壤碳汇提升等相应核心技术，要真正构建我们国家种植业高效的、绿色的减排技术体系。
在畜禽养殖领域，未来面临的任务是动物胃肠道代谢过程和机理的深入研究。还要研究粪物的碳氮高效固持机制与智能化的管控，尽量缩短粪物处理的时间段，把它变成非常好的有机肥。另外，还有一些前沿性的技术需要去突破。
在种养结合循环的体系里，要针对秸秆饲料化的过程和品质的提升，同时针对养殖废弃物资源（其实是有机资源）高效利用问题和典型农区的种养结合系统碳氮循环过程与调控问题，把种养系统高效衔接起来，形成种养结合的固碳体系减排。
除了共性技术，不同区域的低碳绿色农业技术不同：在牧区或者旱作区，氧化亚氮减排是主要的工作，还有土壤的增碳以及牛羊的甲烷减排；在旱作区主要是氧化亚氮减排、秸秆炭化和土壤有机碳保护问题；在稻作区更多针对甲烷减排和土壤增碳。
刚才我跟大家汇报了一些的技术，未来如何集成这些技术在某些区域上进行重要的示范，是我们农业科研工作者要做的工作，希望我们能回答这些农业科学问题，担负起农业减排的重任，谢谢大家。
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