气候智慧型农业技术碳计量方法学初探

柏振忠，钟雨欣，胡婉玲，王红玲

（1.中南民族大学经济学院，武汉 430074；2.华中农业大学经济管理学院，武汉 430070；3.湖北碳排放权交易中心，武汉 430070；4.湖北大学商学院，武汉 430062）

联合国粮食及农业组织（FAO）2010年正式提出，气候智慧型农业具体指能够可持续提高农作物的生产效率、减少温室气体排放、提高农业对气候的适应性、提高农业生产安全的现代农业发展模式。联合国政府气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，目前大气中二氧化碳浓度处于至少200万年来的最高点，同时全球将全面进入到“碳中和”时代，各国将努力到21世纪中叶实现碳中和。农业一方面是受气候变化影响最显著和最脆弱的领域，另一方面也是人为温室气体的重要排放源之一，在全球碳循环系统中发挥着重要作用。在此背景下，农业受环境限制将不得不改变现有的生产方式，气候智慧型农业便成为发展可持续性农业的最优选择，而碳计量又是测度和分析气候智慧型农业技术低碳生产水平的工具。Van Wijk等［1］认为气候智慧型农业对农业温室气体的排放有减缓作用。白雄雄等［2］采用综合分析法评估气候智慧型农业管理措施的土壤固碳效果，发现最有效的土壤固碳措施是生物固碳，其次是覆盖应用和保护性耕作。罗婷［3］认为深入研究中国农业生产过程中的碳排放现状，正确计量农业各相关产业及生产环节的碳排放量，并以此为依据制定合理的农业生产及发展模式，进而减少温室气体排放，对缓解全球气候变暖趋势具有重要而深远的意义。程琨［4］构建中国农业生产及碳排放数据库，并采用数学统计与模型相结合的研究方法，研究中国农业碳排放及其减排潜力的统计计量与模型模拟，并从经验中获得农业碳减排的总量及技术途径，为后期农业碳排放计量方法及定量奠定基础，并为国家农业碳减排政策及技术指导提供科学依据。

目前，国内外学者对气候智慧型农业、农业碳计量方面的研究相对较少，对于智慧气候型农业技术碳计量方法学的研究比较缺乏。本研究借鉴CDM项目经验展开讨论气候智慧型农业碳减排方法学，综合边界和基准线的设定、碳库和关键排放源的选取、固碳减排的计量方法，以稻虾共作为例分析碳减排途径，从而得出气候智慧型农业固碳减排计量方法学问题。气候智慧型农业技术碳计量方法学的完善能为开展低碳农业相关研究奠定理论基础和提供研究背景。

1 气候智慧型农业技术碳减排措施及实践

1.1 气候智慧型农业技术碳减排措施类别

农业生产过程直接或间接地排放温室气体，因而通过对主要农产品生产过程碳足迹进行分析评价，可以获取该生产过程的温室气体排放总量情况。不同于传统农业生产方式，气候智慧型农业能够实现提高农业生产产量、增强农业应对气候变化的适应力以及减少温室气体排放。当前，气候智慧型农业技术碳减排措施主要基于提高碳汇功能和减弱碳排放强度两方面考虑。

1.1.1 提高农业碳汇功能技术措施 农业碳汇能力指农业系统通过林业、耕地、草地和湿地等土地资源，吸收并固定二氧化碳等温室气体的能力。研究表明，水稻、小麦等粮食作物具有明显的碳汇功能［5］。利用中国现有大面积的耕地，通过加大对粮

1.1 气候智慧型农业技术碳减排措施类别

农业生产过程直接或间接地排放温室气体，因而通过对主要农产品生产过程碳足迹进行分析评价，可以获取该生产过程的温室气体排放总量情况。不同于传统农业生产方式，气候智慧型农业能够实现提高农业生产产量、增强农业应对气候变化的适应力以及减少温室气体排放。当前，气候智慧型农业技术碳减排措施主要基于提高碳汇功能和减弱碳排放强度两方面考虑。

1.1.1 提高农业碳汇功能技术措施 农业碳汇能力指农业系统通过林业、耕地、草地和湿地等土地资源，吸收并固定二氧化碳等温室气体的能力。研究表明，水稻、小麦等粮食作物具有明显的碳汇功能［5］。利用中国现有大面积的耕地，通过加大对粮食作物种植的保护和投入，不仅可以保障中国的粮食生产安全，还可以增强农业的碳汇能力，为低碳减排发展目标做出贡献。利用农业的碳汇能力，不仅能够达到碳减排的目标，还可以实现提高土壤质量的效果，能够带来作物增产和气候改善的双赢局面。提高农业碳汇功能技术措施见表1。

表1 气候智慧型农业提高农业系统碳汇功能的技术措施

1.1.2 减弱农业碳排放强度技术措施 开荒种植、生物质燃烧、牛羊等反刍动物肠道发酵、稻田厌氧分解、化肥施用、畜禽粪便等均会带来温室气体的大量排放。气候智慧型农业针对种植业、林木业和畜牧业采取相应的技术措施，以减弱农业碳排放强度。例如，农林、牧混合种养促进碳封存和资源循环利用［6］，采用科学的土壤管理方法减弱农业碳排放潜力，通过保护性耕作减少农业温室气体排放等［7］，具体途径和技术措施见表2。

表2 气候智慧型农业碳减排途径及相应技术措施

1.2 气候智慧型农业碳减排技术实践

1.2.1 北美洲碳减排技术实践 北美洲的加拿大和美国土地资源丰富，农业生产实现机械化、集约化和绿色化。其中，在绿色化生产上，美国设立了7个气候中心和18个农业生态长期定位实验站在内的联网实验平台，实施包括农业废弃物资源化利用、增强土壤固碳能力和提高农业部门可再生能源生产等在内的多项气候智慧型农业技术措施，减缓农业温室气体排放［8］，具体技术措施见表3。

表3 北美洲气候智慧型农业碳减排技术

1.2.2 欧洲碳减排技术实践 以英国和丹麦为代表的欧洲国家，农业早在20世纪70年代就进入现代化发展阶段，在注重提高经济效益的同时，谋求达成社会效益、生态效益多赢目标。其中，在推进气候智慧型农业实践中，其主要是通过作物生产精准化管理、化学肥料替代以及建设农业基础设施等，增强生产过程气候应变力，减少温室气体排放，实现农业绿色低碳发展［8］，具体技术措施见表4。

表4 欧洲气候智慧型农业碳减排技术

1.2.3 亚洲碳减排技术实践 东亚、南亚、东南亚地区气候类型多为热带季风气候或亚热带季风气候，降水丰沛，土壤肥沃，属于全球的水稻种植区，所以亚洲的气候智慧型农业碳减排技术主要针对稻田CH4的排放。目前，中国、日本和泰国等国家稻田减排技术研究已经相对成熟，并且得到了广泛应用，具体措施见表5。

表5 亚洲气候智慧型农业碳减排技术

1.2.4 中国碳减排技术实践 中国是农业大国，也是遭受自然灾害最多的国家之一，且全球性气候变暖，对中国粮食生产和粮食安全产生了明显影响。为了实现农业可持续发展、生产力的提升、固碳减排和缓解气候变化的目标，中国积极响应绿色农业生态发展的号召，开始深入研究并应用气候智慧型农业技术。在当前气候变化条件下不仅能保障粮食生产安全，还可以提高资源利用效率、实现固碳减排［9］，具体措施见表6。

表6 中国气候智慧型农业碳减排技术

2 农业领域固碳减排方法学类型和措施

1997年《京都议定书》引入了清洁发展机制，其核心内容是允许缔约方（即发达国家）与非缔约方（即发展中国家）进行温室气体的排放权交易即完成温室气体减排量抵消额的转让与获得，该协议由发达国家提供资金和技术，进而在发展中国家实施温室气体减排项目，并且为这些国家制定了有差别的减排指标。《巴黎协定》提出对温室气体排放的量化控制，指定清洁发展机制（Clean development mechanism，CDM）是应对气候变化挑战的重要工具，并且是分析各因素对环境影响的重要依据，也是实现温室气体减排和减缓温室效应的重要途径。其中清洁发展机制中监测农业领域温室气体排放量的大规模项目方法学3个，小规模项目方法学14个［10］，如表7所示。

除表7中农业类的方法学外，其他方法学也可以应用于农业领域。例如，AMS-II.P（农用节能泵组）、AMS-II.F（农业设施和活动的能源效率和燃料转换措施）、AMS-III.F（通过堆肥避免甲烷排放）、AMS-IIIY（通过从废水或粪肥处理系统中分离固体而避免甲烷）等。此外，大规模造林和再造林方法中AR-ACM0003（湿地以外土地的造林和再造林）、小规模造林和再造林方法中AR-AMS0003（在湿地上开展的造林和再造林项目活动）、AR-AM 0014（退化红树林生境造林和再造林）、AR-AMS0007（在湿地以外的土地上实施造林和再造林项目活动），可用于开发相关农业温室气体减排项目。

表7 农业领域碳减排方法学类型和措施

3 气候智慧型农业技术碳计量方法学构建存在的困难

3.1 农业碳计量不同测算方式带来的结果差异

目前有关农业碳计量的研究，学者从不同角度出发所得到的研究结果也存在着很大差异。不同的数据采集渠道、参数的选择和计量方法的不同等情况都给农业碳计量带来了很大的不确定性。例如，计算农田生态系统的碳排放量，可以通过化肥施用量、灌溉面积、农药消耗量、农机燃料消耗量、农用耕地面积和农作物产量等数据测算得出，也可以根据农作物产量和农田生产投入来测算。不同的测算方法最后得出的结果也会具有一定的差异。

3.2 农业温室气体排放评估很难做到准确

农业温室气体排放不仅与肥料施用量、灌溉量、肥料类型以及降雨量等有关，还受气候、种植方式、土壤和农田管理等因素影响。因此，在计量碳排放量时如果只考虑主要的几个因素，得出的结果很难做到精确。例如，华北地区土壤碳库饱和水平较低，东北地区、西藏地区和西北地区因年平均气温相对较低、作物复种指数低不利于土壤有机质的分解，所以农田土壤碳饱和水平高于华北地区。华南地区气候湿润，盛产水稻，有机物在淹水条件下的土壤中不易分解，所以固碳能力较强。华北地区气候干燥，盛产小麦，有机物在旱田土壤中易于分解，综上华南地区土壤固碳能力较华北地区强。

3.3 农业碳计量方法较为复杂

由于实际数据的可获得性会因考虑不足，而使得计量过程面临很多不确定性。并且，碳计量结果也会因为不同的地理位置、地势分布、技术水平和生产管理方式的不同，计量结果往往也会有差异。在计量过程中，由于农作物的时间边界和空间边界确定会有误差，所以可能会导致重复计算。例如，在计量农作物的温室气体排放量时，其碳库包括地上、地下生物量，植物凋落物、秸秆以及土壤碳库。但是作物成熟以后，地上部分会被移除，地下部分和秸秆会在腐蚀后变为土壤碳库的一部分，因此可能会导致温室气体排放的重复计算。

4 气候智慧型农业碳计量方法学开发路径：以稻虾共作为例

4.1 稻虾共作系统边界和项目基线的认定

4.1.1 农业生产活动基准线确定 基线是在没有项目活动情况下温室气体的排放量［5］。例如李玉娥等［11］研究规模化养鸡场CDM碳减排计量项目中，未经过规模化养殖时禽类产生的粪便和污水是用厌氧氧化池处理的，那么就应该将基准线设为厌氧氧化池。程琨等［13］在测土配方施肥项目的研究中指出，配方项目基准线应该选取一个与实施配方施肥项目的种植方式、土壤特征、施肥方法3种控制量相同的农田作为参照，同时测量配方施肥项目与对比农田有机碳的变化和温室气体的排放量，将参照农田测量的结果取平均值作为基准线水平。

稻虾共作田间结构包括稻田和虾沟，基线选择相同面积且未养殖龙虾的相似地区。并且要对基线样地利用密闭静态箱-气相色谱法（Shimadzu GG-14B型气相色谱仪）对CH4和N2O的排放量进行动态监测，再利用回归分析得出温室气体的浓度变化率，最后将监测值按照时间间隔累加平均后，便可得到项目期内总的排放量即基线情境下的温室气体排放量［14］。

4.1.2 稻虾共作边界的认定 边界包括时间边界和空间边界，时间边界是生产活动实施周期的计量范围，界定时间边界是为了提高碳计量精确度。一般而言，根据作物的生长周期，其温室气体排放量计量的时间边界为1年，甚至1个作物生产周期，而土壤有机碳一到两年的变化很难监测到，所以土壤固碳量的计量则需要较长的周期，特别是利用直接监测的方法进行计量时，短时间内监测结果并不准确。空间边界是指参与碳计量过程中所涉及的地理范围，主要包括两部分，即植被碳库和土壤碳库。

对于稻虾共作而言，水稻为一年生作物，从播种到水稻收获的时间周期为1年，故其减排量核算时间边界可设定为1年，而小龙虾养殖则从投放虾苗至水稻收获后最后一次捕捞和投食播种的时间周期2年，故小龙虾养殖减排核算时间边界为2年。稻虾共作的田间结构一般中心为水稻种植区，水稻种植区四周开挖环形养殖区，通常宽度为2.0 m、深度2.0 m［15］，故项目空间边界应该包括水稻农田范围和虾沟农田范围。

4.1.3 稻虾共作温室气体泄露问题 泄露指发生在项目边界以外，但由于项目活动需要所引起的且可测量的温室气体排放量增加的情况。所以在稻虾共作的温室气体计量中，应该考虑由于养殖小龙虾过程中所导致的额外的排放，主要包括以下几个方面：一是项目实施前，需要人为对田间土壤情况及地温进行测定，分析土壤含水量、硝化作用强度和土壤表面的温度，从而得出项目用地是否适宜小龙虾养殖。在这整个过程中，由于工作人员取样以及样品运输所导致的温室气体排放发生在边界以外，属于泄露。二是运输小龙虾养殖过程中所需要的消毒剂、天然饲料，灭虫灯、诱蛾器等物理防治的器具等所带来的温室气体排放，属于泄露。三是氧化亚氮的直接排放，氮肥的施用将会导致氮素在大气中扩散到边界以外，从而带来氧化亚氮的排放。

4.2 稻虾共作系统温室气体排放与减排途径

4.2.1 稻虾共作生态系统碳库和边界内温室气体排放源

1）稻虾共作生态系统碳库的选取。稻虾共作模式的碳库主要包括两部分，植被碳库和土壤碳库。植被碳库指农作物植物体，土壤碳库包含植被秸秆、小龙虾分泌物及排泄物、地下生物量和有机肥［16］。全球农业在不同的碳价格下的经济减排潜力为1 600～4 300 Mt CO2当量，其中土壤固碳占比90%［17］。IPCC提倡的农田管理方式证实良好施肥条件下有机碳积累速率会显著提高，并且通过减少氮肥的过量施用，能够实现温室气体的减排。所以在稻虾共作的项目活动中，土壤碳库也包括在内。但是水稻在成熟之后，地下根部以及秸秆还田经过腐化又成为土壤碳库的一部分，因此不纳入计量范围之内。

2）稻田温室气体关键排放源。①农田土壤CO2的排放。土壤呼吸是土壤和大气碳通量交换的动态过程，项目土壤呼吸主要包括土壤有机质的分解、微生物分解以及水稻根系呼吸［18］。土壤呼吸受很多因素的影响，例如受温度的影响，土壤呼吸在夏季呼吸绝对量相对于冬季大；土壤水分过低，土壤环境不适宜微生物和水稻根系生存，则CO2排放量就会减少；稻田施肥后，水稻根系的生物量增加，进而促进了土壤的呼吸作用，CO2排放量增加；稻田耕作后导致土壤间隙变大，使土壤深层有机质更易氧化并释放CO2［19］。②淹水稻田CH4排放。CH4的100 a尺度的全球增温潜势是CO2的25倍，CH4是极端厌氧条件下的产物，所以稻田是CH4的重要排放源之一，土壤在淹水条件下处于厌氧状态，土壤中动植物残体、有机肥和根系分泌物等会被各种细菌和甲烷菌转化为CH4排入大气中。尤其是在水稻生长旺盛的时期，土壤中的微生物会更加活跃，根系分泌物和有机肥又为甲烷菌提供更多的碳源，再加上适宜的淹水温度，会造成CH4排放的高峰［20］。③淹水稻田N2O排放。N2O在100 a尺度的增温潜势为CO2的298倍，淹水稻田的N2O排放主要来源于土壤中的硝化作用和反硝化作用，并且二者是可以同时发生的，硝化指在通气良好的条件下，土壤微生物将铵盐转化为硝酸盐并释放部分N2O。反硝化过程指在通气不良条件下，土壤微生物将硝酸盐、硝态氮还原成N2或N2O、NO［21］。同时小龙虾的排泄物、残体等也提供了额外的氮源，导致了N2O的排放量增加。④农用机械的燃油排放。农业机械主要包括种植业机械、农业运输机械、农用动力机械、农田基本建设机械等。稻田的农用机械温室气体排放主要包括灌溉过程中的电能消耗，播种、收割、施肥和运输过程中燃油消耗。目前农用机械广泛使用的是柴油，柴油较汽油动力强，更具经济性，但氮氧化物和颗粒物排放显著。

4.2.2 稻虾共作的关键减排途径 根据稻虾共作的特点，在进行固碳减排计量时，应该重点考虑边界内由于小龙虾养殖而导致的温室气体排放量的差异。因此，本研究认为稻虾共作碳减排计量应该考虑：①稻虾共作模式CH4的直接减排。稻虾共作模式下，小龙虾钻洞会增加稻田土壤中的O2含量，从而降低了甲烷菌的活性，致使CH4排放量降低。据徐祥玉等［21］试验结果表明，稻虾共作模式下，CH4排放量降幅在29.02%～41.19%，在水稻秸秆还田条件下，稻虾共作模式下CH4排放量比不养殖小龙虾稻田减少35.1%，比无秸秆还田、不养殖小龙虾的稻田减少6.6%，小龙虾取食秸秆会减少碳源，同时利用有机酸的微生物丰度提高可以降低乙酸累积，从而降低CH4排放量。②稻虾共作模式N2O、CO2的直接减排。稻虾共作模式即使在非稻季也能够保持稻田长期处于淹水状态，土壤中的氧气含量较低，故好氧微生物的活性降低，硝化作用得到抑制，反硝化作用增强，N2O的生成量减少。另外由于使用生石灰进行消毒，使得水体的PH升高，从而减少N2O的排放。稻虾共作模式通常施用有机肥代替化肥和农药来保障小龙虾的生产安全，小龙虾的排泄物以及残体也能够为稻田土壤提供一部分养分，从而带来温室气体的直接减排。Liu等［22］试验表明，稻虾共作较常规稻田可减少56%的N2O排放量。

4.3 稻虾共作系统温室气体减排计量方法及途径

4.3.1 计量的一般原理 稻虾共作与常规的稻田相比，能够降低几个关键排放源的温室气体排放量，同时稻虾共作模式也有利于增加土壤氮素养分含量。孙自川［16］研究表明稻虾共作模式能够增加土壤含水量，降低土壤温度，降低稻田CH4和CO2温室气体的排放量。因此可以得到稻虾共作模式固碳减排计量的总公式：

式中，Rnet表示稻虾共作项目净碳汇量；M表示CH4排放量的差值；N表示N2O直接排放量的差值；C表示稻虾共作农田有机碳库变化量的差值；O表示农用机械能源消耗温室气体排放量的差值；L表示运输过程中的温室气体排放量的差值。

4.3.2 温室气体直接监测计量 利用田间试验对温室气体排放和固碳量进行直接监测最常用的方法就是密闭静态箱-气相色谱法（Shimadzu GG-14B型气相色谱仪）［23］。稻虾种养期间每隔7 d在同一地点进行采样，每次抽取20 mL放入真空玻璃瓶中，连续监测2日取平均值，最后用平均值乘以这段时间的天数，便可得到这一阶段内的CH4和CO2排放量，最后只需要将不同阶段的温室气体排放总量加总求和即可得到项目期内总的温室气体排放量。

式（2）中，F表示CH4和CO2排放量；ρ为标准大气压下CH4和CO2的密度；h为密闭箱距离稻田水面的距离；dc/dt为浓度的变化率；T为采样过程中箱内平均温度。

式（3）中，P表示两次监测CH4和CO2的总排放量；G1、G2分别为第一次和第二次测得CH4和CO2的排放量；T为两次测量间隔的天数。

4.4 稻虾共作系统碳减排计量的不确定性

对计量进行不确定分析，主要是为了提高结果的可靠性，是进行稻虾共作模式碳计量不可或缺的步骤之一。对稻虾共作模式的不确定性分析主要讨论不确定性的来源，包括稻田基准线选取的不确定性、由于水稻种植和小龙虾养殖周期不同导致的稻虾共作模式时间边界和空间边界选取的不确定性、小龙虾多次捕捞和运输过程中导致的温室气体泄露不能精准计量带来的不确定性等。

5 小结

从稻虾共作模式出发，通过考察农户参与低碳农业生产的行为、决策等可以发现，无论是种植业还是养殖业，集约化、规模化生产均可显著降低碳足迹，实现低碳农业，这与国家提出的经济产业升级、走集约化、规模化道路相符合［24］。因此探索气候智慧型农业碳计量方法学能够为农业碳减排政策及技术指导提供科学依据，也能够为开展低碳农业相关研究奠定理论基础和提供研究背景。