低碳農(nóng)業(yè)研究進展

魏 斌，張靈菲，葛慶征，張衛(wèi)國，江小雷

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州730020）

2003年，英國政府在能源白皮書《我們能源的未來：創(chuàng)建低碳經(jīng)濟》中首次提出“低碳經(jīng)濟”［1］，2009年12月哥本哈根世界氣候大會讓低碳經(jīng)濟成為全球熱點，受到各方面的高度關(guān)注。遏制氣候變暖、拯救地球家園是全人類的共同責(zé)任。每個國家、民族和個人都應(yīng)該本著對全人類負(fù)責(zé)的態(tài)度，高度重視應(yīng)對氣候變化問題，都應(yīng)該責(zé)無旁貸地行動起來，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的消費模式、發(fā)展方式和價值觀念，走低碳發(fā)展的道路，最終實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展［2］。低碳意味著環(huán)保、節(jié)能減排，意味著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和低碳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，意味著生產(chǎn)、生活方式和價值觀念的轉(zhuǎn)變。

1 低碳農(nóng)業(yè)的概念

低碳經(jīng)濟是以低能耗、低排放和低污染為基礎(chǔ)的綠色經(jīng)濟模式［3－5］。低碳經(jīng)濟形式上為減少溫室氣體排放，實質(zhì)上是經(jīng)濟發(fā)展方式、能源消費方式、人類生活方式的一次新變革。它將全方位地改造建立在化石燃料（能源）基礎(chǔ)之上的現(xiàn)代工業(yè)文明，轉(zhuǎn)向生態(tài)經(jīng)濟和生態(tài)文明。低碳經(jīng)濟的本質(zhì)就是通過產(chǎn)業(yè)部門的協(xié)作努力，最大可能地減少溫室氣體的排放，實現(xiàn)溫室氣體與經(jīng)濟發(fā)展的“脫鉤”。農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，經(jīng)歷了原始農(nóng)業(yè)階段、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段和現(xiàn)代工業(yè)化農(nóng)業(yè)階段，而以能源、機械、化肥、農(nóng)藥等投入要素為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)化農(nóng)業(yè)過程對生物多樣性和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此，發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)勢在必行。通過發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)，溫室氣體排放得以減少，進而發(fā)揮農(nóng)業(yè)在發(fā)展低碳經(jīng)濟中的作用，以此實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)由高碳農(nóng)業(yè)向低碳農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型。

低碳農(nóng)業(yè)是低碳經(jīng)濟的一個重要領(lǐng)域，是低碳經(jīng)濟在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的實現(xiàn)形式。低碳農(nóng)業(yè)是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營中排放最少的溫室氣體，同時獲得整個社會最大效益的技術(shù)，即：通過提高農(nóng)業(yè)的碳匯能力和減弱農(nóng)業(yè)的碳源能力，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)源溫室氣體凈排放不斷減少的目標(biāo)。發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)除了秉承低碳經(jīng)濟的內(nèi)涵之外，要突出資源高效利用、綠色產(chǎn)品開發(fā)、發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟，還要突出科技進步、產(chǎn)業(yè)升級、固碳減排，其關(guān)鍵在于提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的適應(yīng)性，同時降低農(nóng)業(yè)發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響，維持生物圈的碳平衡［6－8］。低碳農(nóng)業(yè)即生物多樣性農(nóng)業(yè)［9－10］，是為維護全球生態(tài)安全、改善全球氣候條件而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推廣節(jié)能減排技術(shù)、開發(fā)生物質(zhì)能源和可再生能源的新型農(nóng)業(yè)［11－12］，是一種全新的以低能耗、低排放和低污染為基礎(chǔ)的現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展模式［13］。它不僅提倡少施化肥、農(nóng)藥，進行高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且更注重農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整體過程中能耗的減少和低碳的排放。

低碳農(nóng)業(yè)是相對于當(dāng)前高能耗、高排放、高污染的現(xiàn)代工業(yè)化農(nóng)業(yè)而提出的新型農(nóng)業(yè)［14］。現(xiàn)代工業(yè)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥農(nóng)藥的廣泛使用，農(nóng)膜農(nóng)具的隨意廢棄，機械運作的大量排放，無一不是高能耗、高排放、高污染的行為。低碳農(nóng)業(yè)旨在減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，開發(fā)并使用生物農(nóng)藥，恢復(fù)生物多樣性；減少化肥的施用，進行高效綠色的生產(chǎn)，保護生態(tài)環(huán)境；優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展新型和可再生能源，降低化石能源的消耗，節(jié)能減排，遏制全球氣候變暖。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）估計，低碳農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以抵消約80%的因農(nóng)業(yè)過程導(dǎo)致的溫室氣體排放量，無需生產(chǎn)工業(yè)化肥，每年可為世界節(jié)省1%的石油能源，而不再使用這些化肥還能降低30%的農(nóng)業(yè)排放［15］。資源與環(huán)境是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然基礎(chǔ)，資源匱乏、環(huán)境保護、生態(tài)建設(shè)等現(xiàn)實困惑都要求人們必須發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)。低碳農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，建立循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式，有利于緩解資源貧乏的壓力，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［16］。

2 低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)《哥本哈根協(xié)議》，世界各國陸續(xù)向《聯(lián)合國氣候變化框架公約》秘書處提交或通報了2020年的減排目標(biāo)。其中挪威承諾的減排幅度最大，目標(biāo)是到2020年在1990年的基礎(chǔ)上減排30%～40%；美國承諾到2020年在2005年基礎(chǔ)上減排17%；日本承諾到2020年在1990年基礎(chǔ)上減排10%～20%；俄羅斯承諾到2020年在1990年基礎(chǔ)上減排20%～25%；中國承諾到2020年在2005年的基礎(chǔ)上將單位GDP的CO2排放量減少40%～45%；印度承諾到2020年單位GDP的CO2排放比2005年下降20%～25%［17］。為實現(xiàn)這些目標(biāo)，各國不僅在工業(yè)上做出了重大改革和調(diào)整，而且對農(nóng)業(yè)也給予了空前的重視和關(guān)注。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）新近指出，對地球大氣最近250多年觀察表明，溫室氣體主要來源于化石燃料、土地開發(fā)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)3個方面，而且農(nóng)業(yè)過程占總排放量的1／3左右，其中約25%為CO［18］。2

農(nóng)業(yè)是處于環(huán)境與發(fā)展沖突最前沿的一個基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)［19］，它既是溫室氣體排放的主要來源之一，其本身也受到氣候變化的嚴(yán)重影響［20］。對此，世界各國采取了許多有效措施，開展了各種形式的低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。印度克什米爾地區(qū)開展的自適應(yīng)農(nóng)業(yè)模式，不但可以減少農(nóng)業(yè)投入和生產(chǎn)成本，提高農(nóng)用地生產(chǎn)力，還可以減緩氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響［21］；美國和加拿大倡導(dǎo)的固碳農(nóng)業(yè)，不僅可固定大氣中的CO2和CH4，減少土壤碳的投入，而且還有利于提高生產(chǎn)力［22－23］；以奶業(yè)聞名于世的新西蘭，采用家庭式季節(jié)性有機放牧模式，機械和能源投入相對較少，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本，高效低碳，使其奶制品出口達90%，奶產(chǎn)業(yè)躋身于世界前列［24］；南美諸如巴西、智利、墨西哥和委內(nèi)瑞拉等國，廣泛建立種植園，生產(chǎn)木材，以生物燃料代替化石燃料，同時也減輕因造紙等行業(yè)對熱帶雨林的破壞，取得了良好的成效［25］；以色列是世界上水和耕地資源最匱乏的國家之一，但其采用先進的理念、管理和技術(shù)，開展節(jié)水農(nóng)業(yè)和精致農(nóng)業(yè)，不僅自給自足，其農(nóng)產(chǎn)品還出口其他國家和地區(qū)，成為世界上資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)的典范［26］；墨西哥低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的研究認(rèn)為，生物燃料的利用是農(nóng)業(yè)部門對低碳的最大貢獻［27］。之外，還有研究表明，與農(nóng)業(yè)相關(guān)的減排，主要來自于反芻動物CH4排放量的減少，其次為水稻（Oryza sativa）的CH4排放和化肥的溫室氣體排放量的減少。更有學(xué)者［28－30］提出，發(fā)展低碳經(jīng)濟既是技術(shù)經(jīng)濟問題，還是制度與體制問題。

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，經(jīng)濟的快速增長和未來能源需求的膨脹導(dǎo)致溫室氣體排放面臨巨大壓力［31］。我國不僅是世界上農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，各類自然災(zāi)害連年不斷，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而且也是一個人均耕地資源占有少、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟不發(fā)達、適應(yīng)能力非常有限的國家?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高投入、高能耗，雖然可大幅提高產(chǎn)量，但代價沉重，給人類帶來前所未有的“四大危機”：環(huán)境污染危害、農(nóng)產(chǎn)品殘毒危害、受能源制約的危害、農(nóng)業(yè)不可持續(xù)發(fā)展的危害。據(jù)2004年《中華人民共和國氣候變化初始國家信息通報》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示［32］，“我國每年生產(chǎn)農(nóng)用化學(xué)品、化學(xué)種植業(yè)、化學(xué)畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)折合消耗標(biāo)準(zhǔn)煤1．4億t，相當(dāng)于排放CO212．54億t，占全國溫室氣體排放總量的34．32%?！泵鎸@一嚴(yán)峻形勢，在“堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，以控制溫室氣體排放、增強可持續(xù)發(fā)展能力為目標(biāo)，以保障經(jīng)濟發(fā)展為核心，以節(jié)約能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、加強生態(tài)保護和建設(shè)為重點，以科學(xué)技術(shù)進步為支撐，不斷提高應(yīng)對氣候變化的能力，為保護全球氣候做出新的貢獻”的指導(dǎo)思想下，制定了“通過繼續(xù)推廣低排放的高產(chǎn)水稻品種和半旱式栽培技術(shù)，采用科學(xué)灌溉技術(shù)，研究開發(fā)優(yōu)良反芻動物品種技術(shù)和規(guī)?；曫B(yǎng)管理技術(shù)，加強對動物糞便、廢水和固體廢棄物的管理，加大沼氣利用力度等措施，努力控制CH4排放增長速度；通過繼續(xù)實施植樹造林、退耕還林還草、天然林資源保護、農(nóng)田基本建設(shè)等政策措施和重點工程建設(shè)，努力實現(xiàn)森林覆蓋率達到20%，力爭實現(xiàn)碳匯數(shù)量比2005年增加約0．5億t CO2”的農(nóng)業(yè)溫室氣體控制目標(biāo)［33］。據(jù)此目標(biāo)，開展了以“節(jié)能減排，恢復(fù)生態(tài)”為核心的低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。通過發(fā)展資源能源節(jié)約替代、集約復(fù)合種養(yǎng)、生態(tài)旅游、高效減災(zāi)及農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用等多種低碳型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式，以及免耕、節(jié)水、增施有機肥、病蟲害生物防治、新型農(nóng)作物育種等技術(shù)措施的推進，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和突破，增加科技對農(nóng)業(yè)發(fā)展的貢獻率和比較效益，應(yīng)對未來我國農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)［34］。

3 草地生態(tài)系統(tǒng)中的碳

草業(yè)科學(xué)是研究草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)，草業(yè)是農(nóng)業(yè)的一種特殊形態(tài)。它涵蓋了從草地資源到草地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的草地農(nóng)業(yè)的生態(tài)與生產(chǎn)的全過程的理論和技術(shù)，是大農(nóng)業(yè)科學(xué)的一個分支［35］。草地生態(tài)系統(tǒng)作為全球分布最廣的生態(tài)類型，是農(nóng)業(yè)自然自源的重要組成部分，其能量流通與物質(zhì)循環(huán)對全球氣候變化具有重大影響［36－37］。草地?fù)碛袕姶蟮奶紖R功能，草地對土壤碳匯的影響主要通過增加土壤碳庫和植被碳庫來實現(xiàn)。草地植物通過光合作用將大氣中的CO2固定并將其以有機物的形式儲存在植被和土壤中，對于固碳減排，緩解全球氣候變化有重要貢獻［38］。因此，發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)不能忽視草地生態(tài)系統(tǒng)中碳的作用。據(jù)德國全球變化咨詢委員會（WBGU）估計［39］，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量有46%在森林中，23%在熱帶和溫帶草原中。世界永久性草地面積為24億hm2，約為全球陸地總面積的1／5［40］，我國擁有各類天然草原近4億hm2，約占國土面積的41．7%［41］。根據(jù)IPCC［42］的報告，草地固碳量為1．3t·hm－2·a－1，以此推算，我國草地每年可固碳約5．2億t，折合CO219億t，可抵消我國全年CO2排放總量的30%［43］。草地碳匯不僅功能強，而且還擁有自己的特色。據(jù)Post等［44］對全球草原生態(tài)系統(tǒng)碳儲量所做的估算，平均碳儲量約為569．6Pg，其中植被層為72．9Pg，土壤層為496．6 Pg。Ni［45］應(yīng)用碳密度法并結(jié)合相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)對我國草原碳儲量進行了估算，數(shù)據(jù)顯示，我國草原總碳儲量為44．09Pg，其中植被層為3．06Pg，土壤層為41．03Pg，即地下部分的碳儲量遠(yuǎn)大于地上部分，說明草原生態(tài)系統(tǒng)與森林等其他陸地生態(tài)系統(tǒng)不同，沒有固定而明顯的地上碳庫，所固定的碳絕大部分貯存于地下土壤中［46－47］。這就意味著，當(dāng)遭遇火災(zāi)等大規(guī)模毀滅性災(zāi)害時，草原生態(tài)系統(tǒng)釋放到大氣中的碳僅為其固定的碳的很少一部分，遠(yuǎn)小于其他陸地生態(tài)系統(tǒng)。這是草原生態(tài)系統(tǒng)碳匯的一大特色，也是草地生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)固碳減排的一大優(yōu)勢。

草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程主要包括碳素的輸入，地上、地下生物量中的碳固定，土壤中有機碳的貯存，土壤呼吸作用（包括土壤微生物呼吸、活根系呼吸和土壤動物呼吸等生態(tài)過程）中碳的排放等環(huán)節(jié)。此過程受氣候變化及人類活動的極大影響。在各種陸地生態(tài)系統(tǒng)中氣候變化將首先對草地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，其中降水和溫度季節(jié)配置方式的潛在變化對草地生物學(xué)過程（如植物生產(chǎn)力、養(yǎng)分的生物地球化學(xué)循環(huán)）產(chǎn)生的影響比各氣候要素總量的變化更加重大。研究表明，氣候變化對草地碳循環(huán)的影響是多方面的。作為碳素輸入主要途徑的初級生產(chǎn)力主要取決于溫度和降水量的大小及其季節(jié)配置。因此，溫度和降水量，尤其是其季節(jié)配置方式的改變會直接影響到草地初級生產(chǎn)力的規(guī)模和碳素輸入量的水平。溫度和降水量是造成土壤有機質(zhì)分解速率的主要因素，氣候變化又會對草地土壤中碳素的貯量產(chǎn)生重大影響，這對于整個碳循環(huán)而言尤為重要［48］。

氣候變暖增加草地土壤水分蒸發(fā)，促進植物蒸騰作用［49－50］，加劇草地退化，由此產(chǎn)生的水分脅迫降低植被的固碳能力，從而導(dǎo)致草地生產(chǎn)力下降［51］。降水增加則改善土壤的水分供給條件，增強光合速率，從而提高生產(chǎn)力，增加固碳量。人類活動如草地開墾、過度放牧、火燒等對草地碳循環(huán)過程有明顯的影響。草地開墾主要導(dǎo)致土壤中有機碳的大量損失。研究表明［52－53］，草地開墾為農(nóng)田后會損失掉土壤中碳素總量的30%～50%，大量損失發(fā)生在開墾后的最初幾年，20年后趨于穩(wěn)定。放牧是最常見的草地利用形式，也是人類對草地施加的最為廣泛的干預(yù)方法。過度放牧是天然草地退化的主要原因，草地退化導(dǎo)致生產(chǎn)力下降和土壤有機碳減少；過度放牧可促進草地土壤的呼吸作用，從而加速碳素由土壤向大氣中的釋放。就全世界草地而言，在過度放牧下地上凈初級生產(chǎn)力中僅有20%～50%能夠以凋落物和糞便的形式歸還土壤［54］。降低牧壓、退牧還草、草原圍欄、禁牧休牧輪牧等保護性管理措施能有效遏制草地退化，逐步提高草地固碳能力［55－56］。

4 結(jié)語

低碳農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史上的又一次革命。低碳農(nóng)業(yè)不僅是一個是理論體系，也是一個技術(shù)體系，更是一種思想。盡管我國在低碳農(nóng)業(yè)領(lǐng)域做出了不懈努力，但是，無論是理論上，還是從實踐的范圍來看，都不夠深入。尚存在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不盡合理、低碳意識有待提高、理論創(chuàng)新緩慢、發(fā)展模式有待豐富的問題；低碳技術(shù)滯后，新型技術(shù)有待研發(fā)等問題尚待解決。此外，我國草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究基本上還處于起步階段，現(xiàn)有的研究雖然為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究奠定了一定的基礎(chǔ)，但其中的部分研究成果與低碳農(nóng)業(yè)實踐的結(jié)合并不十分緊密，有關(guān)碳循環(huán)的研究還存在諸多薄弱環(huán)節(jié)。因此，要確保低碳農(nóng)業(yè)的順利發(fā)展，需要切實發(fā)揮農(nóng)民的主體作用、政府的主導(dǎo)作用、技術(shù)的支撐作用和國際合作的橋梁作用。我國要根據(jù)各地區(qū)的實際情況，探索發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)的模式和思路。發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)不僅是我國農(nóng)業(yè)本身可持續(xù)發(fā)展的需要，而且也是我國應(yīng)對氣候變化的戰(zhàn)略選擇。所以，應(yīng)當(dāng)把發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)作為發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要內(nèi)容，從而深化對低碳經(jīng)濟的認(rèn)識，并完善低碳經(jīng)濟的體系，進而為我國順利實現(xiàn)高碳農(nóng)業(yè)向低碳農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型奠定堅實的基礎(chǔ)。

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