水稻碳足跡評(píng)估方法研究及碳足跡計(jì)算器開(kāi)發(fā)

劉曉珂，黃紅星*，韓威威

(1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與農(nóng)村發(fā)展研究所，廣東 廣州 510640；2.農(nóng)業(yè)部 華南都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)

氣候變化是當(dāng)前人類(lèi)社會(huì)面臨最為嚴(yán)峻的全球環(huán)境問(wèn)題之一。隨著全球氣候變暖趨勢(shì)的不斷加劇，其根源之一——溫室氣體(Greenhouse Gases，GHG)排放引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。為了緩解氣候變化，減少GHG排放，推廣低碳排放技術(shù)，自2008年起，一些國(guó)家不約而同地推出碳市場(chǎng)機(jī)制，將商品在生產(chǎn)過(guò)程中的溫室氣體排放量以“碳標(biāo)簽”標(biāo)示出來(lái)，一方面促進(jìn)消費(fèi)者低碳消費(fèi)，另一方面也是應(yīng)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家利用碳排放設(shè)置貿(mào)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(yīng)鏈的必需條件，部分企業(yè)要求供應(yīng)商必須提供碳標(biāo)簽。中國(guó)是進(jìn)出口大國(guó)，產(chǎn)品進(jìn)出口在國(guó)際貿(mào)易中占有相當(dāng)份額，因此，開(kāi)展產(chǎn)品碳足跡研究對(duì)以后應(yīng)對(duì)“低碳”貿(mào)易壁壘有重要意義。

碳標(biāo)簽制定的前提是獲取商品生產(chǎn)過(guò)程中的全部溫室氣體排放，目前一般采用“碳足跡”來(lái)定量評(píng)估?！疤甲阚E”是指企業(yè)機(jī)構(gòu)、活動(dòng)、產(chǎn)品或個(gè)人通過(guò)交通運(yùn)輸、食品生產(chǎn)和消費(fèi)以及生產(chǎn)過(guò)程等引起的溫室氣體排放的總和，用二氧化碳當(dāng)量來(lái)表示[2]。農(nóng)業(yè)作為與自然環(huán)境關(guān)系最為密切的產(chǎn)業(yè)，農(nóng)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(guó)最重要的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)研究表明，2014年中國(guó)(不包括臺(tái)灣省)農(nóng)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(chǎn)全過(guò)程包括從播種到收獲、貯存、包裝、銷(xiāo)售都涉及碳排放。Gian等[4]應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)，評(píng)估了稻米從稻田生產(chǎn)到市場(chǎng)銷(xiāo)售整個(gè)產(chǎn)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(gè)有效工具。邱麗等[5]以黑龍江水稻供應(yīng)鏈為例，分析了水稻供應(yīng)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(píng)價(jià)法對(duì)上海市水稻種植進(jìn)行了碳足跡評(píng)估?？梢?jiàn)目前國(guó)內(nèi)外的水稻碳足跡研究多集中于水稻種植過(guò)程中的碳排放或水稻生產(chǎn)全產(chǎn)業(yè)鏈的碳足跡評(píng)估，鮮有利用信息化工具對(duì)水稻生產(chǎn)加工過(guò)程碳足跡核算的研究報(bào)道。

因此，本文基于LCA方法建立了一套適用于水稻生產(chǎn)加工過(guò)程的碳足跡評(píng)價(jià)模型，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一款碳足跡計(jì)算器，以方便評(píng)估水稻生產(chǎn)加工過(guò)程的碳排放水平，推進(jìn)水稻市場(chǎng)碳標(biāo)簽的實(shí)施，提高我國(guó)稻米的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也有助于指導(dǎo)政府部門(mén)有效地開(kāi)展低碳減排工作。

1 評(píng)價(jià)方法的研究

1.1 評(píng)價(jià)方法的選擇

目前，產(chǎn)品碳足跡標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最廣的有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14067和英國(guó)的PAS 2050技術(shù)規(guī)范。作為產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)的國(guó)際通行標(biāo)準(zhǔn)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一脈相承，在產(chǎn)品碳足跡量化技術(shù)上基本保持一致，但I(xiàn)SO 14067標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)全球范圍的碳足跡數(shù)據(jù)的比較[7]。為便于與國(guó)際接軌，本研究參照ISO 14067標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)對(duì)水稻生產(chǎn)的碳足跡進(jìn)行計(jì)算。LCA評(píng)價(jià)是指一個(gè)產(chǎn)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(píng)價(jià)，它是評(píng)估產(chǎn)品整個(gè)生命周期中，從原材料采集、產(chǎn)品生產(chǎn)、加工以及產(chǎn)品使用后的處理對(duì)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?zāi)埂币暯堑霓r(nóng)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(gè)生命周期中溫室氣體的排放，包括稻谷種植、運(yùn)輸、加工等過(guò)程中的溫室氣體排放，即水稻從種植到大米成品整個(gè)過(guò)程中的溫室氣體排放(圖1)。鑒于本文主要探討水稻碳標(biāo)簽的研究尺度，產(chǎn)品運(yùn)輸銷(xiāo)售及產(chǎn)品的最終回收利用不包括在內(nèi)。

2 水稻碳足跡的計(jì)算方法

2.1 種植過(guò)程

在本研究中，水稻種植過(guò)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(chǎn)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(chǎn)農(nóng)藥、化肥等和灌溉能耗產(chǎn)生的碳排。根據(jù)ISO 14067標(biāo)準(zhǔn)，土壤中碳變化不在本研究的范圍內(nèi)。

(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(dāng)量，S表示農(nóng)戶(hù)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(yīng)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(jī)添加物的持續(xù)性灌水稻田的基準(zhǔn)排放因子，以水稻種植前180 d內(nèi)未灌水的田地以及種植期內(nèi)無(wú)有機(jī)添加物的連續(xù)水灌田的基準(zhǔn)排放因子作為起點(diǎn)，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(nèi)不灌水、季前超過(guò)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(jī)添加物類(lèi)型和數(shù)量變化的換算系數(shù)：

(3)

式(3)中Rn為第n種有機(jī)添加物的使用比例；Cn為第n種有機(jī)添加物的轉(zhuǎn)化系數(shù)，有機(jī)添加物的類(lèi)型有種植前不久秸稈還田、種植前很久秸稈還田、堆肥、農(nóng)場(chǎng)施肥、綠肥，其轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為1.00、0.29、0.05、0.14、0.50。

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

圖1 水稻供應(yīng)鏈及碳足跡邊界界定

(2)氮肥施用導(dǎo)致的N2O排放量的計(jì)算公式為：

(4)

其中，CF2為氮肥施用所產(chǎn)生的N2O排放的碳當(dāng)量；FN表示水稻生產(chǎn)過(guò)程中氮肥的使用量(折純量)；δN表示氮肥施用引起的農(nóng)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(yīng)值[8]。

(3)農(nóng)業(yè)投入造成的間接溫室氣體排放量計(jì)算公式為：

(5)

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

表1 農(nóng)用物資投入主要碳源及碳排放系數(shù)

(4)秸稈焚燒過(guò)程中釋放的溫室氣體計(jì)算公式為：

(6)

其中，CF4為秸稈焚燒過(guò)程中溫室氣體排放量；P表示秸稈資源量，δj為單位質(zhì)量的水稻秸稈燃燒產(chǎn)生的j種溫室氣體的排放因子。秸稈焚燒產(chǎn)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(yùn)輸過(guò)程

運(yùn)輸過(guò)程中溫室氣體排放主要指稻谷運(yùn)輸至大米加工廠的過(guò)程中釋放的溫室氣體。運(yùn)輸過(guò)程中釋放的溫室氣體計(jì)算公式為：

CF5=∑∑N·L·Mm·λi

(7)

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

表2 不同的運(yùn)輸方式溫室氣體排放因子[10]g/(t·km)

2.3 加工過(guò)程

加工過(guò)程中釋放的溫室氣體計(jì)算公式為：

(8)

其中，CF5為稻谷加工過(guò)程中的溫室氣體排放量；Wk表示k過(guò)程中的機(jī)械耗電量；β為電力碳排放因子，電力消耗的CO2當(dāng)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(shè)計(jì)水稻碳足跡計(jì)算模型為：

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

(9)

3 碳足跡計(jì)算器的研發(fā)

研究開(kāi)發(fā)了水稻碳足跡計(jì)算器，該計(jì)算器向用戶(hù)提供了水稻生產(chǎn)過(guò)程碳排放量的評(píng)估服務(wù)功能，主要包括：數(shù)據(jù)管理模塊、水稻碳排放計(jì)算器模塊、綜合管理模塊等。其中，水稻碳排放計(jì)算器是依據(jù)水稻碳足跡計(jì)算方法建立起來(lái)的面向公共服務(wù)的Web門(mén)戶(hù)程序，主要技術(shù)特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。

3.1 基于J2EE的MVC架構(gòu)模式

在水稻碳足跡計(jì)算器平臺(tái)架構(gòu)中(圖2)，采用MVC架構(gòu)模式將軟件平臺(tái)分成5個(gè)層次，在門(mén)戶(hù)層定義水稻碳排放計(jì)算器模塊，這是通過(guò)客戶(hù)端與最終用戶(hù)對(duì)接的層次。通過(guò)接收用戶(hù)的指令或者數(shù)據(jù)輸入，提交給服務(wù)層做運(yùn)算處理，同時(shí)負(fù)責(zé)將服務(wù)層的處理結(jié)果反饋給用戶(hù)。由于門(mén)戶(hù)層不處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯，服務(wù)層不處理復(fù)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(wèn)題，進(jìn)而提升水稻碳排放計(jì)算器模塊的拓展性。

3.2 采用HTML5標(biāo)準(zhǔn)

由W3C推薦出來(lái)的HTML5是趨于主流的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，研究采用了HTML5能夠賦予水稻碳排放計(jì)算器模塊的網(wǎng)頁(yè)更加豐富的標(biāo)簽、微數(shù)據(jù)與微格式等方面的支持，構(gòu)建的Web服務(wù)程序擁有更短的啟動(dòng)時(shí)間，更快的聯(lián)網(wǎng)速度。構(gòu)建的HTML5數(shù)據(jù)與應(yīng)用接入開(kāi)放接口，使外部應(yīng)用可以從客戶(hù)端與內(nèi)部的數(shù)據(jù)直接相連，前后臺(tái)數(shù)據(jù)即時(shí)更新，提高可用性和改進(jìn)用戶(hù)使用體驗(yàn)?？蛻?hù)端只要一個(gè)簡(jiǎn)單的瀏覽器引擎就可以支持多設(shè)備、跨平臺(tái)運(yùn)行，應(yīng)用非常輕量級(jí)，傳播速度很快。

3.3 應(yīng)用jQuery運(yùn)算邏輯控制

依據(jù)水稻碳足跡計(jì)算方法，水稻碳排放計(jì)算器要在不同條件下進(jìn)行因子系數(shù)的分類(lèi)組合計(jì)算，如圖3所示，本研究應(yīng)用輕量級(jí)js庫(kù)jQuery進(jìn)行Web程序的AJAX交互，使HTML頁(yè)面保持代碼和HTML內(nèi)容分離，以實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的快速局部更新。在傳統(tǒng)的編程過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)水稻碳排放計(jì)算器中的功能按鈕處理程序需要鏈接到一個(gè)新的頁(yè)面，而在jQuery框架中，僅為水稻碳排放計(jì)算器的每一類(lèi)功能按鈕綁定一個(gè)click事件，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊某個(gè)按鈕時(shí)，就會(huì)觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的click事件來(lái)完成頁(yè)面數(shù)據(jù)更新。因此，即使用戶(hù)在水稻碳排放計(jì)算器中選擇幾乎所有的因子系數(shù)組合，也不需要訪問(wèn)服務(wù)器，從而大大簡(jiǎn)化水稻碳足跡的計(jì)算過(guò)程，并提高了服務(wù)器的計(jì)算效率。

圖2 水稻碳足跡計(jì)算器平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 水稻碳排放計(jì)算器界面設(shè)計(jì)

4 計(jì)算器應(yīng)用

以廣東省惠州市某大米生產(chǎn)企業(yè)為例，該企業(yè)自建水稻生產(chǎn)基地2000余hm2。以公司自有基地為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地調(diào)研和座談，了解該公司基地水稻的生產(chǎn)方式。據(jù)調(diào)查，公司生產(chǎn)的油粘米產(chǎn)品由位于汕尾市海豐縣基地生產(chǎn)，在惠州進(jìn)行加工，稻谷運(yùn)輸距離約138 km，采用中型卡車(chē)運(yùn)輸。油粘米種植期120 d，產(chǎn)量400 kg/667 m2。種植過(guò)程中，平均每667 m2農(nóng)藥使用量合計(jì)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(guò)程中晾曬為人工晾曬，不計(jì)碳排放，清洗、脫殼、碾米、分級(jí)、色選、拋光、包裝平均每噸耗電量為26.63 kW·h。

將相關(guān)數(shù)據(jù)和種植方式選項(xiàng)輸入計(jì)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(chǎn)階段碳排放量為309.03 g Ce，占全部碳排量的96.58%；運(yùn)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(jié)果中可以看出，生產(chǎn)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(diǎn)關(guān)注[12]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在水稻生產(chǎn)碳足跡評(píng)估模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，嘗試開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)便易行的水稻碳排放計(jì)算器，該計(jì)算器能夠快速計(jì)算出水稻產(chǎn)品的碳足跡，為推行產(chǎn)品碳標(biāo)簽的實(shí)施提供了一個(gè)便捷工具。另外，基于碳排放計(jì)算器，可以對(duì)水稻生產(chǎn)碳排放的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深度分析，發(fā)現(xiàn)水稻生產(chǎn)加工過(guò)程中碳排放的主要環(huán)節(jié)，為水稻生產(chǎn)的碳減排措施制定提供一定的數(shù)據(jù)參考。