化肥减量增效与氧化亚氮减排:观察与展望
2024年1月16日

绿色创新发展研究院iGDP

编者按

随着“双碳”目标的提出和各项行动的开展,我国也开始关注能源以外非二氧化碳温室气体的减排。例如我国向联合国气候变化框架公约(UNFCCC)秘书处提交的《中国落实国家自主贡献成效和新目标新举措》中提出研究实施非二氧化碳温室气体控排行动方案,并且逐步建立健全非二氧化碳温室气体排放统计核算体系、政策体系和管理体系。我国发布的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中也提到要加强非二氧化碳温室气体管控。

本文将聚焦仅次于二氧化碳和甲烷的第三大温室气体 ——氧化亚氮的排放,梳理和分析其排放现状和减排进展,并对减排挑战提出建议。

全球氧化亚氮排放中农业排放占比最高

氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳和甲烷的全球第三大温室气体。2019年N2O排放约为31亿吨CO2e,  占全球温室气体总排放的 6%左右 。N2O同时也是具有较强的增温效应的温室气体,其在100年内的增温潜势是二氧化碳的 300 倍左右。并且其在大气中存留的时间较长,约为120年左右。

尽管全球N2O排放既有来自土壤、海洋和大气的自然源排放,但是由于大气和生物圈可以在一定时间对自然源排放进行调整,因此这些排放并没有导致大气中N2O的大量积累。但是人类活动导致的N2O的排放已经让大气中的N2O浓度比前工业时代上升了20%[1]。

全球N2O排放按照具体行业划分,农业部门排放占比最高,达到74%。其余的23% 分别来自能源活动(10%)、工业生产过程(9%)和废弃物管理(5%)。

图 1:全球N2O分行业排放占比(2019,%)

数据来源:ClimateWatch database

全球主要N2O 排放国中农用化肥施用均为最大排放源

在全球N2O排放中, 主要的排放国家和地区分别是中国、美国、印度和欧盟。在这四个主要排放国和地区中,均有超过一半的N2O排放来自农业部门,其中,欧盟和印度80%的N2O排放来自农业部门。 

在我国N2O排放分布中,来自农业生产占62%左右。如图3所示,在整个农业部门下,N2O的最大排放源来自化肥施用,占比为44%。其次是畜禽粪污管理以及还田带来的排放,约占32%。其他的排放来自农田废弃物处理以及农业用能的燃料不完全燃烧带来的少量排放。

图 2: N2O 主要排放国家和地区分部门排放占比 (2019)

数据来源:ClimateWatch database

图 3:中国农业生产N2O排放分领域占比(2019,%)

数据来源:FAO

我国推动化肥减量增效已有进展

化肥过量施用不仅增加N2O排放,同时也带来了水污染和大气污染,并导致土壤酸化、板结和肥力下降。因此,我国采取了一系列行动来推动化肥减量增效(我国促进农用化肥减量增效的主要政策详见文末表1)。

首先,我国制定了化肥零增长行动目标和农田氧化亚氮达峰目标。作为我国指导“三农”工作的纲领性文件——中央一号文件,从2013-2017年连续9年的“中央一号文件”都明确提到农业化肥的污染治理问题[2]。例如2017年“中央一号文件”提到“深入推进化肥农药零增长行动,开展有机肥替代化肥试点,促进农业节本增效”[3]。另外,我国 在《“十三五”控制温室气体排放总体工作方案》中还提出了到2020年实现农田氧化亚氮排放达到峰值的目标。

其次,我国取消了针对化肥生产的用电用气和税收优惠政策。2015年在国家发改委的统一部署下,全国开始取消化肥生产用电的优惠价格。并在2016年4月20号以后,销售电价分类中也不再有中小化肥优惠电价。结束了我国从2003年开始的化肥生产用电优惠政策。我国也在2015年取消了从1994年开始的化肥的增值税补贴政策[4]。

再次,我国持续推进测土配方和水肥一体化等优化化肥施用的方式。为促进耕地养分平衡,提高化肥利用效率,我国从2005年开始测土配方施肥技术——即基于对土壤的分析化验的结果来对土壤进行合适施肥。并制定了测土配方技术推广覆盖率目标2019年,全国测土配方施肥技术覆盖率达到了89.3%[5]。同时我国也在华北、西北等缺水地区推广水肥一体化滴灌技术,即采用滴灌方式将养分均匀送到作物根层,减少土壤中利于N2O排放的硝化反硝化过程。并在2016年发布《推进水肥一体化实施方案(2016—2020年)》。同时也制定了数字农业农村发展规划,建设智能控制技术与装备来实现水肥药精准施用。

此外,我国也对有机肥替代和新型肥料研发推广提供政策支持。例如我国从2017年以来在果菜茶种植优势突出、有机肥资源有保障、有机肥施用技术模式成熟、产业有一定基础的地方选择了175个重点县(市、区)开展的有机肥替代化肥试点。北京、江苏、上海和浙江等省市也出台了农民施用商品有机肥补贴政策,补贴金额在150—480元/吨[6]。同时我国也对缓释肥和水溶肥等新型肥料提供铁路优惠运价。

随着化肥减量增效政策的密集出台,我国化肥施用量自2016年开始缓慢下降。也是我国从1974年以来首次实现化肥的负增长[7]。并在2017年提前三年实现化肥零增长目标[8]。我国化肥施用量2016年为5984万吨,比2015年减少38万吨,并在2019年下降到5403万吨。与此同时,来自化肥施用的N2O排放也在同步下降中。

化肥减量增效仍面临挑战

尽管农用化肥施用量呈下降趋势,但是化肥施用强度仍有调整空间。2021年,我国化肥施用强度307千克/公顷左右,仍然远超国际公认的化肥施用的安全上限225千克/公顷。另外,我国从2005年开始推广测土配方施肥技术,但是技术推广面积与实际施肥面积仍存有差距[9]。

有机肥推广面临成本高、效益低以及重金属污染风险等挑战。从有机肥的需求端来看,有机肥施用成本远高于化肥,且对于增产的短期效益并不明显。来自浙江省有机肥与化肥投入的测算显示尽管经过补贴后有机肥每吨的价格低于化肥,但是由于每亩有机肥的施用量远高于化肥施用量,因此农户采用有机肥每亩的投入成本是化肥投入成本的4倍左右(表2)。另外,我国有机肥施用仍然以人工施肥为主,人工费又在一定程度增加已有成本[10]。且有机肥补贴对象一般以种植大户为主[11]。有机肥施用的另一挑战是肥效慢,其在土壤中分解、被植物吸收利用的过程较慢,因此不能很快满足农作物高产高效需要[12]。另一方面,从有机肥生产端来看,有机肥生产技术仍较薄弱,缺乏检测设备与手段,因此不合格有机肥产品时有出现,例如有机肥的重金属超标的问题[13] 。在有机肥的主要原料畜禽粪污中,如果残留的抗生素和重金属没有在后续工艺中被有效的去除,在使用过程中将会造成土壤污染。此外,由于部分重金属的限量标准不够严格,有机肥的长期大量施用容易导致土壤中的重金属积累,在被植物吸收利用后进入食物链 ,带来食品安全的问题[14]。

表 2:有机肥与化肥投入成本对比 

数据来源:郑利杰, 王波. 我国商品有机肥发展瓶颈及策略研究[J]. 环境与可持续发展, 2017, 42(3): 38-41.

包括缓控释肥料、稳定性肥料在内的新型肥料推广应用仍受制于成本因素,作用机制也有待明确。控释肥制备成本较高,生产技术门槛高,价格通常为普通肥料的3-8倍。主要用于园林、花卉等高经济价值作物,很难用于粮食等大田作物[15]。而通过一定工艺加入脲酶抑制剂和硝化抑制剂使得肥效得到延长的稳定性肥料,其抑制剂作用效果受多种环境因素影响,持效时间不稳定,且肥料价格也偏高[16] 。

以小农经济为主的农业生产方式也对智能精准施肥的推广带来挑战。与发达国家的农业生产方式相比,中国农业生产仍以小农为主。中国农田经营规模在2公顷以下的接近70%,而世界多数地区的农田经营规模在5公顷以上[17]。此外,基于2017年统计数据的估算显示,中国目前有2.2亿农户,户均经营规模只有0.5公顷,加上流转的土地,户均也只有0.7公顷[18]。由于农田规模小,出于成本收益的的考虑,农户对于精准施肥技术的利用和管理的积极性不高[19]。此外,农村务农人员中年轻人口减少、老龄化趋势严重,以及受教育程度普遍偏低等现状也不利用新的农业生产技术和理念的吸收和普及[20]。

政策建议

化肥作为农业生产的重要投入品之一,在农作物生产和产量增收上都发挥着重要作用。但是长期化肥的过量施用也让其成为我国N2O最主要的排放源。因此N2O减排的关键是推动化肥的减量增效。以下是基于上述讨论提出的建议:

持续推进测土配方,并且为农户提供有效的培训和服务。已有的实践显示针对农户的技术培训和管理项目可以提供更好的减排效果。例如从2005-2015年间,在中国开展的一项有2000多万农户参与的提高农业管理和技术培训中,制定针对当地情况的农地改善计划,不仅减少化肥使用和提高产量,同时减少温室气体排放[21]。

加强对有机肥补贴、研发和推广的政策支持力度。提高有机肥的补贴标准,降低农户施用有机肥的成本。同时也将有机肥补贴的范围扩大到小规模生产企业和小农户。另外,通过提高有机肥生产标准和产品质量,减少不合格产品的出现。有机肥现有标准为《有机肥料(NY525-2012)》行业标准,但是目前只对总养分有要求,对其他成分关注不多 [22]。此外,推广种养结合的方式将养殖业和种植业衔接起来,在促进畜禽粪污资源化利用的同时,也为种植业提供了有机肥使用。

在保证小农利益的前提下推动土地流转和土地托管,促进土地规模化经营和精准施肥技术推广。由于我国以小农为主的农业生产方式对精准施肥技术推广带来挑战,加快土地流转,有利于农机作业和规模经营,提高土地利用效率并且降低新技术使用的成本。研究显示,我国有 86%的农田可以整合形成平均规模大于16公顷的大农田,这种整合的方式可以大幅提高农业机械化程度,同时在提高农户收入的同时可以减少24% 的氮肥投入,将氮肥利用率提高18%,并且减少39%的农业人力成本[23]。

从长期来看,提高土壤质量、改善土壤健康才能更好的实现化肥减量和替代,并推动农业的可持续生产。 例如在农业生产中,采用少耕免耕和秸秆覆盖等保护性耕作的方式来减少对土壤的扰动和帮助恢复土壤的肥力。该项措施在我国东北和黄淮海地区都在逐步推广。此外,在我国传统绿肥种植和还田的基础上,加强对绿色生产方式和种植技术的研发也对提高土壤有机质和减少化肥施用有显著效果[24]。研究和监测结果显示,在南方稻去利用绿肥可以减施氮钾肥40%,旱地可以减施20-30%左右[25]。

附件:

表 1:我国促进农用化肥减量增效的主要政策 

参考文献

[1]Bouwman, L., Daniel, J. S.,Davidson, E. A., de Klein, C., Holland, E., Ju, X., Kanter, D., Oenema, O.,Ravishankara, A. R., & Skiba, U. M. (2013). Drawing down N2O toprotect climate and the ozone layer. A UNEP Synthesis Report. United NationsEnvironment Programme (UNEP).

[2]郑利杰, 张笑千, 王波. 化肥有机肥补贴政策演变过程及配套技术初探[J]. 世界环境, 2018, 4.

[3]http://www.moa.gov.cn/ztzl/yhwj2017/zywj/201702/t20170206_5468587.htm

[4]郑利杰, 张笑千, 王波. 化肥有机肥补贴政策演变过程及配套技术初探[J]. 世界环境, 2018, 4.

[5]https://www.gov.cn/xinwen/2019-12/19/content_5462243.htm

[6]http://www.moa.gov.cn/govpublic/ZZYGLS/201909/t20190917_6328090.htm

[7]https://www.gov.cn/xinwen/2017-12/28/content_5251080.htm

[8]http://www.xinhuanet.com/politics/2018-04/25/c_1122739925.htm

[9]郑利杰, 张笑千, 王波. 化肥有机肥补贴政策演变过程及配套技术初探[J]. 世界环境, 2018, 4.

[10]杜为研, 唐杉, 汪洪. 破解有机肥推广难题, 需环环相扣 “对症下药”[J]. 中国农资, 2021.

[11]郑利杰, 张笑千, 王波. 化肥有机肥补贴政策演变过程及配套技术初探[J]. 世界环境, 2018, 4.

[12]http://www.ce.cn/cysc/sp/info/202010/13/t20201013_35881440.shtml

[13]杜为研, 唐杉, 汪洪. 破解有机肥推广难题, 需环环相扣 “对症下药”[J]. 中国农资, 2021.

[14]谢文凤, 吴彤, 石岳骄, 朱毅. 国内外有机肥标准对比及风险评价[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(12): 1958-1968.

[15]农民日报 , 2022, 发展缓控释肥是实现化肥减量增效的重要方向

[16]李思平, 刘蕊, 刘家欢等. 稳定性肥料产业发展创新及展望[J]. 现代化工, 2022, 42(11): 1-8.

[17]Wu, Y., Xi, X., Tang, X., Luo, D., Gu, B., Lam, S. K., Vitousek, P. M., & Chen, D. (2018). Policy distortions, farm size, and the overuse of agricultural chemicals in China. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(27), 7010–7015.

[18]杜鹰. (2018). 小农生产与农业现代化. 中国农村经济, 10, 2–6.

[19]Ju, X., Gu, B., Wu, Y., & Galloway, J. N. (2016). Reducing China’s fertilizer use by increasing farm size. Global Environmental Change, 41, 26–32.

[20]胡亚兰, 张荣. 我国智慧农业的运营模式问题与战略对策[J]. 经济体制改革, 2017(4): 70-76.

[21]农民日报 , 2022, 发展缓控释肥是实现化肥减量增效的重要方向

[22]金书秦, 唐佳丽, 杨小明等. 欧盟有机肥产品标准, 管理机制及其启示[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2021, 29(7): 1236-1242.

[23]Duan, J., Ren, C., Wang, S., Zhang, X., Reis, S., Xu, J., & Gu, B. (2021). Consolidation of agricultural land can contribute to agricultural sustainability in China. Nature Food, 2(12), 1014–1022.

[24]曹卫东, 包兴国, 徐昌旭, 聂军, 高亚军, 耿明建. 中国绿肥科 研60 年回顾与未来展望. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(6): 1450-1461.

[25]http://www.news.cn/globe/2022-07/18/c_1310640187.htm

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陈美安,iGDP 项目总监、高级分析师。陈女士拥有八年以上气候变化政策的研究经验。她关注的研究领域包括:气候变化政策分析、非二氧化碳温室气体排放、农食系统、碳市场等。她负责以及参与的研究项目包括:《中国农业与食物相关温室气体减排路径分析报告》、《全球甲烷倡议以及气候与清洁空气联盟:国际技术和支持服务项目》、《中国NDC进程与展望:迈向全球碳中性的未来》、《全国碳市场委托拍卖框架设计研究》等。

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