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中國農田非二氧化碳溫室氣體減排的研究現狀與建議

文章來源:中國網碳交易網2023-04-12 11:03

自1750年以來,由人類活動產生的溫室氣體濃度增加是導致全球氣候變暖的主要原因,因此,減少溫室氣體排放對控制全球氣候變暖具有重要意義。中國是世界上最大的發展中國家,也是全球第二大經濟體。盡管中國人均累積溫室氣體排放量(157噸CO2/人)遠低于世界平均水平(210噸CO2/人),但我國政府自愿承擔《京都議定書》規定的溫室氣體減排“共同而有區別的責任”,并于2007年發布《中國應對氣候變化國家方案》,提出到2010年中國應對氣候變化的具體目標、基本原則、重點領域及其政策措施。2020年,國家主席習近平在第75屆聯合國大會一般性辯論上向全世界莊嚴承諾,中國將力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。然而,我國“雙碳”行動面臨巨大挑戰,實現碳中和將成為引領我國中長期可持續發展的戰略目標,同時也是推動我國科技創新和社會變革的重要舉措。

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根據生態環境部發布的《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報告》顯示(圖1),2014年中國溫室氣體排放總量為111.86×108噸CO2當量(CO2-eq)。其中,非CO2溫室氣體排放為20.62×108噸CO2-eq,占溫室氣體排放總量的18.4%;農業活動非CO2溫室氣體(主要指CH4和N2O)排放為8.30×108噸CO2-eq,而農田CH4和N2O直接排放總量為4.75×108噸CO2-eq,占全國農業活動溫室氣體排放量的57.3%,占全球農田非CO2溫室氣體總排放量的26.8%。農田是保障國家糧食安全和國計民生的基石,亦是長期穩定的溫室氣體排放源;隨著人口的增長,未來糧食增加與溫室氣體減排的矛盾將日益加劇。盡管農田非CO2溫室氣體直接排放量目前僅占全國溫室氣體排放總量的4.3%(圖1),但隨著我國2030年碳達峰后,化石能源逐步被清潔能源所替代,CO2排放量逐步減少,未來農田直接排放的CH4和N2O占溫室氣體總量的比例將會越來越大。不難預見,我國農田非CO2溫室氣體減排的重要性將日漸凸顯,其減排工作事關我國“雙碳”目標是否能夠順利實現,刻不容緩。 禸嫆@唻洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm

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農田因受人為管理影響,其排放的CH4和N2O相對更容易發生變化,故采取適當的調控措施可達到減少排放的目的。例如,2000年全球稻田CH4排放量為25.6×106噸,若將所有持續淹水稻田在水稻生長季至少排水1次,估計每年可降低CH4排放4.1×106噸;若將秸稈從水稻生長季提前至非水稻生長季還田,則能減少4.1×106噸的CH4排放;如將我國氮肥利用率提高至40%,全國農田N2O排放量每年可減少44×106噸 CO2-eq。然而,現有減排措施的轉化應用與推廣示范并未得到足夠重視,導致巨大的理論減排潛力無法變為實際減排能力落地坐實。為此,本文總結了近30年來我國農田非CO2溫室氣體減排的研究進展,指出了當前減排工作所面臨的問題,并提出了可能行之有效的技術和政策建議。 本+文+內/容/來/自:中-國-碳-排-放(交—易^網-tan pai fang . com

研究進展 本/文-內/容/來/自:中-國-碳-排-放-網-tan pai fang . com

農田非CO2溫室氣體減排的實質是CH4和N2O的綜合減排。稻田CH4排放和N2O排放存在此消彼長的關系,而CH4排放對綜合溫室效應的貢獻占主導地位,因此在稻田生態系統中,控排CH4是關鍵;旱地以N2O排放為主,且幾乎不排放甚至可能吸收CH4,故旱地非CO2溫室氣體減排的重點是減少N2O排放。此外,任何減排措施均不能以犧牲農作物產量為代價,需要根據農田生態系統的實際情況,建立科學合理的減排技術評價指標,以期為農田非CO2溫室氣體減排技術的研發與應用提供科學依據。

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CH4減排 本文@內/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網-tan pai fang . com

稻田CH4減排的主要技術措施 本+文+內.容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網 t a np ai fan g.com

水分管理和有機物質施用被認為是稻田CH4排放的主控因子。排水較持續淹水可顯著減少稻田CH4排放。據估計,如將我國常年淹水稻田在非水稻生長季節排水落干,不僅可減少當季0.58×106噸/年的CH4排放量,還能顯著降低后續水稻生長季CH4排放約1.31 ×106噸/年,促使全國稻田CH4排放量減少35%。于非水稻生長季實施有機物質還田措施較水稻生長季可明顯降低CH4排放的增幅;將有機物質鈍化改性,如制成生物炭,或前期發酵腐化,也會大幅削弱CH4排放的促進效應。 本文`內-容-來-自;中_國_碳_交^易=網 tan pa i fa ng . c om

種植高產低排水稻是減少CH4排放的有效途徑之一。33個水稻品種的盆栽試驗結果表明,在有機碳含量高的稻田土壤中,累積CH4排放量與水稻產量顯著負相關,所有水稻平均生物量增加10%,但CH4排放量減少10.3%;種植節水抗旱稻較傳統水稻可有效減少CH4排放,且能夠在干旱年份保持水稻產量。此外,稻田少免耕有利于減少CH4排放。日本北部稻田觀測研究發現,與翻耕相比,免耕減少水稻生長季CH4排放量43%;中國大量田間觀測結果也證實,免耕較翻耕可大幅降低CH4排放量。 內.容.來.自:中`國*碳-排*放*交*易^網 t a npai fa ng.com

在保證水稻產量基礎上一些典型的綜合減排技術模式 本+文`內.容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網 t a np ai fan g.com

上述減排措施總體上操作簡單、效果良好,但都相對比較單一和獨立,且存在地域上的差異性和局限性,并不適于所有類型稻田。這是因為減排的同時可能會降低水稻產量,不利于技術成果的推廣應用,需要研發針對性強的減排技術模式。只有根據不同稻田生態系統的實際情況,區別對待、因地制宜,才能提出科學合理且易于實踐的減排對策,從而最大限度地挖掘其減排潛力。例如,主要分布于我國南方山地丘陵區的常年淹水稻田在稻季和冬季均有大量CH4排放,減排潛力巨大。排水是減少CH4排放的關鍵措施,但該類稻田排水容易遭受季節性干旱,從而影響水稻正常生長,可能導致減產。而水稻覆膜栽培較傳統淹水栽培,改變了水肥管理習慣,不僅可顯著減少水稻灌溉用水、降低CH4和N2O總排放的全球增溫潛勢(global warming potential,GWP),還提高水稻產量;盡管明顯增加了N2O排放,但結合硝化抑制劑和控釋肥施用能消減N2O排放增量,從而進一步降低GWP。 本*文@內-容-來-自;中_國_碳^排-放*交-易^網 t an pa i fa ng . c om

南方雙季稻區實施排水且秸稈翻耕還田措施可降低全年稻田CH4排放量。我國南方雙季稻區晚稻收割后稻田拋荒現象十分普遍,且非水稻生長季降雨較多,溫度相對較高,導致其CH4排放量大。通過實施排水且秸稈翻耕還田措施,將減少田面積水,降低土壤水分含量,有利于秸稈在土壤中好氧降解,可供后續水稻生長季微生物利用的殘留秸稈則明顯減少,從而可能降低全年稻田CH4排放量。江西鷹潭連續5年的田間試驗結果表明,非水稻生長季排水和秸稈翻耕還田均顯著減少CH4排放、一定程度增加N2O排放,于是大幅降低GWP,且排水結合翻耕進一步降低GWP達9.9%—19.5%。 內.容.來.自:中`國*碳-排*放*交*易^網 t a npai fa ng.com

水稻與其他作物輪作可有效降低CH4和N2O排放。在稻麥輪作系統中,排水情況下施用尿素的同時配施硝化抑制劑和脲酶抑制劑或改施控釋肥,既可不同程度上減少CH4排放,又能明顯降低N2O排放量,且結合分蘗肥施用的N2O減排效果最佳;改稻麥輪作為稻蠶豆輪作后,合理減氮與秸稈好氧發酵施用能同時急劇減少CH4和N2O排放,且提高水稻平均產量達5.2%;通過集成旱耕旱整、控水增氧、增密調氮等耕作栽培技術,不僅可實現水稻平均增產5%,還能大幅降低CH4排放30%以上,盡管N2O排放量會有所增加,但總體GWP顯著下降。

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N2O減排 內.容.來.自:中`國*碳-排*放*交*易^網 t a npai fa ng.com

合理施肥是減少N2O排放的關鍵 本%文$內-容-來-自;中_國_碳|排 放_交-易^網^t an pa i fang . c om

氮肥為土壤N2O的產生提供基質,是影響農田N2O排放最重要的因素,故合理施肥是減少N2O排放的關鍵。合理施肥是指合理的施肥量(right amount)、正確的施肥時期(right time)、正確的施肥方法(right place)及正確的肥料品種(right type),國際上稱為“4R技術”。

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合理的施肥量。確定合理施氮量是N2O減排最直接有效的農田管理措施。相對于傳統施氮量,優化施氮可以降低37%的氮素投入、42%的N2O排放量,同時保持目標產量。 夲呅內傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網 τā ńpāīfāńɡ.cōm

正確的施肥時期。指根據作物需肥階段施用肥料,具體表現為增加施肥次數或減少基肥施用比例。土壤N2O及其他活性氮損失主要發生在作物根系對養分吸收利用有限的初期,減少基肥(氮肥)施用比例和增加氮肥施用次數可以增加水稻生長后期對氮素的吸收,提高氮素利用率,顯著降低包括N2O在內的活性氮損失。整合分析發現,正確的施肥比例和次數可顯著提高我國主要糧食作物氮肥利用率8%—30%,同時降低N2O等活性氮損失5.4%—61.5%。

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正確的施肥方法。不同施肥方法對N2O減排的研究還較少,從減少氨揮發損失和提高作物氮素利用的角度考慮,氮肥深施是施肥的基本原則。湖北連續2年的結果表明,尿素深施顯著降低覆膜稻田N2O排放量47%。相較于傳統的氮肥表施,氮肥深施能顯著提高我國主糧作物產量6.9%,提高化學氮肥利用率28.5%,顯著降低土壤N2O排放14.6%。氮肥撒施后翻耕和條施后覆土較撒施后灌水,也可顯著減少N2O排放。

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正確的肥料品種。選擇正確的肥料品種可以對農田N2O減排起到重要作用:控釋肥施用可提高氮素利用率、顯著減少N2O排放量,施用抑制劑也是減少N2O排放的有效措施。整合分析結果表明,脲酶抑制劑分別顯著提高我國主糧作物產量和氮肥利用率7.1%和31.3%,并降低土壤N2O排放27.8%;硝化抑制劑顯著減少土壤N2O排放20%,同時分別提高作物吸氮量和產量達58%和9%。此外,生物炭對農田N2O排放具有較好的減排效果。 禸嫆@唻洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm

其他農藝措施也可減少N2O排放 本*文`內/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網-tan pai fang . c o m

除合理施肥外,采取其他農藝措施也可減少農田N2O排放。譬如,小麥播種前,稻田免耕較傳統旋耕可大幅降低我國太湖流域稻麥輪作系統N2O排放430kg CO2-eq /(hm2 · a);稻稈還田顯著減少稻麥輪作系統N2O排放41.2%;旱作農業的大量、少次澆水也可減少農田N2O的排放。 本+文`內.容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網 t a np ai fan g.com

農田非CO2溫室氣體減排評價指標 本`文@內-容-來-自;中^國_碳0排0放^交-易=網 ta n pa i fa ng . co m

早期農田非CO2溫室氣體減排研究主要側重于CH4或N2O減排效果,很少從農田生態系統的角度考慮與減排無直接關聯的作物產量、土壤有機碳含量等指標。隨著人們對糧食安全與全球氣候變化等問題認識的提升,越來越多的研究逐漸將產量和土壤固碳納入到減排技術的評價指標體系當中,通常以單位產量的GWP(包括溫室氣體排放的GWP、有機碳固存、產量)來綜合評價其減排效果。李建政等]匯總了當前可作為農田減排技術評價的指標(包括土壤固碳、CH4排放、N2O排放、投入排放、產量),提出了以溫室氣體排放強度(單位產量下的溫室氣體排放總量)作為綜合指標,科學系統地評價農田減排技術的溫室效應,已得到廣泛認可。 夲呅內傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網 τā ńpāīfāńɡ.cōm

存在的問題

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當前,我國農田非CO2溫室氣體的減排工作幾乎僅限于科研院所和高校的研究探索層面,政府主管部門并未出臺相關政策文件對減排工作給予支持,加之教育宣傳力度不夠,使得人們對農田非CO2溫室氣體減排的意識淡薄,且無相關激勵機制,導致現有關鍵減排技術難以付諸實踐并推廣應用??偨Y而言,我國農田非CO2溫室氣體減排工作主要面臨4個方面的問題。

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缺乏長期穩定、連續有效的原位觀測平臺 夲呅內傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網 τā ńpāīfāńɡ.cōm

我國有關農田生態系統的溫室氣體排放觀測研究始于20世紀80年代,隨著1992年通過的《聯合國氣候變化框架公約》于1994年3月21日起對中國生效,相關工作如雨后春筍一般迅速在全國各地展開。筆者根據中國知網和中國科學院文獻情報中心的檢索結果發現(圖2):我國已進行了覆蓋全國6大分區、85種作物、148個種植模式和545個監測點的溫室氣體排放通量原位觀測;每年觀測點數在2014年達到峰值,隨后急劇減少;絕大部分觀測點持續時間較短,5年以上的只有33個。這說明我國田間原位觀測點由于科研項目的實際需求具有很大的波動性和不確定性,一旦項目結題或試驗結束,觀測點可能隨之棄用,導致我國相對缺乏穩定且長期有效的原位監測平臺和通量觀測數據。

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中國作為農業生產大國,全面、系統的通量觀測數據對準確評估全國農田溫室氣體排放總量和有力支持我國環境外交尤為重要。20世紀80年代我國田間原位監測點還很少(圖2),國外學者基于這一時期四川省和浙江省的持續淹水稻田CH4排放觀測數據,分別推算出中國稻田CH4排放量為30×106噸/年和18—28×106噸/年。隨著監測點的逐步增多,通過分析大量觀測數據發現,僅根據局部持續淹水稻田估算我國稻田CH4排放總量,結果缺乏代表性,且存在很大的不確定性和嚴重高估現象。譬如,Yan等2003年利用全國五大水稻生長區域不同水肥管理條件下23個采樣點的共204個測量數據,估算出中國稻田CH4排放總量為7.67×106噸/年,遠低于早期報道值,為我國在國際上履行農田溫室氣體減排義務談判爭取了話語權。 禸*嫆唻@洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm

基礎研究尚有不足,妨礙了方法技術創新

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有效減少排放是農田溫室氣體研究的重要目標之一,目前已形成了四大主要減排技術體系(圖3),其中,優化水肥管理被視為最輕簡、最行之有效的減排措施,合計發文量占總量的94.2%。不同減排技術間往往關聯密切,若在主導技術基礎上輔以其他措施,其減排潛力可能更大。例如,Yan等評估了全球稻田CH4排放量及其減排潛力,發現水稻生長季稻田至少排水1次,再結合非水稻生長季秸稈還田,可減少全球稻田CH4排放達7.6×106噸/年,較兩者單獨實施每年可多減排3.5×106噸的CH4。稻麥輪作系統連續2年的田間觀測結果表明,優化輪作制度下氮肥合理減量與秸稈好氧發酵后還田較傳統農業管理措施,顯著降低了溫室氣體和活性氮排放造成的總環境損失42%,并提高凈經濟收益23%。這說明,多技術耦合集成具有豐產減排增效等多重功效,但至今仍相對缺乏綜合減排技術及其機理機制的研究報道。 內/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網-tan p a i fang . com

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傳統人工插秧下種植高產低排水稻可降低CH4排放,但有些品種可能并不適合拋秧或直播等栽培技術,它們較傳統的人工插秧不僅會增加CH4排放,還導致水稻減產。我國水稻生產正處于重大轉型期,需要從“追求單季超高產”向“提高系統總產量”轉變、種植模式創新、栽培技術輕簡化和機械化以配合新種植模式、及品種改良以適應輕簡化和機械化栽培。不系統研究傳統高產低排水稻品種如何更好地適應轉型時期栽培技術的輕簡化和機械化,必將妨礙水稻豐產和溫室氣體減排的可持續發展。此外,高產低排水稻的生理特性及遺傳機制尚不明確,如何改良品種以實現豐產與減排協同的研究還鮮有文獻報道。從圖3也可看出,目前有關品種篩選方面的減排研究僅占全球減排總發文數量的2.1%,尚有很大發展潛力與空間。

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立法教育宣傳不夠,大眾減排意識淡薄

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自從《聯合國氣候變化框架公約》對中國生效以后,我國政府積極采取了一系列政策和措施以應對全球氣候變化,并于2007—2022年先后7次提出了農田非CO2溫室氣體的減控措施(表1)。但這些措施均未形成具體的減排行動方案加以施行,2021年發布的《碳排放權交易管理辦法(試行)》也未明確將農田納入碳排放權交易的主體范圍。此外,盡管國內一些如《農業法》《清潔生產促進法》《環境保護法》《循環經濟促進法》《土地管理法》等法律文件涉及低碳農業發展,但主要側重于農業綠色發展過程中的清潔能源利用、有機肥和農藥的使用標準及土地集約化進程中先進技術的運用等方面,且都只是倡議性的,對減排主體不具有強制性和約束力。加之近40年來,國家以經濟建設為中心,在大力發展農業生產過程中以提高農作物產量為最主要目標,忽視了對農業低碳發展和高碳管控的教育與宣傳。更為關鍵的是,當前我國農作物主要從業者受教育程度普遍較低,難以認識到農田減排的重要性和緊迫性。以上諸多原因造成大眾的減排意識淡薄,從而無法以主人翁的身份主動參與到農田非CO2溫室氣體減排的實際工作當中來。 本`文@內-容-來-自;中^國_碳0排0放^交-易=網 ta n pa i fa ng . co m

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成果激勵機制缺乏,減排技術示范推廣少

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2007年國務院印發的《中國應對氣候變化國家方案》中明確要求控制農田CH4排放,減少農田N2O排放,但由于我國農田非CO2溫室氣體減排缺乏長期有效的監測與應用,導致關鍵技術的適用性和經濟性不強,成果轉化困難。雖然國務院于2016年相繼印發了《實施〈中華人民共和國促進科技成果轉化法〉若干規定》和《促進科技成果轉移轉化行動方案》,明確提出要加強科技成果轉移轉化,但總體過于籠統,且無專門針對農田碳減排成果場地熟化及產業轉化的配套政策與文件,從而制約了減排成果的推廣應用。此外,在農業生產過程中,如要統籌兼顧產量和減排,很可能會增加經營主體的投入成本和減產風險。即便有比較健全的法律法規約束,但缺乏科學有效的生態補償機制,經營主體也不愿自主承擔減產損失來開展減排工作。最后,目前尚無相關監管和推廣部門,且缺少推廣激勵機制,使得我國農田非CO2溫室氣體減排技術示范推廣少,妨礙了農業碳減排工作的順利推進。 本/文-內/容/來/自:中-國-碳-排-放-網-tan pai fang . com

對策建議

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建立監測長效運維機制。①我國政府部門應加大資金投入,有針對性的長期扶持相關科研院所和高校,或成立專門的運維部門,于我國典型農田生態系統的糧食主產區建立穩定的、儀器設備優良的原位自動化觀測平臺。各觀測平臺的建立須遵循“特色鮮明、代表性強”原則,即在我國重要農作區有針對性地設置通量觀測試驗。進一步通過多平臺交叉聯合,消除區域氣候環境產生的影響,從而獲得不同農作區的平均排放數據。②基于互聯網技術,搭建我國農田非CO2溫室氣體觀測網絡與大數據處理平臺和服務中心,對全國所有觀測平臺獲得的數據進行實時匯總分析,以期為國家提供長期而穩定的監測數據。    ③建立政府統一領導、多部門分工協作和農作物經營主體共同參與的協調工作機制,實現減排工作“自上到下、由點到面、從區域到全國”穩步推進。 本`文@內-容-來-自;中_國_碳排0放_交-易=網 t an pa ifa ng . c om

突破新方法、新技術、新品種。①土-水-植-氣界面間的碳氮生物地球化學循環與農田溫室氣體排放關系密切。傳統研究往往忽視了土壤表層上微生物聚集體的存在,如稻田土壤表層的周叢生物膜或旱地土壤表層的生物結皮,這些微生物聚集體可通過同化吸收/氧化、硝化、反硝化、水解等過程影響碳氮的轉化和運移過程,進而可能影響溫室氣體的排放。②盡管以往也有肥料-土壤-作物系統的綜合管理減排技術,但關于水肥-土壤-作物-微生物四位一體協同的減排技術及其機理機制研究尚待突破。③高產低排水稻如何更好地適應輕簡化和機械化栽培是未來我國水稻低碳化種植的重要發展方向。當前亟待創建新方法、新技術來選育和改良新品種,以實現栽培技術輕簡化和機械化情景下的豐產減排協同。

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加強立法教育宣傳,提升大眾減排意識。當前,我國農田非CO2溫室氣體減排尚處于“缺法規、缺監管、缺教育、缺宣傳”狀態,使得人民大眾的減排意識還非常淡薄,減排的積極性和主動性嚴重不足。而且農田非CO2溫室氣體減排涉及多類各級管理部門、農業資料生產企業、農業生產經營主體,不同主體具有不同需求和目標,增加了減排工作的難度。借鑒歐、美、日、韓、澳等發達國家和地區低碳農業發展的實踐經驗,并結合中國的發展實情,建議我國政府在保證糧食安全前提下開展3個方面工作:①將農田納入碳排放權交易范圍,并頒布相關法律法規,細化獎懲辦法,為減排主體提供必要的法律約束力;②健全相應的管理體系和監督考核機制,具化減排方案及操作規程,保證減排措施的順利實施與執行;③加大教育宣傳力度,舉辦專題培訓班,增強減排主體對減排工作重要性、緊迫性和長期性的認識,切實提升人們的減排意識,促使其減排觀念由“引導減排”到“自愿減排”轉變。

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完善成果激勵機制,加強減排技術示范推廣。①我國政府需要加強科技成果轉化和應用引導,依托高等院?;蚩蒲袡C構大力支持農業資料生產企業建立自己的研發機構,將高產低排品種改良、新型肥料及設備制備、農田遠程管理終端研發等技術服務物化為產品,通過市場主導和調節,加速推進科技成果的產品化和市場化。②在糧食高產穩產基礎上建立完善的生態補償激勵機制,根據補償主體多元化特點,構建補償資金來源和補償方式多樣化的減排補償機制,促進技術成果轉化應用。主要包括:加強國際合作與交流,借鑒國外先進激勵機制和成果經驗,助力完善我國減排補償機制;制定并實施農業減排補貼政策,實行減免稅政策;加大財政投入和補貼力度,獎勵和補償減排主體;利用市場價格杠桿,確定科學合理的補償標準,實現補償機制的政策化和標準化。   ③建立成果推廣激勵機制,打通減排技術成果示范“最后一公里”。通過加強減排技術的推廣與示范,突破瓶頸,促使理論上的減排潛力轉化為真正意義上的減排能力。 夲呅內傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網 τā ńpāīfāńɡ.cōm

(作者:張廣斌、馬靜、徐華、顏曉元,中國科學院南京土壤研究所。《中國科學院院刊》供稿) 本`文內.容.來.自:中`國`碳`排*放*交*易^網 t a npai fan g.com

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