吳家福，蘇 娟，杜松懷，魏 健，陳緒城

（中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京 海淀 100083）

0 引言

我國是農業(yè)大國，農業(yè)在我國實現雙碳目標遠景過程中有著舉足輕重的地位。在我國，農業(yè)發(fā)展過程中存在著眾多的碳排放源，尤其以種植業(yè)和畜牧養(yǎng)殖業(yè)碳排放占比最大。其中種植業(yè)方面，以化肥、農藥等化學物質的使用為主，農業(yè)生產過程中化石能源的消耗占比同樣巨大，在畜牧養(yǎng)殖業(yè)方面，聯合國糧農組織（FAO）在《Livestock's Long Shadow》2016 年報告中指出：若以CO2當量計算，畜牧業(yè)是造成溫室效應的主要參與者，占溫室氣體排放量的 18%，這一比例明顯高于運輸業(yè)，畜牧養(yǎng)殖產業(yè)碳排放量的主要來源是動物糞便。碳減排、碳中和技術多種多樣，其中以能源電力技術最為有效且易于推廣。

我國現有的碳減排措施主要分為能源結構轉型、模式升級、能效提升、碳捕獲與存儲技術（CCS）4類[1]。傳統(tǒng)觀念認為，我國農業(yè)以種植和養(yǎng)殖為主，與碳排放和我國實現雙碳目標關系不大，但事實卻截然相反，農業(yè)碳排放量巨大，在碳減排任務艱巨[2]。政策激勵有助于碳減排的發(fā)展，新能源發(fā)電，運輸電氣化，氫能利用，智能電網走廊近幾年得到大力發(fā)展，并取得顯著效果[3]。以可再生能源為主的低碳能源系統(tǒng)、交通電氣化將有助于實現雙碳目標，近幾年，可再生能源發(fā)電，包括光伏、風能、水力、生物發(fā)電等，以及智能電網、電動汽車、儲能等，成本在持續(xù)下降，這將更有利于能源電力技術的推廣[4]。有研究表明，部分農地碳排放呈上升趨勢，各地碳排放差異懸殊，在農地碳排放中，化肥和農藥占比最大[5]。糞便的碳排放在養(yǎng)殖業(yè)中占比巨大，糞便問題的解決，將極大減少養(yǎng)殖業(yè)的碳排放量[6]。

1 農業(yè)中的碳排放源

我國農業(yè)中的碳排放源眾多，其中占比最大的為以下3項：農地利用化學化，包括化肥、農藥等化學物質在生產和使用過程中帶來的碳排放；生產過程中化石能源的消耗，包括農業(yè)機械使用過程中能源消耗，灌溉所耗用電能以及在其他生產和使用過程中化石能源的消耗；畜牧養(yǎng)殖過程中糞便的管理，糞便管理是長期困擾畜牧養(yǎng)殖業(yè)的重大難題，如表1所示。

表1 1 農業(yè)碳排放源總結

1.1 種植業(yè)化肥、農藥等化學物質的使用

對于種植業(yè)而言，化肥和農藥的使用是必不可少的，但隨著社會的發(fā)展，化肥、農藥生產方式變得不合理，碳排放巨大。我國是唯一以煤為原料制造氮肥的國家，有數據表明，生產1 t的氮，消耗9.2×107J的熱量，相當于3 t標準煤，大約會產生6 t的CO2

[7]，農藥碳排放量更大，而且人們過量使用化肥、農藥的問題越來越嚴重。

1.2 農業(yè)生產中化石能源的消耗

農業(yè)生產過程中，往往涉及到農產品的運輸，土地的耕作，保暖措施，土地灌溉等生產活動，而這些生產生活活動須要消耗大量的化石能源，多以煤炭、石油、天然氣等為主[8]。大量化石能源的消耗，使得原本存儲在其中的碳元素大量排放到大氣中，進一步加重碳排放，影響氣候變化。

就目前而言，在農業(yè)農村的化石能源消費中，煤炭所占比例最大，電力應用較廣，但電力應用的缺陷明顯，機械化程度相比于發(fā)達國家仍處在較低水平。化石能源消費在促進農業(yè)農村經濟增長的同時也排放了大量的CO2、CH4等溫室氣體，同樣是農業(yè)農村碳排放的重要源頭。

農用機械方面。農用機械在運行過程中，完全燃燒時，柴油產生大量CO2、CO、碳氫化合物，以及其他污染環(huán)境近百種有害成分；而一旦柴油含有雜質或發(fā)動機發(fā)生故障，會有未燃燒或燃燒不全的碳粒、碳氫化合物逸散空中，導致大氣進一步污染[9]。

農用電力方面。電力方面帶來的污染主要由發(fā)電部分造成。目前我國大部分農業(yè)地區(qū)仍然是火力發(fā)電，碳排放量巨大。

灌溉方面。灌溉須要大規(guī)模的能源電力作為動力支撐，目前，我國 80%以上的電力都是化石能源燃燒發(fā)電，這就在一定程度上加劇了碳排放[10]。

1.3 畜牧養(yǎng)殖過程中的糞便問題

畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的動物糞便問題，長期困擾著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，糞便的堆積同樣會造成大量CH4等污染物的排放。

目前動物糞便的典型問題表現為：隨意堆放、處理不及時、簡單處理揮灑于種植用地。糞便的處理不及時與隨意堆放，使得糞便的發(fā)酵進一步加劇，CH4等氣體大肆揮發(fā)于空氣之中；簡單處理揮灑于種植用地的做法，并不能很好的對種植作物提供養(yǎng)料，反而大量的溫室氣體揮發(fā)加劇碳排放。

但是畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的糞便問題是必然存在的，如何解決畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展過程中的糞便問題[11]，以降低畜牧養(yǎng)殖業(yè)的碳排放，是我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)整體提升的重要一面，也是新時代雙碳目標實現的關鍵一步。

2 農業(yè)發(fā)展中傳統(tǒng)的碳減排方案

2.1 化肥、農藥合理生產和使用

針對化肥農藥問題，傳統(tǒng)碳減排方案，注重改善化肥農藥的生產過程，合理定量使用化肥農藥。其中生產過程主要針對廢氣、廢物的凈化與收集，以及化肥農藥本身的改良和升級。但是生產企業(yè)本身以營利為目的，對于環(huán)保設備與措施始終難以完全落實，農民本身對于化肥農藥的合理使用認識不到位，落實困難。

2.2 規(guī)?；洜I

規(guī)模化經營本身擁有很多優(yōu)勢，不僅會使能源利用率提升，也會使經營者更長遠的考慮土地利用行為，降低高強度使用化肥及農藥帶來的碳排放增加，機械化水平提高，有利于打造完善的灌溉、殺蟲、除菌、保溫一體化的智慧農業(yè)，但是在我國受到各種因素的制約，規(guī)?；洜I僅在少部分地區(qū)實行，并且短時間內很難大范圍實施。

2.3 糞便有機肥分撒于種植用地

有相關學者對不同堆放高度的奶牛糞便產生的CH4排放量進行測算，發(fā)現CH4排放量與糞便堆放的高度、溫度以及堆放方式均有明顯關系[12]。研究發(fā)現在奶牛糞便堆肥過程中進行攪拌會導致碳排放量增加，因此建議不攪拌或4周之后再混合堆肥[13]。

但是在實際調查過程當中，發(fā)現大部分的養(yǎng)豬場將糞便隨意堆放或分撒于種植地當中，將其作為有機肥。這些糞便并沒有經過相關的處理，進而對周圍土壤和水源造成進一步污染，絕大多數養(yǎng)殖場缺乏相關的糞便處理設備和措施，不僅不能很好地解決糞便問題，而且進一步加劇了碳排放。

3 電力碳減排技術

對于農村而言，很難短時間內大幅降低碳排放量，但是能源電力技術的創(chuàng)新和推廣可以減少化肥、農藥以及化石能源的消耗，提升糞便的能量利用率，減少碳排放量。

3.1 等離子體技術

等離子體固氮技術。等離子體固氮技術是一種完全依靠陽光、水、空氣產生氮肥，模擬自然雷電固氮的技術[14]。其原理是通過光伏發(fā)電，在固氮裝置中對空氣進行電解，形成活性氧成分和活性氮成分，進而在水中形成硝酸根離子和亞硝酸根離子，從而形成對氮的固定。等離子體固氮法的理論效率比Haber-Bosch法更高[15]，其工作環(huán)境為常溫常壓，從根本上避免了溫室氣體的排放，加之其所用的能源僅為電能，量產的規(guī)模可大可小，因此可以兼容各類新型的能源發(fā)電站。現有研究表明最低的固氮能耗：每固定1 mol氮消耗 4.867×107J[16]，這將極大降低氮肥生產能耗，減小碳排放。等離子體固氮技術對于農作物增產具有重要意義，同時對減少化肥碳排放具有積極效果[17-19]。這種技術可以進行光伏消納，轉化為氮肥。它適用于大部分種植用地、偏遠地區(qū)、海島等，其特點是分布式固氮，精準供氮，吸收率高，改善土壤鹽堿化，減少碳排放。目前等離子體固氮樣機已應運而生。

等離子體殺菌消毒技術。等離子體殺菌消毒技術主要涉及食品的保鮮，涉及的細菌種類多，不會破壞食物本身的營養(yǎng)物質和口感，甚至可以對包裝好的食品進行消毒，殺菌消毒效果要高于紫外線殺菌消毒效果[20-22]。對于牛奶和果汁中的大腸埃希菌、沙門菌，食品存儲，水質的凈化也有很好的殺菌消毒的作用，水質凈化效果遠高于次氯酸鈉消毒[23]，其殺菌消毒效果在食品保鮮行業(yè)應用前景巨大[24]。等離子體處理水不僅可以很好的殺菌消毒，而且有助于種子萌發(fā)與增產[25-27]。

等離子體活性水技術。其機理是等離子體中對活性物質與微生物體內的蛋白質和核酸發(fā)生化學反應，能夠摧毀微生物和擾亂微生物的生存功能，對水果、蔬菜進行農藥降解、毒素分解處理[28]。等離子體活性水技術在降解農藥方面，降解率在70%以上，對于某些特定的農藥甚至可以達到96.24%～99.38%[29]。

3.2 電能替代技術

在現階段農業(yè)生產過程中，非清潔能源（煤炭、石油、天然氣等）的使用占比仍然巨大[30]，然而非清潔能源的碳排放系數非常大，所以非清潔能源的使用是農業(yè)碳排放的重要來源之一，也是近幾年國家大力治理的一個難題。

3.2.1 煤改電(氣)

煤改電（氣）主要涉及供熱問題，現階段我國實施的煤改電（氣）主要涉及以下5種技術：蓄聯熱泵技術、熱泵熱風機技術、熱水型空氣源熱泵技術、電磁加熱式相變蓄熱技術、碳晶電熱板技術。

國網青海省電力公司在2019年表示，近3年期間，三江源地區(qū) 16縣（市）推進地采暖“煤改電”項目，每年可減少燃煤約 7.73 萬t標準煤，減少CO2排放 19.26 萬t[31]，如表2所示。

“煤改電”是京津冀地區(qū)整治大氣污染、減少碳減排的重要措施，當電力消費占比提高20%時能夠減少18%的工業(yè)SO2排放， “煤改氣”可以有效減少CO2、顆粒物、SO2等的排放[32-33]。“雙碳目標”將極大激發(fā)煤改電（氣）的潛力，為煤改電（氣）提速[34-36]。

煤改電（氣）是目前農業(yè)農村較為推廣的方式之一，其優(yōu)勢在于，國家可以統(tǒng)一調度電力和天然氣的使用，滿足農業(yè)的電力使用需要，同時合理使用煤炭資源，減少煤炭的不必要浪費，有利于煤炭的集中處理，從源頭實施碳捕獲與存儲（CCS）或者碳捕集、利用與封存（CCUS），以此達到碳減排的目的。

3.2.2 新能源發(fā)電技術

隨著新能源技術的大力發(fā)展，使得新能源發(fā)電技術的推廣成為可能?，F階段大力發(fā)展的新能源發(fā)電主要包括：太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、水力發(fā)電、地熱發(fā)電及潮汐發(fā)電等。其中以太陽能發(fā)電、風力發(fā)電為主。

未來10年，太陽能將成為全球最大的一次能源。碳達峰、碳中和目標的提出為新能源發(fā)展帶來了新的契機，“雙碳目標”將全面推動綠色低碳新能源技術的發(fā)展，尤其是風電和光伏將是未來新能源行業(yè)發(fā)展的重要方向[37]。2030 年風電、太陽能裝機達到12億 kW以上目標，是實現 2030 年碳達峰和2060 年碳中和的重要舉措[38-40]。作為實現碳減排、碳中和的重要抓手，風電、太陽能等新能源被賦予更加重大的歷史使命。

我國風能和太陽能的資源儲量沒有“天花板”，足以支撐新能源的快速增長。光伏發(fā)電有望成為全球第一大能源來源[41]。光伏發(fā)電的優(yōu)勢在于，使用條件相對寬泛，對于農業(yè)而言，基本可以做到每家每戶、每一個農場牧場都安裝太陽能發(fā)電設備，而且太陽能發(fā)電的碳排放系數非常小，發(fā)電成本在逐年下降，補貼金額逐年上升，民眾接受程度也大大提高，所以太陽能發(fā)電對于實現我國“雙碳目標”，是一支強有力的推進劑。風力發(fā)電同樣是十分綠色環(huán)保的發(fā)電技術，其技術相對于太陽能發(fā)電更為成熟，但使用條件相對嚴格，須要有較好的風力資源，目前大多分布于西部以及東部沿海地區(qū)[42]。

3.2.3 電解水制氫技術

風電、光伏和儲能已成為未來工業(yè)的“新煤炭”的同時，動力電池和氫燃料將成為“新石油”[43]。最具潛力及發(fā)展前景的零碳制氫技術是利用可再生能源發(fā)電電解水制氫。

僅從物料平衡計算，生產1 kg氫，若是煤制氫，會伴生11 kg CO2；若是油制氫，也會伴生7 kg CO2；然而 可再生能源通過電解水可以制取無碳綠氫[44-46]。電解水制氫具有3方面核心優(yōu)勢：綠色環(huán)保，因其主要雜質是水和O2；生產靈活，可實現大規(guī)模分布式利用；產品純度高，H2純度可達 99%～99.9%。因此，光伏、風電等可再生能源制氫是主攻方向[47]。

據專家預測，到 2050 年，我國可再生能源電解水制氫將占制氫總量的 70%，現有化石燃料制氫將從 2020 年的 67% 降至 20%。但氫能是一個戰(zhàn)略性新興產業(yè)，在制儲運等關鍵環(huán)節(jié)上還有一些瓶頸亟待突破[48-49]。光伏發(fā)電制氫全生命周期CO2排放主要來自于光電設備的制造研發(fā)[50]。

新能源制氫可以有效解決新能源消納問題，并從源端和終端同時大幅降低碳排放[51]。氫能源是目前已知最綠色清潔的能源，通過太陽能電解水所生產的 H2是真正意義上的“綠色氫氣”[52]。

有研究表明，清潔能源制氫的全生命周期CO2排放量比非清潔能源制氫少得多[53]。同時有研究表明，基于水電的制氫系統(tǒng)效率可達58.02%，但存在明顯的地域性，發(fā)展應用受限；基于風電、光伏、光熱發(fā)電的制氫系統(tǒng)效率較低，但資源分布廣泛，具有廣闊的應用前景；基于核能發(fā)電的制氫系統(tǒng)效率較高，最高可達41.33%，同時不產生碳排放，對環(huán)境污染小，具有良好的推廣前景[54]。

現有技術電解1 m3H2須要5 kW·h電能，未來可以下降到2.8 kW·h，同時電解水設備成本也將明顯下降。當光伏發(fā)電成本下降到0.15元/kW·h以下時，用電解水制氫來供應化工品生產，其成本可以和既有供氫技術競爭[55-57]。預計2025年太陽能富集地區(qū)的光伏發(fā)電成本將使電解水制氫技術具備成本競爭力。這將極大促進我國“雙碳目標”的提前實現。

綜上，清潔能源發(fā)電可以直接使用，同時可以取暖、存儲，考慮到儲能成本的問題，對于部分光伏、風力、水利發(fā)達地區(qū)，可以大力開發(fā)零碳制氫技術。核能發(fā)電雖然會產生核廢料，但是其優(yōu)點遠遠高于缺點，未來發(fā)展前景仍然巨大。由于水力發(fā)電、地熱發(fā)電及潮汐發(fā)電等受自然條件限制大，本文不再一一闡述。

3.3 農機電氣化

現階段電動汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，農機的電氣化同樣勢在必行。與汽車相比，農機的工作環(huán)境更加惡劣，機器振動大，工作環(huán)境溫差大，雨水、塵土的侵襲，電磁干擾嚴重等。所以，農機電氣的可靠性比汽車要求更高?，F階段我國在農用儀表盤創(chuàng)新、聯合收割機新型漏糧檢測裝置等方面，做出了不錯的成績，農用儀表的創(chuàng)新包括抵抗儀表盤霧化專利技術等，并且聯合收割機漏糧檢測裝置應用效果不錯。往后在CAN總線控制、電磁液控制等新技術方面還須進一步突破，因為總線技術是發(fā)達國家已經證實的先進實用技術，包括機器故障診斷、遠程控制、精準定位和測產等方面的應用[58]。

3.4 生物質沼氣發(fā)電技術

生物質沼氣發(fā)電技術。生物質沼氣發(fā)電技術是利用農村地區(qū)的禽畜糞便、農作物秸稈和果蔬落葉等廢棄物，經厭氧發(fā)酵處理產生沼氣，驅動沼氣發(fā)電機組發(fā)電的技術。沼氣發(fā)電機將可燃氣體——CH4燃燒產生的熱能轉化為電能進行發(fā)電，具體的工作原理為將收集的畜舍糞污進行脫硫處理，然后與空氣混合后在內燃機氣缸內進行壓縮，再通過火花塞進行點燃工作使被壓縮的混合氣體膨脹推動活塞做往復運動，從而驅動與內燃機相連的發(fā)電機進行發(fā)電，同時也可利用發(fā)電機組的余熱輔助于沼氣生產，使綜合熱效率達80%左右，大大高于一般30%～40%的發(fā)電效率，用戶的經濟效益顯著。

2010年和2015年福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場排泄物干物質總量分別為169.93萬t和163.29萬t，其產沼氣潛力分別為7.14億m3和6.86億m3。假設規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便所產沼氣全部用于替代薪柴，則分別可替代薪柴245.42萬t和235.84萬t，減少CO2排放量分別為268.74萬t和258.25萬t；假設規(guī)?；B(yǎng)豬場糞便所產沼氣全部用于替代煤炭，則分別可替代煤炭130.85萬t和125.74萬t，減少CO2排放量110.89萬t和106.56萬t[59-61]。如果養(yǎng)豬場糞便全部用于沼氣工程，則分別可減少CH4排放3.59萬t和3.45萬t。沼氣工程在有效處理禽畜糞便的同時生產了優(yōu)質燃料，沼氣替代傳統(tǒng)能源減少了CO2排放，禽畜糞便厭氧消化減少了CH4排放，帶來了顯著的社會經濟及環(huán)境效益[62]。

沼氣發(fā)電有助于提升物質的能源利用率，優(yōu)化農業(yè)能源結構，減少非可再生能源使用，進而減少碳排放[63]，同時沼氣系統(tǒng)可以和供熱系統(tǒng)、供電系統(tǒng)進行聯動，進一步優(yōu)化農業(yè)供能體系[64]，同時有研究表明，從經濟、生態(tài)和社會角度出發(fā)，生物質發(fā)電的利益遠遠大于弊端[65-66]。

4 結束語

農業(yè)碳排放占比較大的碳排放源包括種植業(yè)化肥、農藥等化學物質的使用、農業(yè)生產過程中化石能源的消耗以及畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的為糞便問題。

傳統(tǒng)解決解決方案為化肥、農藥的合理生產與使用，規(guī)?；洜I以及將糞便作為有機肥分撒于種植用地。

對于種植業(yè)化肥、農藥等化學物質的使用，提出等離子體能源電力技術。針對化肥使用，運用等離子體固氮技術，依靠太陽能發(fā)電，以空氣和水作為原材料，運用等離子體固氮裝置，形成硝酸根和亞硝酸根，以此作為氮肥，其固氮原理類似生物固氮細菌[67-69]。針對農藥使用，運用等離子殺菌消毒技術，依靠等離子體，破壞微生物的細胞壁和細胞膜等，進而運用活性物質與微生物的DNA和蛋白質反應，使其氧化失活，從而達到破壞細菌病毒的目的。

對于農業(yè)生產過程中化石能源的使用，提出電能替代技術，包括煤改電、煤改氣、新能源發(fā)電和電解氫技術。煤改電、煤改氣技術在我國多個地區(qū)實施，對于碳減排和保護環(huán)境有重要意義[70]；新能源發(fā)電主要涉及太陽能發(fā)電和風力發(fā)電，其碳排放系數小，成本逐年降低，未來發(fā)展趨勢巨大；電解氫技術主要用于太陽能和風能資源稟賦好的地區(qū)，其原理主要是電解水產生氧氣和氫氣[71-73]，通過分離技術得到純凈的氧氣和氫氣，進而供應于其他產業(yè)，隨著電解氫成本的持續(xù)下降，其競爭力越來越大。

對于畜牧養(yǎng)殖業(yè)的糞便問題，提出糞便電力處理技術，主要涉及等離子體動物糞便固氮技術、畜牧養(yǎng)殖環(huán)境氨氣電分解技術和生物質沼氣發(fā)電技術[74-75]。等離子體動物糞便固氮技術，主要是利用糞便發(fā)酵產生的氨氣和硝酸反應形成硝酸氨的化學反應，通過固氮電力設備進行氮固定，形成氮肥；畜牧養(yǎng)殖環(huán)境氨氣電分解技術主要是將未凈化的氣體通過等離子反應電極分解，將氨氣分解為氮氣和氫氣這種對環(huán)境友好的氣體[76-78]。

最后，真正推廣及落實相關能源電力技術以及減排方案，需要國家政策、市場部門、宣傳機構、人民等共同的努力，實現“雙碳目標”之路任重道遠，但絕非不可能之事。