“双碳”问题 | 双碳背景下中国农业碳排放分布动态及减排路径
双碳背景下中国农业碳排放分布动态及减排路径
葛继红 孔阿敬 王猛
（南京农业大学经济管理学院, 江苏 南京 210095）
摘要：中国“双碳”目标已经明确，作为人类衣食之源的农业，也是碳排放的重要来源，合理有效地控制其碳排放量是一项紧迫的任务。文章测算了中国农业碳排放量，分析中国农业碳排放的现状及其变动趋势。研究发现：（1）2010—2020年中国农业碳排放总量总体呈上升趋势但存在年际波动，且2016年的农业碳排放量处于近年来最高值；（2）种植业仍是农业碳排放的最大源头，极具减排潜力，短期来看，应成为农业减排的重点；（3）能源消耗随着农业发展而改变，长期来看，电力和汽油能源的消耗应成为减排的重点。因此，应将强化农业环保政策、加快农业技术创新以及大力推广清洁能源作为农业碳减排的重点内容，在既保证农业生产又满足居民基本需求的同时助力中国“双碳”目标的实现。
一、引言
气候变化给人类及生态系统带来一系列的危机，碳减排已成为人类应对气候变化的重要手段。在这一背景下，中国提出了“2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的目标，并首次将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局。党的二十大报告再次强调，到2035年我国发展的总体目标之一是“广泛形成绿色生产生活方式，碳排放达峰后稳中有降”，尤其要从“生产方式和生活方式”两方面来加快发展方式绿色转型。可以看出，碳减排将是中国未来中长期乃至远期发展最重要的任务之一。农业是国民经济的基础，也是温室气体排放的重要来源之一，产生了全国15%的碳排放量[1]。联合国粮食与农业组织指出，如不把农业温室气体排放量的增长计入，则《巴黎协定》的目标将无法达成。与二三产业不同，农业具有重要的碳吸收（碳汇）功能，即农业生态系统不仅可以抵消掉农业生产排放的80%的温室气体，还能抵消掉二三产业生产排放的的大量温室气体，是实现我国“双碳”目标以及应对全球气候变化的重要引擎。2021年农业农村部等六部门联合印发的《“十四五”全国农业绿色发展规划》中提出，构建绿色低碳循环发展的农业产业体系，增强农业减排固碳能力。党的二十大报告也明确指出，要通过提升生态系统碳汇能力，积极稳妥推进碳达峰碳中和。然而，近年来随着我国人口以及居民需求的不断增长，对农业资源的消耗也不断扩张，预期在未来几年，农业碳排放仍可能呈上升趋势。那么，如何在满足居民基本需求与促进农业绿色发展、实现国家“双碳”战略目标之间，找到一条符合农业碳减排的道路显得尤为重要。
目前，学者关于农业碳排放的研究主要有以下几个方面。一是关于农业碳排放的测算。在测算指标上，部分学者认为农业碳排放是指化肥、农药、农膜、柴油、翻耕、灌溉等部分释放的碳[2]。也有学者认为农业碳排放的碳源应该包含水稻种植、土壤管理、肠道发酵和禽畜粪便与能源消耗等部分[3]，或在此基础上进行更详细的补充，例如韦玉琼和龙飞[4]把农业碳源分为稻田、化肥、农药、猪、牛、羊、柴油、汽油、天然气、电力等18小类。在测算方法上，主要包括排放因子法、能值转换法、生命周期法、投入产出法、模型法等，其中，排放因子法是比较主流的测算方法[5]。二是关于农业碳排放的影响因素。相关研究表明，农业人口[6]、地区经济发展水平[7]、城镇化[8]对农业碳排放有促进作用；农村产业结构[9]、农业公共投资[10]对农业碳排放有抑制作用；农地经营规模对农业碳排放既具有直接影响，也产生间接影响[11]。三是关于农业碳排放的峰值预测。目前关于峰值的预测主要由两种思路：一种是基于系统模型对达峰值进行预测[12]；另一种是先对碳排放进行因素分析再结合情景分析对未来的碳排放进行模拟预测[13]。四是农业碳排放的减排政策。多数学者认为农业要想率先实现碳减排，需要政府、市场、社会等主体积极参与，协同工作[14]。也有学者采用准自然实验方法对现行相关政策的碳减排绩效进行了评估，研究发现低碳城市试点[15]、碳排放交易试点[16]等显著抑制了碳排放。具体到农业方面，政府实施农业政策可以通过农业技术创新的传递作用于农业，进而减少农业碳排放[17]。此外，农业碳汇补贴制度[18]、高标准基本农田建设政策的实施也具有农业“碳减排”的效果[19]。
相对于现有的研究，本文主要的边际贡献有以下两点：第一，农业碳排放测算更精准。以往的研究很少考虑农业生产用电产生的碳排放或者直接使用农村电力代替农业生产用电，这样都会使测算结果出现一定的偏误，本文引入农业生产用电，可以使计算结果更加接近农业碳排放的真实值。第二，对农业净碳排放的构成及变化趋势进行了分析。农业具有重要的碳汇功能，现有研究很少关注到这一点或者忽视其与碳排放的相互关系，本文通过计算农业碳汇量，可以进一步从宏观层面探究农业净碳排放的变动趋势，为实现全国“碳中和”提供有益的参考。
二、研究方法与数据来源
本文针对我国农业所涉及的17个排放因子的碳排放量进行讨论。在评价农业绿色发展水平中，中国农业科学院（2021）把“资源节约保育”“生态环境安全”两个方面作为农业绿色发展水平的重要衡量指标。结合实际情况，本文把所选的碳源划分为产业资源碳源（种植业、养殖业）与生态环境碳源（原煤、汽油、柴油以及农业生产用电等能源）两个层面。
1.农业碳排放的测算方法。本文把农业碳源划分为产业碳源和生态环境碳源两个层面，其中，产业碳源包括了种植业（水稻种植与耕地管理）和养殖业（牛、马、驴、骡、猪、羊以及家禽）两个部分；生态环境碳源主要指直接能源（原煤、柴油、汽油）和间接能源（农业生产用电）两个部分。采用排放因子法（计算公式略），相较于其他碳排放计算方法，该方法具有相对成本低，估算效率高的优点。
2.关于碳排放系数的确定。第一，参考闽继胜和胡浩[20]的相关研究，同时考虑到地区和产品种类的差异，本文水稻种植产生的甲烷的排放系数以《省级温室气体清单编制指南（试行）》（2011年）列出的排放系数为准，具体数值如表1所示。第二，耕地管理中投入的化肥、农药、农膜以及土地翻耕的碳排放系数分别为0.8956（千克碳/千克）、4.9341（千克碳/千克）、5.18（千克碳/千克）和312.6（千克碳/平方千米），该数据来源于美国橡树岭国家实验室、南京农业大学农业资源与生态环境研究所和中国农业大学生物与技术学院。第三，养殖业碳排放主要包括两个方面：肠道发酵引起的甲烷排放和禽畜粪便管理中的甲烷和氧化亚氮排放（根据《京都议定书》，以二氧化碳的100年全球变暖潜力值为基准，1吨甲烷产生的温室效应相当于排放21吨二氧化碳，1吨氧化亚氮产生的温室效应相当于排放310 吨二氧化碳），具体到中国，牛、马、驴、骡、猪、羊以及家禽是导致甲烷和氧化亚氮产生的主要牲畜品种，根据《中国畜牧业年鉴》来确定牲畜的年末存栏量，其次，参考《省级温室气体清单编制指南（试行）》（2011年），肠道发酵和禽畜粪便管理产生的碳排放系数见原文表2、表3。第四，能源消耗的碳排放系数。根据《省级温室气体清单编制指南》（发改办气候〔2011〕1041号）和《综合能源计算通则》可知，原煤、柴油、汽油以及农业生产用电的碳排放系数分别为1.9（千克碳/千克）、3.1（千克碳/千克）、2.93（千克碳/千克）、0.997（千克碳/千瓦时）。
目前，农业碳汇主要测量方法有以下三种：农田土壤的固碳测算、农作物光合作用的固碳测算以及秸秆还田的固碳测算。相对于其他方法，农作物光合作用使用的净初级生产力模型最为准确，也是应用较广泛的碳汇测算方法。参照已有研究[21]，本文使用农作物光合作用的固碳法，即作物光合作用形成的净初级生产量，主要测算三种粮食作物碳汇量，计算公式略。
本文所涉及的不同年份农业碳排放相关数据来源于历年的《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国电力年鉴》和《中国农业年鉴》以及各省市统计年鉴、经济发展公报等。数据收集过程中出现的缺失数据采用线性插值法予以补充，对于某些特定地区在特定年份消耗极少的资源，数据显示为零，对这部分数据采取剔除处理。
三、全国农业碳排放的构成及变动趋势
根据分析结果可知，我国农业碳排放总量在2010—2020年整体呈上升趋势。具体来看，其中2010—2016年呈快速增长趋势，且在2016年达到最大值，随后三年出现下降趋势，这与王学婷和张俊飚[22]以及金书秦等人[23]的研究结果大体一致，但令人意外的是，在2020年碳排放量又出现了一次增长。从农业碳排放的构成来看，在2010—2020年期间，碳排放在结构上没有发生显著变化，在17小类碳源中，碳排放量由大到小位于前六位的分别是：农业用电、化肥、耕地、水稻种植、牛（非奶牛）、猪。其他年份的主要碳源结构与2020年碳源结构比较类似，只是顺序略有不同。
对于2016年出现的极大值，本文很难准确地断定其是否为峰值。实际上，2017—2019年期间，农村直接能源与间接能源消耗呈增长趋势，碳排放下降的主要原因是牛（非奶牛）和猪的养殖量减少，进而引起畜禽养殖业碳排放量下降，这两类碳源也是农业碳排放17类碳源的主要碳源之一。其变化可能与近来年国家所规定的禁养区内养殖场拆迁政策以及非洲猪瘟的产生具有一定关联性，且这两类碳源的变动幅度也较为明显。养殖业本身具有一定的波动性，不仅受到市场风险、农户偏好认知的影响，而且也受国家宏观政策的影响，当养殖业规模减少时，农业碳排放量可能也会相应的减少。而在2020年，畜禽养殖业的碳排放量出现了上升趋势，主要原因是，牛（非奶牛）、猪和绵羊的养殖量较前一年明显增长，尤其是生猪养殖量的反弹。与此同时，能源消耗继续保持增长趋势。上述两方面原因共同导致了2020年农业碳排放量的上升。
与养殖业碳排放的波动趋势不同，种植业碳排放在测算期间内呈现出小幅度的下降趋势，主要原因在于农业技术进步与环境规制加强。2015—2020年期间，全国种植业中的农用化肥与农药已经连续五年持续下降，一方面与国家宏观层面开展的化肥农药零增长行动有关；另一方面则是因为侧深施肥、测土配方、有机肥替代化肥、绿色防控等一系列农机化绿色技术的应用，而这也将成为农业未来减排的重点内容。
能源消耗同样是农业碳排放的重要碳源，且该部分产生的碳排放所占全国农业碳排放比重由2010年的23.1%增长到2020年的30.8%。其中，农业生产用电产生的碳排放增长尤为突出，2010年农业用电所产生的碳排放在全国农业碳排放所占比重为13.7%，而到了2020年该比重高达17.2%，增长速率为农业17小类碳源中最快的一个，按照现有的趋势来看，未来几年仍将可能继续增长。此外，近年柴油与原煤的使用量较为稳定，分别在6000万吨、4600万吨，而汽油的使用量变化较大，由2010年的491.8万吨增长到2020年的1484.2万吨，这与农业机械化水平的提升具有一定的关联。
产业资源碳源主要指种植业与养殖业两大类碳源。其中，种植业包括了水稻种植、化肥、农药、农膜以及耕地管理五小类碳源。2010—2020年期间，种植业碳源在农业碳排放中占据了绝对的地位，也是最大的产业碳源，在农业碳排放中所占比例年均高达46.7%。其中，化肥和农药所的产生碳排放均呈明显下降趋势，相比于2010年，2020年它们所产生的碳排放分别减少了520万吨和808万吨；而农膜与翻耕土地所产生的碳排放则出现小幅度的增长，这与居民种植大棚蔬菜规模的扩大具有一定的联系。
养殖业也是我国重要的农业碳源。一方面，我国人口基数大，对肉类的总需求也相对较大；另一方面，随着居民收入水平的不断提高，加剧了对肉类及其加工产品的需求，两者均会加速畜牧业的发展及相应碳排放。如果把整个养殖业看作一个整体的话，那么养殖业将会是仅次于种植业的第二大农业碳源，以2020年为例，养殖业所产生的碳排放为3.48亿吨，占农业碳排放的比重为28.89%。
根据分析结果可知，我国的农业养殖产业中的肠道发酵与粪便管理所产生的碳排放呈先增后减的趋势，在2015年达到最高点的3.63亿吨，并在2020年下降到3.48亿吨。养牛（非奶牛）与养猪作为养殖业中最要的组成部分，其碳排放量在养殖业碳排放中所占比重超过60%。2016年养殖业碳排放下降的部分原因主要是牛与猪数量锐减，相比于2015年，养牛数量与养猪数量分别减少了370万头、2342万头；此外，家禽的数量则由2010年的110亿只增加到2020年的159亿只，其产生的碳排放也增加了1167万吨，此外，羊、马以及其他禽畜养殖数量则波动较小，对整个农业碳排放的影响也较小。
随着农村居民生活水平的提高，居民会加剧对畜产品的需求。根据《中国统计年鉴》相关数据显示，农村居民人均肉类消费量由2010年的15.8千克（猪肉为14.4千克）提升到2020年的24.8千克（猪肉为18.2千克）、人均禽类消费量由2010年的4.2千克增长到2020年的12.7千克。相关研究也显示，随着生活水平的提升，居民通过增加植物类食品（蔬菜、水果）的消费对肉类的替代进而减少肉类的消费。但是，这种现象一般出现在人均收入水平较高的发达国家[24]，对于现阶段仍处于发展中的中国而言并不适用。因此，畜产品需求上升将给农业碳减排带来一定的压力。
生态环境碳源主要包含了原煤、汽油、柴油以及农业生产用电等能源的使用。生态环境碳源也是农业碳排放的重要一环，且随着数字农业与智慧农业的推行，在未来的农业生产中的地位越来越重要。具体而言，能源消耗的碳排放量所占农业碳排放的比重由2010年的23.1%增长到2020年的27.1%。其中，原煤碳排放量自2017年后保持平稳下降趋势，原煤消费的占比已经由长期最主要的来源构成逐渐被其他能源替代，因此，煤炭消费的减少可作为实现农业碳减排过程中的重要驱动因素。自2016年，中国从行业层面正式开始煤炭减量工作。此外，国家发改委印发的《重点地区煤炭消费减量替代管理暂行办法》，也在引导农企有序开展煤炭清洁高效利用改造，加快推动农企减污降碳，旨在降低并稳定农业的煤炭消费量和消费比例。因此，煤炭消费的碳排放可视为已在2017年近似达到峰值。
直接能源消耗中的柴油使用量总体呈下降趋势，可能与产业结构不断调整、天然气等替代能源的不断发展有关；而直接能源消耗中的汽油使用量则呈上升的趋势，2020年农业汽油消耗所产生的碳排放占整个农业碳排放的比重为1.2%，这可能与居民拥有农机数量的增加有关。农业用电碳排放是农业碳排放中单项碳源最大的部分，2010—2020期间，年均碳排放约为1.6亿吨，2020年占农业碳排放的比例高达17.2%，占能源使用碳排放的63.5%。农业用电产生的碳排放无论是绝对量还是相对量均呈现出快速增长趋势，对农业碳排放总量的影响较大，在农村“减煤强电”为主要特征的能源结构转型升级以及农业生产、农产品加工体系不断完善之下，农业电力在短期内还将继续增长，这将会成为农业减排的重点方向。
部分年份全国碳汇量见原文图3，2010—2020年，水稻、玉米、小麦碳汇量均呈上升趋势，其中玉米的增幅最明显，水稻增幅最小。从种类上看，2010—2013年全国水稻碳汇量最高，2014—2020年玉米碳汇量最高，且小麦碳汇量在三种作物中始终最低。从地区分布上来看，全国粮食农作物碳汇量由东向西呈递减趋势，即东部地区三种粮食作物碳汇量最高，中部次之，西部最低，且南、北方省份碳汇量差异明显，南方省份以水稻碳汇量为主，碳汇总量高，北方省份以玉米碳汇量为主，碳汇总量低[25]。对比省际碳汇量，碳汇量较高的省份有黑龙江、江苏、河南、山东等，一方面是因为这些地区自然条件优越，粮食作物种植规模较大；另一方面随着农业技术的进步，促进粮食单产不断提高。碳汇量较低地区有北京、上海、海南、宁夏、青海等，其中，北京、上海属于国家的政治中心与金融中心，第三产业比较发达，而农业规模相对较小，粮食作物种植面积也较小，粮食作物碳汇量低。 宁夏、青海所处地理位置较为特殊，日照时间长、辐射强，昼夜温差大；海南地处热带北缘，光温充足，光合潜力高，这三个省份粮食作物种植面积较小，且农业发展水平不高，粮食作物单产低，粮食作物碳汇量也相对较低。
农业净碳排放是指农业中产生的碳排放减去农业中碳吸收量所得的净值。通过上文计算所得的碳排放与碳汇量可以得到全国的农业净碳排放量。通过对净碳排放的分析研究，对于农业助力全国“碳中和”目标有一个更加清晰地了解。与农业碳排放以及农业碳汇趋势变化有所不同，2010—2020年的全国农业净碳排放总体呈下降趋势，在2015年与2020年农业净碳排放出现上升趋势，其他年份的农业净碳排放均为下降，这是一个比较良好的发展趋势。具体来看，2010年农业净碳排放量为73975万吨，2020年农业净碳排放量为68927万吨，共减少了5048万吨。这一结果对于我国早日实现“碳中和”的愿景无疑是一个良好的开端。
四、结论及政策建议
农业绿色发展是生态文明建设的重要内容，推动农业碳减排对于实现我国“双碳”战略目标具有重要意义。本文利用排放因子法，测算了2010—2020年全国农业碳排放，并对农业碳排放及其内部变化趋势进行详细分析，研究结果表明：（1）整体而言，我国农业碳排放总量在2010—2020年总体呈现波动上升的趋势。具体而言，在2016年之前农业碳排放呈增长趋势，2016年之后农业碳排放出现下降趋势，2020年农业碳排放再次上升。（2）如果把种植业看成一个整体，那么种植业仍是农业碳排放的最大源头，但是随着环境规制增强与绿色农业技术的大力推广，种植业碳排放将会得到有效的控制。（3）农业生产用电在短期内还将继续增长，有效解决农业生产用电的碳排放将会成为政府未来重点关注的问题。（4）农业碳汇总量呈增长趋势，净碳排放量呈下降趋势，有助于农业早日实现“碳中和”愿景。
1.强化农业环保政策。自2016年农业部印发《到2020年化肥农药使用量零增长行动方案》，全国的化肥农药取得了显著成效，连续多年持续下降，有效地实现了投入品“减量增效”。在未来，政府应该继续出台相关行动方案。2021年农业农村部等六部门印发《“十四五”全国农业绿色发展规划》，对农业绿色发展工作作出系统部署，但我国农业绿色发展仍处于初步阶段，相关的制度体系不健全，亟需进一步出台与新发展格局相适应的农业碳达峰、碳中和的相关法律法规[26]，通过法制化、制度化，确保农业“双碳”工作稳定可持续。
2.加快农业技术创新。充足的资金投入是农业绿色发展的重要基石。2021年中央投入农业绿色发展相关资金近440亿元，但在中央一般公共预算主要支出项目资金中占比不到2%。因此，首先，应加大对农业绿色发展的资金投入，优化农业生产投入结构，促进生产结构升级，通过整合农业资源，提高使用效率，保障农业的可持续发展资金充足。其次，合理运用所投入资金，进一步加快推进农业技术创新，并实现管理创新与技术创新，使之更好地运用到农业发展中。例如，针对规模化经营模式采取的新型免耕技术，但是其面对单个农户时效果并不理想，繁琐过程使得散养农户的采用率较低，因此，研发并推广普适的新技术是农业碳减排的必然选择。同时，合理地使用农业资金，加大引进农业科技人员，在农业现代化进程中，加大对农业人才的培训和投入，大力培养新型农业科技人才，才能更好地适应农业现代化发展的新要求[27]。
3.大力推广清洁能源。政府应加强宣传低碳经济，让居民深刻意识到发展绿色低碳农业的必要性与紧迫感，引导居民使用清洁能源替代高碳化石能源。原煤、汽油、柴油和电力等能源碳排放量在农业碳排放总量中占有较大比例。天然气虽然成本略高，但具有使用方便、干净卫生、产生单位热量的碳排放远低于原煤的特点，且随着原煤价格的不断上升，天然气也不再是高价商品。因此，政府可在全国范围内，制定相关的补贴政策，自上而下积极推广“气代煤”项目。此外，随着电力生产方式转型，火力发电在总电能中的比例也会逐渐下降，农业生产用电导致的碳排放也将逐步降低。因此，气代煤工程与清洁电能的推广将会促进农业能源消费结构升级，进而助力农业绿色发展。
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原文刊于《新疆农垦经济》2023年第4期，此处有删减
[基金项目]教育部人文社会科学研究一般项目（项目编号：18YJA790025）；中央高校基本科研业务费人文社会科学基金创新项目（项目编号：SKCX2020001）
[作者简介]葛继红（1976-），女，江苏盐城人，博士，教授，研究方向：农业经济；孔阿敬（1994-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向：产业经济；通讯作者：王猛（1998-），男，江苏徐州人，博士研究生，研究方向：农业经济。
