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FASE 亮文解读丨面向农业碳中和的中国作物生产优化 |
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论文标题：Optimizing crop production toward agricultural carbon neutrality in China
期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering
作者：Tianxiang HAO, Yangyang ZHANG, Yulong YIN, Jingxia WANG, Zhenling CUI,Keith GOULDING, Xuejun LIU
发表时间：15 Sept 2025
DOI：10.15302/J-FASE-2025602
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Sept 2025, Volume 12 Issue 3
· 第十四篇 ·
▎论文
IDOptimizing crop production toward agricultural carbon neutrality in China
面向农业碳中和的中国作物生产优化
文章类型：Review
发表年份：2025年
第一作者：郝天象1,2
通讯作者：郝天象1,2，刘学军2
Email: hao_tianxiang@163.com, liu310@cau.edu.cn
作者单位：1. 中国科学院地理科学与资源研究所，生态系统网络观测与模拟重点实验室；2. 中国农业大学资源与环境科学学院，国家农业绿色发展研究院，植物与土壤相互作用教育部重点实验室，农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室。
Cite this article :
Tianxiang HAO, Yangyang ZHANG, Yulong YIN, Jingxia WANG, Zhenling CUI, Keith GOULDING, Xuejun LIU. Optimizing crop production toward agricultural carbon neutrality in China. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(3): 596-610 DOI:10.15302/J-FASE-2025602
· 文 章 摘 要 ·
作物生产在保障粮食安全和应对气候变化中具有战略意义。如何优化中国作物生产以实现农业碳中和，仍存在广泛争议。本文梳理了近几十年中国主要粮食作物的碳收支，并评估了已有及发展中田间管理措施对温室气体减排与碳汇功能提升的影响。数据显示，1990–2015年间，中国耕地产生的温室气体排放以每年4.3 Tg CO2-eq的速度上升，至2015年达到峰值400 Tg CO2-eq；随后在2015–2021年间以每年11.6 Tg CO2-eq的速度下降。除水稻外，其他谷物的排放强度 (单位产量温室气体排放量) 呈钟形趋势，而水稻自1961年以来排放强度稳步下降。就土壤碳而言，中国耕地表层土壤有机碳储量达5.5 Pg，无机碳储量为2.4 Pg，尽管总量可观，但其碳密度在全球范围内仍处于偏低水平。自1980年代以来，中国耕地碳汇平均为每年5.3 Tg C，具体表现为有机碳增加 (21.3 Tg·yr−1) 和无机碳损失 (–16 Tg·yr−1)，其仅能抵消5.7%的耕地温室气体排放。因此，即便考虑土壤碳汇，耕地仍是显著排放源。值得关注的是，多种可靠的田间管理措施，如科学施肥、精准灌溉和保护性耕作，已被证实在减排方面成效显著。然而，碳中和愿景下中国作物生产优化路径仍不清晰。总体来看，中国发展低碳作物生产具备巨大潜力与坚实的科技支撑。
· 文 章 亮 点 ·
1. 中国耕地在实现碳中和中具有关键地位，但仍面临诸多挑战。
2. 耕地的碳汇功能相对较弱，却是主要温室气体排放源。
3. 作物生产的温室气体排放强度已显著改善。
4. 科学管理措施具备巨大减排潜力。
· Graphical abstract ·
· 研 究 内 容 ·
▎引言
控制全球温升不超过工业化前水平的1.5 °C，已成为国际社会共识，而实现碳中和则是达成该目标的核心路径之一。中国作为全球最大粮食生产国和温室气体排放国，其耕地管理需兼顾粮食安全保障与气候缓解。2018年，中国作物生产排放约465 Tg CO2-eq，约占农业排放的一半，占全国温室气体排放总量 (不包括LULUCF) 的3.6%。中国地域辽阔，气候土壤差异显著，田间管理对温室气体排放的影响多样化，增加全国实现碳中和难度。国家大力推动减排增汇技术应用，如4R科学施肥、精准灌溉、保护性耕作等。在此背景下，本文综述中国作物生产碳管理的进展，重点分析温室气体排放、土壤碳储量及碳汇能力，评估现有减排与增汇技术，探讨实现碳中和、粮食安全与生态可持续的协同策略与挑战。
▎中国作物生产的碳收支
温室气体排放：中国农业温室气体排放整体呈上升趋势，其中作物生产贡献超过半数。1961–2021年，作物生产温室气体排放从158 Tg CO2-eq增至约340 Tg CO2-eq，甲烷 (CH4) 和氧化亚氮 (N2O) 占比分别为40%–52%和47%–60%。1990–2015年，耕地温室气体排放以年均4.3 Tg CO2-eq速度上升，2015年达到400 Tg峰值，随后显著下降，至2021年年均减少约11.6 Tg CO2-eq。稻田种植和化肥施用是温室气体排放两大主因，占比超过80%；机械作业与化肥生产亦贡献明显。
图1 1961–2021年我国农业部门 (AS)、种植部门 (CS) 温室气体排放的历史趋势及种植部门温室气体排放占农业部门总排放比例的变化。
作物生产的排放强度：2012–2021年，非水稻谷物单位产量排放强度为0.21 kg·kg−1 CO2-eq，高于全球、美国和欧盟；水稻为0.95 kg·kg−1 CO2-eq，明显低于上述国家。非水稻谷物呈钟形变化，2003年最高，2021年降至0.16 kg·kg−1 CO2-eq。水稻排放强度自1961年稳定下降，2021年为0.88 kg·kg−1 CO2-eq，仅为美国65%。政策推动科学施用化肥，有效降低了排放强度，但粮食自给水平仍在一定程度上依赖进口。
图2 (a) 谷物 (不含水稻) 和 (b) 水稻排放强度与产量关系的变化趋势。
中国耕地土壤有机碳：中国耕地0–1米SOC储量12.8 ± 2.3 Pg，0–0.3米层5.5 ± 1.3 Pg，70%集中在旱地。单位面积SOC密度约70 Mg·ha−1，远低于美国、欧洲、加拿大。1980–2000年实测数据显示，中国SOC年均固碳速率达21.3 Tg，已基本达到“4‰全球土壤增碳倡议”提出的目标水平。
中国耕地土壤无机碳：土壤无机碳 (SIC) 碳循环缓慢，但受农业活动影响显著。2010年代耕地1米深SIC储量9.3 Pg，近似SOC水平。1980–2010年代表层SIC减少0.48 Pg (16 Tg·yr−1)，抵消了同期约75%的SOC固碳效应。过多的水分盈余和氮肥施用是主要驱动因子。
▎中国耕地实现碳中和的田间管理
氮素管理：中国氮肥用量在过去40年内增长了三倍，约占全球总量的三分之一；然而，氮素利用率仅为0.25–0.40，低于全球平均水平 (0.42) 和北美地区 (0.65)，高投入且低效率是其主要原因。
(1) 合适氮源：尿素为主要氮肥品种，2023年占总量的78%。有机肥替代化肥不仅能够改善土壤性质、促进碳积累，但同时也会增加水稻田甲烷排放。秸秆还田虽能提高土壤碳含量，也伴随甲烷排放的增加。生物炭施用则能有效提升土壤碳储量，并减缓CH4和N2O的排放。缓释与控释肥料 (如DMPP、LIMUS) 不仅能提高作物产量，还能减少N2O和NH3挥发，提升氮素利用效率。
(2) 合理施肥量：过量施肥导致温室气体排放增加和土壤酸化。土壤酸化会加速SIC消耗，也会影响SOC分解及碳氮循环过程。通过精准施肥，可实现华北地区小麦和玉米施肥量减少61%、排放降低70%，且作物产量未见下降。
(3) 合理施肥时间：分次施肥以匹配作物生长需求，有助于提升氮素利用率并减少氮素流失。研究表明，将65%的氮肥施用于小麦快速生长期，可实现氮利用效率最大化；增加施肥次数可提高产量，同时减少温室气体排放。
(4) 合理施肥位置：深施和条施氮肥能够增强根区养分有效性，促进根系生长，减少氮素流失及N2O排放。相比撒施，深施可提高主粮作物产量，同时降低N2O排放，但需综合考虑气候条件、作物类型和肥料性质等。水分管理：灌溉不仅对缓解干旱和高温胁迫、保障作物正常生长至关重要，还显著影响土壤微生物活性及温室气体排放。优化水稻灌溉方式，如采用间歇湿润法，可有效减少甲烷排放，但可能增加N2O排放。对于小麦、玉米等旱地作物，采用滴灌等节水灌溉技术则能显著降低N2O排放。
耕作管理：耕作破坏土壤结构，导致CO2释放。免耕、少耕及带状耕作等保护性耕作有助于增加碳汇，减少碳流失。免耕可使我国表层土壤固碳速率达到0.3–1.3 Mg·ha−1·yr−1。然而，免耕对土壤深层碳分布的影响较为复杂，其对CH4和N2O排放的作用有待评估。覆盖作物残茬或采用塑料膜覆盖在干旱区能提升土壤水分和温度，促进作物生长，同时显著降低甲烷排放，但可能导致CO2和N2O排放增加。
· 结 论 与 展 望 ·
中国耕地既是碳汇，也是碳源。1980–2020年代，耕地SOC固存约21.3 Tg C，SIC损失约16 Tg C，同时向大气排放温室气体约341 Tg CO2当量，整体表现为净排放源。同时，单位产量排放强度呈明显下降趋势，减排潜力依然巨大。
多项减排增汇技术如缓释肥料、增强氮肥技术、滴灌及有机肥施用等已在试验阶段取得进展，但推广应用仍有限。例如，当前粪肥施用量仅占谷物和果蔬氮肥总量的约10%，秸秆还田率约为40%，保护性耕作仅覆盖10%的耕地面积。加快技术推广、培育高固碳新品种、发展生物炭产业及推动耕作系统转型，均为实现作物生产碳中和不可或缺的路径。
单一技术虽具成效，但综合管理效果更佳。基于作物生态生理和土壤生物地球化学的整合管理措施，可实现主要粮食作物产量提升11%–12%，温室气体排放降低14%–23%。未来需结合生物炭技术、微生物固氮肥料及新型粮食作物，建立统一的低碳生产标准，强化政府、企业、高校与科研机构的协同合作，并借鉴科技小院模式推动农业创新。
我国粮食安全依然面临挑战。畜禽饲料需求增加导致农产品进口上升，短期内碳中和目标承受较大压力。提升单位产量碳效率、释放土地用于森林等高碳汇生态系统重建，是实现可持续发展的重要路径。通过调整种植结构、推广低碳膳食、加快机械电气化进程及秸秆清洁利用等措施，积极支持中国农业碳中和。作为全球最大的发展中国家，中国以负责任的态度积极迈向农业碳中和，积累了宝贵经验，具有重要示范意义。
【作者简介】
刘学军
中国农业大学资环学院教授、国家杰青和万人计划入选者，中国土壤学会氮素工作委员会委员，国家大气污染防治公关联合中心研究室首席专家。主要从事农业与环境相互作用的研究，主要研究大气沉降、氮循环及其对土壤酸化、富营养化、氨和农田温室气体排放的影响。先后承担国家自然基金、国家973计划/重点研发、总理基金、中德、中英等国际合作等40余项科研项目，在Science, Nature, Nature Food, PNAS和《土壤学报》等国内外期刊发表论文400余篇，出版英文专著1部，以第一完成人获教育部自然科学二等奖1项。先后入选爱思唯尔“中国高被引学者”和科睿唯安“全球高被引学者”榜单。
郝天象
中国科学院地理科学与资源研究所助理研究员。主要从事生态系统生态学和全球变化研究，主要研究氮素对土壤酸化、温室气体排放、植物多样性等方面的影响。目前主持国家自然科学基金等项目4项，以第一作者或通讯作者在Soil Biology and Biochemistry, Soil and Tillage Research, Journal of Applied Ecology, Functional Ecology和《中国科学基金》等期刊发表论文10余篇，参编中文专著2部。
《前沿》系列英文学术期刊
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。
中国学术前沿期刊网
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