楊伏杰,馬 軍

(寧夏石油化工環(huán)境科學(xué)研究院股份有限公司,寧夏銀川 750000)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)被認(rèn)為是全球溫室氣體的主要排放源之一,貢獻(xiàn)了全球溫室氣體排放量的19%～29%[1]。作為糧食生產(chǎn)和消費(fèi)大國,中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫室氣體排放量占全國總排放量的19%[2],并且排放量以2.8%的年均增速不斷增長[3]。因此,為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”和低碳發(fā)展目標(biāo),控制和減緩農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的碳排放至關(guān)重要。同時(shí),中國作為人口大國,對糧食需求量巨大,必須保證耕地面積不減少、保障糧食安全,因此,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)既要滿足和保障充足的糧食生產(chǎn)需求,又要盡可能地降低農(nóng)作物生產(chǎn)對環(huán)境的影響(如溫室氣體排放)。

“足跡”方法能夠有效地量化生產(chǎn)過程或活動(dòng)對環(huán)境的影響[4]。碳足跡被廣泛用于量化和評估生產(chǎn)過程或活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放量。農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡是指農(nóng)作物生產(chǎn)過程的溫室氣體凈排放量[5],即農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫室氣體排放與土壤固碳量的差值[6]。目前,學(xué)者們針對中國農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡開展了大量的研究。現(xiàn)有研究主要集中在全國層面[3,6]、省級層面[7-8]和中東部地區(qū)[9],而針對西部地區(qū)特別是市級層面農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡的量化研究仍比較欠缺。

寧夏地處我國西北內(nèi)陸、黃河上游,農(nóng)業(yè)資源十分豐富,是我國西北地區(qū)重要的商品糧基地,也是我國重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū),素有“塞上江南”“魚米之鄉(xiāng)”的美譽(yù),對保障區(qū)域和全國糧食安全發(fā)揮著重要作用。桂河等[10]基于農(nóng)地利用、農(nóng)田土壤、水稻種植和畜牧養(yǎng)殖4大類農(nóng)業(yè)碳排放源,測算分析了寧夏2000—2019年農(nóng)業(yè)碳排放時(shí)序特征。曾憲芳等[11]基于農(nóng)田生產(chǎn)的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù),利用碳足跡的基本理論和方法,測算了寧夏平羅縣主要農(nóng)作物的碳足跡。吳金鳳等[12]選取位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶的寧夏鹽池縣為研究區(qū),分析了平羅縣1995—2012年種植業(yè)碳足跡變化特征。然而,現(xiàn)在關(guān)于寧夏主要農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡的研究和關(guān)注度仍較低、分析不夠深入,在保障糧食安全和“碳達(dá)峰、碳中和”的大背景下,有必要就寧夏主要農(nóng)作物生產(chǎn)的環(huán)境影響(碳足跡)開展更深入、全面的分析。該研究以寧夏5個(gè)地級市作為研究區(qū),測算分析主要農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡變化特征和地區(qū)差異,以期為寧夏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)開展碳減排、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境影響提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡測算農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡包括從播種到收割整個(gè)過程中所涉及的直接碳排放和間接碳排放[8]。其中,直接排放包括土壤碳流失和排放,土壤N2O排放,水稻種植和稻田產(chǎn)生的CH4排放,土壤固碳,農(nóng)業(yè)機(jī)械在耕地、播種、收割過程中因使用能源產(chǎn)生的CO2排放,農(nóng)作物秸稈焚燒產(chǎn)生的N2O和CH4排放,灌溉過程產(chǎn)生的CO2排放(柴油機(jī)燃油排放);間接排放主要來自灌溉、化肥和農(nóng)藥等,灌溉消耗電力發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放,化肥和農(nóng)藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^程中因消耗能源產(chǎn)生的CO2排放。農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡等于上述所有直接和間接排放之和減去土壤固碳量。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的溫室氣體包括CO2、N2O和CH4,通常采用IPCC[13]推薦的方法將N2O和CH4轉(zhuǎn)換為CO2當(dāng)量(CO2-eq)。

在明確碳足跡測算邊界和范圍的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)中主要利用生命周期分析方法[14]測算和評估農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡。寧夏農(nóng)作物種植以稻谷、小麥和玉米為主,其播種面積和產(chǎn)量相對較高,其他農(nóng)作物播種面積和產(chǎn)量相對較低,因此該研究僅測算和分析寧夏5個(gè)地級市的稻谷、小麥和玉米3種主要農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡。由于市級層面的部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲取或公開的統(tǒng)計(jì)資料中未能提供,因此,結(jié)合已有的研究成果[15],采用主要農(nóng)產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放系數(shù)(單位農(nóng)產(chǎn)品碳排放系數(shù))來測算農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡。

CFi=Pi×ci

(1)

式中:CFi表示第i種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡;Pi表示第i種農(nóng)作物或農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量;ci表示第i種農(nóng)作物或農(nóng)產(chǎn)品的碳排放系數(shù)。寧夏稻谷、小麥和玉米3種主要農(nóng)作物碳排放系數(shù)見表1。

表1 寧夏主要農(nóng)作物碳排放系數(shù)

1.2 地區(qū)間碳足跡的差異分析使用碳足跡變異系數(shù)表征地區(qū)間農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡的差異大小,根據(jù)變異系數(shù)的計(jì)算方法[16],碳足跡變異系數(shù)表達(dá)式如下:

(2)

1.3 數(shù)據(jù)來源該研究所使用的數(shù)據(jù)包括稻谷、小麥和玉米3種主要農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的碳排放系數(shù)。其中,寧夏5個(gè)地級市3種農(nóng)作物的產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自歷年《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》;農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的碳排放系數(shù)采用Liu等[7]、Zhang等[8]的研究結(jié)果。文獻(xiàn)[7]～[8]研究了中國各省份主要農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡,提供了各省份單位農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的碳足跡或碳排放系數(shù),選取其研究結(jié)果中寧夏稻谷、小麥和玉米生產(chǎn)的碳排放系數(shù),并采用兩者的平均值作為3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳排放系數(shù)(表1),以此測算寧夏5個(gè)地級市農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡。

2 結(jié)果與討論

2.1 寧夏各市主要農(nóng)作物產(chǎn)量2008—2020年,寧夏3種主要農(nóng)作物(稻谷、小麥和玉米)總產(chǎn)量平穩(wěn)增長,由280.39萬t增至326.26萬t(圖1a),年均增長率為1.27%。其中,稻谷和小麥產(chǎn)量總體上呈下降趨勢,分別由66.38萬t和64.07萬t降至49.39萬t和27.79萬t,年均分別下降2.43%和6.72%;而玉米產(chǎn)量保持增長,由149.94萬t提高至249.07萬t,年均增長4.32%。

圖1 2008—2020年寧夏各市主要農(nóng)作物產(chǎn)量Fig.1 Main crop yield in five cities of Ningxia from 2008 to 2020

2008—2020年,銀川市、吳忠市、中衛(wèi)市的稻谷產(chǎn)量總體上均有所下降(圖1b),分別由37.48萬t、11.42萬t、9.02萬t降至23.29萬t、9.59萬t、4.00萬t,特別是“十三五”期間,銀川和吳忠市的產(chǎn)量下降較快;石嘴山市的稻谷產(chǎn)量略有增加,由8.47萬t增至12.52萬t;固原市沒有種植和生產(chǎn)稻谷。

2008—2020年,寧夏5個(gè)市的小麥產(chǎn)量總體上均呈下降狀態(tài)(圖1c),其中,吳忠市的產(chǎn)量下降幅度最大,由16.79萬t降至2.41萬t,年均降速為14.95%;固原市的產(chǎn)量在“十三五”期間穩(wěn)中有增,由2016年的10.63萬t增至2020年的11.59萬t。

2008—2020年,寧夏5個(gè)市的玉米產(chǎn)量均有不同程度的增長(圖1d),其中,增長幅度最大的是固原市,其次是中衛(wèi)市,產(chǎn)量分別由14.81萬t、24.79萬t升至43.40萬t、52.60萬t,年均分別增長9.37%、6.47%;其余3個(gè)市的玉米產(chǎn)量增幅相對較低。

2.2 寧夏主要農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡2008—2020年,寧夏3種主要農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡呈波動(dòng)增長趨勢(圖2a),由182.23萬t CO2-eq上升到189.18萬t CO2-eq,增加了3.81%。

圖2 2008—2020年寧夏不同農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡及占比Fig.2 Carbon footprint of three crop production and its shares in Ningxia from 2008 to 2020

就不同農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡而言,由于其碳足跡等于各自的產(chǎn)量與相應(yīng)的碳排放系數(shù)的乘積,因此其碳足跡與各自的產(chǎn)量變化趨勢一致。稻谷、小麥、玉米生產(chǎn)的碳足跡分別由2008年的40.98萬t CO2-eq、61.88萬t CO2-eq、79.37萬t CO2-eq變?yōu)?020年的30.50萬t CO2-eq、26.84萬t CO2-eq、131.84萬t CO2-eq。

2008—2020年,寧夏3種主要農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡總累計(jì)量達(dá)到2 536.49萬t CO2-eq,其中,稻谷、小麥、玉米生產(chǎn)的碳足跡累計(jì)量分別為516.95萬t CO2-eq、620.27萬t CO2-eq、1 399.27萬t CO2-eq,分別占總累計(jì)量的20.38%、24.45%、55.17%(圖2b)。

2.3 寧夏各市農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡2008—2020年,在寧夏5個(gè)地級市中,銀川市和吳忠市3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡總量相對較高(圖3a),其中銀川市的碳足跡總量有所下降,由2008年的56.70萬t CO2-eq下降到2020年的40.92萬t CO2-eq;而吳忠市的碳足跡總量則相對穩(wěn)定,由2008年的50.51萬t CO2-eq變?yōu)?020年的50.99萬t CO2-eq。石嘴山市、固原市和中衛(wèi)市3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡總量相對較低,且均有所增長,分別由2008年的27.25萬t CO2-eq、19.59萬t CO2-eq、28.29萬t CO2-eq增至2020年的30.77萬t CO2-eq、34.17萬t CO2-eq、32.33萬t CO2-eq。

圖3 2008—2020年寧夏各市農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡及占比Fig.3 Carbon footprint of crop production and its shares in five cities of Ningxia from 2008 to 2020

2008—2020年,銀川市、石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡累計(jì)量分別為667.72萬t CO2-eq、372.64萬t CO2-eq、688.12萬t CO2-eq、392.92萬t CO2-eq、415.09萬t CO2-eq,分別占寧夏碳足跡總累計(jì)量的26.32%、14.69%、27.13%、15.49%、16.37%(圖3b)。

就寧夏各市不同農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡而言,由于各市農(nóng)作物的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不同,因此,各市3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡差異比較顯著(圖4)。銀川市稻谷、玉米生產(chǎn)的碳足跡差異較小,高于小麥生產(chǎn)的碳足跡。石嘴山市、吳忠市和中衛(wèi)市玉米生產(chǎn)的碳足跡相對較高,而稻谷和小麥生產(chǎn)的碳足跡較低,特別是自2012年以來,吳忠市和中衛(wèi)市玉米生產(chǎn)的碳足跡顯著高于稻谷和小麥生產(chǎn)的碳足跡。固原市小麥和玉米生產(chǎn)的碳足跡呈現(xiàn)相反的變化趨勢,2008—2012年小麥生產(chǎn)的碳足跡大于玉米生產(chǎn)的碳足跡,而2013—2020年玉米生產(chǎn)的碳足跡大于小麥生產(chǎn)的碳足跡,特別是自2017年以來,玉米生產(chǎn)的碳足跡是小麥生產(chǎn)的碳足跡的2倍多。

圖4 2008—2020年寧夏各市不同農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡Fig.4 Carbon footprint ofthree crop productionin five cities of Ningxia from 2008 to 2020

就寧夏各市不同農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡累計(jì)量而言,2008—2020年,銀川市稻谷、玉米生產(chǎn)的碳足跡累計(jì)量占銀川市總累計(jì)量的比例在40%左右(表2),石嘴山市和固原市玉米生產(chǎn)的碳足跡累計(jì)量占比均超過50%,而吳忠市和中衛(wèi)市玉米生產(chǎn)的碳足跡累計(jì)量占比均超過60%。

表2 2008—2020年寧夏各市不同農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡累計(jì)量占比

該研究利用變異系數(shù)表征寧夏各市農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡之間的差異性,結(jié)果如圖5所示。2008—2020年,寧夏各市農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡變異系數(shù)總體上保持下降趨勢,在2016和2017年,出現(xiàn)小幅波動(dòng)。變異系數(shù)由2008年的0.442 2 降低到2020年的0.219 7,表明寧夏5個(gè)地級市主要農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡之間的差異呈不斷縮小態(tài)勢。

圖5 2008—2020年寧夏各市主要農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡差異性Fig.5 The variation coefficient of carbon footprint ofmaincrop production in five cities of Ningxia from 2008 to 2020

3 結(jié)論與建議

基于稻谷、小麥和玉米3種主要農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的碳排放系數(shù),測算和分析了2008—2020年寧夏5個(gè)地級市3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡變化特征和地區(qū)間的差異性,得到以下主要結(jié)論。2008—2020年,寧夏稻谷和小麥產(chǎn)量總體上呈下降趨勢,而玉米產(chǎn)量逐年增長;寧夏3種主要農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡增長了3.81%,碳足跡總累計(jì)量達(dá)到2 536.49萬t CO2-eq,其中玉米生產(chǎn)的碳足跡累計(jì)量占總累計(jì)量的比重超過50%;在寧夏5個(gè)地級市中,銀川市和吳忠市3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡相對較高,其碳足跡累計(jì)量占寧夏碳足跡總累計(jì)量的比重均高于25%,而石嘴山市、固原市和中衛(wèi)市3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡相對較低,其碳足跡累計(jì)量占寧夏碳足跡總累計(jì)量的比重均低于20%;寧夏5個(gè)地級市農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡變異系數(shù)值不斷降低,各市碳足跡之間的差異逐漸減小。

農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡或碳排放主要來自化肥不合理或過量使用產(chǎn)生的溫室氣體排放,農(nóng)業(yè)機(jī)械使用能源產(chǎn)生的排放,農(nóng)作物秸稈焚燒產(chǎn)生的排放,水稻種植過程產(chǎn)生的甲烷排放,土地利用和管理不合理產(chǎn)生的排放等;而農(nóng)作物秸稈還田等有助于增加碳匯,減少碳足跡。因此,為了降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳足跡,應(yīng)合理使用化肥、提高化肥利用效率,減少或禁止農(nóng)作物秸稈的焚燒,加大秸稈還田力度或綜合利用,加大高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)力度,加強(qiáng)對耕地的保護(hù)和管理,減少耕地利用碳排放,提高農(nóng)田固碳能力和碳儲(chǔ)量。