江蘇省主要農(nóng)作物碳足跡動(dòng)態(tài)及其構(gòu)成研究

張傳紅 韓露 謝佳男 靳浩 劉翠英 樊建凌

0 引言

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化,國務(wù)院常務(wù)會(huì)議于2009年11月25日確定了到2020年全國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量要比2005年下降40%～45%的目標(biāo).到2019年,中國碳排放強(qiáng)度較2005年降低48.1%,非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)15.3%,提前一年完成我國對(duì)外承諾的2020年目標(biāo),成為世界上減排力度最大、減排貢獻(xiàn)最多的國家,碳減排成效顯著.2020年9月22日,習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話,指出“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,CO2排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”.這一重要宣示為我國應(yīng)對(duì)氣候變化、綠色低碳發(fā)展提供了方向指引、擘畫了宏偉藍(lán)圖,也標(biāo)志著我國對(duì)綠色發(fā)展提出了新的、更高的要求.在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的征程中,農(nóng)業(yè)的作用舉足輕重.IPCC第五次評(píng)估報(bào)告表明農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放占全球溫室氣體排放總量的24%[1],農(nóng)業(yè)甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)排放量分別占全球人為CH4和N2O排放量的52%和84%[2].與傳統(tǒng)碳排放行業(yè)有所不同,農(nóng)業(yè)本身具有碳源和碳匯雙重屬性,在未來減排工作中大有可為[3].

目前,農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著自然資源約束趨緊與氣候變暖雙重挑戰(zhàn),低碳農(nóng)業(yè)是未來發(fā)展的必然趨勢(shì).碳足跡作為一種以全面直觀視角評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的方法在多個(gè)行業(yè)具有廣泛應(yīng)用,其中生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)和投入產(chǎn)出法是計(jì)算碳足跡的常用方法[4].國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放和碳足跡問題開展了相關(guān)研究.Sanz-Cobena等[5]比較分析了不同管理措施下農(nóng)業(yè)溫室氣體排放潛力,結(jié)果表明節(jié)水灌溉配合氮肥優(yōu)化施用可減少50%的N2O排放，有機(jī)肥替代化肥不僅可以減少20%的N2O排放,還可以提高作物產(chǎn)量.近年來,國內(nèi)學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)碳足跡的研究日漸增多.Cheng等[6]運(yùn)用國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)估了我國1993—2007年間農(nóng)作物生長(zhǎng)的碳足跡,發(fā)現(xiàn)14年時(shí)間里我國農(nóng)作物生產(chǎn)碳排放量高達(dá)119.5 Mt,作物單位面積碳足跡為0.78±0.08 t(CO2-eq)·hm-2,單位產(chǎn)量碳足跡為0.11±0.01 t(CO2-eq)·kg-1.Yan等[7]以東部代表地區(qū)為研究對(duì)象,通過農(nóng)戶問卷調(diào)查方式核算了我國主要糧食作物的碳足跡,水稻、小麥及玉米三大糧食作物單位面積碳足跡分別為6.0±0.1、3.0±0.2和2.3±0.1 t(CO2-eq)·hm-2;單位產(chǎn)量碳足跡分別為0.8±0.02、0.66±0.03和0.33±0.02 kg(CO2-eq)·kg-1.然而,關(guān)于長(zhǎng)時(shí)序的農(nóng)業(yè)碳足跡動(dòng)態(tài)變化及其構(gòu)成評(píng)估的研究還很少.

本文采用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法構(gòu)建農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡評(píng)估模型,以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平位列全國第三的江蘇省為研究區(qū)域[8],選擇省內(nèi)種植面積和產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大的水稻、小麥、玉米、大豆和油菜5種作物開展研究.基于LCA構(gòu)建的碳足跡評(píng)價(jià)模型對(duì)江蘇省1990—2019年5種作物全生命周期過程中碳排放情況進(jìn)行分析.研究目的主要有:1)利用LCA法全面核算江蘇水稻、小麥、玉米、大豆和油菜5種作物生產(chǎn)的碳足跡及其構(gòu)成,精確識(shí)別作物生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)碳排放情況,以尋求減少江蘇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源消耗及產(chǎn)生環(huán)境影響的重要舉措;2)利用LCA方法計(jì)算江蘇省1990—2019年碳足跡時(shí)序動(dòng)態(tài)變化,針對(duì)國家出臺(tái)的強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)和節(jié)能減排措施,結(jié)合不同農(nóng)業(yè)政策以及管理措施的減排潛力,旨在為江蘇省主要作物生產(chǎn)體系全過程環(huán)境管理及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供決策依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

江蘇省地處我國大陸東部沿海地區(qū)(30°45′～35°08′N,116°21′～121°56′E),全省占地面積10.72萬km2.1990—2019年全省年均降水量為1 036.7(736.6～1 398.5)mm,屬于暖溫帶向亞熱帶的過渡性氣候.江蘇主要包括低山丘陵土壤、平原旱耕土壤和水田土壤三大類土壤資源共計(jì)9 224.1 km2[9],其中潮土面積最大,占總土壤面積的40.72%,水稻土次之,占總土壤面積的36.03%.潮土表層土壤有機(jī)質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10(5～15)g·kg-1,全氮平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1(0.6～5)g·kg-1;水稻土表層土壤有機(jī)質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18(15.2～28.4)g·kg-1,全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8(0.8～1.65)g·kg-1.

全省耕地面積由1990年的6 836.79×103hm2降低至2019年的4 205.40×103hm2[10].1990年江蘇全省糧食總產(chǎn)量為3 230.8萬t(占全國7.24%),2019年全省糧食總產(chǎn)達(dá)到3 706.2萬t(占全國5.58%);全省農(nóng)用化肥施用量由1990年的221.8萬t增加到2019年的286.2萬t;2019年全省主要作物綜合機(jī)械化率達(dá)86%,農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力由1990年的2 005萬kW上升到2019年的5 114萬kW[10].

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

近30年江蘇農(nóng)作物播種面積年均值為7 756×103hm2,其中水稻、小麥、玉米、大豆和油菜5種作物總播種面積年均值為5 543×103hm2,占農(nóng)作物總播種面積的71%,因此本文以水稻、小麥、玉米、大豆和油菜5種作物為研究對(duì)象探究其碳足跡時(shí)序動(dòng)態(tài)變化及構(gòu)成.作物農(nóng)資投入數(shù)據(jù)主要包括化肥、種子、農(nóng)藥、燃料、農(nóng)機(jī)具、灌溉耗電單位面積投入量,其中江蘇省化肥、種子單位面積用量來自《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》[11],農(nóng)藥、燃料和單位面積灌溉耗電量通過《全國農(nóng)產(chǎn)品成本資料收益匯編》[11]和《中國物價(jià)年鑒》[12]間接計(jì)算而來,作物單產(chǎn)由《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[10]播種面積和產(chǎn)量計(jì)算而來.農(nóng)機(jī)具相關(guān)參數(shù)引自農(nóng)機(jī)通網(wǎng)站(https:∥nongjitong.com/).水稻、小麥、玉米、大豆和油菜5種作物農(nóng)資投入排放因子數(shù)據(jù)主要來源于Ecoinvent數(shù)據(jù)庫[13]及相關(guān)參考文獻(xiàn)(表1).

表1 農(nóng)資投入碳排放因子Table 1 Greenhouse gas emission factors for agricultual inputs kg·kg-1

2.2 LCA分析

本文在Crop.LCA模型[15]的基礎(chǔ)上構(gòu)建江蘇省主要作物生產(chǎn)碳足跡模型,分別以1 kg作物產(chǎn)量和1 hm2作物播種面積為功能單位.系統(tǒng)邊界的界定從農(nóng)作物的播種到收割完成全過程,通過量化不同農(nóng)資(化肥、種子、農(nóng)藥、燃料、農(nóng)機(jī)具等)投入、農(nóng)事操作(耕作、播種、施肥、灌溉、收獲等)活動(dòng)溫室氣體排放情況,以尋求減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源消耗及產(chǎn)生環(huán)境影響的重要舉措.研究?jī)?nèi)容的系統(tǒng)邊界如圖1所示．

圖1 農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡系統(tǒng)邊界圖Fig.1 The system boundary for the carbon footprint of crops production

2.3 碳足跡計(jì)算

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中溫室氣體核算邊界包括直接排放和間接排放.直接排放包括耕地、播種、施肥等農(nóng)事作業(yè)過程中燃料消耗、灌溉耗電等溫室氣體排放,施用氮肥引起的農(nóng)田N2O排放和稻田甲烷排放.間接排放包括農(nóng)資投入品(化肥、種子、農(nóng)藥等)農(nóng)資生產(chǎn)、運(yùn)輸過程造成的溫室氣體排放,電力資源的獲取引起的溫室氣體排放.本研究采用Crop.LCA模型中碳足跡計(jì)算公式,其中土壤N2O排放和稻田CH4排放所需排放因子采用《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》[16]中江蘇所在區(qū)域的推薦值,模型中具體計(jì)算公式如下:

1)農(nóng)資投入溫室氣體排放:

(1)

式(1)中:Di是第i種農(nóng)資產(chǎn)品的投入量,單位為kg·hm-2或kWh·hm-2;EFi是第i種農(nóng)資產(chǎn)品的排放因子,單位為kg·kg-1或kg·GJ-1;FC,input是農(nóng)作物生產(chǎn)過程中農(nóng)資投入碳排放總和,單位為kg(CO2-eq)·hm-2.

2)農(nóng)用地N2O直接排放和間接排放:

a)氮肥施用導(dǎo)致N2O直接排放:

FDC,N2O=Ninput×F1×44/28,

(2)

式(2)中:FDC,N2O為氮肥施用引起的N2O排放量,單位為kg·hm-2;Ninput為農(nóng)田氮肥施用量，單位為kg·hm-2；F1為氮肥施用引起的N2O直接排放因子,單位為kg(N2O-N)·kg-1(N);44/28是N2O-N與N2O分子相對(duì)質(zhì)量之比.

b)大氣沉降與淋溶徑流引起的N2O間接排放:

FGC,N2O=Ninput×FG×F2×44/28,

(3)

FLC,N2O=Ninput×FL×F3×44/28,

(4)

式(3)中:FGC,N2O為大氣氮沉降引起的N2O間接排放量,單位為kg·hm-2;FLC,N2O為淋溶徑流引起的N2O間接排放,單位為kg·hm-2;FG為農(nóng)用地氨和NOx揮發(fā)率;FL為農(nóng)用地氮素淋溶和徑流率,采用《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》推薦值,分別取值為10%和20%;F2為氮沉降引起的N2O間接排放因子;F3為淋溶徑流引起的N2O間接排放因子.

c)農(nóng)用地N2O排放總量:

FC,N2O=(FDC,N2O+FGC,N2O+FLC,N2O)×298,

(5)

式(5)中:FC,N2O為N2O直接排放和間接排放引起的CO2排放當(dāng)量,單位為kg(CO2-eq)·hm-2;298是N2O于100年時(shí)間尺度的全球變暖潛勢(shì)值[17].

3)稻田CH4排放:

FC,CH4=FCH4×25,

(6)

式(6)中:FC,CH4為稻田CH4排放當(dāng)量,單位為kg(CO2-eq)·hm-2;FCH4為CH4排放因子,單位為kg(CH4)·hm-2·a-1;25為CH4于100年時(shí)間尺度中的全球變暖潛勢(shì)值[17].

4)單位面積和單位作物產(chǎn)量碳足跡計(jì)算:

FC,t=FC,input+FC,N2O+FC,CH4,

(7)

(8)

(9)

式(7)中:FC,t、FC,input、FC,N2O、FC,CH4分別是總的碳排放當(dāng)量、農(nóng)資投入碳排放當(dāng)量、氮肥施用碳排放當(dāng)量和稻田甲烷排放當(dāng)量,單位均為kg(CO2-eq)·hm-2.式(8)中:FC,A為單位面積的碳排放當(dāng)量,單位為kg(CO2-eq)·hm-2.式(9)中:FC,Y為單位產(chǎn)量碳排放當(dāng)量,單位為kg(CO2-eq)·kg-1.A為農(nóng)作物播種面積,單位為hm2;Y為農(nóng)作物產(chǎn)量,單位為kg·hm-2.

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本文利用R軟件[18]構(gòu)建碳足跡模型并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計(jì)算,采用Origin 2021作圖.

3 結(jié)果與分析

3.1 江蘇省主要農(nóng)作物單位產(chǎn)量碳足跡變化

從作物單位產(chǎn)量碳足跡看(圖2),碳足跡由高到低分別表現(xiàn)為油菜>水稻>小麥>玉米>大豆,每生產(chǎn)1 kg油菜、水稻、小麥、玉米和大豆年均碳足跡分別為1.74(1.4～2.11)、1.36 (1.07～1.56)、0.99(0.8～1.2)、0.81 (0.63～1.01)、0.64(0.52～0.88)kg(CO2-eq)·kg-1.油菜單位產(chǎn)量碳足跡明顯高于其他幾種作物,主要是由于油菜作為經(jīng)濟(jì)作物其氮肥施用量較高但產(chǎn)量較低.近30年來江蘇油菜單位產(chǎn)量氮肥施用強(qiáng)度高達(dá)0.063 kg·kg-1,而水稻、小麥、玉米和大豆的單位產(chǎn)量氮肥施用強(qiáng)度分別為0.023、0.044、0.031、0.019 kg·kg-1,因此油菜單位產(chǎn)量碳足跡最高.

圖2 1990—2019年江蘇省5種作物生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡變化Fig.2 Variations of carbon footprints per unit yield of five crops production in Jiangsu during 1990-2019

江蘇5種作物單位產(chǎn)量碳足跡年際變化趨勢(shì)較為相近.1991年因遇洪水全省作物受災(zāi)嚴(yán)重，作物產(chǎn)量降低,導(dǎo)致單位產(chǎn)量碳足跡有所升高.1992—1997年作物單產(chǎn)增高的同時(shí),化肥施用量也在逐年升高,故其單位產(chǎn)量碳足跡趨于平穩(wěn).1998年小麥和油菜單位產(chǎn)量碳足跡升高主要是由于其單產(chǎn)遠(yuǎn)低于前面年份但氮肥施用量已達(dá)到最大值.1999—2002年單位產(chǎn)量碳足跡基本維持穩(wěn)定,2003年高溫、干旱天氣頻繁導(dǎo)致作物產(chǎn)量大幅降低,5種作物碳足跡呈現(xiàn)上升趨勢(shì).2004—2005年全省糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)性增長(zhǎng),農(nóng)民收入增幅創(chuàng)1997年以來最高[19].2006—2009年因江蘇省委省政府開始鼓勵(lì)實(shí)施農(nóng)民種糧惠農(nóng)政策,全省堅(jiān)持“多予少取放活”的方針,以穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、減少受災(zāi)損失和增加農(nóng)民收入為最終目標(biāo).通過加大對(duì)全省糧食的扶持力度和提高糧食價(jià)格等途徑使得農(nóng)民種植作物積極性上升,化肥種子農(nóng)機(jī)等農(nóng)業(yè)投入水平不斷加大使我省作物生產(chǎn)克服自然災(zāi)害的不利影響,作物生產(chǎn)條件、作物品種以及栽培技術(shù)日漸改善,故其單位產(chǎn)量碳足跡趨于平緩.2010—2014年碳足跡呈緩慢下降趨勢(shì),原因在于這期間我省深入推進(jìn)糧食高產(chǎn)增效,開展糧食綠色增產(chǎn)模式攻關(guān)行動(dòng),作物單產(chǎn)穩(wěn)中有增,此外農(nóng)業(yè)技術(shù)水平也得到了新的提升.2015—2019年幾種作物碳足跡下降趨勢(shì)較為明顯,主要原因是“十三五”期間全省化肥減量增效工作取得顯著成效,實(shí)現(xiàn)化肥使用總量和強(qiáng)度持續(xù)“雙減”.據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019江蘇省化肥施用總量降至286.21萬t,較2015年的320萬t削減10.56%，單位播種面積化肥施用量降至25.64 kg/畝,較2015年削減6.92%，全省化肥利用率由2015年的平均35%提高到40.56%[10].

3.2 江蘇省主要農(nóng)作物單位面積碳足跡變化

從作物單位面積碳足跡看(圖3),江蘇主要作物單位面積碳足跡由高到低分別表現(xiàn)為水稻>小麥>玉米>油菜>大豆,每1 hm2土地水稻、小麥、玉米、油菜和大豆單位面積年均碳足跡分別為11 149(9 958～11 726)、4 922(4 167～5 328)、4 506(3 944～4 767)、3 816(3 401～4 018)和2 579(2 203～2 806)kg(CO2-eq)·hm-2.與單位產(chǎn)量碳足跡不同,水稻單位面積碳足跡最高,大豆單位面積碳足跡最低,糧食作物單位面積碳足跡普遍高于經(jīng)濟(jì)作物.相比其他4種旱地作物,稻田CH4排放是水稻單位面積碳足跡最大貢獻(xiàn)者.水稻是5種作物施肥量最高的作物,單位面積施肥量平均為343.83 kg·hm-2.相比水稻,大豆單位面積施肥量和施氮量?jī)H為118.7 kg·hm-2和45.58 kg·hm-2.此外在灌溉耗電方面,水稻單位面積灌溉耗電高于其他幾種作物也是導(dǎo)致水稻碳足跡較高的重要因素.

圖3 1990—2019年江蘇省5種作物生產(chǎn)單位面積碳足跡變化Fig.3 Variations of carbon footprints per unit area of five crops production in Jiangsu during 1990-2019

1990—1998年幾種作物單位面積碳足跡總體呈較明顯的上升趨勢(shì)，主要原因在于這幾年為追求作物產(chǎn)量的提高,化肥農(nóng)藥等物資單位面積施用量在逐年升高.1998年單位播種面積化肥施用強(qiáng)度為413.61 kg·hm-2,單位播種面積化肥施用強(qiáng)度較1990年增長(zhǎng)54.02%,同時(shí)1998年全省化肥施用總量為333.3萬t(折純,下同),較1990年增長(zhǎng)50.28%.1998年農(nóng)藥單位播種面積施用強(qiáng)度為12.26 kg·hm-2,較1990年增長(zhǎng)41.90%[10],因此1990—1998年5種作物單位面積碳足跡上升趨勢(shì)較明顯.1999—2009年水稻和小麥單位面積碳足跡呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢(shì),玉米、大豆和油菜單位面積碳足跡變化基本維持穩(wěn)定.2010—2019年水稻單位面積碳足跡呈現(xiàn)平緩下降趨勢(shì),其他4種旱地作物單位面積碳足跡基本維持穩(wěn)定,原因在于施肥量和農(nóng)藥用量相比前面年份在不斷減少,農(nóng)機(jī)化水平在不斷增高.據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年江蘇單位播種面積化肥施用量為384.68 kg·hm-2,較2010年下降14.10%，2019年江蘇單位播種面積農(nóng)藥施用量為9.83 kg·hm-2,較2010年下降16.92%，2019年江蘇耕種收綜合機(jī)械化水平為53.21%,較2010年上升14.93%[10，20].

3.3 江蘇省農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡主要構(gòu)成

江蘇省農(nóng)作物生產(chǎn)各項(xiàng)投入單位產(chǎn)量碳足跡構(gòu)成如圖4所示.5種主要作物單位產(chǎn)量碳足跡構(gòu)成主要包括化肥投入、氮肥施用田間N2O排放、稻田CH4排放、農(nóng)機(jī)具投入、灌溉耗電能耗、農(nóng)藥和種子投入7個(gè)組成部分.對(duì)水稻而言,稻田CH4排放和化肥生產(chǎn)運(yùn)輸是主要碳排放貢獻(xiàn)源,稻田CH4排放貢獻(xiàn)所占比重為54.43%(48.95%～57.59%),化肥投入貢獻(xiàn)所占比重為20.65%(17.74～24.64%),土壤N2O排放年均貢獻(xiàn)比重為11.67%(9.99%～15.56%).其他組分年均碳足跡貢獻(xiàn)比重均不足10%,如灌溉耗電年均貢獻(xiàn)所占比重為4.41%(2.42%～5.94%)、農(nóng)藥投入年均貢獻(xiàn)所占比重為3.68%(1.78%～5.30%)、機(jī)械使用年均貢獻(xiàn)所占比重為3.28%(1.55%～5.07%)、種子投入年均貢獻(xiàn)所占比重為1.86%(1.27%～3.24%).

圖4 1990—2019年江蘇省5種作物生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡構(gòu)成Fig.4 Composition of carbon footprint per unit yield of five crops production in Jiangsu during 1990-2019

對(duì)4種旱地作物而言,化肥投入和土壤N2O排放是其單位產(chǎn)量碳足跡主要貢獻(xiàn)源,不同作物化肥投入年均貢獻(xiàn)所占比重分別為:小麥54.50%(47.52%～62.60%)、油菜49.15%(41.37%～56.90%)、玉米47.12%(42.68%～50.49%)和大豆44.29%(33.26%～48.96%).不同作物氮肥施用土壤N2O排放年均貢獻(xiàn)所占比重分別為:大豆26.92%(23.70%～38.17%)、小麥25.54%(21.62%～31.28%)、油菜25.42%(22.69%～30.28%)和玉米24.53%(21.38%～27.27%).除了化肥投入和土壤N2O排放外其他組分貢獻(xiàn)比重較小,小麥和玉米其他組分貢獻(xiàn)所占比重表現(xiàn)為農(nóng)機(jī)使用>農(nóng)藥投入>灌溉耗電>種子投入,大豆和油菜其他組分貢獻(xiàn)所占比重表現(xiàn)為農(nóng)藥投入>農(nóng)機(jī)使用>種子投入>灌溉耗電.

江蘇省農(nóng)作物生產(chǎn)各項(xiàng)投入單位面積碳足跡構(gòu)成如圖5所示,單位面積碳足跡構(gòu)成與單位產(chǎn)量碳足跡構(gòu)成組分相同.水稻碳足跡構(gòu)成主要以稻田CH4排放貢獻(xiàn)最大,單位面積碳足跡貢獻(xiàn)所占比重達(dá)54.22%(51.46%～60.59%),化肥投入為第二大貢獻(xiàn)源所占比重為18.82%(18.38～19.71%),土壤N2O排放年均貢獻(xiàn)比重為11.86%(10.36%～13.6%).其他組分年均貢獻(xiàn)比重不足10%,如灌溉耗電年均貢獻(xiàn)比重為8.21%(3.50%～10.48%)、農(nóng)藥投入年均貢獻(xiàn)比重為2.63%(1.57%～3.18%)、機(jī)械使用年均貢獻(xiàn)比重為2.59%(1.81%～3.36%)、種子投入年均貢獻(xiàn)比重為1.67%(0.77%～3.16%).

圖5 1990—2019年江蘇省5種作物生產(chǎn)單位面積碳足跡構(gòu)成Fig.5 Composition of carbon footprint per unit area of five crops production in Jiangsu during 1990-2019

和單位產(chǎn)量碳足跡構(gòu)成相同,化肥投入和土壤N2O排放是4種旱地作物單位面積碳排放主要貢獻(xiàn)源.4種作物化肥投入年均貢獻(xiàn)比重如下:小麥41.74%(39.57%～43.44%)、玉米44.97%(43.10%～47.09%)、大豆28.05%(26.07%～30.11%)、油菜48.62%(46.67%～52.04%).土壤N2O排放年均貢獻(xiàn)比重分別為小麥28.44%(24.60%～33.66%)、玉米26.73%(23.55%～30.46%)、大豆16.20%(14.56%～18.66%)和油菜27.84%(24.98%～33.03%).除了化肥投入和土壤N2O排放外其他組分貢獻(xiàn)比重相對(duì)較低,玉米和油菜其他組分貢獻(xiàn)比例表現(xiàn)為農(nóng)藥投入>農(nóng)機(jī)使用>種子投入>灌溉耗電,小麥和大豆其他組分貢獻(xiàn)比重分別表現(xiàn)為種子投入>農(nóng)藥投入>機(jī)械使用>灌溉耗電.

3.4 主要作物碳足跡影響因素分析

基于隨機(jī)森林模型分析了影響江蘇1990—2019年不同作物碳足跡年際變化的主要因素(圖6).選取化肥、氮肥、農(nóng)藥、種子、電力、農(nóng)機(jī)、產(chǎn)量和面積8個(gè)投入因素進(jìn)行分析.結(jié)果表明影響不同作物碳足跡年際變化的農(nóng)資投入中主要為種子投入的變化,雖然種子的生產(chǎn)與運(yùn)輸在作物生產(chǎn)碳足跡構(gòu)成中所占比重較小,但是其年際變化較為明顯.除小麥外其他4種作物單位面積種子用量有明顯下降趨勢(shì).水稻種子用量由1990年的35.10 kg·hm-2下降到2019年的9.60 kg·hm-2;玉米單位面積種子用量由1990年的45.00 kg·hm-2下降到2019年的27.98 kg·hm-2;大豆單位面積種子用量由1990年的57.06 kg·hm-2下降到2019年的40.50 kg·hm-2;油菜單位面積種子用量由1990年的7.35 kg·hm-2下降到2019年的2.40 kg·hm-2[11].

圖6 1990—2019年江蘇省5種作物生產(chǎn)碳足跡影響因素解析Fig.6 Analysis of influencing factors of carbon footprint of five crops production in Jiangsu during 1990-2019

其次,氮肥投入是影響作物碳足跡年際變化的重要因素.據(jù)統(tǒng)計(jì)1998年單位播種面積氮肥施用強(qiáng)度為244.10 kg·hm-2,較1990年增長(zhǎng)33.87%.1998年全省氮肥施用總量為196.7萬t,較1990年增長(zhǎng)30.61%,隨著氮肥用量的不斷增加,其對(duì)作物生產(chǎn)碳足跡貢獻(xiàn)也在不斷提高.1999—2010年全省單位面積氮肥施用量增減幅度不明顯,1999年單位播種面積氮肥施用強(qiáng)度為238.43 kg·hm-2,2010年單位播種面積氮肥施用強(qiáng)度為235.70 kg·hm-2.2011—2019年全省氮肥單位面積施用量與氮肥施用總量呈現(xiàn)“雙減態(tài)勢(shì)”,2019年單位播種面積氮肥施用強(qiáng)度為189.58 kg·hm-2,較2011年單位播種面積氮肥施用強(qiáng)度削減16.64%;2019年氮肥施用總量為141.1萬t,較2011年氮肥施用總量削減32.8萬t.近年來全省積極開展綜合施策工作[21],以精準(zhǔn)施肥減量、優(yōu)化肥料結(jié)構(gòu)減量為目標(biāo),積極推進(jìn)深化測(cè)土配方施肥、優(yōu)化調(diào)整肥料結(jié)構(gòu)、改善施肥設(shè)施裝備等工作,堅(jiān)決打贏農(nóng)業(yè)面源污染攻堅(jiān)戰(zhàn).因此氮肥的減量施用是近年來江蘇省主要作物單位產(chǎn)量碳足跡減少的重要因素.

另一個(gè)影響作物碳足跡年際變化的顯著因素是農(nóng)機(jī)投入.江蘇是我國最早提倡農(nóng)機(jī)使用的地區(qū),尤其是1990年代以來,隨著農(nóng)民收入水平的提高和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平發(fā)展速度加快[22].據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力為5 111.95萬kW,較1990年增加3 107.18萬kW;2019年聯(lián)合收割機(jī)擁有量為180 345臺(tái),較1990年增加177 934臺(tái);2019年農(nóng)用水泵擁有量為67.72萬臺(tái),較1990年增加28.09萬臺(tái)[20].1990年機(jī)耕、機(jī)播和機(jī)收面積分別為5 448.73、1 569.61和797.9萬畝,而到了2019年全省主要農(nóng)作物綜合機(jī)械化率達(dá)86%[19].1990—2019年江蘇省單位產(chǎn)量和單位面積碳足跡構(gòu)成中農(nóng)機(jī)投入碳足跡貢獻(xiàn)比例逐年升高,因此農(nóng)機(jī)具的使用是江蘇省主要農(nóng)作物碳足跡年際變化的重要影響因素.因此全省應(yīng)加快提高低碳環(huán)保農(nóng)機(jī)的研發(fā)速度與技術(shù),提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率,降低農(nóng)機(jī)使用碳排放.

4 討論與結(jié)論

目前基于“雙碳目標(biāo)”的提出,碳足跡評(píng)估已成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域.控制農(nóng)業(yè)溫室氣體排放在應(yīng)對(duì)全球氣候變化、快速實(shí)現(xiàn)綠色低碳農(nóng)業(yè)方面占據(jù)重要地位.本文基于江蘇省1990—2019年省級(jí)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),利用LCA法對(duì)主要作物單位產(chǎn)量、單位面積碳足跡動(dòng)態(tài)變化與構(gòu)成以及主要農(nóng)資投入影響因素進(jìn)行分析.

綜合其他學(xué)者研究成果,可以發(fā)現(xiàn)江蘇單位產(chǎn)量和單位面積碳足跡總體偏高.如陳中督等[23]對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)2004—2015年七省的冬油菜碳足跡時(shí)空動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)七個(gè)省份單位面積碳足跡總體呈下降趨勢(shì),不同省份間碳足跡存在明顯差異,碳足跡最高的省份是江蘇,最低的省份是安徽和江西,江蘇比安徽和江西單位面積碳足跡高1 564.9 kg(CO2-eq)·hm-2.Xu等[24]采用LCA法對(duì)我國水稻、小麥、玉米糧食作物碳足跡進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)水稻、小麥和玉米單位產(chǎn)量碳足跡分別為1.06±0.03、0.50±0.04和0.40±0.03 kg(CO2-eq)·kg-1，3種作物單位面積碳足跡分別為7 285±78、2 800±222和2 707±151 kg(CO2-eq)·hm-2,低于本研究中江蘇水稻、小麥和玉米單位面積和單位產(chǎn)量碳足跡.許萍萍等[25]基于估算模型核算了江蘇2001—2016年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量、碳吸收量和碳足跡,結(jié)果顯示自2001—2016年,碳排放總量增加3.4%,單位面積碳吸收量總體呈上升趨勢(shì).趙宇[26]基于江蘇2000—2015年面板數(shù)據(jù)采用農(nóng)業(yè)碳排放估算方式,通過多元回歸模型探究江蘇碳排放影響因素,結(jié)果表明江蘇農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放量呈三段式變化,2000—2003年先增后降、2004—2010不斷增長(zhǎng)、2011—2015年緩慢下降,此外還發(fā)現(xiàn)能源消耗、農(nóng)業(yè)人均GDP等是影響本省農(nóng)業(yè)碳排放的主要因素.

本研究中除稻田CH4排放碳足跡貢獻(xiàn)最大外,其他幾種作物生產(chǎn)碳足跡貢獻(xiàn)占比最大的均為化肥投入,包括化肥生產(chǎn)和氮肥施用.對(duì)水稻而言,稻田CH4排放和化肥投入在水稻全生命周期過程中貢獻(xiàn)最突出.稻田CH4排放單位產(chǎn)量年均貢獻(xiàn)比重為54.43%(48.95%～57.59%)、單位面積年均貢獻(xiàn)比重為54.22%(51.46%～60.59%);化肥投入單位產(chǎn)量年均貢獻(xiàn)比重為20.65%(17.74%～24.64%)、單位面積年均貢獻(xiàn)比重為18.82%(18.38%～19.71%).本結(jié)果與陳中督等[1]對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)稻田甲烷排放對(duì)水稻碳足跡貢獻(xiàn)結(jié)果(65%)相近.閆明[27]研究發(fā)現(xiàn)氮肥施用對(duì)水稻生產(chǎn)碳足跡貢獻(xiàn)比重達(dá)到31%～34%.相比稻田CH4排放和化肥投入,灌溉耗電、農(nóng)機(jī)、農(nóng)藥和種子投入碳足跡貢獻(xiàn)比重較小.對(duì)小麥、玉米、大豆和油菜4種旱地作物而言,化肥生產(chǎn)與氮肥施用土壤N2O排放碳足跡貢獻(xiàn)最大,貢獻(xiàn)比重多數(shù)在50%以上,由此可見肥料投入的溫室氣體減排潛力是江蘇主要作物生產(chǎn)碳足跡能否降低的關(guān)鍵.早在2007年我國氮肥施用量已占全球氮肥消費(fèi)總量的30%,化肥減量施用成為國家“十二五”、“十三五”和“十四五”重要工作任務(wù),目前減肥減藥、提質(zhì)增效是全國各地區(qū)重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題.Wu等[28]基于LCA法評(píng)估了我國1998—2016年間7種化肥和9種作物溫室氣體排放總量、單位面積和單位產(chǎn)量碳排放量,結(jié)果表明1998—2016年碳排放總量增加了35%,在所有化肥投入中,尿素溫室氣體排放量最大,約占溫室氣體排放總量的60%.陳舜等[29]指出我國化肥生產(chǎn)碳排放因子是歐美國家的2倍,氮肥生產(chǎn)碳排放因子是歐美國家碳排放因子的3倍,因此優(yōu)化氮素管理、施用高效氮肥是減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增收增效的重要途徑.

農(nóng)業(yè)作為重要的溫室氣體排放源,在保證作物產(chǎn)量與安全的前提下應(yīng)從減排和增匯兩個(gè)方向出發(fā),助力國家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo).針對(duì)稻田CH4排放、化肥投入、灌溉耗電、農(nóng)機(jī)使用等活動(dòng)階段的碳排放,可以采取水分管理、秸稈碳化、減肥減藥、優(yōu)化氮素管理(測(cè)土配方施肥、氮肥深施、避免不必要的排灌等)、施用高效氮肥(控釋肥、硝化抑制劑、脲酶抑制劑等)等途徑減少碳排放.Li等[30]研究表明加強(qiáng)水肥的高效管控、節(jié)水灌溉配合改性氮肥不僅可以顯著降低稻田CH4和土壤N2O排放,同時(shí)還使水稻產(chǎn)量提高了6%～35%.除了一系列減排技術(shù)外,近年來國家也出臺(tái)了相關(guān)增匯技術(shù),主要有秸稈還田(直接還田、過腹還田或炭化還田)、保護(hù)性耕作(免耕、秸稈還田及種植覆蓋作物)、有機(jī)物料高效回田等.Qin等[31]通過長(zhǎng)期回田利用研究,發(fā)現(xiàn)生物炭施用可刺激Ⅱ型濕地甲烷氧化菌的豐度和活性、降低土壤容重、提高土壤pH值、有利于土壤水分聚集,而中高量生物質(zhì)炭使稻田溫室氣體排放當(dāng)量減排29%,水稻產(chǎn)量提升4.6%.我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身具有基數(shù)大且增長(zhǎng)快的特點(diǎn),“高碳”屬性較為明顯[32].本文全面核算了江蘇省主要作物生產(chǎn)的碳足跡動(dòng)態(tài)及其構(gòu)成,旨在為江蘇省主要作物生產(chǎn)體系全過程環(huán)境管理及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供決策依據(jù).