我国作物生产碳排放特征及助力碳中和的减排固碳途径

作物学报ACTA AGRONOMICA SINICA 2022, 48(4): 930 941 / ISSN 0496-3490; CN 11-1809/S; CODEN TSHPA9E-mail: zwxb301@
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2022.12073
我国作物生产碳排放特征及助力碳中和的减排固碳途径
严圣吉1邓艾兴1尚子吟1唐志伟1陈长青3张俊1,2,*张卫建1,2,*
1中国农业科学院作物科学研究所, 北京100081; 2中国农业科学院农业农村碳达峰碳中和研究中心, 北京100081; 3南京农业大学,
江苏南京210095
摘要: 作物生产不仅保障了国家粮食安全, 也是农业碳排放的主要源, 以及碳固定的重要汇。

阐明主要农区作物生
产碳排放特征, 探讨其达峰与中和途径, 可以为全国及地方作物生产绿色高质量发展和农业“双碳”目标的战略制定
提供重要科学依据。

本文基于国家统计数据, 比较分析了我国各地区作物生产碳排放特征, 探讨了助力碳中和的农田
减排固碳途径。

2018年我国作物生产碳排放占全国农业碳排放总量45.5%, 其中农田甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)以
及农用柴油消费的二氧化碳(CO2)排放分别占农业碳排放总量的22.9%、14.7%和7.9%。

从区域排放来看, 作物生产
碳排放总量和单位播种面积排放量均呈现南高北低特征, 其中以华东和华中地区最高, 减排潜力大。

在作物生产碳排
放中, 稻田CH4占50.3%, 是减排重点。

我国作物生产碳排放总量于2015年出现峰值, 之后呈现下降趋势, 这与水稻
播种面积、农田氮肥用量和农用柴油消费等减少趋势相一致。

可见, 如果我国农产品进口不受显著影响, 作物生产碳
排放已经呈现达峰趋势。

情景推算发现, 仅靠农地土壤固碳很难实现作物生产的碳中和, 需要农田减排与固碳的兼
顾。

在丰产稳产前提下, 作物生产碳中和要以稻田CH4和旱地N2O减排优先, 在增强土壤碳汇功能的同时, 充分挖
掘秸秆资源化利用、用地养地结合和农田林网建设等农田生态系统的综合固碳潜力。

关键词:作物生产; 粮食安全; 气候变化; 碳达峰; 碳中和; 固碳减排
Characteristics of carbon emission and approaches of carbon mitigation and
sequestration for carbon neutrality in China’s crop production
YAN Sheng-Ji1, DENG Ai-Xing1, SHANG Zi-Yin1, TANG Zhi-Wei1, CHEN Chang-Qing3, ZHANG Jun1,2,*,
and ZHANG Wei-Jian1,2,*
1 Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
2 Chinese Academy of Agricultural Sciences, Center
for Carbon neutrality in Agriculture and Rural Region, Beijing 100081, China; 3 Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, Jiangsu, China
Abstract: Crop production not only ensures national food security, but also is the main source of agricultural carbon emissions
and an important pool of carbon sequestration. To clarify the characteristics of carbon emissions from crop production and discuss
the approaches to reach the peak and neutrality in major agricultural areas can provide important scientific basis to the decision
making of green and high-quality agricultural development and “dual-carbon” goal. Based on the national statistical data, this
study compared and analyzed the characteristics of carbon emissions in crop planting regions in China, and presented the recom-
mendations for carbon sequestration and greenhouse gas emission mitigation. The carbon emissions of crop production accounted
for 45.5% of the national agricultural total carbon emissions in 2018, and the emissions of farmland methane (CH4), nitrous oxide
(N2O), and carbon dioxide (CO2) of diesel consumption accounted for 22.9%, 14.7%, and 7.9% of the total carbon emissions of
agricultural production, respectively. In terms of the regional emissions, both the total carbon emission of crop production and the
carbon emission per sowing area are higher in South than North China, with the highest emissions in East and central China and
本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(绿肥, CARS-22), 中国科学院学部咨询评议重点项目(2021-SM01-B-008)和中国农业科学院科
技创新工程(Y2021YJ02, CAAS-XTCX2016008)资助。

This study was supported by the China Agriculture Research System (Green Manure, CARS-22), the Key Projects of Consultation and Evaluation of
the Academic Department of the Chinese Academy of Sciences (2021-SM01-B-008), and the Agricultural Science and Technology Innovation Project
of Chinese Academy of Agricultural Sciences (Y2021YJ02, CAAS-XTCX2016008).
*通信作者(Corresponding authors): 张卫建, E-mail: zhangweijian@; 张俊, E-mail: zhangjun@
第一作者联系方式: E-mail: 156********@
Received (收稿日期): 2021-10-14; Accepted (接受日期): 2021-11-15; Published online (网络出版日期): 2021-11-20.
URL: https:///kcms/detail/11.1809.S.20211118.1736.006.htmll
第4期严圣吉等: 我国作物生产碳排放特征及助力碳中和的减排固碳途径 931 the greatest potential for emission mitigation. In the carbon emission from crop production, CH4 emission from rice fields accounts for the main part (50.3%) and is the focus of emission reduction. The annual carbon emission of crop production in China peaked in 2015, and then dropped down. It was mainly attributed to the decrease trend of rice sown area, agricultural nitro-gen application rate, and diesel oil consumption. If the existing agricultural imports are not significantly affected, the carbon emissions in crop production have basically reached the peak. However, it is very difficult to achieve carbon neutrality in crop production if only by soil carbon sequestration of farmland, and it is necessary to consider both farmland emission reduction and carbon sequestration. On the premise of high and stable grain yield, the carbon neutrality of modern crop production should pri-oritize CH4 and N2O reduction, and fully exploit the integrated carbon sequestration potential of farmland ecosystems, such as straw utilization, combination of the use and protection of farmland, and construction of farmland forest network.
Keywords: crop production; food security; climate change; carbon peak; carbon neutrality; carbon sequestration and mitigation
人为活动导致大气温室气体浓度持续升高是引起全球气候变化的最主要驱动因子。

因此, 减少温室气体排放, 增强生态系统的固碳能力, 是减缓气候变化的主要有效措施[1]。

2020年9月在第75届联合国大会上, 我国提出将采取更加有力的政策和措施, 力争于2030年前实现二氧化碳(CO2)排放达峰、2060年前争取实现碳中和。

目前我国年碳排放总量已经超过100亿吨, 占世界人为碳排放总量的30%左右[2], 固碳减排压力巨大。

尽管我国作物生产取得了举世瞩目的成绩, 2020年我国人均粮食占有量已达474 kg[3], 连续7年超过了国际公认的粮食安全标准线, 但与发达国家相比仍有较大差距[4-5], 中长期内粮食增产仍然是我国作物生产的重点任务。

在常规耕种技术和农机装备条件下, 确保耕种面积, 保障化肥和农药等农业化学品集约化投入, 依旧是维持作物连年丰产的主要措施, 这将可能进一步提高作物生产碳排放。

因此, 随着绿色高质量发展和双碳目标等行动推进, 常规高产耕种模式的碳排放问题正日益受到关注。

目前国际上普遍认为, 种植业和养殖业的甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)排放占全球人为总碳排放的12%左右[1], 尤其是稻田和反刍动物以及农田施肥是人为CH4和N2O排放的重要来源[6-7]。

因此, 作物生产碳减排也是减少温室气体的重要环节[7-9]。

根据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)关于未来气温上升 1.5℃的专题报告, 全球要在2050年之前实现CO2排放中和, 之后要争取实现全部温室气体净零排放的“碳中和”, 包括农业为主要贡献的CH4和N2O排放的中和[1]。

目前全球有超过60个国家设定双碳目标, 其中大部分国家的碳中和包含了农业的CH4和N2O等排放, 比如英国、欧盟国家和美国等 [1,10]。

在粮食安全背景下, 能否实现“碳达峰、碳中和”的双碳目标, 促进农业绿色高质量发展, 正成为作物学的一个重要研究领域。

我国农业农村部与国际环境基金以及联合国粮食及农业组织和世界银行等机构合作, 率先实施了主要粮食作物的气候智慧型农业技术集成与示范项目。

该项目在我国稻麦主产区安徽省和小麦玉米主产区河南省进行, 其宗旨就是在保障粮食丰产稳产和农业农民增收的基础上, 提高作物系统的气候韧性和适应能力, 尽量减少温室气体排放, 促进农田固碳, 拟为我国作物生产碳中和目标探路[11-12]。

国内外诸多学者就农业源碳排放特征及其固碳减排途径开展了一些研究。

Amelung等[13]研究全球气候缓解战略时认为, 碳固存的主要潜力在于农田土壤, 特别是那些产量差距大或以往土壤有机碳损失大的退化农田土壤。

Knapp等[14]研究认为, 与常规耕作相比, 免耕条件下作物产量稳定性无明显差异, 但是免耕增加了土壤有机质, 提高了生物多样性, 降低了对环境的影响。

闵继胜和胡浩[15]比较了我国农业生产温室气体排放的区域特征, 认为我国一些农业大省是温室气体排放的重点区域。

邓明君等[16]量化了我国三大粮食作物化肥施用的单位产品碳排放量时空变化, 并以科学施肥为标准测算了各地区三大粮食作物化肥施用的碳减排潜力。

同时, 柴如山[17]估算了不同化学氮肥推荐施用量情景下我国各地区农田的温室气体减排潜力, 发现化学氮肥每降低10 kg hm–2, 我国农田主要粮食作物生产的温室气体排放量每年将减少810万吨CO2当量(Carbon Dioxide Equivalent, CO2-eq)。

李阳和陈敏鹏[18]分析1980—2018年我国各农业活动碳排放, 发现畜牧业占比最高, 稻田次之, 旱地占比最低。

对于作物生产而言, 由于其直接关系着粮食安全, 其“碳达峰、碳中和”目标必须建立在粮食安全的前提下, 因此, 急需了解作物生产的碳排放特征。

唐洪松等[19]从不同土地利用类型出发, 估算了1995—2011年新疆土地利用的碳排放量与吸收量。

陈晓芳[20]通过模型构建定量分析了2000—2016年安徽省小麦、玉米和水稻
932作物学报第48卷
三大主要粮食作物在化肥施用过程中产生的能耗和碳排放, 分析了能耗和碳排放的主要根源及路径。

杜杰等[21]利用Meta分析, 研究了不同耕作措施对黄土高原地区农田土壤碳排放的影响。

上述相关研究主要侧重具体某个地区, 或生产投入品生产过程的排放。

我国作物生产的区域差异显著, 至今关于全国层面作物生产碳排放特征尚缺乏系统研究, 不利于作物生产碳达峰与碳中和的国家战略决策和行动方案设计。

为此, 本研究基于国家统计数据估算, 拟量化我国作物生产碳排放特征, 探讨固碳减排途径, 以期在粮食安全前提下, 为全国和地方制定农业碳达峰、碳中和战略方案提供重要科学依据。

1数据与方法
1.1研究边界
本文的碳排放估算以2018年我国各省种植业、畜牧业为研究边界, 参照国际农业碳排放评价惯例[1], 重点统计分析种植业中稻田CH4排放、农田N2O排放和农用柴油CO2排放特征。

为量化作物生产碳排放对农业碳排放总量的贡献, 本文还估算了畜牧业碳排放, 包括反刍动物肠道发酵的CH4排放和粪便管理过程中产生的CH4和N2O排放。

1.2数据来源
本文所用数据资料主要包括历年全国各省所有作物播种面积、农用化学品投入、耕地面积和牲畜数量等数据, 其中全国层面的作物播种面积数据年限为1949—2018年、氮肥用量数据年限为1979— 2018年、农用柴油用量数据年限为1993—2018年、省级方面的相关数据年限为2001—2018年, 牲畜数量的数据主要是2018年。

所有数据来源于国家统计局的国家数据中心网站(/), 其中香港特别行政区、澳门特别行政区和台湾省的数据暂未列入。

在本研究中, 复合肥氮含量按照15% N–15% P2O5–15% K2O计算; 柴油指作物生产全过程中的农业机械作业燃料动力投入[3]。

1.3计算方法
本文农业碳排放估算包括稻田CH4排放、农田N2O排放、农用柴油燃烧CO2排放以及农业碳排放总量[1]。

1.3.1 稻田CH4排放稻田CH4排放计算是将不同类型稻田产生的CH4排放求和。

针对不同稻区分别确定稻田类型的种植面积和CH4排放因子, 其中排放因子参照《省级温室气体清单编制指南》[22], 具体计算公式如下:
4
4
CH
E E
F AD10
i i
-
=⨯⨯
∑
式中,
4
CH
E为稻田CH4排放总量(万吨); EF i为分类型稻田CH4排放因子的推荐值(kg hm–2) (表1); AD i 为对应于具体排放因子的水稻播种面积(千公顷); 下标i表示具体的稻田类型, 分别指单季稻、双季早稻和双季晚稻。

1.3.2 农田N2O排放农田N2O排放等于作物生产过程中的氮输入量乘以其相应的N2O排放因子。

各区域的N2O排放因子选用和计算公式参照《省级温室气体清单编制指南》[22], 具体如下:
2
N O
E N EF44/28
=⨯⨯
∑输入
（）
式中,
2
N O
E为农用地N2O排放总量(万吨); N输入为作物生产过程氮输入量(万吨); EF为对应的N2O排放因子(kg N2O–N kg–1氮输入量) (表2)。

本研究中仅考虑由农用地当季氮输入引起的N2O排放, 暂未考虑由大气氮沉降和氮淋溶径流损失等引起的N2O排放变化。

其中当季输入的氮仅考虑化肥氮的投入(复合肥按照15% N–15% P2O5–15% K2O计算), 暂未考虑粪肥和秸秆还田的氮投入。

1.3.3 农用柴油消费的CO2排放农用柴油CO2排放(
2
CO,
E
农用柴油
)指农业生产过程中使用的柴油燃烧直接产生的CO2, 其排放量等于农用柴油数量乘以各省柴油二氧化碳排放系数, 具体计算公式如下: 2
CO,
E()=W 3.0959
⨯
农用柴油农用柴油
万吨
式中, W农用柴油表示农用柴油用量, 万吨; 3.0959为柴油的二氧化碳排放系数, t CO2-eq t–1, 具体计算公式参照《IPCC温室气体清单指南》[23]和《省级温室气体清单编制指南》[22]。

1.3.4 农业碳排放总量估算为了估算作物生产对农业碳排放总量的贡献, 本文的农业碳排放总量是将稻田CH4排放、农田N2O排放、农用柴油CO2排放、畜牧业CH4和N2O排放量求和。

具体公式如下:
444
222
Agriculture CH CH,enteric CH,manure
N O N O,manure CO,
E(E E E)27.9
(E E)273E
=++⨯+
+⨯+
农用柴油
式中, E Agriculture指种植业、畜牧业和农用柴油燃烧产生的碳排放总量, 万吨; 27.9、273分别为CH4和N2O 的CO2当量(CO2-eq)系数[1];
4
CH,enteric
E、
4
CH,manure
E、2
N O,manure
E分别为动物肠道CH4、粪便管理CH4和N2O排放量, 计算方法参照胡向东和王济民[24]的方法和《省级温室气体清单编制指南》[22]。

第4期严圣吉等: 我国作物生产碳排放特征及助力碳中和的减排固碳途径 933表1各稻作区稻田CH4排放因子
Table 1 Methane emission factors of different rice planting regions (kg hm–2)
单季稻Single cropping rice 双季早稻Double cropping early rice双季晚稻Double cropping late rice
区域Region
推荐值
Recommended
value
最低值
Min.
最高值
Max.
推荐值
Recommended
value
最低值
Min.
最高值
Max.
推荐值
Recommended
value
最低值
Min.
最高值
Max.
华北
North China 234 134.4
341.9
华东
East China 215.5 158.2
255.9 211.4 153.1 259.0 224.0 143.4 261.3
华中华南
Central & South China 236.7 170.2
320.1 241.0 169.5 387.2 273.2 185.3 357.9
西南Southwest China 156.2 75.0
246.5 156.2 73.7
276.6 171.7 75.1
265.1
东北Northeast China 168.0 112.6
230.3
西北Northwest China 231.2 175.9
319.5
数据来自《省级温室气体清单编制指南》[22]。

华北: 北京、天津、河北、山西、内蒙古; 华东: 上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东; 华中华南: 河南、湖北、湖南、广东、广西、海南; 西南: 重庆、四川、贵州、云南、西藏; 东北: 辽宁、吉林、黑龙江; 西北: 陕西, 甘肃、青海、宁夏、新疆。

该排放因子基于2005年各地区稻田平均的有机肥(包括作物秸秆和农家肥)施用水平、稻田水管理方式、气候条件, 水稻生产力水平(水稻单产)等得到。

Data from the Provincial Guidelines of Greenhouse Gas List[22].North China: Beijing, Tianjin, Hebei, Shanxi, Inner Mongolia; East China: Shanghai, Jiangsu, Zhejiang, Anhui, Fujian, Jiangxi, Shandong, Central & South China: Henan, Hubei, Hunan, Guangdong, Guangxi, Hainan; Southwest China: Chongqing, Sichuan, Guizhou, Yunnan, Tibet; Northeast China: Liaoning, Jilin, Heilongjiang; Northwest China: Shaanxi, Gansu, Ningxia, Xinjiang. The emission factors are based on the mean application rate of organic fertilizers (including crop straw and farm-yard manure), irrigation regimes, climate conditions, and rice production levels in different rice sowing area in 2005.
表2各农区N2O排放因子
Table 2 Nitrous oxide emission factors of different crop planting regions (kg N2O-N kg–1 N input)
省(市、区)
Province (municipality and autonomous region)
N2O排放因子
N2O emission factor
范围
Range
内蒙古, 新疆, 甘肃, 青海, 西藏, 陕西, 山西, 宁夏
Inner Mongolia, Xinjiang, Gansu, Qinghai, Tibet, Shaanxi, Shanxi, Ningxia
0.0056 0.0015–0.0085
黑龙江, 吉林, 辽宁
Heilongjiang, Jilin, Liaoning
0.0114 0.0021–0.0258
北京, 天津, 河北, 河南, 山东
Beijing, Tianjin, Hebei, Henan, Shandong
0.0057 0.0014–0.0081
浙江, 上海, 江苏, 安徽, 江西, 湖南, 湖北, 四川, 重庆
Zhejiang, Shanghai, Jiangsu, Anhui, Jiangxi, Hunan, Hubei, Sichuan, Chongqing
0.0109 0.0026–0.0220
广东, 广西, 海南, 福建
Guangdong, Guangxi, Hainan, Fujian
0.0178 0.0046–0.0228
云南, 贵州
Yunnan, Guizhou
0.0106 0.0025–0.0218
2结果与分析
2.1作物生产碳排放总量及其构成特征
不同区域作物生产碳排放差异明显, 华东地区>华中地区>华南地区>东北地区>西南地区>华北地区>西北地区(图1-a)。

其中, 华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北7大区域作物生产碳排放占农业碳排放的比重分别为24.7%、54.9%、66.7%、54.3%、64.6%、25.4%、19.8%。

分析作物单位播种面积碳排放空间特征(图1-b), 发现华南地区单位播种面积的碳排放最高, 其他依次为华东地区>华中地区>东北地区>西南地区>西北地区>华北地区, 区域差异显著。

作物生产碳排放主要包括稻田CH4、农田N2O 和农用柴油CO2排放。

结果表明(图2), 2018年全国稻田CH4排放占作物生产碳排放的50.3%, N2O排放占32.3%, 农用柴油CO2排放占17.4%。

不同区域间稻田CH4排放占作物生产总排放的比重不同, 华中
934
作 物 学 报 第48卷
地区稻田CH 4排放占比最高, 达64.1%, 其他占比大小依次为华东(54.2%)、华南(53.8%)、东北(51.0%)、西南(46.9%)、西北(9.9%)、华北(8.8%)。

从农田N 2O 排放占作物生产总排放比重来看, 各区域高低依次为西南(44.3%)、西北(44.2%)、华北(40.5%)、华南(36.3%)、东北(30.7%)、华中(27.1%)、华东(26.9%)。

另外, 从农用柴油消费的CO 2排放来看, 华北(50.7%)和西北地区(45.9%)最高, 华南、华中、西南最低(8.8%~9.9%)。

2.2 作物生产碳排放对农业碳排放的贡献特征
我国作物生产碳排放占农业(种植业和畜牧业)
碳排放总量的45.5%, 其中稻田CH 4和农田N 2O 排放占农业碳排放总量的22.9%和14.7%, 农用柴油CO 2排放占7.9% (表3)。

不同区域稻田CH 4排放占农业总排放量的比重大小依次为华东(36.2%)>华中(34.8%)>华南(34.7%)>东北(28.0%)>西南(11.9%)>华北(2.2%)>西北(2.0%); 农田N 2O 排放所占比重大小依次为华南(23.5%)>华东(18.0%)>东北(16.9%)>华中(14.7%)>西南(11.3%)>华北(10.0%)>西北(8.8%);农用柴油CO 2排放所占比重大小依次为华东(12.6%)>华北(12.5%)>东北(10.0%)>西北(9.1%)>华南(6.4%)>华中(4.8%)>西南(2.3%), 区域差异显著。

图1 我国作物生产碳排放总量的区域特征
Fig. 1 Regional characteristics of total carbon emissions of China’s crop production
地图来源于全国地理信息资源目录服务系统(https:///)。

a: 作物生产碳排放总量(单位: 万吨CO 2-eq); b: 作物单位播种面积碳排放(单位: t CO 2-eq hm –2)。

The above maps are from the National Geographic Information Resource Directory Service System (https:///). a: the total carbon emission of crop production (unit: 10,000 t CO 2-eq); b: the carbon emission per crop sowing area (unit: t CO 2-eq hm –2
).
图2 稻田CH 4、农田N 2O 和柴油CO 2排放对作物生产碳排放的贡献
Fig. 2 Contributions of methane emission in paddy field, nitrous oxide emission in farmland, and carbon dioxide emission from diesel oil to total carbon emissions of crop production
第4期
严圣吉等: 我国作物生产碳排放特征及助力碳中和的减排固碳途径 935
表3 我国各地区作物生产碳排放占农业碳排放总量的比重
Table 3 Contributions of carbon emissions in crop production to total agricultural carbon emission in different regions (%)
地区 Region 省(市、区)
Province (municipality and
autonomous region) 作物生产碳排放 Carbon emission in crop production
稻田CH 4排放 CH 4 emission in paddy field
农田N 2O 排放 N 2O emission in farmland
柴油CO 2排放 CO 2 emission of
diesel oil
北京Beijing 19.6 0.1 12.3 7.2
天津Tianjin
31.0 15.2 11.8 4.0
河北Hebei 39.4 1.8 14.1 23.5
山西Shanxi 23.5 0.1 13.3 10.2 华北 North China
内蒙古Inner Mongolia 14.7 2.4 6.4 5.9
辽宁Liaoning 43.2 12.4 20.4 10.4 吉林Jilin
50.4 17.5 23.6 9.3
东北
Northeast China
黑龙江Heilongjiang 62.1 39.8 12.0 10.3
上海Shanghai 72.3 35.6 13.4 23.3 江苏Jiangsu 80.5 42.9 26.7 10.9 浙江Zhejiang 85.5 27.3 15.5 42.7 安徽Anhui 77.6 48.3 21.9 7.4 福建Fujian
74.7 27.3 29.0 18.4
江西Jiangxi 69.3 59.7 6.9 2.7
华东 East China
山东Shandong 29.9 2.0 14.5 13.4
河南Henan 36.3 9.9 18.6 7.8 湖北Hubei
63.0 40.3 17.6 5.1
华中 Central China
湖南Hunan 61.3 48.9 9.9 2.5
广东Guangdong 72.3 38.5 25.6 8.2 广西Guangxi 58.6 33.0 21.3 4.3 华南 South China
海南Hainan
60.4 26.1 24.9 9.4 重庆Chongqing 49.2 23.2 20.6 5.4 四川Sichuan
30.2 15.6 11.8 2.8
贵州Guizhou 24.1 12.7 9.9 1.5
云南Yunnan 24.5 9.0 13.6 1.9 西南
Southwest China
西藏Tibet
0.8 0.0 0.3 0.5
陕西Shaanxi 46.7 4.9 21.1 20.7 甘肃Gansu
12.0 0.1 5.3 6.6
青海Qinghai 1.7 0 0.6 1.1 宁夏Ningxia
26.7 8.0 8.1 10.6
西北
Northwest China
新疆Xinjiang 21.9 1.7 10.4 9.8
全国China
45.5 22.9 14.7 7.9
2.3 作物生产碳排放各组分的区域差异
作物生产碳排放的主要组分包括稻田CH 4、农
田N 2O 排放和柴油消费的CO 2排放。

分析结果表明, 我国不同区域排放差异显著(图3)。

稻田CH 4排放方面, 华东地区>华中地区>华南地区>东北地区>西南地区>华北地区>西北地区(图3-a); 农田N 2O 排放上, 各区域大小依次为华东地区>华中地区>华南地区>西南地区>东北地区>华北地区>西北地区(图3-b); 农用柴油消费的CO 2排放各区域大小依次为华东>华北>东北>西北>华中>华南>西南(图3-c), 存在显
著的区域差异。

2.4 作物生产碳排放的关键因子与总量变化趋势
影响作物生产碳排放的关键因子包括作物播种面积、水稻种植面积、氮肥施用量和柴油消耗等方面。

我国农作物播种面积于2004年开始稳步增加, 于2016年达到166,939.04万公顷峰值, 之后基本稳定在166,000万公顷(图4-a)。

近70年来我国水稻播种面积呈现逐步下降趋势, 在1976年达到36,217.4万公顷峰值后, 目前基本稳定在30,000万公顷。

影响稻田CH 4排放的秸秆还田面积和还田量, 目前也
936作物学报第48卷
已经基本稳定。

化肥和柴油投入方面(图4-b), 2014年我国氮肥用量达到最高, 之后用量开始减少, 2018年用量较2014年降低了8.92%; 柴油用量也于2015年达到峰值, 之后呈现减少趋势, 至2018年下降了8.84%。

从2001—2018年我国作物生产碳排放趋势来看, 2015年出现一个峰值, 之后开始呈下降趋势。

分析不同区域碳排放变化趋势发现(图4-c, d), 2001—2015年各地区年均碳排放增加幅度依次为东北地区>华中地区>西北地区>华北地区>西南地区>华东地区>华南地区, 并且2015年浙江、广东、福建、广西、上海、山东、北京等省(市)碳排放较2001年甚至有所下降; 而在2015—2018年间, 各地区作物生产年均碳排放均呈下降趋势, 且下降幅度华东地区>华中地区>西南地区>华北地区>华南地区>东北地区>西北地区。

图3我国作物生产碳排放组分的区域差异
Fig. 3 Regional differences in the compositions of carbon emissions of crop production in China
地图来源于全国地理信息资源目录服务系统(https:///)。

a: 稻田甲烷排放(单位: 万吨CO2-eq); b: 农田氧化亚氮排放(单位: 万吨CO2-eq); c: 农用柴油二氧化碳排放(单位: 万吨CO2-eq)。

The above maps are from the National Geographic Information Resource Directory Service System (https:///). a: CH4 emis-sion in paddy field (unit: 10,000 t CO2-eq); b: N2O emission in farmland (unit: 10,000 t CO2-eq); c: CO2 emission from agricultural diesel oil (unit: 10,000 t CO2-eq).
(图4)
第4期
严圣吉等: 我国作物生产碳排放特征及助力碳中和的减排固碳途径 937
图4 我国作物播种面积(a)、氮肥和柴油用量(b)以及各省碳排放(c, d)变化趋势
Fig. 4 Trends of total crop and rice sowing areas (a), nitrogen fertilizer application and diesel oil consumption (b), and provincial carbon emissions (c, d)
图a~b 中数据来源于国家统计局(2020), 地图来源于全国地理信息资源目录服务系统(https:///)。

图b 中氮肥指纯氮用量。

c 为2001–2015年作物生产碳排放变化趋势(单位: 万吨CO 2-eq 年–1); d 为2015–2018年作物生产碳排放变化趋势(单位: 万吨CO 2-eq 年–1)。

Data in Figs. 4-a and 4-b are from the State Statistical Bureau (2020) and the above maps are from the National Geographic Information Resource Directory Service System (https:///). The nitrogen fertilizer consumption means the nitrogen consumption. c: the change of carbon emission in crop production from 2001 to 2015 (unit: 10,000 t CO 2-eq per year); d: the change of carbon emission in crop production from 2015 to 2018 (unit: 10,000 t CO 2-eq per year).
3 讨论
3.1 作物生产碳达峰与碳中和的减排固碳情景
我国作物生产碳排放整体呈现南高北低的趋势, 这主要与农田化肥用量和稻田播种面积相关。

我国不同区域间化肥用量存在差异, 且主要受复种指数和作物类型的影响, 我国化肥用量较大的地区集中在中东部和东南部地区[25-26]。

对于稻田CH 4排放, 不仅我国南方稻田的播种面积大于北方[3], 而且气温显著高于北方, 因此稻田甲烷的排放量要高于北方。

另外, 从作物生产碳排放显著相关的作物播种面积和农用化学品投入来看, 我国作物播种面积已经基本稳定, 水稻播种面积也呈现明显下降趋势, 而且近70年来水稻播种面积占农作物总播种面积的比例显著降低; 我国化肥和柴油用量从2015年也开始逐步减少, 且随着我国作物生产的化肥农药等农资投入进一步负增长, 农用化学投入导致碳排放也已经呈现下降趋势。

本文进一步分析我国近20年作物生产碳排放变化, 发现, 尽管2001—2015年全国其他地区碳排放整体呈增加趋势(华南地区除外), 但2015—2018年全国各地区作物生产碳排放均呈下降趋势, 这与作物播种面积稳定和投入下降密切相关。

尽管本文关于稻田CH 4排放, 是以2005年的数据为基准, 但从目前我国稻田秸秆还田及有机物料
投入来看, 其面积和用量已基本稳定。

因此, 在现有的农产品进口情景下, 我国种植业碳排放已呈现达峰态势。

作物生产碳中和, 即包括CH 4和N 2O 在内的所有碳排放等于碳固定的净零排放。

提高土壤有机质含量, 促进农田土壤固碳, 是学术界普遍公认的碳中和重要途径之一[27]。

假设以我国2018年种植业碳排放总量为基准, 仅靠农田土壤固碳实现碳中和, 来估算全国耕地0~20 cm 土壤有机质年均需要提升的幅度。

按照这个情景, 经估算发现, 如果不采取减排措施, 全国农田0~20 cm 土壤平均每年有机质需要提高0.51 g kg –1, 才能实现作物生产碳中和目标。

按照国家2060年前实现碳中和要求, 以40年时间计算, 我国农田0~20 cm 土壤有机质还需提高20.4 g kg –1, 而2016年全国农田土壤有机质平均含量仅为21.5 g kg –1。

可见, 这对于我国大部分农区来说很难实现, 因为集约化种植条件下, 我国旱地和水田土壤有机质含量分别达到30 g kg –1和50 g kg –1以后, 很难进一步提升[12]。

因此, 仅靠农田土壤固碳, 很难实现作物生产碳中和, 必须兼顾农田减排与综合固碳。

所以, 降低作物生产碳排放和增加农田固碳对于实现我国农业碳中和具有重要作用。

一般来讲, 降低作物生产的碳排放主要包括2个途径, 即减少
938作物学报第48卷
稻田CH4排放和农田N2O排放。

本文中全国作物生产占农业碳排放总量的45.5%, 其中, 稻田CH4排放占作物生产碳排放比例最高, 超过50%, 其次为农田N2O排放, 最后是农用柴油CO2排放, 而且各区域碳排放特征差异显著。

稻田CH4排放方面, 我国水稻主产区主要分布在华东、华中和东北地区, 这些地区CH4排放占作物生产的比重均超过50%。

而N2O排放上, 华中、华东、华南地区较高的氮肥用量导致这些地区N2O排放高于其他地区; 另外, 农用柴油CO2排放方面, 以华中地区排放最高。

因此, 全国和各地区应综合考虑作物生产特征, 稻田重在CH4减排, 旱地重在促进固碳, 因地制宜制定减排固碳计划和措施。

南方及东北稻作区, 重点是CH4减排, 而旱作区在增强碳汇功能的同时需要兼顾N2O减排, 尤其是蔬菜园艺等施肥量高的作物[28]。

虽然我国南方地区尤其是华南的粮食作物播种面积日益下降, 但是蔬菜和果园等方面的肥料投入显著增加, 因此, 华南除了稻田CH4减排外, 经济作物的N2O减排也非常紧迫。

黄淮海农区, 重点是旱作物的N2O减排, 以及农田土壤的有机质提升, 增强土壤碳汇功能。

东北地区不仅是我国旱作物玉米和大豆等的主产区, 也是我国水稻主产区, 在促进旱地N2O和稻田CH4减排的同时, 还要注意耕地的用地养地结合, 防止土壤碳汇功能下降, 促进农田土壤固碳。

尽管我国2030年前实现碳达峰的目标是CO2排放达峰, 而作物生产对全国CO2排放的贡献仅为1%左右, 但这并不表明在2030年之前, 我们可以忽视作物生产的减排固碳贡献。

因为, 随着碳达峰目标的推进, 农用化学品生产的碳成本将显著提升, 势必倒逼作物生产碳减排, 以防止农用物资投入成本的提升影响粮食安全[29]。

另外, 到2060年我国争取实现碳中和, 这不仅仅是CO2排放问题, 还包括CH4和N2O等温室气体排放问题[1,7]。

没有作物生产的减排固碳担当, 碳中和的目标就很难全面实现。

所以, 作物生产减排固碳不仅可以降低CO2排放达峰目标实现对粮食安全构成的潜在风险, 实现安全“降碳”; 而且可以提高粮食产能, 增强农田碳汇功能, 促进国家粮食安全与碳中和目标的共赢。

3.2助力作物生产碳中和的减排固碳途径
3.2.1 稻田CH4减排途径本研究估算表明, 稻田CH4排放占作物生产碳排放的50.3%。

华东、华中地区甲烷排放较高, 主要由较大的水稻播种面积引起[3]; 同时从水稻单位播种面积排放量来看, 华南和华中的双季稻区因生态背景温度高, 所以其单位播种面积的碳排放要高于其他水稻种植区; 而华北地区和西北地区的甲烷排放则较小。

尽管华东地区近20年双季稻播种面积有所减少, 但总的水稻播种面积变化不大, 仍以中稻和一季稻为主, 2018年中稻和一季稻播种面积所占比例将近65% [3]。

华中地区水稻总播种面积呈增加趋势, 且以中稻和一季稻为主。

因此, 华东和华中地区在保证稻米供应充足的基础上, 需进行水稻丰产和稻田甲烷减排的稻作模式创新, 并大范围推广; 华南地区可探索新型的稻作制度, 适当减少双季水稻播种面积, 增加经济作物、蔬菜、绿肥等作物的复种。

生产上可以通过选择低排放水稻品种、有机物腐熟还田、稻田增氧耕作、微生物增氧以及水稻生长前期控水增氧等途径实现稻田CH4减排。

现有研究表明, 通过高产低排放水稻品种选育、双季稻改单季稻、水稻直播等轻简化种植、优质丰产栽培等技术创新及稻作区北移等措施, 解放以来我国水稻单位播种面积和单位产量的CH4排放均显著下降[30-31]。

实践也证明, 高产低碳稻作模式下可实现水稻增产5%, 稻农节本增效15%, 实现CH4减排30%以上的效果[32]。

可见, 稻田CH4减排目标可以通过品种改良和稻作技术创新及种植区划调整得以实现。

3.2.2 农田N2O减排途径我国农田N2O排放占作物生产碳排放的32.3%。

Tian等[33]研究认为农田氮肥投入是N2O排放的主要来源, 农田施肥引发的N2O排放占土壤总N2O排放增量的70%。

本研究发现, 华东地区的农田N2O排放最高, 尽管其单位播种面积用氮量(186.2 kg hm–2) [3]和排放量(0.79 t CO2-eq hm–2)低于华南地区, 但其较高的农作物播种面积导致其N2O排放最高, 华中地区与华东地区类似; 西北和华北地区两者农田N2O排放均较低。

这主要与我国中东部和东南部地区较高的施氮强度和氮肥用量有关[21]。

统计表明, 尽管2015年我国农业氮肥用量开始下降, 但以江苏省为例, 2018年的单位播种面积氮肥用量较1988年仍增加了36.1% [3]。

因此合理施用氮肥是减少农田N2O排放的主要途径[34]。

随着新型高效肥料产品、精量高效施用方法与机具、硝化抑制剂、配套的栽培管理措施等创新与应用, 以及作物布局优化和用地养地结合等种植制度调整, 氮肥利用效率逐步提高, 可有效减少农田N2O的排放。

有研究表明, 与传统施肥量相比, 优。