低碳农业来源和原理.doc

低碳农业来源和原理一、“低碳”的来源：低碳经济与低碳农业（一）碳循环与温室效应因人为“温室气体”大量排放造成的“温室效应”引起“全球变暖”为主要特征的“全球气候变化”，正成为全世界民众关注的焦点，也是生态学和环境科学等学科研究的前沿课题。构成GHS的气体主要包括二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等3种，因为大部分为CO2、CH4等以“碳(C)”为骨架的气体。以CO2为例，如果没有人为工农业活动燃烧大量煤炭、石油产生的大量额外的CO2，自然界的CO2可通过生态系统的生物之间的生理生化代谢（主要是植物的光合和呼吸作用），完成生态系统正常的碳循环而达到平衡，即正常的大气中的CO2浓度能维持在为300ppm左右。然而，由于人类建立社会和经济系统，使人类独立于自然生态系统形成所谓“生产”和“消费”二元经济系统，为人类独立于自然生态系统界生物的消费体系提供途径，不断发掘自然储备的能源用于工农业生产，也不断地排放相对自然生态系统而言是全部是额外的CH4、CO2等碳源。这样大量以CO2为主的GHS 因为远远超过生态系统生物同化系统吸收而累积在大气中形成一个气体层，太阳辐射的短波光可透过它而到达地球，经后者表面反射的长波光缺无法透过这个气体层，因此，热量被这个气体层反射回地球供地表温度上升温室效应致使全球气候变暖，根据科学研究， 全球大气CO2 浓度已从工业化前的约280ppm，增加到了2005 年的379ppm(王昀，2008)。最近的100年来全球温度平均上升1.0，对全球经济、社会、生态环境、人类生存产生严重威胁。在世界范围内，对温室效应问题的最早的认识应追溯到1992 年6 月在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会，会上 150 多个国家制定了联合国气候变化框架公约。这是全球第一个全面控制CO2等温室气体排放以应对全球变暖给人类经济和社会带来不利影响的公约。5年后的1997 年12 月，149 个UNFCCC缔约国家和地区的代表在日本京都通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定书(Kyoto Protocol)，第一次以法规形式限制温室气体排放。随后因世界最发达国家美国的异议，直到2005年2月26日京都议定书才正式生效。京都议定书被公认为是国际环境保护的里程碑，是一个具有法律约束力的旨在限制全球气候变暖要求减少温室气体排放的条约。它对签约的发达国家排放的CO2、CH4 等6种温室气体的消减量作了明确的规定。从本质上说，京都议定书规定了一种最主要的减排机制就是“清洁发展机制”(李友华，2008)。抛开CDM规定的所谓发达国家有业务帮助发展中国家以较低成本实现减排任务，它所涉及的目标就是发展经济的同时提高能源利用效率，减低碳排放，即发展“低碳经济”。这是“低碳经济”提出的社会经济背景，也是“低碳经济”最核心的内容。（二）低碳经济的来源2002年世界可持续发展首脑会议之后，在可持续发展框架下应对气候变化成为国际共识。为打破国际气候谈判中的僵局，着眼于国际气候制度建设，英国于2003年提出了“低碳经济”的概念。“低碳经济”的实质是能源效率和清洁能源结构问题，其核心是能源技术创新和制度创新，目标是减缓气候变化和促进人类的可持续发展。因此，“低碳经济”指的是依靠技术创新和政策措施，进行一场能源革命，建立一种较少排放温室气体的经济发展模式，以减缓气候变化。真正的“低碳经济”的提出则在08年世界环境日，联合国环境规划署确定本次环境日的主题是“转变传统观念，推行低碳经济”。这里的“低碳经济”指的是在发展中排放最少的温室气体，同时获得整个社会最大产出的经济。低碳经济的涵括面很广，目标是大幅度降低人类所有经济活动中，主要是CO2等温室气体的排放，以避免地球变暖所带来的巨大灾难。“低碳经济”取决于新能源如核能、风能的开发利用以及碳捕获及储存科技的研制。2009年，中、美两国已分列全球温室气体排放国前2名，从排放总量上看，中国超过美国，成为世界上排放最多的国家，中国温室气体的排放占整个发展中国家排放总量的50%，占全球排放总量的15%。当然从人均排放看，2009年中国人均排放约5.2 吨，而美国则超过20吨。在09年哥本哈根召开的气候变化大会上，中国已承诺了2020年碳排放降低的目标，即单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%-45%，这将是一个“需付出艰苦卓绝努力”的目标。据有关部门预测，我国2010年CO2 排放量为13.3亿吨，比2003年提高57-85%; 2020年CO2 排放量为15.43-21.74亿吨，比2003年提高82-156%。因此，“低碳经济”将成为我国今后相当长时间内的经济发展致力的目标，而对节能减排的核心技术的研制是中国实施“低碳经济”的最核心的任务。（三）从低碳经济到低碳农业1、低碳经济的概念。“低碳经济”包含两重意思，一是“低碳”，二是“经济”。“低碳”说的是要降低生产和消费活动中的二氧化碳等GHS排放量，以缓解全球变暖的压力；“经济”说的要以利益刺激为动力和手段，确保碳减排活动得以展开和持续。特别利用现有经济手段把“碳减排”活动与生产面包、汽车等产品等活动一样，是可以从中获利的，可以象发展面包经济、汽车经济一样去弄出一个低碳经济来。因此，低碳经济也是经济体系，一种既可以降低碳排放，消除全球气温上升的威胁，又可以拉动经济增长，摆脱当前的经济危机。对全球而言，低碳经济就是可持续发展的经济；对我国而言，“低碳经济”是有别于目前以高能耗、高污染的工业化经济，而是以低能耗和低污染为基础的“绿色经济”。2、低碳农业的提出。农业是人类社会创造的最基础的社会产业，农业的发展经历了刀耕火种农业阶段、传统农业阶段和工业化农业阶段。 工业化农业经济是以大量能源的投入为基础，按照著名生态学学家E.P.Odum的话：“美国现代农业是以十分的工业能换取一份的食物能”。可见，现代农业投入的集约，也是造成碳排放、温室效应乃至全球变暖的“罪魁祸首”之一，耕地上大量使用化肥造成30%的碳排放，动物养殖特别是反刍动物的肠道发酵一级稻田造成50%以上的甲烷排放。因此低碳农业必须成为低碳经济体系的一个部分。 更何况，农业本质上依赖太阳辐射、土地、大气和水等来自自然的初级资源的生物学转化食品的过程，应视为实现人类利益与自然平衡的接口。具备碳汇和碳源（排放）双重特征，如果能充分利用农业碳汇功能尽可能减低其碳排放功能，农业就是低碳经济的最佳落脚点，低碳农业甚至比低碳经济具有更丰富的内容，展现更诱人的前景。二、农业在碳问题上双重性：碳汇和碳源农业是作为人类社会与自然生态系统唯一的界面在参与碳循环过程中显示出碳汇和碳排放等双重特征。首先，在农业生产体系中，植物生产包括草地、森林和作物利用太阳能把大气CO2和水合成碳水化合物，起着碳汇作用，植物同时也需要部分呼吸消耗碳水化合物放出CO2的以维持生理活动，这部分就是碳排放。相比之下，植物生产的碳汇功能远远超过碳排放功能，主要起着碳汇作用。因此充分利用农业生态系统的绿色植物是低碳农业的核心含义；其次，农业生产体系的动物养殖通过转化初级生产的产物形成人类所需要的肉蛋乳类食物，但其过程需要大量消耗植物和动物的同化物，同时动物养殖过程特别反刍动物的肠发酵和蠕动和动物排泄出大量的有机肥是大气温室气体的主要来源之一。因此，动物养殖及其伴随的有机肥起着碳排放的功能;第三，为了提高农业生态系统的能量转化效率而投入的大量辅助能是现代农业体系的主要特征，投入到农业生态系统的大量化肥、农药、浓缩饲料等需要大量化石能源燃烧而获得的，是农业碳排放的大户之一。因此如何实现农牧生产的“接口”，实现对有机肥和饲料在植物生产和动物养殖的平衡、尽量减少对市场化、工厂化生产资料的依赖也是低碳农业的主攻方向。下面具体分析农业的碳汇和碳排放功能。（一）农业的碳汇功能农业的碳汇功能是通过绿色植物的光和作用实现的。和自然生态系统的森林与其他植被亚生态系统、水生亚生态系统一样，农业生态系统的作物同样是吸收和固定大气中二氧化碳的主要动力。不管这部分同化物以生物量、废弃物抑或是制作成家具等物体都可以暂时捕捉碳，或通过以各种形式扣押碳而“永久”埋藏在地下。这就是农业作为碳汇的道理所在。因此充分利用农业生态系统的景观空间实现最大的绿色覆盖率是低碳农业的根本途径。（二）农业的碳排放：目前的农业是典型的高碳排放农业模式不同于自然生态系统的是，农业生态系统是人类利用农业生物与非生物环境之间，以及生物种群之间的相互作用建立的，并按人类社会需求进行物质生产的有机整体。提高能量的转化效率是农业生态系统管理的目标之一。按照热力学第二定律和能量流动的食物链金字塔原理，能量在自然生态系统随着食物链的转化时逐级递减且只有十分之一左右转化效率。农业生态系统作为开放的系统，需要同大量来自自然更多来自社会的辅助能输入，以不断促进其物质、能量、信息流的顺畅和经济价值流的放大。然而，这些投入正成为自然生态系统性的碳排放源而为温室效应、全球变暖“添砖加瓦”。农业生态过程的碳排放途径多样，实际上食品生产从土壤到餐桌的每一个都可能形成巨量的碳排放。首先，从添加到农业生态系统的辅助能看，来自农业自身活动产出的生物能如种子、种苗、种畜和有机肥等，与温室气体排放关联度不大。工业能如化肥、农药、农用薄膜、机械等，其生产、制造与使用过程都离不开电力、石油等能源的使用，是农业参与温室气体排放的大户；其次，农产品的加工、包装、流通过程也涉及大量能源消耗；第三，就是动物特别草食性反刍动物的饲养过程由于肠发酵释放出大量的CH4；第四，就是各类农业废弃物的处理、管理和利用过程必须耗用能源造成大量的碳排放。可见，农业产前、产中、产后的全过程都与耗用能源，造成大量的温室气体排放。下面以农业生态过程对CO2、CH4、N2O等3种主要温室气体的排放的“贡献”为例说明农业碳排放的数量，值得关注。CO2是温室效应气体的大户，农业对其贡献大约为15-25%，主要来源是土地利用方式的变化以及辅助能输入，在过去200年里，由于农业土地利用的变化，即由自然生态系统向人类管理生态系统的转换，已经导致了大约相当于同期化石燃料燃烧向大气中排放的CO2 量。如毁林开荒、放牧、种植经济收益高的作物、弃牧毁草开垦、草场退化、农田侵蚀性退化、土地沙化等都是降低农业的碳汇功能增加碳排放功能。例如，森林和草场破坏所引起的大气CO2浓度变化是双向性的：一方面，植物通过光合作用吸收固定CO2的数量减少；另一方面，被毁坏林木、草通过燃烧或腐解而释放到大气中的CO2数量增加。土地利用变化是目前大气中碳含量增加的第二大来源，约占人类活动总排放量的20%，其作用仅次于化石燃料的燃烧。此外，但由于大量施用化肥，加速了农田土壤中有机碳的矿化，进而向大气中排放了大量的CO2和CH4等温室气体。向土壤中施用石灰能够降低土壤的酸性，促进作物生长；但是碳酸盐和重碳酸盐的溶解和释放过程中也会产生大量的CO2。尿素施用过程中碳素的易挥发性也导致大量CO2的损失。因此施用石灰和尿素也成为CO2的排放源。据估计，因为农业的扰动全球每年由土壤释放到大气中的碳量约为 0.84.61012 kg。因此，对我国低碳农业而言，传统的精耕细作和现代农业的大量化肥施用都必须得到调整。CH4的温室效应系数为CO2的21倍，农业对大气CH4的数量的贡献约是50%，主要来源是水稻栽培、动物养殖。千百年来因种植水稻而形成的水稻土，每年排放的CH4占全球CH4排放总量的1015。以我国为例，自上个世纪以来，水稻面积扩大了2倍， 家畜存栏量增加了3倍，对大气甲烷含量增长的贡献率为48%。 就西方一些发达而言，虽然他们大多不种植水稻，但主要消费肉类食品，其CH4的来源主要是各类动物的养殖。表1列出加拿大不同类动物饲养过程的CH4排放数量。从表中可以看出，加拿大动物饲养总共排放出1016106k g的CH4中，动物本身排放量达到805106k g，占79.2%，主要以反刍动物牛在养殖过程CH4的排放量为主，鸡在饲养过程几乎没有CH4排放，羊也较少。因此提倡鸡肉和羊肉的消费替代牛肉是低碳农业的发展趋势。另外一个CH4排放大户是动物粪尿产生的CH4排放，占总CH4排放量的20.7%，特别是猪粪尿的CH4排放达到120106k g，占了56.9%，这就给喜欢消费猪肉的中国的低碳农业提出一个挑战。最后一个与农业相关的温室气体是N2O，其温室效应系数为CO2的310倍，农业对全球大气N2O的含量的贡献很大，达到70-80%，主要来源是植物珊生产的氮肥施用。因与本文相关性不大，在此不一一赘述。总之，农业生产对碳循环的影响具有双重作用，既是碳“源”，又是碳“汇”。在历史时期农业生产通过将自然生态系统，特别是热带森林，转换成农业土地利用，增加了大气中CO2排放。尽管如此，农业也可以通过土地利用的变化、土地整治等增加碳“汇”，减少CO2的排放 ，从而使农业生产由碳“源”变为碳“汇”。 因此，土地利用变化与碳循环土地利用模式和土地利用变化对陆地碳库和通量的影响及其反馈成为当前国际上研究农业生产与碳循环的关系研究的难点和热点。此外，全球气候变暖，以及导致的冰川融化，海平面上升，生态系统退化，自然灾害频发，深度触及了农业发展。在制约农业布局和作物产量的众多因素中，气候因素是最终的决定性因素，气候中的光、水、气是初级生产产量和质量的决定性因子，并能影响到产量和质量新成的限制因子和减少因子，必将对全球和区域性粮食安全和食物安全产生重大影响。因此，从这个角度看，研究和实施低碳农业战略迫在眉睫。对“低碳农业”的响应应该和“碳减排”、“低碳经济”一样全球联动，以确定农业温室气体的排放量并探寻减排办法。通过农业生产减少碳排放的许多措施具有“双赢”的效果，除实现减少碳排放之外，还具有提高土壤肥力、保护土地持续利用、节省开支、增加农产品种类的额外效益。三、低碳农业的实施策略（一）理论基础农业生态学现代“高碳”农业的症结一方面来自人口与资源的压力，把追求产量和经济生产力作为农业产业唯一的目标；另一方面也是缺乏系统和整体的学科指导的结果。现代科学（学科）体系是建立在实验科学的试图“窥一斑而全豹”的还原论的基础，认为“整体即部分之和”，难免无法摸清生态系统层次的规律。具体到农业分支科学也是同样，它们大部分占据了生态系统生物组织的低层次水平上，而现代农业问题正如温室气体排放等问题却多发生在生态系统水平的。这样现代农业分子学科诚如“盲人摸象”是永远无法凑成整体的农业本相的。因此需要一个整体的学科来指导，它就是联农学和生态学的农业生态学。定义上，农业生态学是应用生态学的原理，系统论的观点和方法，把农业生物与其自然和社会环境作为一个整体，研究它们之间的相互联系、协同演变、调节控制和平衡发展规律的学科。 内涵上，农业生态学是研究农业生态系统的结构与功能的学科，而农业生态系统则是人参与下的自然与社会系统的共同部分，以农业生产为手段，以食物生产为动力的综合系统。农业生态学综合动植物科学、农业工程技术和土壤科学，为食物生产、农业经济效益形成和农业生产环境维护提供一个系统的视野。因此，只有具备这样的“系统视野”，未雨绸缪预见任何可能产生的问题，从农业生态系统管理高度发展农业和研制技术，建立生态农业模式。才能尽可能少甚至杜绝诸如温室效应、污染物残留等农业副产品的产生。（二）管理策略综合农场管理IFM 要求把涉及一个单位农业生态系统的自然和社会因素纳入管理计划，其核心是综合作物管理，即通过作物轮作，中耕，选择适宜产品种类和谨慎使用输入材料等组合措施，旨在平衡生产与经济和环境的耕作方法。ICP以农田生态系统为基础，从生态学、经济学、环保学等观点出发，结合耕作制度，实施以农业的、生物的、化学的、物理的防治措施控制病虫草鼠危害，保护农作物安全生产。因此，ICP即满足长期可持续发展要求的耕作和管理体系，是据环境条件，适应当地土壤，天气和经济条件，有利地管理产品的完整农田管理战略，明智地利用和适应最新研究、技术、实践和经验的动态体系。ICP包括综合植物营养管理、综合土壤管理、有害生物综合管理等3个方面。（三）实践模式中国生态农业“生态农业”的概念最早由美国土壤学家 William A1brecht于1971年提出的。其含义为“生态上能自我维持，低投入；经济上有生命力，有利于长远发展，并在环境方面、伦理道德方面及美学上能接受的小型农业。”但作为现代化石农业的替代模式之一，生态农业仅仅在中国得到生根发芽，经过上世纪80年代与中国具体情况结合，形成中国特色的“中国生态农业”理论和技术体系，成为世界可持续农业的可行模式之一。“中国生态农业”的定义为：运用农业生态学原理和方法，把现代科学成果与传统农业技术的精华相结合而建立起来的具有生态合理性、功能良性循环的一种农业体系。所谓“生态合理性”就是应用现代科学技术促进生态过程的“低碳化”；而“功能良性循环”强调农业的“经济”可持续性。其在促进针对农业在碳循环问题的双重特征，可通过以下各具特“色”技术体系，促进农业碳汇功能的最大发挥，最大程度抑制其碳源功能，实现“低碳农业”的战略目标。（四）技术体系各“色”技术一是“绿色”技术体系。即以大农业观点开发、利用和管理自然资源。通过农田生态系统的立体开发，发挥农作物是全球陆地碳库的重要组成部分的功能，实现农业景观空间最大植被覆盖的基础上，调整耕作制度，尽量使用少耕免耕等保护性耕作措施，恰当应用各类绿肥作物如覆盖作物、携肥作物、阻隔（病虫）作物、固氮作物、抑草作物等间套种植，即充分发挥农业的碳汇功能，同注重土壤培肥，维持养分平衡，减少对土壤有机碳的扰动和化肥使用，从而减少碳排放。此外，在充分利用现代生物技术上，改良和推广优良品种和挖掘利用“绿色基因”，生产安全、低耗、低排的“绿色”食品也是绿色技术体系的重要组成部分。二是“蓝色”技术体系。“蓝色”与“水”相关，首先，引导消费者改以粮食为主为食物总量的消费结构变化，实施海洋工程，从海洋里找食物（蛋白），可节制动物养殖，减少碳排放；其次，从节约水资源角度，实施旱地工程和节水工程，减少耗水的水稻种植面积，可减少淹水性水稻田大量的CH4排放，因为改变农田的水分状况是农田土壤排放和吸收大气温室气体的决定因素之一，改变水分条件是人类变土壤温室气体排放量及其组成的重要途径。三是“白色”技术体系。“白色”用于指代加工后的农产品，把农产品加工当作农业生态系统“食物链”的一环，通过食物链加环，沿着加工链，特别是农产品的就地加工，实现农副产品的增值，后者指加工的下脚料可及时归还到当地的农田生态系统，既维持养分的平衡，又减少辅助能投入而减少碳排放。四是“灰色”技术体系。“灰色”通常指对一个农业生态系统内部结构了解的实际情况，即部分可知部分不知，也无必要全部知晓。通过对系统的物质、能量和信息的输入和输出的把握可反映系