劉曉珂，黃紅星*，韓威威

(1.廣東省農業(yè)科學院 農業(yè)經(jīng)濟與農村發(fā)展研究所，廣東 廣州 510640；2.農業(yè)部 華南都市農業(yè)重點實驗室,廣東 廣州 510640)

氣候變化是當前人類社會面臨最為嚴峻的全球環(huán)境問題之一。隨著全球氣候變暖趨勢的不斷加劇，其根源之一——溫室氣體(Greenhouse Gases，GHG)排放引起了學術界的廣泛關注。為了緩解氣候變化，減少GHG排放，推廣低碳排放技術，自2008年起，一些國家不約而同地推出碳市場機制，將商品在生產過程中的溫室氣體排放量以“碳標簽”標示出來，一方面促進消費者低碳消費，另一方面也是應對發(fā)達國家利用碳排放設置貿易壁壘的有效手段[1]。目前，全球有1000多家企業(yè)將“低碳”作為其供應鏈的必需條件，部分企業(yè)要求供應商必須提供碳標簽。中國是進出口大國，產品進出口在國際貿易中占有相當份額，因此，開展產品碳足跡研究對以后應對“低碳”貿易壁壘有重要意義。

碳標簽制定的前提是獲取商品生產過程中的全部溫室氣體排放，目前一般采用“碳足跡”來定量評估?！疤甲阚E”是指企業(yè)機構、活動、產品或個人通過交通運輸、食品生產和消費以及生產過程等引起的溫室氣體排放的總和，用二氧化碳當量來表示[2]。農業(yè)作為與自然環(huán)境關系最為密切的產業(yè)，農業(yè)源在全球溫室氣體排放中扮演著重要角色。稻田是中國最重要的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織(FAO)研究表明，2014年中國(不包括臺灣省)農業(yè)溫室氣體排放量為7.07×105kt Ce，其中水稻種植排放1.13×105kt Ce，約占15.98%[3]。水稻生產全過程包括從播種到收獲、貯存、包裝、銷售都涉及碳排放。Gian等[4]應用生命周期評價法(LCA)，評估了稻米從稻田生產到市場銷售整個產業(yè)鏈的碳足跡，為了解意大利水稻生態(tài)分布提供了一個有效工具。邱麗等[5]以黑龍江水稻供應鏈為例，分析了水稻供應鏈溫室氣體排放量。曹黎明等[6]基于PAS2050規(guī)范和生命周期評價法對上海市水稻種植進行了碳足跡評估。可見目前國內外的水稻碳足跡研究多集中于水稻種植過程中的碳排放或水稻生產全產業(yè)鏈的碳足跡評估，鮮有利用信息化工具對水稻生產加工過程碳足跡核算的研究報道。

因此，本文基于LCA方法建立了一套適用于水稻生產加工過程的碳足跡評價模型，并在此基礎上開發(fā)了一款碳足跡計算器，以方便評估水稻生產加工過程的碳排放水平，推進水稻市場碳標簽的實施，提高我國稻米的國際競爭力，同時也有助于指導政府部門有效地開展低碳減排工作。

1 評價方法的研究

1.1 評價方法的選擇

目前，產品碳足跡標準應用最廣的有國際標準ISO 14067和英國的PAS 2050技術規(guī)范。作為產品碳足跡評價的國際通行標準，兩個標準一脈相承，在產品碳足跡量化技術上基本保持一致，但ISO 14067標準可以實現(xiàn)全球范圍的碳足跡數(shù)據(jù)的比較[7]。為便于與國際接軌，本研究參照ISO 14067標準并結合生命周期評價法(LCA)對水稻生產的碳足跡進行計算。LCA評價是指一個產品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的評價，它是評估產品整個生命周期中，從原材料采集、產品生產、加工以及產品使用后的處理對環(huán)境影響的方法。

1.2 系統(tǒng)邊界的確定

基于“從搖籃到墳墓”視角的農業(yè)源溫室氣體排放，本研究的系統(tǒng)邊界定義為水稻整個生命周期中溫室氣體的排放，包括稻谷種植、運輸、加工等過程中的溫室氣體排放，即水稻從種植到大米成品整個過程中的溫室氣體排放(圖1)。鑒于本文主要探討水稻碳標簽的研究尺度，產品運輸銷售及產品的最終回收利用不包括在內。

2 水稻碳足跡的計算方法

2.1 種植過程

在本研究中，水稻種植過程中的溫室氣體的排放包括直接排放和間接排放，其中直接排放指氮肥施用產生的N2O排放、稻田排放的CH4、秸稈燃燒排放的N2O、CH4、CO2；間接排放指生產農藥、化肥等和灌溉能耗產生的碳排。根據(jù)ISO 14067標準，土壤中碳變化不在本研究的范圍內。

(1)根據(jù)《2006年IPCC溫室氣體清單指南》中水稻種植中CH4排放估算公式，將日排放因子乘以水稻種植期和收獲面積，估算CH4排放量，公式如下：

(1)

其中，CF1為水稻甲烷排放折算碳當量，S表示農戶水稻種植面積，單位為hm2；D表示水稻種植期，單位為d；δCH4表示水稻單位種植面積的日CH4日排放系數(shù),單位為kg/(hm2·d)；25表示CH4的溫室效應值；12/44表示CO2分子中C元素的含量。

δCH4=EFc×SFw×SPp×SFo×SFs,r

(2)

其中，EFc表示不含有機添加物的持續(xù)性灌水稻田的基準排放因子，以水稻種植前180 d內未灌水的田地以及種植期內無有機添加物的連續(xù)水灌田的基準排放因子作為起點，EFc的IPCC缺省值為1.30 kg CH4/(hm2·d)。SFw為種植期不同水分狀況的換算系數(shù)，水分狀況為旱地、灌溉和深水，其換算系數(shù)分別為0、0.78、0.27。SPp為種植季前不同水分狀況的換算系數(shù)，種植前水分狀況分為季前180 d內不灌水、季前超過180 d不灌水和季前灌水，其換算系數(shù)分別為1.00、0.68、1.90。

SFo為有機添加物類型和數(shù)量變化的換算系數(shù)：

(3)

式(3)中Rn為第n種有機添加物的使用比例；Cn為第n種有機添加物的轉化系數(shù)，有機添加物的類型有種植前不久秸稈還田、種植前很久秸稈還田、堆肥、農場施肥、綠肥，其轉換系數(shù)分別為1.00、0.29、0.05、0.14、0.50。

SFs,r為土壤類型、水稻品種等的換算系數(shù)，目前僅在少數(shù)國家可以獲取不同土壤類型和水稻品種的排放數(shù)據(jù)，因此該換算系數(shù)默認為1。

圖1 水稻供應鏈及碳足跡邊界界定

(2)氮肥施用導致的N2O排放量的計算公式為：

(4)

其中，CF2為氮肥施用所產生的N2O排放的碳當量；FN表示水稻生產過程中氮肥的使用量(折純量)；δN表示氮肥施用引起的農田N2O中N的排放系數(shù)，為0.8956 kg C/kg；44/28表示N2O分子式中N分子的含量；298表示N2O的溫室效應值[8]。

(3)農業(yè)投入造成的間接溫室氣體排放量計算公式為：

(5)

其中，CF3為農業(yè)投入(包括生產、能源等)產生的溫室氣體總和；Ti表示各種生產資料的投入量或能源的消耗量；δi表示生產資料或能源所對應的碳排放系數(shù)(表1)。

表1 農用物資投入主要碳源及碳排放系數(shù)

(4)秸稈焚燒過程中釋放的溫室氣體計算公式為：

(6)

其中，CF4為秸稈焚燒過程中溫室氣體排放量；P表示秸稈資源量，δj為單位質量的水稻秸稈燃燒產生的j種溫室氣體的排放因子。秸稈焚燒產生的N2O、CH4、CO2的排放因子分別為2.84、0.72、1162.15 g/kg[9]。

2.2 運輸過程

運輸過程中溫室氣體排放主要指稻谷運輸至大米加工廠的過程中釋放的溫室氣體。運輸過程中釋放的溫室氣體計算公式為：

CF5=∑∑N·L·Mm·λi

(7)

其中，CF6為大米運輸階段溫室氣體排放量；N表示運輸量；L為運輸距離；Mm為采用m種運輸工具；λi表示第i種氣體的排放因子(表2)。

表2 不同的運輸方式溫室氣體排放因子[10]g/(t·km)

2.3 加工過程

加工過程中釋放的溫室氣體計算公式為：

(8)

其中，CF5為稻谷加工過程中的溫室氣體排放量；Wk表示k過程中的機械耗電量；β為電力碳排放因子，電力消耗的CO2當量排放因子為11.4218 t CO2/(10 MW·h)[11]。

基于水稻碳排放邊界的確定，設計水稻碳足跡計算模型為：

CFt=CF1+CF2+CF3+CF4+CF5+CF6

(9)

3 碳足跡計算器的研發(fā)

研究開發(fā)了水稻碳足跡計算器，該計算器向用戶提供了水稻生產過程碳排放量的評估服務功能，主要包括：數(shù)據(jù)管理模塊、水稻碳排放計算器模塊、綜合管理模塊等。其中，水稻碳排放計算器是依據(jù)水稻碳足跡計算方法建立起來的面向公共服務的Web門戶程序，主要技術特點有以下幾個方面。

3.1 基于J2EE的MVC架構模式

在水稻碳足跡計算器平臺架構中(圖2)，采用MVC架構模式將軟件平臺分成5個層次，在門戶層定義水稻碳排放計算器模塊，這是通過客戶端與最終用戶對接的層次。通過接收用戶的指令或者數(shù)據(jù)輸入，提交給服務層做運算處理，同時負責將服務層的處理結果反饋給用戶。由于門戶層不處理復雜的業(yè)務邏輯，服務層不處理復雜的視圖展示等操作，從而解決系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與顯示分離的問題，進而提升水稻碳排放計算器模塊的拓展性。

3.2 采用HTML5標準

由W3C推薦出來的HTML5是趨于主流的網(wǎng)絡統(tǒng)一標準，研究采用了HTML5能夠賦予水稻碳排放計算器模塊的網(wǎng)頁更加豐富的標簽、微數(shù)據(jù)與微格式等方面的支持，構建的Web服務程序擁有更短的啟動時間，更快的聯(lián)網(wǎng)速度。構建的HTML5數(shù)據(jù)與應用接入開放接口，使外部應用可以從客戶端與內部的數(shù)據(jù)直接相連，前后臺數(shù)據(jù)即時更新，提高可用性和改進用戶使用體驗?？蛻舳酥灰粋€簡單的瀏覽器引擎就可以支持多設備、跨平臺運行，應用非常輕量級，傳播速度很快。

3.3 應用jQuery運算邏輯控制

依據(jù)水稻碳足跡計算方法，水稻碳排放計算器要在不同條件下進行因子系數(shù)的分類組合計算，如圖3所示，本研究應用輕量級js庫jQuery進行Web程序的AJAX交互，使HTML頁面保持代碼和HTML內容分離，以實現(xiàn)頁面的快速局部更新。在傳統(tǒng)的編程過程中，要實現(xiàn)水稻碳排放計算器中的功能按鈕處理程序需要鏈接到一個新的頁面，而在jQuery框架中，僅為水稻碳排放計算器的每一類功能按鈕綁定一個click事件，當用戶點擊某個按鈕時，就會觸發(fā)相對應的click事件來完成頁面數(shù)據(jù)更新。因此，即使用戶在水稻碳排放計算器中選擇幾乎所有的因子系數(shù)組合，也不需要訪問服務器，從而大大簡化水稻碳足跡的計算過程，并提高了服務器的計算效率。

圖2 水稻碳足跡計算器平臺架構設計

圖3 水稻碳排放計算器界面設計

4 計算器應用

以廣東省惠州市某大米生產企業(yè)為例，該企業(yè)自建水稻生產基地2000余hm2。以公司自有基地為研究對象，通過實地調研和座談，了解該公司基地水稻的生產方式。據(jù)調查，公司生產的油粘米產品由位于汕尾市海豐縣基地生產，在惠州進行加工，稻谷運輸距離約138 km，采用中型卡車運輸。油粘米種植期120 d，產量400 kg/667 m2。種植過程中，平均每667 m2農藥使用量合計0.3 kg，施用氮肥18.5 kg、磷肥4.9 kg、鉀肥7.2 kg。稻田種植前灌水，灌溉方式為淹灌，收割后秸稈全量還田。加工過程中晾曬為人工晾曬，不計碳排放，清洗、脫殼、碾米、分級、色選、拋光、包裝平均每噸耗電量為26.63 kW·h。

將相關數(shù)據(jù)和種植方式選項輸入計算器，得到某公司每千克油粘米的碳足跡是319.96 g Ce。其中，生產階段碳排放量為309.03 g Ce，占全部碳排量的96.58%；運輸階段碳排放量為2.63 g Ce，占全部碳排放量的0.83%；加工階段碳排放量為8.30 g Ce，占全部碳排放量的2.59%。從結果中可以看出，生產階段是碳排放的主要階段，特別是稻田碳排放，在碳減排方面需要重點關注[12]。

5 結語

本文在水稻生產碳足跡評估模型構建的基礎上，嘗試開發(fā)了一個簡便易行的水稻碳排放計算器，該計算器能夠快速計算出水稻產品的碳足跡，為推行產品碳標簽的實施提供了一個便捷工具。另外，基于碳排放計算器，可以對水稻生產碳排放的相關問題進行深度分析，發(fā)現(xiàn)水稻生產加工過程中碳排放的主要環(huán)節(jié)，為水稻生產的碳減排措施制定提供一定的數(shù)據(jù)參考。