腐植酸低碳肥料与碳达峰
《腐植酸》杂志 2022年1期
作者：曾宪成 李 双
中国腐植酸工业协会 北京 100120
2021年10月24日，中共中央国务院印发《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》，26日国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》（以下简称《方案》）。《方案》特别指出“推进农业农村减排固碳”，对腐植酸低碳肥料行业既是机遇、也是挑战。通过“大量反哺腐植酸低碳肥料——提高肥料利用率减少碳排放——减少化肥施用量减少碳排放——提高农作物增产固碳、增加土壤有机质储碳控碳能力”的科学机制，让“黑色腐植酸、腐植酸本色肥料从土壤中来到土壤中去”的土壤固碳增碳和低碳化路径尤为重要。
1 何谓腐植酸低碳肥料
认识腐植酸来自土壤（揭示自然），工业化利用腐植酸来自煤炭（利用自然）。通过反哺腐植酸低碳肥料，构筑“土肥和谐”新关系，对协调“土壤—肥料—作物”之间的养分平衡供给及减少农业二氧化碳（CO2）等温室气体排放具有十分重要意义。
1.1 腐植酸基本概念
腐植酸由动植物残体，主要是植物残体，经过微生物分解和合成，以及地球物理、化学的一系列相互作用过程形成的一类富含羧基、酚羟基、醌基、羰基、甲氧基等多种活性官能团的非均一脂肪-芳香族无定形有机弱酸混合物[1]。腐植酸主要从风化煤、褐煤、泥炭中活化、提取和分离，还可从洁净的生物质资源中转化而来[2]。腐植酸根据分子量大小可分为黑腐酸、棕腐酸和黄腐酸[1]。
1.2 腐植酸低碳肥料基本概念
所谓低碳肥料，是指肥料生产过程低能耗且通过施用该肥料能提高化学肥料利用效率、减少化学肥料施用量，从而有效减少CO2等温室气体排放的肥料。腐植酸是地球碳循环的重要一环，是土肥和谐的构造者，是经过长期实践证明的低碳肥料。腐植酸低碳肥料系指通过工业活化提取的腐植酸营养效素，在“两机互补”理论的指导下，按照“土壤—肥料—作物—环境”全产业链低碳化要求，集成大量、中量、微量以及有益元素，生产符合养分最大化、产出高效化、土壤生态化的低碳肥料，以达到减少肥料碳排放直至实现肥料碳中和的目的[3]。
1.3 腐植酸低碳肥料显著特点
腐植酸低碳肥料的作用特点：（1）直接作用于土壤有机质提升、养分高效利用、作物品质提高；（2）其生态性在于调节土壤系统、生物系统和环境系统之间的物质循环、能量转换和信息传递，以维护土壤健康为目的；（3）显著特点在于生产和使用过程中节能减排、提高肥料利用率、稳碳固碳、调节土壤碳库[3]。
2 腐植酸低碳肥料与碳达峰
关注碳达峰碳中和，必须关注农业，农业碳排放占三分之一且还在继续。关注农业必须关注土壤和肥料，因为土壤有机碳库是大气碳库的2倍多，而肥料占种植业碳排放总量60%以上[4]。据此，实现碳达峰碳中和目标，开创农业固碳和低碳行动刻不容缓，反哺腐植酸低碳肥料是当务之急。
2.1 我国农业碳排放特征
根据跨政府组织（IPCC）统计数据显示，农业所产生的碳排放量仅次于化石燃料，是全球温室气体的第二大来源，约占碳排放总量的1/3[5]。联合国环境规划署的调查报告显示，2019年全球碳排放总量达到了591亿吨CO2[6]，较2018年增加了38亿吨增幅高达6.87%。2021年11月4日，联合国环境规划署发布的《2021年适应差距报告》指出，更新版国家气候承诺加之其他气候变化减缓措施，会导致世界步入“本世纪末全球升温2.7 ℃”的轨道，这远高于《巴黎协定》设定的温控目标，并将引发灾难性的气候变化。我国作为全球最大的温室气体排放国，工业碳排放一直被政府节能减排工作所关注，占全国总量17%的农业碳排放不容忽视[7]。根据1997—2018年我国31个省区农业碳排放的时空演变特征分析，（1）我国农业碳排放量总体呈现波动上升趋势，稻田为第一碳源；（2）我国农业碳排放的区域差距较大，碳排放较低的省区呈扩大趋势，碳排放较高的省区有所收缩；（3）我国农业碳排放量总体上表现出东中部高、西部低的空间分布格局，而碳排放强度的空间布局则相反；（4）我国大部分省区的农业碳排放呈现增长态势，地区差距有所扩大，但“两极分化”现象逐渐消失；农业碳排放分布状态稳定性高，内部流动性低；（5）我国农业碳排放与农业经济发展之间多处于弱脱钩和强脱钩状态，强脱钩状态的省区在空间格局上逐渐替代弱脱钩状态占据绝对主导地位。虽然大量已有的研究结果表明，我国碳排放增速已明显放缓，但我国农业仍然处于高消耗、高排放的发展阶段[8]。
2.2 我国肥料碳排放长期居高
近年来，伴随着我国农业生产规模化与集约化程度的不断提升，能源需求量持续增加，其所导致的碳排放量也居高不下。虽然2015年以来国家出台一系列减肥增效政策使得我国农业碳排放总量由2016年的8.85亿吨降至2018年的8.7亿吨[9]，降幅为1.69%，但肥料碳排放占比仍是大头。2018年，我国种植业碳排放总量为7850.39万吨，其中排放量前三位的化肥、农膜、农药引致的种植业碳排放量依次为5246.48、1308.58、815.46万吨，分别占种植业碳排放总量的66.83%、16.68%、10.38%，三者碳排放占种植业总碳排放量的94%，而施用化肥导致的碳排放量更高达总碳排放量的2/3[10]。现列举我国6个代表性农业大省和设施园艺农业-肥料碳排放情况，见表1。
表1 我国7个代表性农业-肥料碳排放案例Tab.1 Seven representative cases of agriculture and fertilizer carbon emissions in China
基于农业-肥料碳排放的研究结果来看，虽然不同省份碳排放总量区域差异明显，但通过控制化肥使用量是遏制我国农业碳排放的重要措施。显然，“低碳”已经成为化肥行业不可回避的必答题。
2.3 腐植酸低碳肥料“加减法”
直面化肥，得两头算。既要减少肥料碳排放，又要增加土壤碳固定，利用腐植酸加减化肥，即提质增效化肥，又减量化肥投放，还稳定土壤碳库，腐植酸低碳肥料最具说服力。
2.3.1 腐植酸低碳肥料“减法”
以尿素为例：生产端，每生产1吨尿素约需1.4吨原煤；消费端，投向土壤，作物利用率约为40%，绝大部分温室气体排向大气。这是氮（N）的账，还有磷（P）、钾（K）的账紧跟其后。腐植酸系土壤生命之所在。腐植酸与化肥构效，提氮，解磷，促钾。让腐植酸与化肥“联姻”，利用“两机互补”，集结“两个最大”，智造腐植酸低碳肥料，一来化肥氮利用率可高达70%，二来减少常规化肥施用量可达30%以上，以此倒逼化肥生产端减少煤炭一次性消耗，同时重构“土肥和谐”新关系，为碳达峰、碳中和之低碳肥料首选。
（1）生产端减排。从化肥生产源头控制排放来说，每生产1 kg腐植酸，可节能约62500 kJ，折合2 kg标煤，相应少排5.6 kg CO2、0.09 kg SO2和0.7 kg NO2[18]。按照2019年，化肥施用量为5403.59万吨（实物量），如果全部使用腐植酸肥料（腐植酸含量按5%计算），可节能约1.69×1014kJ，折合540.36万吨标煤，相应减少CO2排放1513.01万吨、SO2排放24.32万吨和NO2排放189.13万吨[19]。
（2）消费端减排。腐植酸可平均提高肥料利用率10个百分点以上，相当于当今肥料利用率净增30%～40%，同时可以抑制土壤硝化率60%，减少33.5%～65.0%氨损失。以2019年我国氮肥施用量1930.21万吨（折纯量），加入腐植酸后按利用率提高30%计算，则可减少氮肥施用量279.06万吨（折纯量）[19]；在农业生产过程中，按照所施氮肥0.5%是以NxO形式损失[20]，那么腐植酸氮肥则减少NxO 9.65万吨。依据IPCC《气候变化2014：影响、适应和脆弱性》N2O的增温潜势为CO2的265倍[21]，相当于减少2557.25万吨CO2排放。
（3）应用端效果。根据影响农田生态系统中碳汇及碳源的因子分析，粮食作物的产量与碳吸收具有明显的正相关关系，但蔬菜水果的产量与碳吸收呈现负相关[22]。以甜玉米种植碳排放分析为例。颜晓军等[23]通过对华南酸性红壤区春播和秋播甜玉米种植过程中的碳排放构成因素分析，甜玉米有机替代单位产量碳排放量为0.36～0.41 kg/kg，相比于农户常规施肥处理下降9.6%～15.0%，说明通过肥料减排切实有效。如果应用腐植酸低碳肥料，减排成效会越来越大。腐植酸、腐植酸肥料产品可提氮解磷促钾，于小麦、玉米、水稻三大粮食作物对症下药，可达到事半功倍的效果，见表2。
表2 腐植酸肥料与三大粮食作物补氮、补磷、补钾应用案例Tab.2 Application cases of humic acid fertilizer in three major grains to supplement nitrogen, phosphorus and potassium
2.3.2 腐植酸低碳肥料“加法”
腐植酸是土壤有机质的核心，土壤有机质下降会造成土壤中的碳以CO2的形式释放到大气，导致大气中温室气体含量增加，影响气候变化，使土壤从“碳汇”转为“碳源”。全球2 m深土壤有机碳库高达24000亿吨，每年因土壤有机物质生物分解释放到大气的总碳量为680亿吨，是化石燃料燃烧释放到大气中碳的11.3倍。据调查统计分析，美国陆地1 m深土壤有机碳约有740亿吨，而我国只有美国的一半左右，土壤储碳潜力巨大。通过与土壤同根同源的腐植酸低碳肥料反哺，快速提高土壤有机质含量，进而提高土壤固碳效率，将成为“土壤固碳”行动的有生力量。
（1）腐植酸低碳肥料蓄碳。2019年我国现有耕地耕层（20 cm）有机碳超过43亿吨，如果按照每年4‰提升，则需要增加5.5亿吨/年以上有机碳。通过反哺腐植酸低碳肥料，逐步建立起富含腐植酸的土壤团粒结构，增加土壤有机碳的含量，增强土壤碳汇能力，实现土壤“碳截留”。大量田间应用研究表明，腐植酸低碳肥料与传统化肥相比，可促进不同类型土壤中团聚体、特别是水稳性团聚体的形成，大大增强土壤团聚体的稳定性，0.01～0.05 mm粒级微团聚体百分含量可提高35.10%，土壤水稳性团聚体百分含量可提高6.30%～10.14%，土壤总有机碳积累量可增加31.00%～120.00%[19]。
（2）腐植酸低碳肥料吸碳。地球上所有植物吸收了人类排放大约30%的碳。通过腐植酸协调土壤微生物的生命活动，使其与植物光合作用相配合，增强植物固碳能力，将空气中的CO2牢牢封存在土壤之中，减少碳排放。研究表明，每施用1 kg腐植酸，植物吸收CO2量增加240 kg。如果2019年全部施用腐植酸肥料（化肥5403.59万吨，实物量），腐植酸含量按5%计算，则植物吸收CO2量增加6.48亿吨，约占2019年全球碳排放量330亿吨的2%[19]。
（3）腐植酸土壤固碳抵消潜力巨大。根据联合国粮农组织于2021年12月5日“世界土壤日”发布的全球土壤碳储量图，地表以下30 cm范围内的土壤里含有约6800亿吨碳。农田土壤是重要的“储碳库”，占土壤总碳储量的8%～10%。基于我国当前农业管理模式，农田土壤有机碳库的年增加量为2500多万吨，相当于近1亿吨CO2当量。据估算，到2030年全球农业技术减排潜力大约为每年55～60亿吨CO2，其中大约89%可通过土壤固碳来实现[33]。据此，通过腐植酸低碳肥料土壤固碳+作物储碳，可以抵消碳排放。
面对农业-肥料碳达峰碳中和行动，腐植酸低碳肥料首屈一指。我们需要加大与土壤同根同源的腐植酸低碳肥料反哺力度，深耕细作“土壤—肥料—作物”这块大的“责任田”，为早日实现碳达峰碳中和目标贡献力量。
3 腐植酸低碳肥料碳交易市场前景可期
在实现碳达峰和碳中和过程中，碳排放权交易（以下简称“碳交易”）是不可忽视的关键路径。未来，腐植酸低碳肥料进入碳市场可期。
3.1 农业低碳化的重要性
联合国粮农组织在《粮农组织的战略工作：可持续粮食和农业》研究报告中指出：“农业（包括林业和渔业）特别易受气候变化的影响，而且也是气候变化的重要促进因素。如不把农业温室气体排放量的增长计入，则《巴黎协定》的目标将无法达成。”这反映出农业进入和参与到碳减排与碳交易的框架体系不可或缺。
据联合国粮农组织统计，农业用地释放的温室气体超过全球人为温室气体排放总量的30%，相当于每年产生150亿吨CO2；农业生态系统可以抵消掉80%因农业导致的全球温室气体排放量。有关学者研究指出，目前中国按农作物面积计算，年净吸收CO2约22.8亿吨。实现碳中和，农业减排固碳既是重要手段，又大有潜力[34]。
2021年7月8日，《农民日报》第3版刊发了一篇《实现“双碳”目标需将农业纳入碳交易市场》文章，强调将农业纳入碳交易市场是大势所趋，需在思想认识、目标协同、方法开发、试点探索等方面下足功夫。文章建议：①提高全社会对农业碳减排、碳交易的思想认识；②协调“双碳”目标、粮食安全目标和农民增收目标；③加强农业相关减排方法学的开发与应用；④有序推进农业纳入全国碳市场。
虽然目前我国开展的碳汇项目主要包括森林碳汇、草原碳汇、海洋碳汇等，涉及农业的碳汇项目较少。但是，农业进入碳市场，开创碳汇交易已经不是可有可无、或早或晚的事情，而是当务之急。一方面，通过开展农业碳交易，能够充分发挥市场机制在资源配置中的作用，以农业低成本推动碳减排。另一方面，通过碳市场购买碳配额、碳汇是实现自身“净零排放”的重要手段，有助于解决企业、自然人达成碳中和的“最后一公里”问题。
3.2 化肥碳达峰碳中和行动在即
在国家层面，自2011年10月国家发展改革委印发了《关于开展碳排放权交易试点工作的通知》后，①2012年6月13日，国家发展改革委印发了《温室气体自愿减排交易管理暂行办法》，支持农林碳汇、畜牧业养殖和动物粪便管理等申请作为温室气体自愿减排项目，目前正在修订中；②2019年，生态环境部在《关于政协十三届全国委员会第二次会议第0660号（资源环境类047号）提案答复的函》中指出“鼓励和支持农业温室气体减排交易”，并明确表示“研究推进将国家核证自愿减排量纳入全国碳市场”的政策设想；③2021年3月，生态环境部和农业农村部联合印发的《农业面源污染治理与监督指导实施方案》明确提出要探索开展“点源-面源”排污交易试点，这也从国家层面对于将农业减排纳入排污权交易试点提供了政策依据。
在地方层面，各大碳交易试点省份相继开展了农业碳交易实践，鼓励农村沼气等项目通过抵消机制进入市场交易。例如，①在湖北省脱贫地区产生的碳减排量中，已有217万吨进入碳交易市场，为地方发展带来了5000多万元的收益；②2021年6月25日，江苏省南京市地方标准《生态系统生产总值（GEP）核算技术规范》正式实施。该标准是江苏首个“GEP核算标准”，立足南京实际，选取生态物质产品、生态调节服务、人居文化等一级指标，以及农业产品、土壤保持、大气维持与改善等18个二级指标，每项指标给出计算公式，通过统计数据、现场调查和当地文献资料来获取数据，完成核算。
成熟的碳市场充分反映了边际减排成本和外部成本，能够实现增强碳定价的科学性和有效性。国家和地方政策的出台与实践活动的推进，彰显了各地积极开展农业碳交易的决心。目前，虽然农业尚未纳入中国碳排放权交易体系，但农业减排项目可以参加温室气体自愿减排碳交易活动。相信在不久的将来，农业自愿减排碳交易市场将活跃起来。
3.3 腐植酸低碳肥料碳交易市场前景
“十三五”期间，我国开展了化肥零增长行动计划，累计减少化肥施用量超过1200多万吨。如果按照2015年的排放强度计算，仅化肥减量这一项带来的减排量就超过4200万吨CO2[34]。当前，我国增施腐植酸低碳肥料和减施化肥的潜力至少在20%以上，未来5～10年，腐植酸低碳肥料占农业使用的比例将提高至30%以上。可以预见，大力推广和应用腐植酸低碳肥料，不仅有利于农业污染的持续减排，也必然会成为助力碳达峰目标实现的重要推动力。
自2013年开始，北京、上海、湖北、广东、深圳、天津和重庆7个碳交易试点市场陆续开市。2021年7月16日，全国碳交易市场在上海正式启动。根据上海环境能源交易所统计显示，全国碳市场开盘价48.00元/吨，最高价52.80元/吨，最低价48.00元/吨；首日成交量410.40万吨，成交额逾2.1亿元，成交均价51.23元/吨。截至2021年12月22日，全国碳市场碳排放配额累计成交量1.4亿吨，累计成交额58.02亿元。可以预见，将腐植酸低碳肥料纳入碳交易市场潜力巨大，影响深远。
必须指出，目前，国家已备案的方法学清单中，与农业直接相关的方法学还很少。对此，建立腐植酸低碳肥料碳减排计算方法，构建腐植酸低碳肥料规范标准和方法学，为肥料进入碳交易市场做好基础性工作迫在眉睫。
4 结语
当前，我国实现2030碳达峰、2060年碳中和目标压力巨大，农业固碳减排潜力巨大。腐植酸低碳肥料从生产到使用过程，致力于土壤稳碳固碳、肥料节能减排、作物增绿储碳，促进农业低碳化发展，是农业固碳减排的重要一环。面对全球碳市场利好，希望腐植酸低碳肥料行业抓住机遇，全面投身到“提升生态系统碳汇增量”与“实施化肥农药减量替代计划”之中，让肥事说出气候变化大事，充分展现腐植酸低碳肥料行业的责任担当。