中国作物生产系统实现温室气体净零排放的路径探索

本研究针对中国农业生产温室气体排放问题，通过量化分析全国2036个县区的农田碳收支，提出了一套整合产量提升、资源效率优化、化石能源替代和土壤固碳的综合减排方案。研究人员采用机器学习建模和长期监测数据，首次系统评估了中国农田系统的净排放格局，发现通过优化管理可在保障粮食安全前提下将净排放从目前的1161±100百万吨CO2当量降至2060年的366±48百万吨，为全球农业碳中和提供了科学路径。

　　

在全球气候变暖背景下，农业作为重要的温室气体排放源，其减排潜力备受关注。中国作为世界最大的农业生产国，作物生产系统面临着保障粮食安全与减少环境足迹的双重挑战。当前中国农田系统每年产生高达1161±100百万吨CO₂当量的净排放，其中氮肥过量使用、水稻种植甲烷排放和土壤固碳不足等问题尤为突出。如何在不影响粮食产量的前提下实现农业碳中和，成为亟待解决的科学难题。

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所和吉林农业科学院的研究人员联合国内外多家机构，在《Cell Reports Sustainability》发表了突破性研究成果。该研究通过整合全国土壤普查数据、长期定位试验和机器学习模型，首次绘制了中国农田系统1980-2018年的温室气体净排放时空图谱，并提出了面向2035和2060年的碳中和路径。

研究采用了三项关键技术方法：1)基于全国163个长期试验点的数据驱动模型，量化不同碳输入(秸秆、根系残体、粪肥)的土壤固碳效率(CSE)；2)整合2036个县区的农场调查数据，构建生命周期评估模型计算温室气体排放；3)应用RothC模型预测各县区土壤有机碳饱和点。研究团队还建立了包含2727个原位观测点的N₂O排放因子数据库，通过随机森林算法实现网格化估算。

研究结果部分，"中国农田土壤固碳"显示，通过全国三次土壤普查(1980-2018)和298个定位试验证实，中国农田表层20cm土壤有机碳储量从29.4增至40.4Mg C ha^-1，年均固碳量达290kg C ha^-1 yr^-1。数据驱动模型揭示，秸秆还田对近年固碳贡献从24%提升至42%，成为最大碳输入源。

"作物生产相关温室气体排放"部分指出，2018年中国农田系统排放1362±122百万吨CO₂当量，占全国总排放14%。其中上游投入(34%)、N₂O(23%)、水稻CH₄(20%)是三大主要来源。华南地区因集约化水稻-蔬菜种植成为排放热点，单位面积排放高达27871kg CO₂-eq ha^-1。

"净温室气体排放"分析显示，2018年中国农田系统净排放为1161±100百万吨CO₂-eq，其中99%县区排放大于固碳。值得注意的是，排放强度从1980年的1002降至2018年的652kg CO₂-eq Mg^-1产量，显示生产效率的提升。

研究提出的减排路径包含八大措施：1)缩小产量差(M1)可增产17-36%，增加固碳55±13百万吨CO₂-eq；2)提高氮肥偏生产力(PFP_N)(M2)减少氮肥16百万吨；3)优化灌溉效率(M3)节水1900亿吨；4)水稻中期排水(M4)降低CH₄排放30%；5)秸秆还田率提升至70%(M5)；6)粪肥还田率提高至50%(M6)；7)采用欧洲氮肥生产技术(M7)；8)清洁能源替代(M8)。

模拟预测显示，到2060年实施全部措施后，净排放可降至366±48百万吨CO₂-eq，53.6%县区将达到土壤碳饱和点(平均63.7Mg C ha^-1)。清洁能源替代(M8)贡献最大减排量(33.3%)，其次是提高PFP_N(21.6%)和水稻CH₄减排(18.5%)。

该研究的创新性在于首次提出了中国农田系统碳中和的量化路径，揭示了区域异质性减排潜力。虽然完全实现"净零"仍需额外措施，但研究证实通过优化管理可在保障粮食安全前提下大幅降低农业碳足迹。这一成果为制定区域差异化减排政策提供了科学依据，对全球农业可持续发展具有重要参考价值。研究建议将土壤固碳纳入碳交易体系，通过政策激励推动措施落地，加速农业绿色转型。