FASE 亮文解读：新冠疫情下中国农业温室气体排放研究

　　作者单位：1. 昆山杜克大学自然与应用科学系；2. 昆山杜克大学环境研究中心。

　　为了研究新冠疫情对中国农业碳排放的影响，本研究系统地核算了2019至2021年间中国农业活动所产生的温室气体排放，包括作物和畜牧业生产以及农业物资和能源投入。研究之后发现，中国农业的净温室气体排放量 (NGHGE) 在这三年内呈现增长趋势。其中，CH4排放在总排放中占比最高，超过65%，并且年度增长明显，主要由家畜肠道发酵和水稻种植引起。N2O排放约占总排放的22%，主要来自于氮肥施用和粪便管理，其排放量在研究期间会降低。CO2排放约占18%，柴油使用和农业电力消耗是其大多数来自，占了超过60%的份额。土壤碳固存对温室气体排放有约6.1%的抵消作用。家畜肠道发酵和水稻种植的 CH4排放合计占总温室气体排放量的50%以上。疫情期间畜牧业的变动是导致净温室气体排放变化的主要原因。

　　全球变暖趋势加剧，IPCC多个方面数据显示农业活动产生的温室气体排放占人类活动总排放的23%至30%。预计到2070年，农业源的CH4和N2O排放量将分别比2010年增加47%和50%。中国作为农业大国，其作物种植和畜牧业种类非常之多，加之农业投入品和能源使用近年来明显地增加，导致区域间温室气体排放差异显著。因此，掌握中国农业温室气体排放的总量、结构和区域特点对于制定有效的减排政策至关重要。

　　现有研究多集中于农业碳排放，对碳固存研究较少，且少有研究将两者结合。此外，研究多局限于作物生产，对畜牧业生产关注不足。因此，全面评估农业碳足迹显得很迫切。

　　联合国报告说明，新冠疫情期间主要温室气体浓度持续上升，但关于该时期中国农业碳排放变化的报告尚缺。本研究旨在填补这一空白，依据2011年《省级温室气体清单指南》，核算2019至2021年中国各地区农业系统的净温室气体排放，分析疫情期间的变化趋势，并探讨土壤碳固存的潜力，为制定低碳农业政策提供科学依据。

　　2. 农业系统内GHG排放的结构：在这三年中，CH4排放在中国农业NGHGE中所占比例最大，分别为65.7%，66.3%和66.8%，呈现持续增长。N2O排放的比例在2019年为22.1%，2020年略增至22.2%，2021年降至21.7%，呈现波动趋势。CO2排放比例最小，2019年为18.4%，2020年降至17.5%，2021年略增至17.7%。土壤碳储存的变化导致的温室效应潜力变化范围在6.11%至6.22%之间。显然，CO2、N2O和CH4排放的联合影响是中国农业NGHGE波动的主要原因。

　　3. 不同GHG排放源的结构特征 (图2)：从2019年到2021年，农业碳源对GHG排放的贡献从高到低依次为：肠道发酵 水稻生产 化肥使用 粪便管理的N2O排放 粪便管理的CH4排放 柴油使用 农业电力使用 塑料覆盖 农药使用 农田间接排放 秸秆还田 粪便还田。其中，肠道发酵和水稻生产的CH4排放最高，年均分别占28.2%和22.8%，两者合计贡献在三年期间超过50%。秸秆还田和粪便还田的贡献最低，年均分别为1.5%和0.5%。

　　4. 20192021年中国农业不同GHG排放的结构特征 (图3)：CH4排放从2019年的4.79×108吨增加到2020年的4.85×108吨，并在2021年达到4.95×108吨。年增长率分别为1.1%和2.1%，表明上涨的速度有所放缓。在排放源方面，肠道发酵和水稻生产的CH4排放显著。2019年，这些源分别占CH4排放的50.4%和39.1%。三年中，肠道发酵的CH4排放比例保持在48%以上。水稻生产的CH4排放比例呈现下降趋势，2020年和2021年分别为38.8%和37.8%，与前一年相比分别下降了0.6%和2.5%。

　　图3 20192021年中国农业不同碳源对温室气体排放的贡献比例。

　　5. 粪便管理中CH4排放的变化 (图4)：粪便管理的CH4排放从2019年的5.05×107吨增加到2020年的6.38×107吨，增长了26.3%。2021年，粪便管理的CH4排放进一步增加到6.92×107吨，年增长率为8.6%。其中，猪粪管理的CH4排放最大，三年内从75.3%增加到81.0%。然而，非牛粪管理的CH4排放比例从2019年的12.1%下降到2021年的10.9%，显示出三年的下降趋势。

　　图4 20192021年中国畜禽粪便管理甲烷排放总量及排放占比。

　　6. N2O和CO2排放的空间特征 (图5)：中国农业的NGHGE存在非常明显的区域差异，导致不一样的地区的NGHGE具有不一样的区域特征。黑龙江、湖南、广东和四川是农业NGHGE最高的地区。高排放区域大多分布在在东北、中部、南部和西南地区的重要农业区。相反，西部和中部欠发达的农业地区净排放相对较低。

　　图5 2020年中国温室气体排放总量前四大省份农业各类排放源占比。(a) 黑龙江，(b) 广东，(c) 湖南，(d) 四川。

　　1. CH4排放特征：CH4排放主要由肠道发酵、水稻种植和粪便管理引起，其中肠道发酵和水稻种植占总排放量85%以上。湖南省因水稻种植培养面积大，CH4排放量居全国之首。猪粪管理对CH4排放贡献显著，受生猪产业规模直接影响。

　　2. N2O排放特征：氮肥使用和粪便管理是N2O排放的主要源头。不同省份因农业结构不同，这两大来源在总排放量中所占比例各异。河南省的N2O排放中，氮肥使用和粪便管理各占相当比例，而广西则以氮肥使用为主。优化肥料使用和粪便管理是降低N2O排放的关键。

　　3. CO2排放特征：CO2排放占农业温室气体排放近20%，各省份因农业投入差异，CO2排放比例不一。现代化农业地区如江苏、广东需关切农业电力使用产生的排放。提高柴油机效率、采用清洁能源和控制电力消耗是减少CO2排放的有效策略。

　　4. NGHGE趋势：20192021年，中国农业NGHGE逐年上升，超过7亿吨CO2当量。CH4、N2O和CO2排放均呈增长态势，其中CH4排放量最高，年增长率超过2%。

　　5. 土壤碳固存作用：20192021年，农业碳排放中超过6%通过土壤固存。土壤碳固存是农业ECO中重要的碳汇，通过提高土壤有机碳含量，不仅能减少大气CO2浓度，还能提升土壤肥力和作物产量。

　　6. 疫情对农业的影响：COVID-19对农业生产特别是畜牧业产生显著影响。2020年，猪粪管理的CH4排放量同比增加33%，2021年增长率降至11%。疫情导致的供应链中断和需求减少是排放量增加的主要原因。

　　本研究显示，中国农业温室气体排放的重要的条件包括肠道发酵、水稻种植和猪粪管理，湖南省在排放与区域结构间有紧密联系。家畜业的变动突显了碳足迹差异，指出了针对性措施的迫切性。N2O排放需创新策略，CO2排放则需地区化减排政策和清洁能源转型。2019至2021年间，温室气体排放呈上涨的趋势，总量超过7亿吨CO2当量。湖南省排放量最高，但土壤碳固存提供了有效抵消。黑龙江省净排放量最大，需制定针对性减排措施。土壤碳固存对减排贡献超过6%，凸显了免耕、休耕和利用秸秆、粪便资源的潜力。疫情对猪粪管理的影响揭示了行业的脆弱性。低碳农业的重点是节能、减少化肥使用，并建立全面的农业数据库。这些发现为实现更绿色、韧性的农业未来提供了指导。

　　由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。