基于碳中和的農(nóng)業(yè)面源污染治理模式發(fā)展態(tài)勢芻議

吳昊平 ，秦紅杰 ，賀斌，尤毅，陳金峰，鄒春萍，楊思雨，郝貝貝*

1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境園藝研究所/廣東省園林花卉種質(zhì)創(chuàng)新綜合利用重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南都市農(nóng)業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510640

世界氣象組織（WMO，2021）關(guān)于全球氣候狀況的聲明顯示，自工業(yè)化以來全球氣溫上升趨勢明顯，2016、2019和2020年全球平均氣溫創(chuàng)下了3個高溫記錄，全球變暖趨勢日趨嚴(yán)重。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC，2021；程琨等，2021）認(rèn)為，工業(yè)化以來的全球溫度上升，98%歸因于人類活動，而人為源溫室氣體排放是最主要的驅(qū)動因子。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是最主要的溫室氣體，從1850—2020年，大氣CO2質(zhì)量濃度從 560 mg·m-3上升至 813 mg·m-3，全球平均溫度增加了1.09 ℃；作為非CO2溫室氣體，CH4和N2O的100年尺度全球增溫潛勢分別是CO2的34倍和298倍；且可預(yù)見溫室氣體排放量到2050年將持續(xù)增加 50%（Wang et al.，2013；IPCC，2021；Chen，2021；Wang et al.，2021）。如果溫室氣體排放繼續(xù)以目前的速度增長，將促使碳循環(huán)喪失動態(tài)平衡，最終導(dǎo)致氣候系統(tǒng)發(fā)生不可逆變化。為緩解全球變暖帶來的嚴(yán)重后果，控制溫室氣體排放已成為全人類的緊迫任務(wù)之一（Mathur et al.，2016；Wu et al.，2022）。

2015年12月12日《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約方會議簽署了具有里程碑意義的《巴黎協(xié)定》，所有締約國一致同意將全球升溫幅度控制在2 ℃內(nèi)，力爭在1.5 ℃以內(nèi)，以求在2050年實現(xiàn)碳中和（UNFCCC，2015；Anderson et al.，2016）。碳中和是指人類活動造成的碳排放與全球人為碳吸收量在一定時期內(nèi)達(dá)到平衡，也稱為凈零排放（Chen，2021；Wang et al.，2021）。目前已有100多個國家提出碳中和目標(biāo)承諾，并明確了碳中和時間表。2019年，歐盟委員會宣布?xì)W洲將在2050年建成全球首個碳中和地區(qū)；2020年9月，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上宣布，中國努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和；中共“十九屆五中全會”公報提出，作為“基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化遠(yuǎn)景目標(biāo)”的一部分，到2035年實現(xiàn)“碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降”（程琨等，2021；王斌等，2022）。碳中和目標(biāo)的提出既是中國的主動戰(zhàn)略選擇，也是實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在需求。

聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）最新研究報告顯示，世界糧食體系占全球人為溫室氣體排放量的1/3以上，糧食生產(chǎn)階段是目前整個糧食體系碳排放的主要貢獻(xiàn)環(huán)節(jié)，占排放總量的39%（謝立勇等，2022）。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是重要的溫室氣體排放源，是氣候變化的主要貢獻(xiàn)者，同時也是重要的碳匯，增強農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的固碳效應(yīng)既可有效減少溫室氣體排放，亦可有效提升地力和保障糧食安全。中國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放約為8.30×108t（以CO2計，下同），而農(nóng)業(yè)土壤固碳量為 0.50×108—1.00×108t·a-1，減排增匯將是中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)未來發(fā)展的新方向（王斌等，2022；謝立勇等，2022）。

1 農(nóng)業(yè)面源污染和溫室氣體排放現(xiàn)狀

全國污染源普查結(jié)果顯示，種植業(yè)、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是總氮、總磷和 COD的主要來源，其排放量分別為 2.705×106、2.847×105、1.324×107t，占排放總量的 57.2%、67.4%和 43.7%（武淑霞等，2018；楊林章等，2018）。農(nóng)業(yè)源污染物排放是造成中國水環(huán)境污染的主要來源，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源無法實現(xiàn)高效利用、農(nóng)業(yè)廢棄物無法實現(xiàn)資源化利用則是造成農(nóng)業(yè)面源污染的首要原因，全國每年化肥使用量達(dá)4.70×107t，利用率僅為35%左右；農(nóng)藥使用量約1.4×106t，利用率僅為30%左右；2017年全國秸稈產(chǎn)生量為 8.05×108t，秸稈可收集資源量6.74×108t，秸稈利用量 5.82×108t；2016 年全國每年產(chǎn)生畜禽糞污3.80×109t，綜合利用率不到60%；而中國農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物和農(nóng)村生活垃圾年產(chǎn)生量分別達(dá)到了5.80×108t和1.48×108t（卞榮軍等，2021；謝立勇等，2022）。農(nóng)業(yè)廢棄物、農(nóng)村垃圾、農(nóng)村生活廢水等大規(guī)模污染物和廢棄物是形成農(nóng)業(yè)面源污染的最主要原因，同時也是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)溫室氣體排放的最主要來源。

根據(jù)國家溫室氣體排放清單，2014年中國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量占全國溫室氣體排放總量的 8%，在非CO2溫室氣體排放中，農(nóng)業(yè)占比達(dá)48%。在農(nóng)業(yè)源總排放中，種植業(yè)占58.4%，養(yǎng)殖業(yè)占比41.6%，如果將生產(chǎn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、飼料等）和種植養(yǎng)殖過程能源消耗（水電、燃?xì)狻⑷加偷龋┧a(chǎn)生的溫室氣體也計入其中，則農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的溫室氣體排放占全國溫室氣體排放總量的比例將高達(dá)18%以上（程琨等，2021）。根據(jù)IPCC發(fā)布的清單指南，農(nóng)業(yè)溫室氣體主要排放途徑包括稻田排放、農(nóng)田施用氮肥排放、反芻動物腸道產(chǎn)生、畜禽糞便產(chǎn)生、種植養(yǎng)殖尾水和農(nóng)村生活污水產(chǎn)生等。農(nóng)田施肥、水稻種植、家畜飼養(yǎng)和糞便管理的排放量分別占全國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放總量的43%、20%、26%和 10%，此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗能排放量為2.30×108t CO2當(dāng)量，農(nóng)村生活耗能排放量為6.50×108t，累計占全國排放總量的15%左右（謝立勇等，2022）。

2 農(nóng)業(yè)溫室氣體減排和面源污染控制技術(shù)模式

目前針對溫室氣體的減排主要集中于能源、工業(yè)、交通、建筑、城市污染等領(lǐng)域，對農(nóng)業(yè)溫室氣體減排普遍存在重視不夠、認(rèn)識不足、推進(jìn)不力、研究不多等問題。國內(nèi)現(xiàn)有針對農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的研究工作主要側(cè)重于一些基礎(chǔ)性和框架性工作（唐博文，2022）：一是探究農(nóng)業(yè)溫室氣體成因和構(gòu)建排放清單，闡述農(nóng)業(yè)溫室氣體產(chǎn)生機(jī)理，重點分析非CO2溫室氣體的主要來源，建立省級農(nóng)業(yè)溫室氣體排放數(shù)據(jù)庫，通過制訂碳約束指標(biāo)統(tǒng)一農(nóng)業(yè)碳排放核算方法，歸納優(yōu)化溫室氣體排放模型，系統(tǒng)分析農(nóng)業(yè)活動對溫室氣體排放的貢獻(xiàn)強度（Liang et al.，2021；程琨等，2021；陳治池等，2022）；二是在宏觀層面和產(chǎn)業(yè)層面上分析農(nóng)業(yè)溫室氣體的減排路徑，構(gòu)建政府、市場、社會多方參與的減排制度體系，基于產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)和溫室氣體來源研究制訂減排路線圖，系統(tǒng)建立以碳排放為基準(zhǔn)的全流程節(jié)能減排綜合測算方法，推動建設(shè)綠色養(yǎng)殖、種養(yǎng)結(jié)合、生態(tài)循環(huán)等低碳農(nóng)業(yè)體系，穩(wěn)固提升農(nóng)業(yè)固碳減排效能（張岳等，2021）。

部分發(fā)達(dá)國家較早地開展了農(nóng)業(yè)溫室氣體減排方面的研究，相繼出臺多種措施通過農(nóng)業(yè)活動管理優(yōu)化、農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用、食物系統(tǒng)減排降耗等推動農(nóng)業(yè)固碳增匯和溫室氣體減排（唐博文，2022）。針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，各國主要通過推動發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)來實現(xiàn)農(nóng)田固碳減排。英國計劃到2050年將20%的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)為自然修復(fù)，以恢復(fù)土壤固碳能力；德國通過對既有條例的修改，實現(xiàn)對有機(jī)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供法律和財政支持；日本通過推廣直播稻和早稻栽培技術(shù)提高水分利用率和減少溫室氣體排放。針對畜牧養(yǎng)殖導(dǎo)致的溫室氣體排放，發(fā)達(dá)國家提出通過調(diào)整飼料成分和降低蛋白含量來減少動物腸道發(fā)酵CH4排放，同時強化糞便管理和完善糞污資源化循環(huán)利用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)畜牧養(yǎng)殖源溫室氣體減量減排。

農(nóng)業(yè)面源污染是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性過程，針對面源污染的治理修復(fù)必然要求基于整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)或流域出發(fā)，構(gòu)建完整的治理模式。流域農(nóng)業(yè)面源污染的防治要點在于建立流域范圍內(nèi)的評估模型與治理體系，通過面源污染模型進(jìn)行污染物監(jiān)測預(yù)警、負(fù)荷核算與關(guān)鍵源區(qū)識別，基于關(guān)鍵源區(qū)的位置選擇相應(yīng)的最佳治理措施，通過農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)的配置集成，構(gòu)建農(nóng)業(yè)面源污染全流域全過程治理體系，實現(xiàn)流域農(nóng)業(yè)面源污染防治模式的創(chuàng)立和發(fā)展（León et al.，2000；Liu et al.，2016；夏軍等，2012；武淑霞等，2018；楊林章等，2018；王萌等，2020）。

農(nóng)業(yè)面源污染模型是用數(shù)學(xué)方程描述參與水循環(huán)的組分所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物和生態(tài)學(xué)諸方面的變化、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系，確定水環(huán)境演變趨勢和污染物空間分布，對農(nóng)業(yè)面源污染情況進(jìn)行描述、評價、預(yù)測和預(yù)警的有效工具（夏軍等，2012；王萌等，2020）。隨著機(jī)理研究的深入與技術(shù)手段的發(fā)展，融合了“3S”技術(shù)和不確定性的改進(jìn)版分布式模型得到了充分發(fā)展，代表性模型如BASINS、ANSWERS、AGNPS（AnnAGNPS）和SWAT等在國內(nèi)外專業(yè)領(lǐng)域均獲得廣泛認(rèn)可和應(yīng)用（León et al.，2000；夏軍等，2012；王萌等，2020；賀斌等，2022）。

前人研究認(rèn)為面源污染治理修復(fù)體系由“源頭控制”、“過程攔截”和“末端凈化”三部分構(gòu)成：通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工藝達(dá)到減少農(nóng)業(yè)源污染物產(chǎn)生與排放的目標(biāo)，實現(xiàn)源頭控制；在農(nóng)業(yè)面源污染物的遷移途徑采用物理、化學(xué)或生物的方法進(jìn)行阻滯降解，降低污染物排放量，實現(xiàn)過程攔截；針對污染類型采取相應(yīng)工程措施進(jìn)行治理凈化綜合防控，實現(xiàn)末端凈化（武淑霞等，2018；楊林章等，2018）。楊林章等（2018）根據(jù)面源污染的形成和發(fā)展過程，歸納總結(jié)性地提出了“4R”策略，基于“4R”策略布局的技術(shù)在流程上相互銜接、在時空上全面覆蓋，構(gòu)成了全過程、全空間覆蓋的區(qū)域面源污染治理修復(fù)體系，實現(xiàn)氮磷減排與資源利用高度結(jié)合、農(nóng)業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)雙贏的目標(biāo)。

農(nóng)業(yè)面源污染來源和過程的不確定性，給治理修復(fù)工作造成極大的困難（楊林章等，2018），現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)面源污染治理研究和實施常局限于對氮磷元素和COD的減量控制層面，對溫室氣體排放尚缺乏高效的管控措施。此外，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)面源污染治理措施是利用各種復(fù)雜的技術(shù)手段來實現(xiàn)污水中污染物質(zhì)的分離、降解和轉(zhuǎn)移，其碳排放量可以達(dá)到社會總體排放量的1%—2%，也是一種消耗能源的高碳排放過程，實現(xiàn)面源污染治理碳中和任重而道遠(yuǎn)（廖秋陽，2022）。農(nóng)業(yè)面源污染與溫室氣體排放問題相伴而生、共存共現(xiàn)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染治理，解決農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境污染問題實際上與碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)殊途同歸。因此，在針對農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行治理修復(fù)的同時，必然要求促進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)固碳減排，降低農(nóng)業(yè)農(nóng)村生產(chǎn)生活溫室氣體排放強度，努力實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境健康與碳中和戰(zhàn)略共贏的目標(biāo)。

3 基于碳中和目標(biāo)的農(nóng)業(yè)面源污染治理集成技術(shù)模式

將溫室氣體排放納入農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)的性能評價范疇，并與出水質(zhì)量、運行成本等傳統(tǒng)性能評價指標(biāo)共同構(gòu)成農(nóng)業(yè)面源污染治理過程的多目標(biāo)優(yōu)化問題，將是在碳中和新形勢下構(gòu)建農(nóng)業(yè)面源污染治理模式的重要思路（Zhang et al.，2014；陳治池等，2022）。早在2010年國家發(fā)改委就在全國選取了7個省級地區(qū)作為試點開展省級溫室氣體清單編制工作。中國城市溫室氣體工作組（CCG）組織建設(shè)了中國產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放系數(shù)集（2022年），核算、計量和評估產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放，對管理溫室氣體排放和推動碳減排具有重要意義。陳治池等（2022）探究了污水處理系統(tǒng)中溫室氣體排放的機(jī)制，對國內(nèi)外建立的溫室氣體模型進(jìn)行了歸納，證實了碳中和趨勢下數(shù)學(xué)模擬技術(shù)在水質(zhì)預(yù)測、工藝參數(shù)控制優(yōu)化、溫室氣體排放及多目標(biāo)優(yōu)化問題以及資源回收等方面具有獨特優(yōu)勢。張岳等（2021）根據(jù)IPCC溫室氣體清單指南、“全國城鎮(zhèn)污水處理信息管理系統(tǒng)”和中國溫室氣體清單研究成果，系統(tǒng)建立了以碳排放為基準(zhǔn)的污水處理全流程節(jié)能減排綜合測算方法，提出污水處理和污泥處置碳排放核算方法和模型，為減污降碳項目決策和工程設(shè)計方案提供模型支撐。

完整的面源污染模型系統(tǒng)主要包括4部分：降雨徑流模型、侵蝕和泥沙輸移模型、污染物遷移轉(zhuǎn)化模型和受納水體水質(zhì)模型（夏軍，2012）。將溫室氣體排放模型納入農(nóng)業(yè)面源污染模型系統(tǒng)，重點分析污染物去除與溫室氣體排放的關(guān)聯(lián)機(jī)制，給出協(xié)同核算的具體步驟，集成多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行問題求解，實現(xiàn)面源污染過程中溫室氣體的監(jiān)測預(yù)警和減排治理，最終實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染防治與碳中和共贏（Diaz-Elsayed et al.，2019；王萌等，2020；陳治池等，2022；賀斌等，2022）：確定污染物去除協(xié)同控制溫室氣體的核算邊界、協(xié)同機(jī)制和核算方法，明確污染物去除的協(xié)同控制效應(yīng)和協(xié)同程度；優(yōu)化多目標(biāo)模型算法，提高帕累托最優(yōu)解集的收斂性和多樣性，研究溫室氣體排放、出水質(zhì)量和運行成本之間的權(quán)衡問題，量化溫室氣體減排潛力，實現(xiàn)減污降碳協(xié)同增效；將資源循環(huán)回用技術(shù)路線對碳排放及能量平衡的影響納入多目標(biāo)優(yōu)化研究，根據(jù)物料平衡同步評估污水治理與資源循環(huán)全生命周期的碳足跡，升級轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)線性模型為新型循環(huán)模型。

針對氮磷元素在流域水土環(huán)境中的生物地球化學(xué)循環(huán)過程、減排管理措施和治理修復(fù)技術(shù)，現(xiàn)有面源污染治理修復(fù)體系如“4R”等提供了完整有效的解決方案。在現(xiàn)有面源污染治理修復(fù)體系的基礎(chǔ)上納入碳減排技術(shù)模塊，整合升級形成基于碳中和的農(nóng)業(yè)面源污染治理修復(fù)體系，通過氮磷削減和溫室氣體減排，實現(xiàn)面源污染治理與碳中和雙贏：

（1）通過發(fā)展作物生產(chǎn)管理、動物養(yǎng)殖管理、秸稈糞污處置等措施技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染減污降碳。優(yōu)化農(nóng)田化肥和水的使用減少作物生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體排放，開發(fā)新型氮肥如緩釋/控釋氮肥、含硝化抑制劑氮肥提高氮肥利用效率，優(yōu)化種植系統(tǒng)和施肥灌溉制度以減少氮肥投入和N2O、CH4排放，利用轉(zhuǎn)基因和基因編輯技術(shù)選育氮利用效率高的作物品種以降低氮肥施用量（Shang et al.，2021；Dawar et al.，2021）；開發(fā)抑制H2代謝途徑的甲烷抑制劑，接種疫苗誘導(dǎo)宿主免疫系統(tǒng)產(chǎn)生能夠抑制產(chǎn)甲烷菌的抗體，培育新型高度易消化的草料品種以減少反芻動物消化草料過程中產(chǎn)生的甲烷排放（Wang et al.，2013；Subharat et al.，2016）；利用密封容器進(jìn)行糞污堆肥以減少碳氮損失，利用反滲透技術(shù)從液態(tài)糞污中提取回收氮磷元素，利用糞便生產(chǎn)動物飼料蛋白以減少飼料生產(chǎn)相關(guān)的溫室氣體排放，利用秸稈糞污生產(chǎn)生物炭再回用農(nóng)田以實現(xiàn)固碳增產(chǎn)（Harindintwali et al.，2021；Bai et al.，2021）。

（2）通過實施可持續(xù)性農(nóng)業(yè)管理、提高土壤固碳效率等措施技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染固碳增匯?？刂品拍谅省⒁胗幸娌萘衔锓N、延長間歇期固氮植物恢復(fù)時間有助于增加土壤碳匯和減少溫室氣體排放（Mahanta et al.，2020）；通過反復(fù)改變類似于稻田的氧化還原條件，通過為“微生物碳泵”提供動力來促進(jìn)土壤有機(jī)碳中的微生物多樣性和豐度以改善土壤中微生物殘體的儲存，提高固碳效率（Liang et al.，2017；Kastner et al.，2018）；利用生物炭改良土壤性質(zhì)可有效促進(jìn)土壤有機(jī)碳儲量（Wang et al.，2018；Yin et al.，2021）；提高因過度施用氮肥酸化土壤的堿度以避免土壤無機(jī)碳流失（Beerling et al.，2020）；提高地下水位以避免排干泥炭地，維護(hù)泥炭地穩(wěn)定碳匯（Zhong et al.，2020）。

（3）通過CCUS技術(shù)（碳捕集、碳利用和碳存儲）實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染碳凈零排放。CCUS技術(shù)包括 3個不同的過程：將 CO2從排放源中分離（capture）、轉(zhuǎn)化和利用（utilization）、運輸、地下儲存（storage）實現(xiàn)與大氣永久隔離（Wang et al.，2021）。研發(fā)低能耗化學(xué)動力多聯(lián)產(chǎn)CO2捕集技術(shù)、無焰化學(xué)循環(huán)燃燒技術(shù)、負(fù)排放技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn) CO2捕集和存儲（Jin et al.，1998；Li et al.，2017；Wang et al.，2021）；研發(fā)熱化學(xué)催化、光催化、電化學(xué)還原、酶和有機(jī)金屬轉(zhuǎn)化等先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化和利用（Beller et al.，2014；Li et al.，2016；Alves et al.，2017；Birdja et al.，2019；Hou et al.，2020）。

4 基于碳中和的農(nóng)業(yè)面源污染治理新技術(shù)的展望

4.1 可再生能源

化石能源的過度使用是溫室氣體排放的最主要來源，對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳中和造成嚴(yán)重阻滯，尋求清潔能源的任務(wù)迫在眉睫。在清潔能源中，可再生能源如太陽能、水電、風(fēng)能、地?zé)岷秃Ｑ竽艿?，被認(rèn)為是實現(xiàn)碳中和的最重要和最有效手段。來自于植物體的生物質(zhì)是一種可再生能源，提供了13%—14%的年度全球能源消耗量。生物質(zhì)最重要的來源是農(nóng)林廢棄物、城市固體廢物、動物廢物、人類污水和工業(yè)廢物中的生物材料。除了傳統(tǒng)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用，化學(xué)和生化轉(zhuǎn)化是近年來針對生物質(zhì)能進(jìn)行清潔低碳利用的研究熱點。比如通過酯化和酯交換將植物油和動物脂肪轉(zhuǎn)化為脂肪酸酯來生產(chǎn)生物柴油（Tursi，2019）；利用微生物和酶作為催化劑，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體燃料、天然氣、生物產(chǎn)品以及其他化學(xué)成分（Liu et al.，2021）。

太陽能是滿足低碳和無碳社會能源需求的理想解決方案，基于太陽能技術(shù)的一系列有效措施，是降低運行成本、減少碳排放的良好選擇，對實現(xiàn)碳中和具有不可替代的作用（Wang et al.，2021）?！肮夥?農(nóng)業(yè)”作為一種新興的農(nóng)業(yè)形式，是一個聯(lián)合光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全新產(chǎn)業(yè)模式，近年來在國內(nèi)外得到快速發(fā)展，創(chuàng)新發(fā)展了“光伏+種植業(yè)”、“光伏+畜禽業(yè)”、“光伏+漁業(yè)”等多種結(jié)合形式，通過對太陽能的高效綜合利用實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)降本增效、減污降碳（湯俊超等，2022）。浙江海寧市長嘯村建有面積713 m2的“農(nóng)光互補”食用菌基地，太陽能多晶硅組件安裝數(shù)量18880塊，總裝機(jī)量為5 MW，年均利用太陽能可發(fā)電約 1.98×1013J，節(jié)約標(biāo)煤 1.68×103t，減排 CO24.35×103t（王紹軍等，2020）。青海海南州建有占地609 km2的塔拉灘生態(tài)光伏園，是目前全球最大的光伏發(fā)電基地，開發(fā)了“板上發(fā)電，板下養(yǎng)羊”的“牧光互補”模式，總裝機(jī)量9000多MW，年均發(fā)電量達(dá)3.46×1016J，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 7.37×106t，減排煙塵 941.46 t、CO22.24×107t、CO 1.97×107t、NO28.48×104t，光伏羊2022年出欄量預(yù)計達(dá)5萬只，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會三大效益高度統(tǒng)一。廣東臺山漁業(yè)光伏項目在養(yǎng)殖水面上架設(shè)光伏組件進(jìn)行發(fā)電，形成“上可發(fā)電、下可養(yǎng)魚”的“漁光互補”模式，該項目投產(chǎn)后年均發(fā)電量為1.86×1014J，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.64×104t，減排 SO2約 183.37 t，CO2約 4.93×104t，CO 約4.32 t，NO2約189.26 t，煙塵約221.51 t（宋云華，2017）。

4.2 生物炭

生物炭是一種將作物殘茬、森林殘渣、牲畜糞便等生物質(zhì)在高溫（300—900 ℃）、缺氧條件下通過熱解、水熱碳化、烘焙、氣化和傳統(tǒng)碳化等多種方式制作而成的多孔固體材料（Lehmann，2007）。將農(nóng)業(yè)廢棄物制備成生物炭徹底杜絕了有機(jī)質(zhì)發(fā)酵、燃燒過程產(chǎn)生的溫室氣體排放，加速促進(jìn)了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳循環(huán)過程，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生物質(zhì)碳固定和碳減排，在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染源頭減量控污的同時，也實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)溫室氣體固碳減排。同時，由于表面積聚了大量電荷和官能團(tuán)，生物炭成為一種安全高效的天然吸附劑，可以捕獲CO2并去除各種有機(jī)污染物（例如抗生素、芳香染料、農(nóng)用化學(xué)品、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴）和源于固體、水體和氣體介質(zhì)的無機(jī)污染物（例如磷酸鹽、氨、硫化物和重金屬）（Shaheen et al.，2019；Dissanayake et al.，2020；Siedt et al.，2021），因此，將生物炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染治理和控制溫室氣體排放具有十分重要的積極作用（Wang et al.，2021）：作為土壤改良劑，生物炭可以通過提高土壤的物理、化學(xué)和生物特性來提高植物生產(chǎn)力和光合作用速率，從而強化陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳固存和減緩氣候變化；在農(nóng)業(yè)土壤中添加生物炭可提高土壤水分利用率、持水能力和養(yǎng)分利用率，增加土壤微生物豐度和活性，降低結(jié)皮和土壤侵蝕的風(fēng)險，增強抗菌活性，降低土壤中環(huán)境污染物的流動性和毒性；生物炭可以作為載體材料，通過補充養(yǎng)分和微生物，提高土壤中接種微生物的養(yǎng)分利用效率、活力和活性；生物炭還可以作為養(yǎng)分來源，促進(jìn)植物生長和抑制土壤傳播疾病，從而改善農(nóng)業(yè)環(huán)境；生物炭還可以吸附游離C、N化合物，以減少土壤中生物質(zhì)降解過程中CH4、N2O和其他空氣污染物的排放，例如，用作土壤改良劑的生物炭可以減少 39.5%的土壤 CH4排放和30.92%的土壤N2O排放；此外，研究證明生物炭可以在堆肥過程中顯著減少溫室氣體的排放，對優(yōu)化堆肥過程和保護(hù)C、N等多種堆肥礦物元素具有積極意義。因此，將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭以改善農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，是儲存土壤養(yǎng)分和減少溫室氣體排放、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染治理修復(fù)和碳中和的良好策略。

4.3 綠色生物制造

生物制造是以工業(yè)生物技術(shù)為核心技術(shù)手段，改造現(xiàn)有制造過程或者利用生物質(zhì)、CO2等可再生原料生產(chǎn)能源、材料與化學(xué)品，實現(xiàn)原料、過程及產(chǎn)品綠色化的新模式（譚天偉等，2021）。綠色生物制造從原料源頭實現(xiàn)碳減排、從工藝流程實現(xiàn)綠色清潔生產(chǎn)，是實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的“綠色動力”。在農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域推行發(fā)展綠色生物制造，全面實施秸稈綜合利用和農(nóng)膜、農(nóng)藥包裝物回收行動，加強可降解農(nóng)膜研發(fā)推廣，是以生產(chǎn)帶動農(nóng)業(yè)面源污染治理與碳中和的理想路徑之一。利用秸稈進(jìn)行生物發(fā)酵制備燃料乙醇是目前發(fā)展成熟且已實現(xiàn)商業(yè)化的綠色生物制造項目，將農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)發(fā)酵或合成的高分子為原料生產(chǎn)的生物基可降解塑料農(nóng)膜是目前正在推動的綠色生物制造項目之一，可大幅減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，控制農(nóng)業(yè)環(huán)境污染和溫室氣體排放（唐博文，2022）。

生物制造發(fā)展至今經(jīng)歷了3個階段：以淀粉及其他含糖物質(zhì)為原料的第一代生物制造技術(shù)；以木質(zhì)纖維素等生物質(zhì)為原料的第二代生物制造技術(shù)；基于CO2等C1化合物的第三代生物制造技術(shù)，其特征是利用微生物及藻類細(xì)胞工廠在光或電等可再生能源的驅(qū)動下將CO2等C1化合物轉(zhuǎn)化為生物能源、化學(xué)品及材料等（Liu et al.，2020；任杰等，2021）。與第一代和第二代生物制造技術(shù)相比，第三代生物制造技術(shù)大大降低了原料加工成本，對食品和水供應(yīng)的安全威脅要小得多，因此獲得了強勁的發(fā)展動力，迄今為止已取得了很大進(jìn)展。目前，共計8條CO2生物固定途徑，包括6條天然固碳途徑和2條人工設(shè)計的固碳途徑，均已得到系統(tǒng)的分析和闡述，并且構(gòu)建了4種能量捕獲技術(shù)（Liu et al.，2020）。第三代生物制造面臨的主要挑戰(zhàn)是有效固定大氣中的CO2和有效捕獲可再生能源用于生物生產(chǎn)。自養(yǎng)生物已經(jīng)進(jìn)化為支持細(xì)胞生長，但它們可能無法在工業(yè)條件下高效生產(chǎn)指定燃料或化學(xué)品，通過工程改造自養(yǎng)生物或體外人工合成途徑固定CO2，是未來實現(xiàn)第三代生物制造目標(biāo)的理想途徑。近日，馬延和團(tuán)隊在 Science發(fā)表文章證實在體外利用 CO2通過化學(xué)-酶級聯(lián)轉(zhuǎn)換的方式成功合成了淀粉，其效率在特定的條件下可以達(dá)到植物天然合成淀粉的8.5倍（Cai et al.，2021）。這一開創(chuàng)性的工作為未來實現(xiàn)無土化的糧食生產(chǎn)提供了理論上的依據(jù)，以該工作構(gòu)建的合成模塊為基礎(chǔ)，理論上將會有更多的化合物可以從CO2合成而來，大大推進(jìn)C1生物合成的發(fā)展（任杰等，2021）。

5 結(jié)論與展望

農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳中和是國家的重大戰(zhàn)略選擇，也是維護(hù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境健康的內(nèi)在需求。農(nóng)業(yè)是溫室氣體排放的重要來源，農(nóng)業(yè)面源污染治理是保護(hù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境的重中之重。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作為一類關(guān)鍵碳源，耦合了農(nóng)業(yè)面源污染的分散性和不確定性，為實現(xiàn)面源污染防治與碳中和帶來了極大難度；同時，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也是重要的碳匯，具有固碳增匯的巨大潛力，通過增強碳匯既能促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳中和，亦能助力農(nóng)業(yè)面源污染防治；農(nóng)業(yè)面源污染物減量與溫室氣體減排必須雙管齊下，減污減排與固碳增匯必須協(xié)同并舉；通過模型優(yōu)化、體系升級和技術(shù)改進(jìn)，建立基于碳中和的農(nóng)業(yè)面源污染防治模式，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源污染防治與碳中和共贏的目標(biāo)。

面對生態(tài)文明建設(shè)新形勢新任務(wù)新要求，基于環(huán)境污染物和碳排放高度同根同源的特征，農(nóng)業(yè)面源污染治理與碳中和的實現(xiàn)不僅取決于科學(xué)技術(shù)的迭代更新，且高度依賴管理制度的建設(shè)改革。2022年6月10日生態(tài)環(huán)境部等7部門聯(lián)合印發(fā)《減污降碳協(xié)同增效實施方案》，要求充分利用現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境制度體系協(xié)同促進(jìn)低碳發(fā)展，創(chuàng)新政策措施，優(yōu)化治理路線，推動減污降碳協(xié)同增效?；谛滦蝿菹罗r(nóng)業(yè)面源污染治理與碳中和戰(zhàn)略的雙重目標(biāo)，可通過制訂農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳中和法律法規(guī)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保面源污染治理與碳中和工作的穩(wěn)定與可持續(xù)；通過制定促進(jìn)減污降碳協(xié)同效應(yīng)的政策和考核制度，建立農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳中和核算和監(jiān)測體系，確保面源污染治理與碳中和工作成效有據(jù)可考；通過將面源污染防治與碳中和一起納入地方政府和重點企業(yè)的考核指標(biāo)中，確?？匚蹨p碳協(xié)同考核激勵機(jī)制建立穩(wěn)步推進(jìn)。