全 文 ：中国生态农业学报 2011年 3月 第 19卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, March 2011, 19(2): 441446


* 国家留学基金委公派博士项目(留金出[2004]3022号)资助
刘月仙(1976 ~), 女, 博士，副研究员，主要研究方向为低碳农业的环境评估。E-mail: yxliu76@hotmail.com
收稿日期: 2010-08-24 接受日期: 2010-12-07
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00441
有机农业发展的低碳机理分析*
刘月仙 1 吴文良 2 蔡新颜 3
(1. 北京市农林科学院农业科技信息研究所 北京 100097; 2. 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193;
3. 北京市农村工作委员会 北京 100053)
摘 要 温室气体排放引起的全球气候变暖是人类关注的环境热点问题之一。本文从农业生态系统影响全球
变暖的主要温室气体(CO2、N2O和 CH4)的产生和排放出发, 探讨有机农业在生产减排和土壤固碳方面的机理。
研究发现相对于常规农作而言, 有机农业在减排和固碳方面具有很大优势和潜力; 然而, 从长期来看, 通过土
壤固碳减少大气温室气体的排放不是无限制的, 到一定程度后会达到一个平衡。因此, 更多的有效固碳途径和
管理措施有待于进一步研究。同时, 从低碳理念出发, 强调中国加强有机农业环境效益研究的必要性。
关键词 有机农业 温室气体 低碳 土壤固碳
中图分类号: S34 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)02-0441-06
Analysis of potentials of greenhouse gas emissions reduction and
soil carbon sequestration in organic agriculture
LIU Yue-Xian1, WU Wen-Liang2, CAI Xin-Yan3
(1. Institute of Agricultural Sci-tech Information, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097,
China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
3. Beijing Municipal Commission for Rural Affairs, Beijing 100053, China)
Abstract Global warming due to the greenhouse gas (GHG) emissions is one of the most serious environmental issues. From the
perspectives of CO2, N2O and CH4 emissions in agriculture, this paper reviewed several studies and compared conventional and
organic agriculture performance in the light of GHG emissions and soil carbon sequestration. Compared to conventional agriculture,
there were less energy demand, high CO2 abatement and soil organic carbon (SOC) sequestration in organic agriculture with large
scale adoption. However, the potential of soil carbon sequestration is not unlimited from a long-term point of view. Further re-
searches on effective carbon sequestration and the potential of organic agriculture to reduce GHG emissions should be conducted.
Based on this review, it is necessary to conduct research on reducing GHG emissions and increasing soil organic carbon sequestration
in China’s organic agriculture.
Key words Organic agriculture, Greenhouse gas, Low carbon, Soil carbon sequestration
(Received Aug. 24, 2010; accepted Dec. 7, 2010)
有机农业(Organic agriculture)是指在生产中不
使用化学合成的农药、化肥、生长调节剂、饲料添
加剂等物质, 不采用基因工程获得的生物及其产物,
遵循“自然、生态、健康和公平”的原理, 采用一
系列可持续发展的农业措施, 保持持续稳定发展的
农业生产体系[1]。
全球变暖(温室效应)已经成为全球共识的环境问
题, 引起温室效应的气体主要是 CO2、N2O 和 CH4。
人类活动是这些温室气体浓度增长的主要原因, 其中
农业排放的温室气体比例为 10%~12%[2]。同时, 农业
土壤也是大气 CO2的碳“汇”, 通过作物和牧草等将
CO2固定在土壤内。国外一些研究表明, 相对于常规农
作(Conventional farming), 有机农业作为环境友好型
农作方式, 一定程度上可减少温室气体的排放[34]。目
前国内在有机农业减排固碳方面的研究较少, 深入了
解有机农业中 3 种主要温室气体的减排和固碳机理,
442 中国生态农业学报 2011 第 19卷


对控制温室气体排放、遏制全球变暖有重要意义。
1 有机和常规生产中的温室气体排放比较
农业生态系统的温室气体产生是一个复杂的过
程, 气候、植被、土质及农田管理诸条件中任何一
个因子的微小变化, 都会改变 CO2、N2O、CH4的产生
和排放。相对于常规农作, 有机农业禁止合成的化学
品投入, 一定程度上影响着温室气体的产生和排放。
1.1 二氧化碳(CO2)排放
农业源 CO2 的排放主要有两个途径: 化石燃料
燃烧引起的直接排放和能源间接消耗的排放(如化
肥和农药的生产和运输)[57], 其中合成化学氮肥的
能耗造成的 CO2间接排放达 0.4~0.6 Gt[89], 相当于
全球农业直接排放的 10%。
有机农业的原则之一是减少不可再生资源的使
用, 相对于常规农作, 有机农业不使用合成的农药
和化肥。研究表明, 有机生产比集约化常规生产能
够明显减少能源的消耗[67,1011]。表 1列举了不同地
区农产品在有机和常规农作间 CO2的排放差异。由
表 1 可知 , 冬小麦的有机种植比常规生产减少
46%~57%的 CO2 排放量 , 而种植有机土豆则减少
13%~33%的 CO2排放量[1214]。其中, 农药和化肥合
成造成的 CO2 间接排放占据一定比例: 例如, 英国
常规小麦生产中, 化肥和农药占总能耗的比例分别
为 56%和 11%[8]; 美国的常规小麦和玉米生产则是
30%~40%和 9%~11%[22]; 中国常规梨生产化肥占总
能耗的 29%~41%[20]。因此, 从单位面积(每公顷)CO2
排放量看, 有机农业 CO2 总排放量低于常规农作,
主要是与有机农业的标准有关, 例如, 有机农业禁
止高能耗的化学氮肥和农药的投入以及较少喂养高
能耗的动物饲料。
然而 , 如果从另一角度——单位产量来比较有
机和常规生产 CO2 排放的差异, 不同农作排放的研
究结果则不尽相同。例如: 种植 1 hm2有机土豆比生
产常规土豆 CO2 排放量低, 但生产 1 t有机土豆 CO2
排放量则比常规土豆高[1314]; 同样有机牧场的养殖
研究表明, 生产 1 kg有机牛奶的平均 CO2 排放量比
常规牛奶高[16]; 与常规梨生产相比, 生产 1 t有机梨
的 CO2 排放量在不同地区结果不同, 有高有低[20]。不
同农作单位产量 CO2排放量变化范围从+81%到50%,
主要影响因素是产量和机械耕作的强度[1221]。
从耕作角度研究有机农业 CO2 的排放, 有研究
人员提出一些地区的有机生产中, 因禁止使用除草
剂而大量使用机械除草, 导致燃油消耗产生的 CO2
排放量增多。但大多数研究表明机械耕作的能耗通
常少于合成化肥和农药的能耗[5,2324]。

表 1 有机农业和常规农作 CO2 排放的研究
Tab. 1 CO2 emissions of both organic and conventional farming
CO2 排放 CO2 emissions (kg·hm2) CO2 排放 CO2 emissions (kg·t1) 作物及研究者
Crop and researcher 常规农作
Conventional farming
有机农作
Organic farming
增加
Increasing (%)
常规农作
Conventional farming
有机农作
Organic farming
增加
Increasing (%)
冬小麦 Winter wheat
Haas等[12] 928 445 52 140 110 21
Reitmayr [14] 1 0011) 429 57 145 100 31
Rogasik等[13] 826 443 46 190 230 +21
土豆 Potato
Haas等[12] 1 437 965 33 46 48 +4
Reitmayr[14] 1 153 958 17 30 45 +50
Rogasik等[13] 1 661 1 453 13 46 62 +35
作物轮作 Crop rotation
Haas等 [12] 1 250 500 60 — — —
SRU [15] 1 750 600 66 — — —
Rogasik等[13] 730 380 48 — — —
牛奶 Milk
Lundström [16] — — — 203 212 +4
Haas等[17] 1 280 428 67 182 91 50
Cederberg等[18] — — — 178 151 16
Iepema等[19] — — — 320 350 +9
梨 Pear
— — — 200 133 34 Liu等[20]
— — — 47 85 +81
多种作物轮作 Integrated crop rotation
Küstermann 等[21] 1 878~3 697 106~1875 —
1)综合农作 Comprehensive cultivation.
第 2期 刘月仙等: 有机农业发展的低碳机理分析 443


总体来说, 相对于常规农作, 有机农业通过减
少投入品的使用, 作物轮作, 尤其是和大豆的轮作,
提高了肥料使用效率, 减少了虫害管理的农业措施,
从而直接(使用成本)和间接(化学生产和运输)地减
少了使用化肥投入品的能源消耗[5,11,2526]。
1.2 氧化亚氮(N2O)排放
农业源 N2O 的排放占全球人类活动排放的
60%[2] (N2O的温室气体当量值为CO2 的298倍[2]), 主
要来自于化肥和有机氮肥的使用及豆科作物种植; 排
放量取决于肥料的种类以及肥料的处理和施用方式。
有机农业禁止化肥的施用不仅能够减少生产化
肥的能耗, 而且减少化肥使用过程中 NOx 排放。文
献报道在 1960~2000 年期间, 随着化肥施用量的增
多, 全球作物氮的利用效率从 80%降到 30%, 从而
增加了 NOx 排放的风险[27]。同样, 在中国, 化肥投
入和有机物质投入对农田直接 NOx排放的贡献份额
分别为 77.64%和 15.57%[28]。按照目前每年生产化
学氮肥的数量计算, 排放 N2O 的总量是农业上人为
温室气体排放的 10%[9]。
因此, 有机农业在一定程度上能够减少 N2O 的
排放风险。基于单位面积计算 N2O 排放, 有机农业
比常规耕作低[2930], 而 Syväsalo 等[31]指出有机牧场
产生的 N2O 排放比常规耕作低, 但没有明显差异。
如果基于单位产量计算 N2O 的排放, 两种农作系统
则相似[67,32], 或有机农作略高, 例如 Lundström[16]
研究了奶牛场的 NOx 排放量 , 发现生产单位产量
(1 kg)有机牛奶的 NOx排放量略高于常规牛奶生产。
与此同时, 有研究表明生产管理措施能够减少
有机农业中 N2O 的排放率, 如耕作方式、粪肥的使
用、种植豆科作物(N 来源)及牧场和草地管理等。
Unwin 等[33]认为, 通过改进排水, 减少耕作和机械
除草 (而不是除草剂的使用 ), 有机耕作可以减少
N2O 的排放。也有研究表明一些因素会提高有机农
业上 N2O 的排放[34], 比如豆科作物的高比例种植,
堆肥过程 N2O 的排放, 高强度的耕作导致土壤氮的
矿化和 N2O的排放。
1.3 甲烷(CH4 )排放
农业源 CH4的排放占全球人类活动排放的 50%[2]
(CH4的温室气体当量值是CO2的 25倍)[2], 主要来自
于牲畜养殖、水稻种植以及废弃物分解(包括动植物
废弃物和垃圾), 其中将近 80%的 CH4排放来自牲畜
肠道消化代谢, 而 20%来自排泄物, 并且, 液态排
泄物释放 CH4的可能性比固体排泄物大。
动物粪肥的储藏和处理以及饲料的种类均会影
响农业 CH4的排放。研究表明: CH4排放的效果主要
和堆肥的产生和使用有关系。如果有机系统的堆肥
进行发酵, 经常通风能够减少厌氧产生的 CH4。此外,
有机养殖通常在牧场和稻草房内进行; 而常规养殖
通常使用粪池进行粪肥处理, 在这种厌氧环境下极
易产生大量的 CH4[24]。然而, 相对于常规养殖的粮
食喂养, 有机养殖的牲畜通常摄取低质量的粗饲料,
增加了 CH4 排放的可能, 研究发现有机养殖粗粮的
高投入导致 CH4的排放量增加 8%~10%[7,16,35]。
如果研究单位面积 CH4 的排放, 重要的影响因
素主要包括牲畜放养的密度、每头牛喂养的周期、
粪肥系统、反刍牲畜的比例等。Cobb等[29]、Unwin
等[33]、Lampkin 等[36]研究发现有机农场单位面积的
CH4 排放比常规低。原因主要是有机养殖的牲畜密
度通常比常规低, 而喂养周期比较长, 其中非产奶
期的比例比常规喂养低, 从而产生较少的 CH4排放;
但有机农场反刍牲畜的比例为 80%而常规则为 60%,
这一因素造成的 CH4排放量增加与有机农场的低密
度养殖减少 CH4排放可以相互抵消。而单位产量的
CH4 排放量, 尤其是奶牛场, 有机和常规没有明显
的区别[67,37]; 而 Unwin 等[33]和 Piorr 等[34]研究发现
有机农场的产奶量比常规低 20%, 从而有机奶场单
位牛奶的 CH4 排放比较高。
土壤能够氧化 CH4，从而减少 CH4排放而成为
CH4库。有研究发现有机管理的土壤 CH4自身调节
的效率比常规管理的土壤高, 施有机肥的土壤 CH4
氧化能力是施化肥土壤的两倍[3839]。然而, 由于缺
乏 CH4 排放研究, 有机农业环境资源利用很少评估
CH4 的净平衡及其他定量数据。专家根据文献推导
出以下结论: 有机农业中单位面积 CH4 的排放可能
较少, 而单位产量的 CH4排放则比常规农作高(仅限
于牛奶生产研究)。
2 有机农作土壤固碳潜能分析
另一个减少温室气体排放的措施是提高土壤的
固碳能力。实例研究表明有机农业不仅能够减排 ,
而且通过施入有机投入品(生物质和粪肥), 采用保
护地耕作(覆盖耕作)、大豆轮作等农业措施, 提高土
壤有机碳的含量[4,25,40]。不同地区的专家针对有机管
理的农田土壤固碳潜能开展了研究, 发现有机管理
的土壤每年每公顷固碳量为 0.2~0.4 t(C), 每年固定
0.9~2.4 Gt的 CO2, 相当于全年农业排放温室气体总
量的 15%~47%[4145]; 同样, 有机管理土壤的每年每
公顷固碳量为 300~600 kg[10]。
一系列有机和常规农田土壤固碳比较研究也显
示, 有机管理的土壤中有机质含量比常规管理土壤
的有机质含量高[45], 有机农田的土壤固碳高于常规
农田。例如, Pimentel等[11]开展了 22年的试验发现,
444 中国生态农业学报 2011 第 19卷


有机管理的土壤有机碳含量提高 15%~28%, 而常规
耕作则仅提高 9%; 美国中部 35 组有机和常规耕作
的比较研究也发现, 有机管理措施下的土壤有机碳
含量比常规耕作高很多 [46]。瑞士专家经过长期(21
年)试验表明, 有机管理系统土壤碳含量稳定, 而常
规管理系统中碳含量减少 15%; Clark等[47] 8年长期
试验表明, 有机低投入系统的土壤有机碳含量比常
规农作提高 10%。同样, 在荷兰, 70年有机管理的农
场土壤有机碳含量明显高于常规管理[4849]。
分析有机管理土壤有机碳含量比常规高的原因
在于, 有机农田系统投入较多的动植物残体增加土
壤的碳含量, 或者减缓土壤有机碳的分解率, 即碳
投入率超过了分解率。研究表明相对于常规和免耕
操作而言, 有机农户通常施入较多的有机碳或者含
有机碳的投入品, 通过投入合适碳氮比的多种有机
物质创造一个相对稳定的有机物质库 [50]; 同样 ,
USDA 在马里兰进行了长期的有机生产和免耕常规
生产比较研究, 发现长期有机耕作的土壤明显优于
常规免耕, 原因在于使用粪肥和覆盖作物能够弥补
耕作引起的碳损失[51]。Drinkwater 等[52]在宾夕法尼
亚州开展有机和常规玉米大豆种植系统的比较试验,
发现与豆科植物的长期轮作, 不仅可减少土壤有机
质投入, 降低土壤碳氮比, 同时可提高土壤有机碳
含量, 改善土壤的物理性质。同样, 有机农作比常规
农作确实能增加 15%~28%的有机碳。因此, 动物粪
肥、有机物质的多样性以及碳氮比、腐烂率等因素
都可能对这个过程产生很重要的影响[45]。Rodale 研
究所的科学家们研究认为, 如果在所有可耕种的土
地上开展有机农作, 则能够减少 40%的 CO2 排放。
尽管目前的研究证实有机管理在土壤固碳方面
存在很高潜力。然而, 测量一定时期内碳存储具有
一定的复杂性和不确定性, 例如地区多样性, 测量
不确定性 , 过程不确定性 , 实际的突发性 , 以及减
少渗漏和储存碳的适当定价等[53]; 同时, 从长期看,
通过土壤固碳减少大气温室气体是有限的, 不可能
无限制地提高土壤有机质的水平, 到一定程度会达到
一个平衡, 视土壤和气候条件以及管理措施而定[54]。
例如, Foereid 等[42]对有机管理的土壤固碳进行了模
拟, 发现第 1个 50年的土壤有机碳含量增长很快(每
年碳增长率为 10~40 g·m2), 之后趋于平稳, 100年
后几乎达到饱和状态。尽管上述研究表明土壤固碳
的潜能不是无限制的, 但一定程度趋于平稳并达到
饱和。也有研究表明, 有机碳长久稳定的状态取决
于土壤管理以及避免碳减少的措施, 例如李玉娥等
[55]研究发现退耕还草后土壤 CO2排放通量明显减少;
通过改进的管理措施, 全球农业土壤的固碳能力能
够达到 21~51 Gt碳, 相当于 2~3年大气的温室气体
排放(参照 2004年的排放量)[40]。因此, 从长期看, 相
对于常规农作, 有机管理方式在减少能源消耗和提高
土壤固碳能力方面有一定的优势和潜力。
3 结论与展望
综上所述, 有机农业在减排方面符合 IPCC 的
标准(IPCC, International Panel on Climate Change,
联合国政府间气候变化工作小组), 不使用合成的农
药和化肥 , 存储较多的碳 , 减少温室气体的排放 ,
消除非生物源的 N2O 排放, 减少粪肥厌氧消化产生
的 CH4。尽管全球不同地区的生产环境不同, 管理措
施各异, 减排的总量很难进行定性和定量分析, 但
如果所有的农田系统都转换为有机生产, 则由减少
化肥生产和施用减少的排放量大约是农业温室气体
排放量的 20%, 其中 10%N2O的排放, 10%低能耗的
需求。再加上农田和牧场土壤固定的碳, 能够减少
目前每年农业温室气体排放的 40%~72%。
目前, 发达国家已经开展大量的有机农业减排
固碳的研究, 并已经有长期的试验数据支撑, 研究
成果也已在实际生产减排中开始付诸于实际, 得到
政府和民众的支持。然而, 发展中国家(包括中国)
目前依旧缺少有机农业温室气体减排和土壤固碳的
相关研究, 能够为实际减排管理提供科技支撑或数
据量化衡量的研究成果更是少之又少。尽管中国有
机管理的土地面积已经在全世界名列第二, 但政府
和公众将更多的焦点则是放在有机食品的安全、品
质和经济效益上, 关于有机农业环境效益方面的系
统研究尚未引起足够的重视, 相关的研究报道则很
少, 仅见 Liu[56]对有机农产品生产链的环境评估做
了案例研究; 而有机农业环境效益方面的政策支持
则更少。
因此, 在中国特定的气候、土壤和耕种方式下
实施有机农业, 禁止合成的化肥和农药投入, 对有
机农业减排和土壤固碳开展系统研究, 掌握有机农
业生产体系中温室气体的排放和固碳机理, 一方面
有利于推广优化农业生态系统的农业措施, 缓解温
室效应, 改善土壤质量, 提高农业生产力和整个环
境质量; 另一方面也有助于提升我国在未来全球变
暖谈判中的地位和权威性, 为节能减排政策的制定
和措施的实施提供科学依据。
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