典型農(nóng)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)碳排放測算及達(dá)峰研究：以湖南省東安縣為例

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(湖南工業(yè)大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，湖南 株洲，412007)

全球碳排放量的17%～32%來自農(nóng)業(yè)[1]。我國是農(nóng)業(yè)大國，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的農(nóng)區(qū)，尤其是湖南、江蘇等十多個省份是承載著糧食生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品保護(hù)功能的“典型農(nóng)區(qū)”，是我國農(nóng)業(yè)碳排放2030年達(dá)峰攻堅戰(zhàn)的主力軍[2]。農(nóng)業(yè)溫室氣體以非二氧化碳為主，農(nóng)業(yè)碳排放量增減變動的地區(qū)差異較大。但從我國整體來看，隨著綠色低碳發(fā)展，農(nóng)藥化肥施用量逐漸減少，畜禽糞便、秸稈和廢棄物綜合利用率穩(wěn)步提升，全國農(nóng)業(yè)碳排放于2015年開始逐步減少[3-4]，并且農(nóng)業(yè)碳排放與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟之間也存在著長期穩(wěn)定的環(huán)境庫茨涅茨曲線(EKC)關(guān)系[4]，一些典型農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)碳排放拐點出現(xiàn)在2010年到2016年之間[3]。當(dāng)前的研究主要著眼于國家、省城等宏觀區(qū)域尺度，而且集中在影響因素及減排措施等方面，對縣域以下尺度的農(nóng)業(yè)碳排放的研究較少。目前全國各地正在制訂碳達(dá)峰行動計劃，碳達(dá)峰的所有有效行動都將落實到基層單位，鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為基本的小尺度區(qū)域單元，必將在農(nóng)業(yè)碳排放實現(xiàn)達(dá)峰過程中起到關(guān)鍵作用。本文以湖南省東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為典型農(nóng)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的代表，通過分析其歷年農(nóng)業(yè)活動和化石能源消費水平數(shù)據(jù)，測算出其2012—2018年的農(nóng)業(yè)碳排放，探討鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放與農(nóng)業(yè)產(chǎn)值之間的關(guān)系，并研究東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放峰值到達(dá)時間，為農(nóng)區(qū)政府制訂碳排放達(dá)峰行動計劃提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

東安縣地處湖南省的西南部，下轄白牙市鎮(zhèn)、大廟口鎮(zhèn)(含大廟口林場)、紫溪市鎮(zhèn)、石期市鎮(zhèn)、橫塘鎮(zhèn)、水嶺鄉(xiāng)、井頭圩鎮(zhèn)、川巖鄉(xiāng)、端橋鋪鎮(zhèn)、鹿馬橋鎮(zhèn)(含黃泥洞林場)、蘆洪市鎮(zhèn)、新圩江鎮(zhèn)、花橋鎮(zhèn)、大盛鎮(zhèn)、南橋鎮(zhèn)等15個農(nóng)業(yè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，農(nóng)產(chǎn)品品種多、規(guī)模大，是我國重要的商品糧基地，也是我國的典型農(nóng)區(qū)。據(jù)2013—2019年的《東安統(tǒng)計年鑒》，全縣2018年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比2013年增長3.84%(本文農(nóng)業(yè)產(chǎn)值均以2010年的不變價表示)；2018年全縣化肥施用總量約7.06萬t(按實物量計算)，農(nóng)作物化肥平均每公頃施用量是國際公認(rèn)安全上限225 kg的3.24倍；2018年農(nóng)藥使用量為718 t，比2012年下降了1.65倍。

2 農(nóng)業(yè)碳排放核算方法、數(shù)據(jù)及其來源

采用全生命周期方法,從農(nóng)田、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、畜牧業(yè)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)化石能源消費等幾個方面測算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)每年的農(nóng)業(yè)碳排放量。由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)用地與其他類型土地之間的轉(zhuǎn)換較少而且缺乏數(shù)據(jù)，本文沒有考慮這部分排放。

2.1 農(nóng)田產(chǎn)生的排放

農(nóng)田排放包括稻田水稻種植產(chǎn)生的甲烷排放C11和氧化亞氮排放C12。

C11=∑Ei×Si×WCH4×103

(1)

C12=∑Fi×Di×WN2O×103

(2)

式(1)中：Ei為分類型稻田甲烷排放因子[5]；Si為對應(yīng)于該排放因子的水稻播種面積，hm2；下標(biāo)i表示稻田類型；WCH4=25為甲烷的全球變暖潛能值。式(2)中：Fi為分類型作物氧化亞氮排放因子[6]；Di為對應(yīng)于該排放因子的作物播種面積，hm2；下標(biāo)i表示其他作物類型；WN2O=310為氧化亞氮的全球變暖潛能值。

2.2 農(nóng)業(yè)活動引起的排放

農(nóng)業(yè)活動排放包括秸稈還田和糞肥、化肥使用所產(chǎn)生的直接排放和間接排放。由于缺乏鄉(xiāng)鎮(zhèn)糞肥方面的數(shù)據(jù)，而且這部分碳排放量占比小，因此本文沒有考慮糞肥排放。

2.2.1 秸稈還田和化肥施用引起的排放

秸稈還田氮N秸稈采用如下計算公式：

(3)

式中：Z表示作物籽粒產(chǎn)量;R,G,J分別表示經(jīng)濟系數(shù)、根冠比、根或秸稈含氮率，參數(shù)詳見文獻(xiàn)[5]；H表示秸稈還田率，主要農(nóng)作物的秸稈還田率見表1。

表1 主要農(nóng)作物參數(shù)

由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)沒有具體的氮肥數(shù)據(jù)，綜合考慮尿素、硫酸銨和硫酸氫銨含氮量，將氮肥含氮量取為45%，綜合考慮常用復(fù)合肥的含氮量，將復(fù)合肥含氮量取為17%。

化肥氮N化肥的估算公式：

N化肥=氮肥×45%+復(fù)合肥×17%

(4)

秸稈還田和化肥引起的氧化亞氮的二氧化碳當(dāng)量C21采用如下計算公式：

C21=(N秸稈+N化肥)×0.010 9×WN2O

(5)

式(5)中：省級溫室氣體清單編制指南推薦的氧化亞氮排放因子為0.010 9 kg N2O-N/ kg N輸入量。

2.2.2 大氣氮沉降引起的間接排放

大氣氮主要來源于農(nóng)用地氮輸入(化肥和秸稈還田)的NH3和NOX揮發(fā)，氮輸入的揮發(fā)率采用推薦值10%[5]，排放因子采用推薦值0.01[5]。此外，還有畜禽糞便的NH3和NOX揮發(fā)，由于這部分大氣氮數(shù)據(jù)缺失，本文沒有計算。

C22=(N秸稈+N化肥)×10%×0.01×WN2O

(6)

2.2.3 淋溶徑流引起的間接排放

農(nóng)田氮淋溶和徑流引起的氧化亞氮間接排放量C23采用式(7)計算。氮淋溶和徑流損失的氮量占農(nóng)用地總氮輸入量及排放因子分別采用推薦值20%和0.007 5[5]。

C23=(N秸稈+N化肥)×20%×0.007 5×WN2O

(7)

2.3 畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)生的排放

畜牧養(yǎng)殖主要包括肉牛、役用牛、奶牛、山羊、豬、馬、家禽、兔等的養(yǎng)殖，畜牧養(yǎng)殖的排放包括動物腸道發(fā)酵產(chǎn)生的CH4及其糞便管理產(chǎn)生的CH4和N2O。

2.3.1 動物腸道發(fā)酵產(chǎn)生的排放

動物腸道發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷排放的二氧化碳當(dāng)量計算公式如下：

C31=∑ECH4,i×Ai×WCH4×10-3

(8)

式中:ECH4,i為第i種動物的甲烷排放因子[5]；Ai為第i種動物的數(shù)量，頭/只。

2.3.2 動物糞便管理產(chǎn)生的排放

動物糞便管理產(chǎn)生的甲烷排放C32和氧化亞氮排放C33計算公式如下：

C32=∑FCH4,i×Ai×WCH4×10-3

(9)

C33=∑EN2O,i×Ai×WN2O×10-3

(10)

式中:FCH4,i為第i種動物糞便管理甲烷排放因子[5]；EN2O,i為第i種動物糞便管理氧化亞氮排放因子[5]。

公式(1)～(10)由文獻(xiàn)[5]整理得到。

2.4 農(nóng)業(yè)能源消費產(chǎn)生的排放

柴油使用產(chǎn)生的排放C41和化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜生產(chǎn)階段消費化石能源產(chǎn)生的排放C42計算公式如下：

C41=Gc×D×44/12

(11)

C42=(GF×a+GY×b+GM×c)×44/12

(12)

式(11)和(12)中：GC表示柴油使用量，t；D表示柴油所對應(yīng)的碳排放系數(shù)[7]；GF為化肥施用量，t，這里是按實物計算量；GY表示農(nóng)藥的使用量，t；GM表示農(nóng)用塑料薄膜使用量，t；a，b與c分別表示化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜所對應(yīng)的碳排放系數(shù)[7]。

農(nóng)業(yè)灌溉過程消費電力及其他化石能源產(chǎn)生的排放C43計算公式如下：

C43=li×t×44/12

(13)

式中：li為灌溉面積，hm2;t=266.48 kg C·hm-2，為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

公式(11)～(13)來源于文獻(xiàn)[7]。

2.5 其他數(shù)據(jù)及其來源

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)歷年的各種農(nóng)作物的播種面積和產(chǎn)量，牲畜、家禽等產(chǎn)品的存欄情況以及人口和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值均來自歷年《東安統(tǒng)計年鑒》?；?、農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件數(shù)據(jù)都是根據(jù)歷年《東安統(tǒng)計年鑒》整理得到。

2.6 實際碳排放總量

根據(jù)2012—2018年東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田、農(nóng)業(yè)活動、畜牧業(yè)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)能源消費等4方面的活動數(shù)據(jù)，按照公式C=C11+C12+C21+C22+C23+C31+C32+C33+C41+C42+C43計算得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)實際碳排放總量C。

3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放達(dá)峰分析

基于對2012—2018年東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放的測算，下面進(jìn)一步探討鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放隨農(nóng)業(yè)發(fā)展而變化的規(guī)律，并對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)碳排放達(dá)峰進(jìn)行深入分析。

3.1 農(nóng)業(yè)碳排放與農(nóng)業(yè)產(chǎn)值關(guān)系模型

目前國內(nèi)多采用EKC模型解釋碳排放和經(jīng)濟產(chǎn)出之間的變化關(guān)系[8]：

(14)

式中：Cit和Yit分別為區(qū)域i在t年的碳排放和經(jīng)濟產(chǎn)出；μit為隨機擾動項。

3.1.1 穩(wěn)健性檢驗

采用EViews 9.0軟件對2012—2018年東安縣15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放總量(T)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值(V)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的平方(V2)的面板數(shù)據(jù)分別進(jìn)行Levin, Lin & Chu的t統(tǒng)計量檢驗，并對單個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的相應(yīng)變量時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行ADF-Fisher和PPFisher的χ2檢驗，檢驗結(jié)果表明，在0.000 5的顯著性水平上，面板數(shù)據(jù)和單個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的T，V和V2數(shù)據(jù)的一階差分都不存在單位根；進(jìn)一步的面板數(shù)據(jù)協(xié)整檢驗也表明，在0.000 1的水平上，T，V和V2是協(xié)整的，說明數(shù)據(jù)具有穩(wěn)健性。

3.1.2 變量之間的因果關(guān)系檢驗

使用EViews 9.0軟件，對T，V和V2之間的Granger因果關(guān)系進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果表明在0.001的顯著性水平上，T，V和V2相互之間具有因果關(guān)系。

3.1.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放庫茲涅茨曲線的存在性驗證

由于東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在資源稟賦上的差異，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)碳排放也存在著結(jié)構(gòu)上的差異。因此，在模型(14)中加入固定效應(yīng)，驗證東安縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)碳排放的長期均衡關(guān)系：

(15)

利用前文所得的樣本數(shù)據(jù)，采用EViews 9.0軟件進(jìn)行回歸分析，回歸結(jié)果如下：

(16)

3.2 基準(zhǔn)情景下鄉(xiāng)鎮(zhèn)碳排放達(dá)峰分析

從EKC模型(16)得到東安縣農(nóng)業(yè)碳排放與農(nóng)業(yè)產(chǎn)值之間存在長期穩(wěn)定的倒U型關(guān)系，平均說來，鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放拐點所對應(yīng)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值為1.98億元，在這一拐點后，鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放量將隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的上升而下降。

利用灰色預(yù)測模型GM(1,1)對農(nóng)業(yè)碳排放量進(jìn)行預(yù)測，對數(shù)據(jù)資料要求較低，能夠分析預(yù)測樣本量小和信息貧乏的不確定性系統(tǒng)的未來發(fā)展變化趨勢。本文采用GM(1,1)模型探討東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)未來的變化發(fā)展趨勢，基于東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2015—2018年的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，通過MATLAB軟件求解GM模型，對東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2019—2045年的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值進(jìn)行預(yù)測。從GM模型的檢驗結(jié)果來看，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均相對誤差小于1.5%、后驗差比值C小于0.4、小誤差概率P值均為1，模擬預(yù)測精度較好。

根據(jù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值預(yù)測結(jié)果并結(jié)合模型(16)，得到東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放隨時間而變化的發(fā)展趨勢(見圖1～3)。由圖1～3可知：除了蘆洪市鎮(zhèn)、南橋鎮(zhèn)的碳排放在2030年前不能到達(dá)峰值外，其余13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放在2030年前已經(jīng)到達(dá)峰值。

圖1 東安縣5個高碳排放鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放變化發(fā)展趨勢Fig.1 Trends of agricultural carbon emissions in 5 high-carbon townships

圖2 東安縣5個中碳排放鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放變化發(fā)展趨勢Fig.2 Trends of agricultural carbon emissions in 5 moderate emission townships

圖3 東安縣5個低碳排放鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放變化發(fā)展趨勢Fig.3 Trends of agricultural carbon emissions in 5 low-carbon townships

3.3 未達(dá)峰鄉(xiāng)鎮(zhèn)的碳排放2030年達(dá)峰方案

針對碳排放不能在2030年前完成達(dá)峰排放的鄉(xiāng)鎮(zhèn)提兩種方案。

方案一：加快農(nóng)業(yè)發(fā)展速度

根據(jù)東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)，通過計算蘆洪市鎮(zhèn)、南橋鎮(zhèn)與東安縣全縣總體的人均碳排放、人均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、畝均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值3個指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以得出，2012—2018年蘆洪市鎮(zhèn)和南橋鎮(zhèn)的3個指標(biāo)每年都遠(yuǎn)低于全縣平均水平。因此，與其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)相比，蘆洪市鎮(zhèn)和南橋鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)發(fā)展速度還有很大的提升空間。從蘆洪市鎮(zhèn)和南橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值每年比上一年的增長情況來看，蘆洪市鎮(zhèn)2015年比2014年增長4.36%，2016年比2015年增長10.3%。南橋鎮(zhèn)2016年比2015年增長3.81%，2017年比2016年增長5.02%。因此，本文設(shè)定3種情景討論未達(dá)峰鄉(xiāng)鎮(zhèn)的碳排放達(dá)峰時間。

基準(zhǔn)情景是農(nóng)業(yè)按照2015—2018年的模式發(fā)展，情景1和情景2分別假設(shè)了2019—2045年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的年均增長率見表2。

表2 農(nóng)業(yè)產(chǎn)值年平均增長率(%)的情景設(shè)定

根據(jù)情景設(shè)定的數(shù)值，利用公式 (16)進(jìn)行計算的結(jié)果表明：3種情景下，如果蘆洪市鎮(zhèn)和南橋鎮(zhèn)能夠提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，年均增長率提高約2.46個百分點，則都可以在2030年實現(xiàn)碳排放達(dá)峰目標(biāo)。如果農(nóng)業(yè)發(fā)展速度進(jìn)一步加快，則碳排放達(dá)峰目標(biāo)可以在2030年以前實現(xiàn)。

方案二：實施綠色低碳發(fā)展，降低碳排放峰值

蘆洪市鎮(zhèn)和南橋鎮(zhèn)2012—2018年每年農(nóng)作物平均每公頃化肥施用量是國際公認(rèn)安全上限225 kg的3倍多，而且2018年比2012年增長了3.13%，化肥生產(chǎn)和施用所產(chǎn)生的碳排放量在農(nóng)業(yè)碳排放總量中的占比較高。因此，蘆洪市鎮(zhèn)和南橋鎮(zhèn)實施綠色低碳發(fā)展關(guān)鍵是減少化肥施用量。2019年蘆洪市鎮(zhèn)和南橋鎮(zhèn)開始按照國家《到2020年化肥使用量零增長行動方案》實現(xiàn)化肥使用量零增長，這兩鎮(zhèn)的碳排放峰值都分別提前到2019年和2026年達(dá)標(biāo)，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳排放在2030年以前達(dá)峰排放的目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文以東安縣所轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)為例，測算了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2012—2018年每年的碳排放數(shù)據(jù)。通過對15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)2012—2018年的面板數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明了鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放存在長期穩(wěn)定的均衡關(guān)系，建立了固定效應(yīng)變截距的EKC模型，借助EKC模型分析了各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放拐點到達(dá)時的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。根據(jù)東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2012—2018年的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，通過灰色預(yù)測模型對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2019—2045年的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合EKC模型，得到了東安縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放隨時間變化的發(fā)展趨勢。

1)東安縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放存在長期穩(wěn)定的倒U型關(guān)系，平均來說，東安縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)碳排放在農(nóng)業(yè)產(chǎn)值為1.98億元時將到達(dá)拐點。雖然各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自發(fā)碳排放峰值各不相同，但86.7%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的碳排放能夠在2030年以前達(dá)到峰值。

2)按照2015年以來的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式來看，東安縣農(nóng)業(yè)碳排放未實現(xiàn)達(dá)峰的蘆洪市鎮(zhèn)和南橋鎮(zhèn)，可以通過加快農(nóng)業(yè)發(fā)展速度、實施低碳發(fā)展戰(zhàn)略減少化肥施用量等途徑，在2030年以前使碳排放到達(dá)拐點，實現(xiàn)達(dá)峰目標(biāo)。

根據(jù)以上結(jié)論，本文得出以下幾點政策啟示：

1)現(xiàn)階段東安縣農(nóng)業(yè)碳排放整體呈現(xiàn)下降趨勢，但是仍有鄉(xiāng)鎮(zhèn)面臨無法在2030年前實現(xiàn)碳排放達(dá)峰的局面。因此，應(yīng)切實落實國家《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，大力減少不合理化肥投入，降低化肥施用量，增加有機肥資源利用。政府也應(yīng)加強管理，推廣配方肥、增施有機肥、恢復(fù)發(fā)展冬閑田綠肥等。

2)增加農(nóng)業(yè)科技投入，大力研發(fā)、推廣綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)。一是加強技術(shù)研發(fā)，重點開展農(nóng)作物高產(chǎn)高效施肥技術(shù)研究。二是推動肥料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快示范推廣高效新型肥料，不斷提高肥料利用率。三是推進(jìn)科學(xué)施肥，按照土壤養(yǎng)分狀況和作物需肥規(guī)律，分區(qū)域、分作物制定科學(xué)施肥指導(dǎo)手冊。

3)立足于未達(dá)峰鄉(xiāng)鎮(zhèn)的資源條件，充分調(diào)動農(nóng)民的主動性、積極性，因地制宜地加快農(nóng)業(yè)發(fā)展。