2023/03/04
提问：农业就一定是绿色行业吗？
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当我们听到“碳排放”，脑袋中的画面通常是能源燃烧、工业生产、汽车尾气的二氧化碳排放。但常常也就到此为止、不再深究了。就像听贝多芬的《第五（命运）交响曲》，几乎所有人听到那由弦乐组演奏的几声 噔噔噔 噔——，都能马上想到是这首曲子，马上知道它的大概意思，但也就到此为止了。后面的木管组、铜管组演奏了什么，怎么和弦乐组配合，都鲜为人知，更别说后面的乐章了。甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）就像是这被忽略的木管组和铜管组。
可以再听听这首曲子，感受一下木管组和铜管组的节奏，边听变阅读文章~我选的这首是克劳迪奥·阿巴多2001年指挥柏林爱乐乐团演奏的版本，这个版本不如卡拉扬的著名，但是是我曾经第一次完整听下命运第一乐章的版本。
农业给人的印象一般只是种植植物，从而有二氧化碳吸收能力，从而是个绿色行业。但人们通常不会想到农业的温室气体排放占到了全球排放量的五分之一（约19%），高于交通运输的排放量（约16%），惊人吧！难以想象比尾气还严重！
就农业而言，主要排放的温室气体不是二氧化碳（CO2），而是甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）。
在农业中，虽然也有像工业中的机械排放（如农业机械和电力能源使用的排放），但与其它行业所不同的主要还是通过生物体或土壤中的微生物转化所造成的排放，比如，牛的“尾气”。
这里先简单介绍一下二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化碳二氮（N2O）这三种温室气体在农业中的生成原理，之后再提供产生这些原理的主要环境。
二氧化碳（CO2）的产生主要是通过土壤微生物对有机质（OM）的氧化分解
甲烷（CH4）通常由产甲烷古菌（methanogen）厌氧分解产生（发生在潮湿土壤、动物粪便、水稻田、动物消化系统、动物腐烂的厌氧反应中）(徐，建明 2019)
一氧化二氮（N2O）通常以微生物硝化作用和脱氮作用过程中的副产品形式产生
这些反应不是我们在实验课上用试管和烧杯能模拟出来的，因为都是通过微生物体内复杂的运作转化而来的，以上只是很简单地说明一下原料和生成物，其间具体的转化原理就得问问微生物了。
据联合国粮农组织提供的数据，农业碳排放主要来源于以下九个方面
一、牲畜相关排放
过去一百多年内，全球人口从不到20亿增长到了80亿，同时人们对于高蛋白肉类和奶的需求都急剧上升，促进了大量的碳排放。与牲畜相关的肠道发酵和粪便排放占农业温室气体排放总量的近三分之二。
图片来源：https://nynct.henan.gov.cn/2020/07-20/1742284.html
肠道发酵的排放的渠道就是牛羊的打嗝和放屁。肠道发酵排放的温室气体包括反刍动物（牛、羊、鹿、骆驼）和非反刍动物（在较小程度上）消化系统产生的甲烷气体。以牛为例，牛胃和人胃不同，有四个腔室，因此，牛才可以吃那些人类无法消化的草和其他植物。在被称为“场内发酵”的过程中，牛胃内的细菌可分解植物的纤维素，然后发酵产生甲烷，通过打嗝和放屁排出。
粪便含有主要两种化学成分，在储存和处理过程中会导致温室气体的排放，分别为在厌氧分解过程中释放甲烷的有机物，以及导致一氧化二氮排放的氮。除此之外，气体组合中还有硫和氨。
二、化肥的使用
化肥排放的温室气体包括向管理土壤中添加合成氮所产生的的一氧化二氮气体。
图片来源：https://newpaper.dahe.cn/hnrbncb/html/2015-05/18/content_1263249.htm
种植农作物需要大量的氮，几千年来人们通过使用自然肥料（动物粪便）给植物提供额外的氮。1908年，两位德国化学家发明了在工厂中使用氮和氢生成氨的方法，使得合成化肥的生产成为可能。
但在过去一百多年的发展过程中，化肥除了帮助植物生长，也制造了大量非自然产生的额外的温室气体。
首先，为制造合成化肥必须生产氨，这个过程需要热量，热量来自天然气的燃烧，而燃烧天然气会产生温室气体；
其次，在把合成化肥从生产车间运送到储存仓库，再到农田的过程中，我们需要用卡车运输，而卡车需要汽油提供动力；
最后，使用到土壤中的合成化肥所含的大部分氮根本不会被植物吸收。事实上，在使用到农田的氮肥中，能被农作物吸收的不足一半，剩余部分要么进入地下水或地表水中造成污染，要么以一氧化二氮的形式逃匿到空气中。
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化肥中过量的氮（以及其它营养元素）不仅植物无法吸收，而且在土壤有机质被破坏至贫乏的情况下容易淋溶到地下水，造成地下水污染，破坏引用水，我们人类可不需要像植物那样摄取氮，想象一下当你喝水的时候水里含有化肥的场景，你觉得会让你长得更好吗？
人们在施肥的时候的心理活动不是考虑氮元素的流失，也不考虑植物是否能吸收，也不考虑对土地和环境造成的污染，而是像爷爷奶奶喂孙子那样，想着：我孙子最近又瘦了，我得帮他补回来，得吃！于是总会过量施肥。
三、毁林和森林退化
当森林被砍伐（以转化为农业用地）或退化时，它们通过土壤有机碳的矿化和植被的分解造成温室气体排放。
图片来源：https://sputniknews.cn/20210414/1033485260.html
世界银行的数据显示，自1990年以来，全球森林面积至少减少了50万平方英里，这相当于中国国土面积的七分之一。森林砍伐机会产生直接而明显的影响，又会造成难以察觉的伤害。
比如，如果林木被烧毁，他们很快就会释放其所含的所有二氧化碳；
比如，当你把一棵树从地里挖出来时，就破坏了土壤的生态环境，而这片土壤恰恰又存有大量的碳。当你开始移动树木，土壤中的碳就会以二氧化碳的形式逃匿到大气中。
四、水稻种植
水稻种植过程中排放的温室气体包括稻田中有机物厌氧分解产生的甲烷气体。
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淹没的稻田是甲烷排放的主要来源之一。稻田每年排放的甲烷总量约为6.25亿吨二氧化碳当量。在连续淹没的田地中，生活在水稻种植下的水浸土壤中的产甲烷古菌（methanogen）在严格缺氧的微环境中会分解有机物而产生甲烷，生长季节结束时的排水会释放这些有机物厌氧分解形成的甲烷。
我国是世界上最重要的水稻生产国，水稻种植面积约0.3亿hm2，占世界水稻种植面积的19%，位居世界第二。其中，93%为人工灌溉稻田，5%为雨水灌溉低洼稻田，2%为旱地稻田。中国稻田排入大气中的CH4占全世界水田土壤CH4排放总量的30%左右。
五、土壤侵蚀和退化
土壤侵蚀和退化降低了土壤储存和循环碳的能力，导致大量碳被释放到大气中。
图片来源：https://www.huanbao-world.com/a/turangxiufu/2019/0731/108949.html
比如，耕作时的机械翻耕和犁地是扰动最多体积的土壤的农田操作，这些操作破坏了负责形成土壤有机碳的过程（宏观聚集体内的微聚集体的稳定），并损害了生物体（主要是真菌）。耕作通过加快土壤有机碳的氧化分解，加速了土壤的矿化过程，形成二氧化碳并释放到大气中。
六、生物质燃烧
生物质燃烧产生的排放包括森林地区生物质燃烧产生的甲烷和一氧化二氮，以及有机土壤燃烧产生的甲烷、一氧化二氮和二氧化碳。
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七、燃料燃烧和电力使用
和工业一样，农业设备燃料的燃烧和农业用电的发电过程会产生二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的排放。
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八、泥炭地排水和火灾
泥炭地是具有厚有机土壤层的湿地，仅占全球土地面积的3%，但储存了世界30%的土壤碳。
图片来源：https://www.huanbao-world.com/a/zixun/2018/1122/61405.html
九、鱼粉在水产养殖中的使用
作为水产养殖的饲料，鱼粉造成了大量的二氧化碳气体排放，特别是考虑到渔船捕获鱼类以生产鱼粉所消耗的大量能源，以及生产鱼粉过程中各项鱼粉加工设备所消耗的能源。
图片来源：https://www.feedsmachinery.com.cn/equipment-yuyou.html
http://www.gdasi.org.cn/index.php/zhxx/373.html
有人说全球变暖是自然现象，反正我是不信，过去一百年来人类的活动以非自然的形式增加了大量的排放，没有功劳也有苦劳，大气中的温室气体肯定是人为增加了的。
所以，在了解这些排放渠道后，接下来就是要讨论怎么在各个渠道努力减少排放或增加碳捕获，从而达到碳达峰、碳中和的目标。许多人、企业、机构、国家都在为此做出努力，并初有成效，比如研究减少牛打嗝放屁的食物搭配、减少或取消农药化肥的使用、通过水分管理减少水稻田的排放、通过免耕技术减少对土壤的破坏、减少对森林的破坏和作物占用林地的情况、用其它材料替代鱼粉的制作等，具体以后我再分类展开讲。
反过来看，农业在缓解气候危机上是最有潜力的，毕竟植物的确是能吸收大量二氧化碳的，而且优质的土壤是储存碳的最佳场所之一（详情请看文章：土壤有机质的节奏）。碳中和不是追求零排放，而是追求净排放归零，农业在减少自身排放的基础上，还能帮助其它行业捕获多余的碳或减少碳排放。
参考资料
FAO Climate Smart Agriculture Sourcebook
https://www.fao.org/climate-smart-agriculture-sourcebook/en/
Gates, Bill. 2021. How to Avoid a Climate Disaster.
徐，建明. 2019. 土壤学. 第四版. 中国农业出版社.
Cornell Soil Health
https://soilhealth.cals.cornell.edu/
徐，春梅, 王，丹英. 中国水稻研究所：稻田碳减排关键技术解析，通过水分管理减少30-60%甲烷排放
https://www.sohu.com/a/547572996_120167070
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