陳 麗 ,劉 娟 ,王 末 ,李 牧

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081;2.天津商業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院 天津 300134)

當(dāng)前,國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注能源消費(fèi)及其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響[1-2]。隨著化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)機(jī)械等能源密集型要素(直接或間接地依賴(lài)化石燃料)投入增加,農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的同時(shí)也成為能源使用增長(zhǎng)較快的部門(mén)。當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以說(shuō)與能源消耗密切相關(guān)。然而,由于生產(chǎn)成本的增加和管理不合理,增加化石能源的投入未必能帶來(lái)最優(yōu)產(chǎn)出[3-4],過(guò)量消費(fèi)還會(huì)造成土壤、水體等面源污染,以及溫室氣體排放等環(huán)境問(wèn)題[5-6]。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)評(píng)估報(bào)告測(cè)算,全球每年農(nóng)業(yè)溫室氣體排放總量約占全球人為排放總量的24%[7],中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)業(yè)碳排放量約占溫室氣體碳排放總量的17%,且排放水平以年均5%的速度增長(zhǎng)[8],農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在緩解氣候變化方面具有很高的潛力。在這種情況下,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能源利用效率(EUE)不僅有助于通過(guò)降低成本來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力,使與能源相關(guān)的溫室氣體排放等環(huán)境污染最小化,推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,還可為我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030 年前“碳達(dá)峰”與2060 年前“碳中和”做出貢獻(xiàn)。

能源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵要素,在耕地面積減少、全球氣候變化和勞動(dòng)力短缺的壓力下,為了滿足不斷增長(zhǎng)的人口和人們不斷提高的生活需求,農(nóng)業(yè)對(duì)能源的消耗多年來(lái)一直在持續(xù)增加[9]。當(dāng)前,許多研究在農(nóng)場(chǎng)、區(qū)域、國(guó)家等不同尺度調(diào)查了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、糧食作物、果蔬等生產(chǎn)中的能源利用及其效率。Yuan 等[9]利用投入產(chǎn)出能量分析法評(píng)估了中國(guó)中部水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)農(nóng)民實(shí)踐,以及簡(jiǎn)化和減少投入實(shí)踐的能量投入和EUE;Budzyński 等[10]比較分析了不同耕作技術(shù)下波蘭一家大型農(nóng)場(chǎng)冬季油菜(Brassica campestris)籽生產(chǎn)的能源效率及其技術(shù)影響;Lewandowska-Czarnecka 等[11]對(duì)波蘭加入歐洲聯(lián)盟以來(lái)農(nóng)業(yè)變化的能源和能值進(jìn)行了分析;Singh 等[12]開(kāi)展了印度旁遮普省西南部提高水稻種植能源效率的能源審計(jì)研究。比較流行的EUE 評(píng)價(jià)方法有生命周期評(píng)價(jià)(LCA)、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)、過(guò)程分析、能值分析等。此后,隨著能源消費(fèi)引發(fā)環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯以及人們環(huán)保意識(shí)的提升,越來(lái)越多的學(xué)者在關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能源效率與技術(shù)的同時(shí),也將其溫室氣體減排效應(yīng)納入考量,試圖探尋產(chǎn)量與碳排雙優(yōu)的生產(chǎn)模式。Mohammadi 等[13]比較了伊朗北部不同農(nóng)場(chǎng)規(guī)模農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的能量使用效率與相應(yīng)的溫室氣體排放,提出了針對(duì)小麥(Triticum aestivum)、大麥(Hordeum vulgare)、油菜、大豆(Glycine max)、水稻和青貯玉米(Zea mays)等不同作物的能源高效利用與溫室氣體減排措施;Arrieta 等[14]通過(guò)對(duì)阿根廷18 個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)域的調(diào)查分析,確定了阿根廷生產(chǎn)的大豆和玉米的碳足跡和能源足跡,以及碳和能源效率;Wu 等[4]比較分析了安徽省16 個(gè)地級(jí)市的農(nóng)作物能源利用效率和溫室氣體排放及其時(shí)空格局;Rabiee 等[15]評(píng)估了伊朗桂蘭省稻田油菜生產(chǎn)能源利用效率與溫室氣體排放;楊歡等[16]利用LCA、DEA 和碳平衡等方法,對(duì)2004-2018 年黃淮海玉米生產(chǎn)能源利用效率和凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡時(shí)空特征進(jìn)行了量化研究。雖然已有學(xué)者研究了不同區(qū)域、尺度農(nóng)作物生產(chǎn)中的能源利用效率和溫室氣體排放,但是目前鮮有涵蓋全國(guó)主要油料作物能源利用效率與溫室氣體排放的系統(tǒng)研究,且不同研究方法各有優(yōu)缺點(diǎn),有必要將不同的方法進(jìn)行整合,以便向決策者呈現(xiàn)能源使用效率和相關(guān)溫室氣體排放的全貌。

綜上,本研究擬采用LCA+DEA 方法,針對(duì)我國(guó)主要油料作物種植區(qū)域,開(kāi)展能源效率與溫室氣體排放研究。具體內(nèi)容如下: 1)基于LCA 方法,界定待研究油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)邊界,進(jìn)行系統(tǒng)能流及溫室氣體排放源分析,這是進(jìn)一步測(cè)算、評(píng)價(jià)和分析的基礎(chǔ);2)參照已有能源效率和溫室氣體排放測(cè)算方法,對(duì)不同區(qū)域不同油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行能源輸入、輸出、利用效率以及溫室氣體排放量的測(cè)算與分析;3)采用DEA 方法,識(shí)別油料作物種植相對(duì)低效的單元,估算低效單元綜合技術(shù)效率最優(yōu)時(shí)系統(tǒng)投入能源節(jié)約量以及相應(yīng)的溫室氣體減排潛力;4)提出若干緩解措施,為相關(guān)政策制定提供參考?？梢?jiàn),在當(dāng)前耕地資源有限、“糧油爭(zhēng)地”矛盾突出的情況下開(kāi)展研究,通過(guò)優(yōu)化能源低效利用地區(qū)的能源利用結(jié)構(gòu),探尋產(chǎn)量與碳排雙優(yōu)的生產(chǎn)模式,對(duì)推動(dòng)我國(guó)油料作物種植節(jié)本增收與綠色發(fā)展具有重要意義。

1 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)能流分析與溫室氣體排放源

LCA 是評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)在全生命周期的輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的有效工具[17],并且隨著人們對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的不斷關(guān)注,常被用于分析農(nóng)業(yè)中的能量流動(dòng)及其相應(yīng)的溫室氣體排放,其系統(tǒng)邊界通常為“從搖籃到農(nóng)場(chǎng)門(mén)”。本研究的對(duì)象為油料作物初級(jí)產(chǎn)品,其生產(chǎn)系統(tǒng)的邊界包括從耕作操作到農(nóng)場(chǎng)門(mén)的作物生長(zhǎng)周期中的所有農(nóng)業(yè)過(guò)程(圖1)?？紤]到我國(guó)秸稈綜合利用率的不斷提高,本研究將其系統(tǒng)邊界進(jìn)一步外延,把副產(chǎn)品(通常為秸稈)處理與利用也納入進(jìn)來(lái)。此外,考慮到我國(guó)耕地資源有限、“糧油爭(zhēng)地”矛盾突出,從土地承載力的視角確定單位土地面積(1 hm2)為功能單元。

圖1 研究邊界Fig.1 Research boundary

油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放主要包括由化肥、農(nóng)藥、除草劑等物質(zhì)投入直接或間接導(dǎo)致的碳排放,以及農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作、灌排水等農(nóng)事操作耗費(fèi)柴油、電能所導(dǎo)致的碳排放。鑒于人呼吸釋放溫室氣體本質(zhì)目的是用于支撐生命活動(dòng),并非僅為了從事勞動(dòng),因此人力勞動(dòng)釋放溫室氣體不作考慮。此外,農(nóng)作物籽粒與秸稈1 年內(nèi)固定和消耗的碳基本保持平衡,同時(shí)參考IPCC 農(nóng)業(yè)溫室氣體排放清單,未將秸稈焚燒碳排放納入測(cè)算。

2 研究范圍與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究對(duì)象與范圍

中國(guó)是世界上重要的油料作物生產(chǎn)國(guó),2020 年全國(guó)大豆播種面積約為986.6 萬(wàn)hm2,產(chǎn)量約為1960萬(wàn)t,位居世界第4 位;油菜播種面積約為680 萬(wàn)hm2,產(chǎn)量約為1400 萬(wàn)t,位居世界第2 位;花生(Arachishypogaea)播種面積約為460 萬(wàn)hm2,產(chǎn)量約為1799.3 萬(wàn)t,位居世界第1 位[18]。因此,本研究選取大豆、油菜、花生3 種油料作物作為研究對(duì)象?？紤]到3 種油料作物在我國(guó)的種植分布、產(chǎn)量以及數(shù)據(jù)的可獲取性,本研究選取黑龍江、吉林、遼寧、河北、山東等24 省份為研究區(qū),如表1 所示。

表1 研究對(duì)象與區(qū)域Table 1 Research objects and areas

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究所需的種子、農(nóng)藥、化肥、機(jī)械、灌排水、用工、產(chǎn)量等投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)主要來(lái)自《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編 2020》。柴油價(jià)格數(shù)據(jù)來(lái)自中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)公布的國(guó)內(nèi)成品油價(jià)格調(diào)整數(shù)據(jù),考慮到油菜、大豆和花生生長(zhǎng)周期及特點(diǎn),冬油菜產(chǎn)區(qū)柴油價(jià)格取越冬前上一年10-11 月以及返青后2-5 月平均值,春油菜不存在越冬期,取4-9 月平均值;花生、大豆同理,春花生、夏花生、春大豆、夏大豆產(chǎn)區(qū)分別取其生長(zhǎng)期4-9 月、5-10 月、4-9 月和6-9 月平均值;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用電價(jià)格數(shù)據(jù)來(lái)自各省電網(wǎng)公布的農(nóng)業(yè)灌排用電價(jià)格,未專(zhuān)門(mén)定價(jià)農(nóng)業(yè)灌排費(fèi)用的則采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電價(jià)格;能量當(dāng)量、溫室氣體系數(shù)等數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)各項(xiàng)能源輸入和輸出計(jì)算公式及相關(guān)系數(shù)Table 2 Calculation formula and correlation coefficient of energy input and output in oil crop production system

農(nóng)藥、除草劑作為防治農(nóng)作物病蟲(chóng)害、草害的重要投入品,為保障油料作物有效供給和增產(chǎn)發(fā)揮了重要的、不可替代的作用,但同時(shí)也帶來(lái)了作物藥害、環(huán)境污染等負(fù)面問(wèn)題。近十年來(lái),我國(guó)農(nóng)藥使用逐漸由“農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)”走向“農(nóng)藥減量化”發(fā)展,2020 年種植業(yè)農(nóng)藥使用量比2010 年下降了9.84%,其間接導(dǎo)致的溫室氣體排放量也在減少[19-20]。鑒于數(shù)據(jù)的可獲取性,本研究未將農(nóng)藥和除草劑納入系統(tǒng)能源輸入和溫室氣體排放量的測(cè)算。此外,農(nóng)家肥施用在油料作物大規(guī)模種植中并不常見(jiàn),種子排放的溫室氣體可以忽略不計(jì),因此本研究也未將農(nóng)家肥和種子的溫室氣體排放量納入測(cè)算。

3 研究方法

3.1 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)能源利用效率

油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)輸入能量和輸出能量是通過(guò)將每個(gè)輸入和輸出數(shù)據(jù)與相應(yīng)的能量當(dāng)量系數(shù)相乘進(jìn)行估算的[3]。投入的能量當(dāng)量系數(shù)指從初級(jí)生產(chǎn)到最終用戶(hù)所使用的能量[21],受生產(chǎn)工藝、流通等階段技術(shù)革新的影響,不同時(shí)期不同國(guó)家可能有所不同。鑒于其計(jì)算的復(fù)雜性,多數(shù)研究直接引用已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù),忽視了時(shí)間和地區(qū)差異可能帶來(lái)的計(jì)算誤差和可比性問(wèn)題。本研究統(tǒng)一采用《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊(cè)》提供的柴油、電力、農(nóng)藥、化肥等能量當(dāng)量計(jì)算系統(tǒng)輸入能量,其結(jié)果與當(dāng)前實(shí)際情況也會(huì)存在差異,但該差異是在我國(guó)基本國(guó)情下的整體偏離(偏大或偏小),不影響輸入間的可比性,可以最大程度避免前述問(wèn)題。系統(tǒng)各項(xiàng)能源輸入和輸出計(jì)算公式及相關(guān)系數(shù)如表2 所示。

本研究采用凈能源、能源生產(chǎn)力和能源利用效率[21]來(lái)評(píng)估油料作物生產(chǎn)的能源效率,其計(jì)算公式如下:

式中: NE、EP 和EUE 分別為凈能源(MJ?hm-2)、能源生產(chǎn)力(kg?MJ-1)和能源利用效率,Ein和Eout分別為系統(tǒng)能量總輸入和輸出(MJ?hm-2),Ey為油料作物產(chǎn)量(kg?hm-2)。

3.2 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放

物質(zhì)投入和農(nóng)事操作導(dǎo)致的溫室氣體排放量計(jì)算公式如下:

式中:Cout為系統(tǒng)各輸入項(xiàng)的溫室氣體排放量[kg(CO2eq)?hm-2],ct為各輸入項(xiàng)溫室氣體排放系數(shù)[kg(CO2eq)?unit-1][4,19],qt為單位面積各輸入項(xiàng)投入量(unit?hm-2),t為化肥、柴油、電力等輸入項(xiàng)。

3.3 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)能源優(yōu)化與溫室氣體減排

3.3.1 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型

DEA 是一種在非參數(shù)框架下直接使用輸入輸出數(shù)據(jù)估計(jì)系統(tǒng)效率的常用方法,通過(guò)一些特定的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型來(lái)評(píng)估一組名為決策單元(DMU)的可比實(shí)體間的相對(duì)效率[3,29]。傳統(tǒng)DEA 模型(如CCR 和BCC 模型)屬于徑向模型,但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,要素投入的比例變化往往是非等比例的,因此Tone[30]提出了SBM (slack based measure)模型,有效解決了徑向模型對(duì)無(wú)效率的測(cè)量沒(méi)有包含松弛變量的問(wèn)題。

本研究油料作物生產(chǎn)系統(tǒng),將每個(gè)種植省份作為一個(gè)DMU,每個(gè)DMU 使用多種能源投入分析2種產(chǎn)出的結(jié)果(表2),由于副產(chǎn)品產(chǎn)出并非油料作物種植的根本目的,所以能源利用優(yōu)化時(shí)僅考慮主產(chǎn)品產(chǎn)出。通過(guò)DMU 對(duì)生產(chǎn)前沿面的投影確定各投入產(chǎn)出指標(biāo)的松弛量[31],并以此估算DMU 技術(shù)效率和規(guī)模效率同時(shí)達(dá)到相對(duì)最優(yōu)時(shí),系統(tǒng)投入的能源節(jié)約及相應(yīng)溫室氣體減排潛力。投入導(dǎo)向規(guī)模報(bào)酬可變SBM 模型具體公式如下:

式中:ρ?為被評(píng)價(jià)DMU的效率值,當(dāng)ρ?=1時(shí),被評(píng)價(jià)DMU被稱(chēng)為SBM有效;m為投入的總項(xiàng)數(shù);為被評(píng)價(jià)DMU第t項(xiàng)投入的投入松弛;xtj為第j個(gè)DMU的第t項(xiàng)投入;Xλ為前沿面上的投入量;為被s-評(píng)價(jià)DMU的投入松弛;xj為第j個(gè)DMU的m項(xiàng)投入;Yλ為前沿面上的產(chǎn)出量;yj為第j個(gè)DMU的m項(xiàng)產(chǎn)出;λ為調(diào)整矩陣;為第m項(xiàng)投入的冗余占各自實(shí)際投入的平均效率水平,也即m項(xiàng)投入的平均非效率水平;eλ為規(guī)模報(bào)酬可變的約束條件。

3.3.2 能源利用優(yōu)化與溫室氣體減排

式中: EOij和 CDEij分別為第j個(gè)DMU(省份)油料作物i的能源輸入節(jié)約量(MJ?hm-2)和能源輸入溫室氣體減排量[kg(CO2eq)?hm-2];εt為各投入項(xiàng)的能量當(dāng)量;為第j個(gè)DMU (省份)第t項(xiàng)投入的松弛量(unit?hm-2)。

4 結(jié)果與分析

4.1 油料作物能源利用效率及區(qū)域差異

4.1.1 能源利用整體情況

表3 為我國(guó)油菜、大豆、花生種植業(yè)平均能源輸入、輸出以及利用效率。結(jié)果表明,3 種油料作物中花生種植過(guò)程能源消耗量最大,為13.93 GJ?hm-2,油菜與大豆能源消耗相差不大,分別為8.65 GJ?hm-2和8.13 GJ?hm-2;不同油料作物能源消耗方式差異明顯,油菜能源輸入以化肥投入(48.23%)和機(jī)械作業(yè)柴油消耗(30.94%)為主,大豆能源輸入則主要集中在柴油(31.93%)、電力(主要用于灌排水,22.73%)以及化肥投入(22.41%)的能源消耗,花生物質(zhì)投入、農(nóng)事操作和人力勞動(dòng)能源消耗相對(duì)比較均衡,占比集中分布在10%～30%;能源輸出方面,在不考慮副產(chǎn)品秸稈的情況下,花生能源輸出最高(50.33 GJ?hm-2),其次是油菜(45.06 GJ?hm-2)和大豆(34.64 GJ?hm-2)。隨著我國(guó)秸稈利用效率提升以及利用方式日趨多樣化,在能量平衡中考慮副產(chǎn)品后,輸出能量差異發(fā)生了明顯變化,大豆能源輸出超過(guò)油菜,躍居第2 位。但事實(shí)上,副產(chǎn)品秸稈并非都可以得到有效利用,考慮秸稈綜合利用率后,測(cè)算出的油菜、大豆和花生副產(chǎn)品可以有效利用的部分能源輸出分別為32.27 GJ?hm-2、22.70 GJ?hm-2和96.69 GJ?hm-2,占各自總能源輸出的28.59%、17.17%和51.22%,其中花生副產(chǎn)品有效能源輸出最高,主要是由于其秸稈資源收集更高效。

表3 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)平均能源輸入與輸出Table 3 Average energy inputs and outputs of oil crop production system

EUE 是作物生產(chǎn)投入產(chǎn)出能分析的最佳指標(biāo)之一,可以反映能源的有效利用,我國(guó)油菜、大豆、花生的EUE (*表示僅考慮主產(chǎn)品)分別為13.05 (5.21*)、10.46 (4.26*)和16.94 (7.00*),花生能源有效利用程度最高。EP 反映了每消耗單位能量系統(tǒng)的產(chǎn)出能力,經(jīng)測(cè)算,我國(guó)油菜、大豆、花生的全國(guó)平均值分別為0.80 (0.25*) kg?MJ-1、0.67 (0.26*) kg?MJ-1和0.61(0.25*) kg?MJ-1,油菜的能源生產(chǎn)力相對(duì)較高。

4.1.2 各項(xiàng)能源輸入貢獻(xiàn)

進(jìn)一步分析不同省份油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)各項(xiàng)能源輸入的貢獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)(圖2),大部分油菜種植省份的能源輸入主要來(lái)自于柴油和化肥投入,其中氮肥和復(fù)合肥貢獻(xiàn)占比的不同,反映出地區(qū)之間施肥喜好的差異,前人研究也表明化肥和柴油是油菜生產(chǎn)中最密集的能源投入[15]。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)部分省份呈現(xiàn)出一些特殊的投入特征,如內(nèi)蒙古和青海電力能源投入較高,重慶人工能源投入較高。大豆和花生種植能源輸入不再表現(xiàn)為較單一的以柴油和化肥投入為主,不同區(qū)域能源要素投入占比差異巨大,其中四川和江蘇大豆種植系統(tǒng)以種子和人工能源輸入為主,貢獻(xiàn)占比超過(guò)50%,河北、山東、山西、陜西等地的大豆種植以電力能源投入為主,同樣福建、河北、河南、遼寧等地花生電力能源投入占比也較高,說(shuō)明這些區(qū)域的大豆或花生種植對(duì)人工灌溉具有較強(qiáng)依賴(lài)性。綜上可見(jiàn),不同區(qū)域之間能源輸入貢獻(xiàn)的差異性,不僅與各地資源環(huán)境的異質(zhì)性、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先進(jìn)性密切相關(guān),同時(shí)還受當(dāng)?shù)胤N植傳統(tǒng)和習(xí)慣的深刻影響。地形地貌條件以及土壤質(zhì)地和肥力決定了油料作物的耕作措施、施肥狀況,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展決定了機(jī)械化種植水平和人工投入成本,種植文化影響了施肥方式與施肥類(lèi)型,從而形成了各地各異的能源輸入方式和類(lèi)型。

圖2 不同省份油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)能源輸入貢獻(xiàn)占比Fig.2 Percentages of energy inputs of oil crop production system in different provinces

4.1.3 能源效率區(qū)域差異

能源的輸入和輸出直接決定了NE、EUE 和EP,他們具有較大的空間差異,且其空間異質(zhì)性特征并不完全相同。由表4 可以看出,油菜EUE 較高的區(qū)域主要集中在長(zhǎng)江流域,其中江蘇、重慶兩省(市)EUE 最高,分別為22.50 (9.43*)和19.62 (8.34*),但二者能源輸入、輸出的差距巨大,江蘇平均每公頃能源輸入、輸出約為重慶的2 倍。二者能源高效利用的因素也不盡相同,重慶以丘陵、山地為主的地形地貌導(dǎo)致油菜種植的機(jī)械化作業(yè)以及電力灌溉受限,因此重慶機(jī)械化能源投入較低,灌溉電力消耗幾乎為0,此外低化肥和種子能源投入也進(jìn)一步促進(jìn)了重慶除人力能源消耗較高之外整體能源投入低的狀態(tài);江蘇雖然與重慶一樣具有較低的柴油、電力種植能源投入,但其人力能源投入尤其是化肥能源投入巨大,能源輸入相對(duì)較高的同時(shí)產(chǎn)出水平也得到了很大提升。大豆EUE 較高的區(qū)域也主要集中在長(zhǎng)江流域,其中江蘇最高,其次是河南、四川、安徽,分別為23.39 (9.13*)、19.45 (7.91*)、19.20 (9.72*)、17.90(9.66*),不同的是江蘇、河南、安徽都屬于高投入高產(chǎn)出下的能源高效利用地區(qū),而四川受山區(qū)耕作環(huán)境條件與低肥耕作習(xí)慣的影響,形成了低投入低產(chǎn)出下的能源高效利用。此外,對(duì)于大豆NE 較高的山東、河北而言,他們與江蘇一樣具有較高的能源輸出和凈能源,但由于這兩個(gè)省份大豆種植灌溉消耗大量電力能源,土壤養(yǎng)分不足追求高產(chǎn)的同時(shí)使用了大量化肥能源,因此二者的EUE 值均較低,分別為10.87 (4.25*)、5.88 (2.39*)?；ㄉ鶨UE 較高的省份是湖南、湖北和安徽,分別為26.29 (10.52*)、22.88(9.15*)、22.78 (9.11*),同時(shí)這3 個(gè)省份的NE 也均較高,良好的自然資源條件、合理的農(nóng)業(yè)機(jī)械化以及物質(zhì)能源投入共同構(gòu)建了能源流動(dòng)良好且高效的花生種植生產(chǎn)系統(tǒng)。

表4 中國(guó)油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)能效指標(biāo)值Table 4 Energy efficiency indicators value of oil crop production system in China

4.2 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)溫室氣體排放

由表5 可以看出,花生溫室氣體排放量最高[874.96 kg(CO2eq)?hm-2],其次為油菜[660.16 kg(CO2eq)?hm-2],大豆最低[507.07 kg(CO2eq)?hm-2]。此外,不同油料作物物質(zhì)投入和農(nóng)事操作溫室氣體排放貢獻(xiàn)也存在差異。對(duì)于油菜與花生,化肥是其重要的溫室氣體排放源,但是大豆種植過(guò)程中化肥、柴油、灌溉溫室氣體排放量的貢獻(xiàn)則相對(duì)均衡。與花生、油菜作物相比,大豆的灌溉用水量和機(jī)械化水平更高,因此導(dǎo)致其相應(yīng)來(lái)源溫室氣體排放量較高。

表5 油料作物生產(chǎn)不同排放源的溫室氣體排放量Table 5 GHG emissions from different sources of oil crop production kg(CO2 eq)?hm-2

4.3 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)能源利用優(yōu)化與溫室氣體減排

由圖3 可以看出,油菜DMU 有效數(shù)量為11 個(gè),大豆和花生DMU 有效數(shù)量均為10 個(gè),其余效率值小于1.0 的DMU 能源使用相對(duì)低效。如果這些DMU 能夠有效執(zhí)行,利用85%左右的能源實(shí)現(xiàn)相同的生產(chǎn)水平,油菜、大豆和花生可分別節(jié)省11.97%、16.38%和15.89%的資源。

圖3 中國(guó)油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)能效指標(biāo)值Fig.3 Energy efficiency indicators value of oil crop production system in China

在識(shí)別出高效和低效的DMU 后,還需要進(jìn)一步分析各省份油料作物能源高效利用后的能源節(jié)約情況。表6 表明,甘肅和陜西的油菜種植、山西和陜西的大豆種植以及河北和河南的花生種植能源節(jié)約潛力較大,分別為6111.46 MJ?hm-2、5124.73 MJ?hm-2、7923.32 MJ?hm-2、7824.56 MJ?hm-2、13 157.21 MJ?hm-2和9625.63 MJ?hm-2。具體到某一生產(chǎn)投入方面,不同油料作物不同種植地區(qū)能源節(jié)約方向各有其特點(diǎn),因此需要根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況采取適宜有效的應(yīng)對(duì)措施。

表6 油料作物種植低效省份的能源節(jié)約Table 6 Energy saving in provinces where oil crops are planted inefficiently MJ?hm-2

通過(guò)以上省份能源的優(yōu)化利用,不同油料作物低效省份每公頃可減少的溫室氣體排放量如表7 所示。3 種油料作物不同省份溫室氣體減排潛力呈現(xiàn)與能源節(jié)約相似的特點(diǎn)。化肥溫室氣體減排潛力最大,其次是電力和柴油;具體到各省份,每公頃油料作物溫室氣體減排量范圍為20.60～616.32 kg(CO2eq),其中油菜、大豆、花生種植省份減排潛力最大的地區(qū)分別為陜西、陜西和河北,約占原排放量的53.00%、92.69%和48.54%。其中,導(dǎo)致陜西溫室氣體減排比例如此高的原因主要有以下兩點(diǎn): 一是受基準(zhǔn)省份電力消耗情況影響,本研究測(cè)算陜西省電力節(jié)能潛力也較大,存在一定誤差。二是陜西大豆單位面積產(chǎn)量相對(duì)較低,僅略高于內(nèi)蒙古和四川,而化肥能源消耗卻排名第二,僅次于單產(chǎn)能力最高的河北,因此陜西化肥施用過(guò)量或施肥結(jié)構(gòu)不合理問(wèn)題明顯導(dǎo)致了其化肥能源節(jié)約及溫室氣體減排潛力巨大。

表7 能源節(jié)約省份溫室氣體減排潛力Table 7 GHG emission reduction potential in energy-saving provinces

5 討論

5.1 油料作物能源利用效率分析

我國(guó)油菜、大豆、花生的能源利用效率(*表示僅考慮主產(chǎn)品能源輸出)分別為13.05 (5.21*)、10.46(4.26*)和16.94 (7.00*),明顯高于土耳其[32]油菜(4.68*),伊朗北部[13]大豆4.6 (2.4*)和油菜6.8 (3.8*)。油菜、大豆、花生的全國(guó)平均能源生產(chǎn)率分別為0.80 (0.25*) kg?MJ-1、0.67 (0.26*) kg?MJ-1和 0.61(0.25*) kg?MJ-1。國(guó)外學(xué)者研究結(jié)果顯示,伊朗北部油菜和大豆能源生產(chǎn)率分別為0.31 (0.1*) kg?MJ-1和0.22 (0.14*) kg?MJ-1[13]、阿根廷大豆能源生產(chǎn)率為0.887 kg?MJ-1[14]。造成不同國(guó)家區(qū)域間上述差異的原因,初步分析主要是以下3 點(diǎn): 一是客觀上不同國(guó)家、區(qū)域油料作物種植規(guī)模、基礎(chǔ)設(shè)施情況以及農(nóng)事操作差異等影響系統(tǒng)能流過(guò)程,造成能源輸入和產(chǎn)出的差異。二是從研究尺度看,本研究以省域?yàn)閱卧@取相關(guān)數(shù)據(jù),能流分析僅考慮了關(guān)鍵要素投入,國(guó)外相關(guān)研究多基于農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)戶(hù)尺度進(jìn)行系統(tǒng)能流分析和數(shù)據(jù)采集,要素考慮相對(duì)全面,得出的單位面積系統(tǒng)能源輸入量較大。但也存在特殊情況,例如阿根廷大豆種植由于以免耕為主,柴油能源輸入較低,其系統(tǒng)總能源輸入僅為2.77 GJ?hm-2,約為中國(guó)的1/3,伊朗北部地區(qū)的1/10。三是能量當(dāng)量系數(shù)不統(tǒng)一,導(dǎo)致數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。

5.2 油料作物能源利用效率區(qū)域差異分析

3 種油料作物單位能源消耗的系統(tǒng)產(chǎn)出能力相差不大,但能源利用效率差異明顯,呈現(xiàn)花生>油菜>大豆的特點(diǎn)。對(duì)于能源利用效率較高的省份,或是系統(tǒng)整體能源輸入較低,或是能源輸入相對(duì)較高的同時(shí)產(chǎn)出水平也得到了很大提升。能源利用效率相對(duì)較低的省份低效的原因,大概可以分為以下3 種類(lèi)型: 一是粗放生產(chǎn)型,農(nóng)民對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不太重視,化肥、機(jī)械和柴油等能源消耗低,但同時(shí)物質(zhì)輸入(作物產(chǎn)量)更低,例如內(nèi)蒙古油菜、陜西大豆等,這些地方的政府必須尋求更多的激勵(lì)措施,鼓勵(lì)農(nóng)民參與提高整體能源效率。二是過(guò)度能源投入型,這些地區(qū)往往盲目追求高能源投入帶來(lái)的高產(chǎn)出,出現(xiàn)了化肥、種子等的過(guò)量投入或大水漫灌等資源過(guò)度使用,導(dǎo)致能源利用低效,例如甘肅的油菜、河北的大豆和花生等,這些地方的政府可以邀請(qǐng)農(nóng)業(yè)專(zhuān)家培訓(xùn)農(nóng)民,提高農(nóng)民農(nóng)業(yè)技術(shù)水平,從而達(dá)到提高能源效率的目的。三是技術(shù)提升型,隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提升,一些地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械廣泛使用,節(jié)約人力能源投入,但相應(yīng)的柴油消耗也更多,從而影響能源利用效率,例如,湖南油菜、內(nèi)蒙古大豆、吉林花生等,這些地方可以通過(guò)探索油料作物機(jī)械化種植的最佳規(guī)模效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能源消耗的降低。此外,從國(guó)家角度推動(dòng)構(gòu)建新能源占比不斷提高的新型電力系統(tǒng),使用更多的可再生能源,如風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能和水力發(fā)電,支持農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新,提高農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)效率,或改燃油動(dòng)力系統(tǒng)為電力、太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng),對(duì)于我國(guó)整體農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)能源利用效率提升和清潔綠色可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。

5.3 油料作物生產(chǎn)系統(tǒng)能源利用優(yōu)化分析

根據(jù)油料作物種植低效省份能源節(jié)約方向和數(shù)量(表6)可知,化肥過(guò)量使用是能源低效利用省份普遍存在的問(wèn)題,造成該問(wèn)題的原因與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民長(zhǎng)期固化形成的不合理的施肥習(xí)慣,如“多施肥、施復(fù)合肥”觀念,以及憑經(jīng)驗(yàn)施肥,缺乏科學(xué)施肥認(rèn)識(shí)與指導(dǎo)密不可分。過(guò)量施用化肥不僅增加種地成本,降低收入,還將導(dǎo)致土壤、水體、大氣等環(huán)境污染,造成天然氣、煤和磷礦石等大量戰(zhàn)略資源的浪費(fèi)。因此,對(duì)于能源利用低效地區(qū)應(yīng)積極引導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施用氮肥、磷肥和復(fù)合肥,推廣測(cè)土配方施肥,加大新型肥料的推廣力度,多措并舉推動(dòng)化肥“減量”使用。此外,在最佳需求下,甘肅、陜西、云南油菜種植以及湖北、山西、陜西大豆種植的柴油節(jié)能潛力均較大,采用保護(hù)性耕作制度,減少土地準(zhǔn)備所需的柴油消耗和機(jī)械使用,以及合理配置機(jī)械化服務(wù)范圍半徑,充分發(fā)揮機(jī)械作業(yè)規(guī)模效率,實(shí)現(xiàn)減少能源消耗的目的。油料作物種植電力能源消耗主要來(lái)源于灌溉用電,受基準(zhǔn)省份電力消耗情況影響,本研究測(cè)算各省份電力節(jié)能潛力較大,未必符合實(shí)際情況或具備可操作性,但值得關(guān)注的是,改變傳統(tǒng)大水漫灌模式,使用節(jié)水灌溉技術(shù)或探索利用太陽(yáng)能抽水,對(duì)這些地區(qū)減少能源消耗將是非常有意義的探索。

5.4 研究局限性

本研究從全國(guó)尺度對(duì)油料作物能源利用效率和溫室氣體排放進(jìn)行了測(cè)算,分析了不同省份能源高效和低效利用的原因,探究了各省節(jié)能減排的可能性與潛力,并提出若干緩解措施,為政策制定者結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際制定更合適的油料作物發(fā)展戰(zhàn)略,采取更可行的措施提供了基礎(chǔ)和支撐。然而,本研究仍存在一些局限性,應(yīng)在未來(lái)的研究中加以改進(jìn)。首先,模型的局限性,以省域?yàn)檠芯繂卧?考慮數(shù)據(jù)的可獲取性,系統(tǒng)能流分析僅關(guān)注了重要能源輸入,未將除草劑、農(nóng)藥、農(nóng)家肥等納入測(cè)算,造成能源輸入考慮不夠全面;其次,研究尺度較大,為各省政策制定提供了方向,但若將市域或縣域作為研究的決策單元,本文得出的相對(duì)高效省份內(nèi)部也會(huì)存在決策單元(市域或縣域) <1 的低效單元,而作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)真正的實(shí)施主體一般為農(nóng)戶(hù)、農(nóng)場(chǎng)或合作社等,探究其節(jié)能減排的潛力更具有操作意義;再次,本研究?jī)H選擇了2020 年進(jìn)行測(cè)算分析,缺乏時(shí)序變化上的進(jìn)一步研究,未能完整呈現(xiàn)我國(guó)油料作物能源利用與溫室氣體排放的多年變化態(tài)勢(shì),針對(duì)以上局限性,將在以后的研究中進(jìn)行探索與改進(jìn)。

6 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,3 種油料作物單位能源消耗的系統(tǒng)產(chǎn)出能力相差不大,但能源利用效率、能源消耗方式以及不同區(qū)域間各類(lèi)能源輸入貢獻(xiàn)差異明顯。對(duì)于能源利用效率較高的省份,主要呈現(xiàn)兩種狀態(tài)形式: 一種是系統(tǒng)整體能源輸入較低,另一種則表現(xiàn)為系統(tǒng)能源輸入相對(duì)較高的同時(shí)產(chǎn)出水平也較高;對(duì)于能源利用效率較低的省份,則主要表現(xiàn)為3 種類(lèi)型: 粗放生產(chǎn)型、過(guò)度能源投入型和技術(shù)提升型。油菜、大豆、花生低效省份能源利用優(yōu)化后,分別可節(jié)約11.97%、16.38%和15.89%的資源,實(shí)現(xiàn)20.60～616.32 kg(CO2eq)?hm-2的溫室氣體減排。綜上,我國(guó)油料作物生產(chǎn)仍存在較大的能源利用優(yōu)化空間以及溫室氣體減排潛力,可通過(guò)推廣測(cè)土配方施肥和使用新型肥料,采用保護(hù)性耕作制度,減少土地準(zhǔn)備機(jī)械使用的柴油消耗,提高機(jī)械作業(yè)的規(guī)模效率,使用節(jié)水灌溉技術(shù)或探索利用太陽(yáng)能抽水等一系列措施實(shí)現(xiàn)油料作物更加高效、綠色、清潔的生產(chǎn)。