中國農(nóng)業(yè)碳排放測算研究綜述*

胡永浩, 張昆揚, 胡南燕, 武拉平

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院 北京 100083)

《國家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略2035》指出, 1951-2020年中國平均氣溫增速達到0.26 ℃·(10a)-1, 遠高于同期0.15 ℃·(10a)-1世界平均增速, 氣候變暖對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活以及社會經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴重威脅; 然而, 全球變暖趨勢仍將持續(xù), 這給未來發(fā)展增添了更多風(fēng)險挑戰(zhàn)。二氧化碳等溫室氣體排放(碳排放)的增加是造成全球變暖的主要原因, 為減少碳排放、減緩全球變暖, 中國積極參與全球氣候治理, 進行了一系列實踐探索。一方面, 我國先后加入《聯(lián)合國氣候變化框架公約》《巴黎協(xié)定》等氣候協(xié)議, 就碳減排領(lǐng)域進一步加強國際合作; 另一方面,結(jié)合國內(nèi)實際提出2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標, 并推出《2030年前碳達峰行動方案》等一系列方案, 為減少碳排放作出了重要貢獻。

但我國碳排放治理體系尚不完善, 碳排放核算體系尚待建立健全, 各領(lǐng)域碳排放統(tǒng)計監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失, 難以為碳排放政策制定、“雙碳”目標實現(xiàn)提供有力支撐。因此, 國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合多部門制定發(fā)布了《關(guān)于加快建立統(tǒng)一規(guī)范的碳排放統(tǒng)計核算體系實施方案》, 提出加快建立統(tǒng)一規(guī)范的碳排放統(tǒng)計核算體系, 建立科學(xué)核算方法, 系統(tǒng)掌握我國碳排放總體情況。農(nóng)業(yè)既是溫室氣體主要排放來源之一, 又承擔(dān)著關(guān)鍵的碳匯角色, 充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)減排固碳潛力是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑。為推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳工作, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實施方案》, 推出實施監(jiān)測體系建設(shè)等十大行動, 要求完善農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳的監(jiān)測指標、關(guān)鍵參數(shù)與核算方法, 這也為農(nóng)業(yè)碳排放測算體系建設(shè)、農(nóng)業(yè)低碳綠色發(fā)展指明了方向。

現(xiàn)有研究已從農(nóng)業(yè)碳排放來源、碳排放測算以及碳排放驅(qū)動因素等方面進行了研究, 但不同研究在確定碳排放來源、選取測算角度和排放系數(shù)上存在很大差異, 這導(dǎo)致最終農(nóng)業(yè)碳排放的測算結(jié)果與研究結(jié)論難以趨于一致。FAO數(shù)據(jù)顯示, 2019年中國的農(nóng)業(yè)碳排放總量為78 283.91萬t, 是全球農(nóng)業(yè)碳排放最多的國家; 田云等[1]研究測得2019年中國農(nóng)業(yè)碳排放為94 067.21萬t, 而張揚等[2]測得同年中國農(nóng)業(yè)碳排放為7989.70萬t, 可見不同研究所得結(jié)果相差甚遠。

鑒于此, 本文在對農(nóng)業(yè)碳排放測算方法進行簡要介紹的基礎(chǔ)上, 從不同角度對現(xiàn)有研究中農(nóng)業(yè)碳排放測算選取的碳排放來源、采用的排放系數(shù)以及測算結(jié)果等方面進行梳理, 對其中排放系數(shù)的來源與適用范圍進行重點分析, 并進一步對現(xiàn)有研究進行簡要評述, 對農(nóng)業(yè)碳排放測算等研究內(nèi)容的未來發(fā)展進行展望, 以期為未來農(nóng)業(yè)碳排放的相關(guān)研究提供參考依據(jù)。

1 農(nóng)業(yè)碳排放測算方法

各種溫室氣體對溫室效應(yīng)的貢獻, 可以按照二氧化碳的排放率折算為二氧化碳當量, 而由于二氧化碳對全球變暖的總貢獻超過50%, 是最重要的溫室氣體, 所以溫室氣體排放常常也被簡稱為“碳排放”[3]。盡管用“碳排放”來指代溫室氣體排放并不準確, 但是“控制碳排放”等術(shù)語已被大多數(shù)人理解、接受和采用, 因此本文暫且將“溫室氣體排放”簡稱為“碳排放”。

農(nóng)業(yè)碳排放則是指農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的溫室氣體排放,主要包括二氧化碳、甲烷和氧化亞氮3種溫室氣體[4]。農(nóng)業(yè)碳排放測算方法主要有排放系數(shù)法、模型模擬法和實地測量法, 不同測算方法適用范圍及優(yōu)缺點各異, 后文將逐一進行介紹。

1.1 排放系數(shù)法

目前農(nóng)業(yè)碳排放測算研究中最為常見的方法是排放系數(shù)法(或排放因子法)。排放系數(shù)法來源于政府間氣候變化委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的《國家溫室氣體清單指南》,其測算流程是在構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳排放測算指標體系, 即確定主要農(nóng)業(yè)碳排放來源的基礎(chǔ)上, 將農(nóng)業(yè)碳排放源活動水平數(shù)據(jù)與排放系數(shù)相乘, 得到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域各種溫室氣體排放量, 再根據(jù)不同氣體的全球變暖潛力值將其轉(zhuǎn)化為碳排放當量, 從而得到最終的碳排放總量, 其具體測算公式如下:

式中:Ei為第i種農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放量, 主要是二氧化碳、甲烷和氧化亞氮3種;Tin是指第i種溫室氣體第n個排放源的量;δin則是對應(yīng)的排放系數(shù)即單位排放源的活動數(shù)據(jù)所造成的溫室氣體排放量;E為農(nóng)業(yè)總碳排放量;ωi為第i種農(nóng)業(yè)溫室氣體的全球變暖潛力值, 根據(jù)IPCC相關(guān)報告, 甲烷和氧化亞氮的全球變暖潛力值分別為25和298 (二氧化碳的全球變暖潛力值為1)。

排放系數(shù)法測算碳排放的關(guān)鍵是確定農(nóng)業(yè)碳排放源和相關(guān)排放系數(shù), 從而建立農(nóng)業(yè)碳排放核算的指標體系。排放系數(shù)法的優(yōu)點在于適用尺度廣, 可用于宏觀、中觀與微觀各個層次, 且公式簡明、原理易懂; 缺點是測算較為籠統(tǒng), 排放系數(shù)易受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式、作物類型等因素的影響不確定性較大。

1.2 模型模擬法

模型模擬法以生物地球化學(xué)過程為基礎(chǔ), 融合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵過程與控制因子, 將有限的點位觀測案例擴展到較大區(qū)域尺度, 為定量計量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳氮循環(huán)、測算農(nóng)業(yè)碳排放提供了切實可行的方法[5]。常用的模擬農(nóng)業(yè)碳排放的模型主要有反硝化-分解模型(Denitrification-Decomposition model,DNDC)、洛桑碳模型(Rothamsted Carbon model, Roth C)、稻田甲烷排放模型(CH4MOD)以及區(qū)域氮循環(huán)模型(IAP-N)等。

DNDC模型主要由兩部分組成: 其一是土壤微氣候、農(nóng)作物生長和土壤有機質(zhì)分解3個子模型,模擬土壤物理環(huán)境條件; 其二是硝化作用、反硝化作用以及發(fā)酵作用3個子模型, 模擬土壤物理環(huán)境對微生物活動的影響, 計算生態(tài)系統(tǒng)的碳排放[6]。此外, DNDC在模擬時還需要輸入氣候、土壤、管理措施以及作物類型等現(xiàn)實參數(shù)。Roth C模型是以英國洛桑實驗室長期試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的土壤有機碳(SOC)周轉(zhuǎn)模型, 該模型將有機庫分為易分解植物殘體(DPM)、難分解植物殘體(RPM)、微生物量(BIO)、腐殖化有機質(zhì)(HUM)和惰性有機質(zhì)(IOM) 5個部分, 可以模擬不同氣候和管理方式下的SOC變化情況[7]。CH4MOD模型由甲烷基質(zhì)供應(yīng)和甲烷產(chǎn)生與排放2個子模塊構(gòu)成, 可以有效地模擬不同氣候、土壤及農(nóng)業(yè)管理下的稻田甲烷排放, 具有廣泛適應(yīng)性與良好解釋性[8]。IAP-N模型包含土壤環(huán)境、植物生長、硝化/反硝化、其他氮轉(zhuǎn)化過程4個部分, 可以較好地模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的氮循環(huán), 常用于估算不同種類農(nóng)用地的氧化亞氮排放[9]。

模型模擬法的優(yōu)點在于可以根據(jù)現(xiàn)實參數(shù)對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳排放進行模擬測算, 所得測算結(jié)果精確度大大提升, 模型模擬法還可以用來預(yù)測未來的碳排放量, 從而用來評估不同管理方式的減排效果; 但其局限性在于需要獲取的參數(shù)較多、模擬過程較為復(fù)雜, 且模型模擬法多用于模擬生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的碳排放。

1.3 實地測量法

實地測量法是通過對排放源的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行匯總得到最終的碳排放量。其最大優(yōu)點是核算中間環(huán)節(jié)少、結(jié)果準確, 但是數(shù)據(jù)獲取較為困難、成本投入較大且其適用范圍局限于微觀層次的排放源[10]。

盡管以上3種方法適用范圍不同且優(yōu)缺點各異,但在實際農(nóng)業(yè)碳排放測算中3種方法并非相互獨立而是緊密聯(lián)系的。排放系數(shù)法中的排放系數(shù)需要通過模型模擬法或者實地測量法獲得, 而模型模擬法也需要實地收集參數(shù)進行過程模擬, 將3種方法揚長避短、充分結(jié)合, 能夠提升最終測算結(jié)果的準確性。

2 農(nóng)業(yè)碳排放測算

農(nóng)業(yè)碳排放呈現(xiàn)多源性特征, 現(xiàn)有研究選取不同角度對農(nóng)業(yè)碳排放進行了測算, 取得了一系列富有價值的研究成果。鑒于當前研究中的農(nóng)業(yè)碳排放測算方法以排放系數(shù)法為主, 本部分將重點從排放系數(shù)法的兩個關(guān)鍵方面即確定農(nóng)業(yè)碳排放來源以及相關(guān)排放系數(shù)來源與測算, 對現(xiàn)有文獻展開梳理。

2.1 投入產(chǎn)出角度

部分研究從投入產(chǎn)出角度對農(nóng)業(yè)碳排放進行核算, 主要包括了3類核算內(nèi)容: 一是化肥、農(nóng)藥等物資的生產(chǎn)、運輸以及施用過程間接產(chǎn)生的碳排放;二是農(nóng)業(yè)汽油、柴油、用電等能源消耗產(chǎn)生的直接碳排放; 三是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的秸稈等廢棄物處理過程產(chǎn)生的碳排放。

2.1.1 要素投入

李波等[11]認為農(nóng)業(yè)(狹義農(nóng)業(yè), 即種植業(yè))碳排放主要來源于化肥、農(nóng)藥和能源消耗以及翻耕過程,具體包括6個方面: 化肥生產(chǎn)和使用過程產(chǎn)生的碳排放, 化肥生產(chǎn)過程、運輸過程和施用過程消耗化石燃料間接導(dǎo)致碳排放, 化肥過量施用造成土壤結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的碳排放; 農(nóng)藥生產(chǎn)和使用過程產(chǎn)生的碳排放; 農(nóng)膜生產(chǎn)使用過程產(chǎn)生的碳排放; 農(nóng)業(yè)機械使用消耗的農(nóng)用柴油等化石燃料產(chǎn)生的碳排放; 灌溉過程中因用電間接消耗化石燃料產(chǎn)生的碳排放;農(nóng)業(yè)翻耕破壞土壤有機庫導(dǎo)致有機碳釋放造成的碳排放。此種碳排放來源的分類方法被諸多研究肯定并使用[12-13], 并在此基礎(chǔ)上進行了一系列拓展。有研究則將前5種來源即化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)機械耗用柴油以及灌溉消耗電能的碳排放歸納為農(nóng)業(yè)物資投入導(dǎo)致的碳排放[14-15]。

農(nóng)業(yè)物資投入碳排放測算時, 李波等[11]研究所整理的排放系數(shù)(表1)同樣被大量國內(nèi)學(xué)者采納使用。其中化肥碳排放系數(shù)來源于美國橡樹嶺實驗室West等[16]測算的氮肥生產(chǎn)、運輸過程的碳排放系數(shù)與智靜等[17]引用美國橡樹嶺實驗室各類化肥施用過程碳排放的平均系數(shù)相加所得; 農(nóng)藥碳排放系數(shù)也來自于智靜等[17]引用美國橡樹嶺實驗室的數(shù)據(jù); 農(nóng)膜碳排放系數(shù)來源于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所Cheng等[18]的研究, 其根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會的數(shù)據(jù), 用塑料導(dǎo)致的二氧化碳排放量除以塑料數(shù)量, 所得的塑料碳排放系數(shù)來代表農(nóng)膜的碳排放系數(shù); 農(nóng)業(yè)灌溉用電碳排放系數(shù)由Dubey等[19]根據(jù)Singh等[20]巴基斯坦農(nóng)業(yè)灌溉用電數(shù)據(jù)計算所得的排放系數(shù), 再與我國平均火力發(fā)電系數(shù)相乘所得; 柴油碳排放系數(shù)來源于IPCC推薦值。

表 1 農(nóng)業(yè)物資投入碳排放系數(shù)Table 1 Carbon emission factors of agricultural inputs

雖然基于要素投入視角的碳排放測算方式被學(xué)者們所接受, 但在具體的排放系數(shù)選取上, 諸多學(xué)者嘗試從不同角度對其進行優(yōu)化, 以期能夠更為準確測算出中國的碳排放情況。Zhang等[21]根據(jù)中國化肥廠與實地監(jiān)測數(shù)據(jù), 推算出氮肥生產(chǎn)加工及使用過程中的排放系數(shù), 其中包括了農(nóng)田的氧化亞氮排放。陳舜等[22]根據(jù)中國氮肥、磷肥和鉀肥的制造加工過程, 推算了其生產(chǎn)過程的碳排放系數(shù)。而范紫月等[23]在對農(nóng)業(yè)物資投入碳排放測算時, 引用了中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)的排放系數(shù), 并進一步區(qū)分了氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥各類化肥的排放系數(shù)。張國等[24]根據(jù)Lal[25]的研究數(shù)據(jù)結(jié)合中美農(nóng)藥生產(chǎn)過程的差異, 估算了不同類型的殺蟲劑、殺菌劑以及除草劑生產(chǎn)和運輸過程的碳排放系數(shù)(表2)。

2.1.2 能源消費

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域所消耗的能源除了柴油、灌溉電力以外還包括汽油、煤炭等能源, 因此有研究認為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中投入使用原煤、汽油、柴油、電力等能源消費造成的碳排放是農(nóng)業(yè)碳排放的主要來源[26]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機械使用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料與農(nóng)產(chǎn)品加工以及運輸?shù)冗^程會耗用煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油和電力等能源, 而這些化石燃料的燃燒會直接導(dǎo)致大量的碳排放產(chǎn)生, 農(nóng)業(yè)耗用電力也會導(dǎo)致火力發(fā)電等過程的間接碳排放[27-28]。于偉詠等[29]則認為, 上文提到的5種農(nóng)業(yè)物資投入也可以視作能源消費產(chǎn)生的碳排放, 其中農(nóng)用柴油和電力屬于直接能源碳排放源, 化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜的生產(chǎn)、運輸和使用屬于間接能源碳排放。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的能源消費碳排放測算和其他領(lǐng)域能源消費碳排放測算系數(shù)一致。李國志等[26]、龐麗[30]根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》將農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的能源消費分為了煤炭、汽油、柴油、天然氣、煤油、燃料油、原油、電力和焦炭9類, 并根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒》和IPCC的標準煤轉(zhuǎn)換系數(shù)和碳排放系數(shù)(表3)測算了農(nóng)業(yè)能源消費的碳排放。

2.1.3 秸稈焚燒

吳昊玥等[31]強調(diào)農(nóng)作物秸稈焚燒會產(chǎn)生大量的二氧化碳和甲烷等溫室氣體; 而秸稈還田一方面會增加土壤氮素導(dǎo)致土壤氧化亞氮排放, 另一方面會增加土壤固碳速率從而利于減少碳排放[32]。由于不同秸稈處理方式對碳排放的影響渠道不同, 因此本部分重點對秸稈焚燒碳排放進行分析, 秸稈還田造成的碳排放和固碳效應(yīng)將在下文中土壤管理與碳匯部分詳細展開。

秸稈焚燒的碳排放核算中, 王革華[33]根據(jù)秸稈的含碳系數(shù)和氧化率計算得到了秸稈燃燒的碳排放系數(shù)1.247 kg(CO2)·kg-1, 而實際計算時常常將秸稈產(chǎn)生量與秸稈焚燒比例相乘后再乘以碳排放系數(shù)得到最終秸稈焚燒的碳排放量。曹國良等[34]在核算秸稈露天焚燒碳排放時引用了美國環(huán)境保護署的甲烷排放系數(shù)以及Andreae等[35]基于化學(xué)物理原理測算的二氧化碳和甲烷排放系數(shù); 劉麗華等[36]則通過模擬秸稈燃燒試驗來測定了水稻(Oryza sativa)、小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、油菜(Brassica campestris)、棉花(Gossypiumspp.)和大豆(Glycine max) 6種作物秸稈燃燒排放的二氧化碳、甲烷與氧化亞氮的排放系數(shù)(表4)。

表 2 農(nóng)藥生產(chǎn)運輸?shù)奶寂欧畔禂?shù)[24]Table 2 Carbon emission factors of pesticide production and transportation[24]

表 3 農(nóng)業(yè)能源消費轉(zhuǎn)換系數(shù)與碳排放系數(shù)Table 3 Conversion coefficient and carbon emission factors of agricultural energy consumption

2.2 生產(chǎn)過程角度

除了農(nóng)用物資投入、能源消耗以及秸稈焚燒造成的碳排放外, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中土壤管理、水稻生長以及動物腸道發(fā)酵與糞便管理過程產(chǎn)生的碳排放同樣不可忽視。

2.2.1 土地管理過程

土地管理過程中造成土壤碳排放主要源于兩個方面: 其一, 翻耕破壞土壤有機庫導(dǎo)致有機碳釋放造成的碳排放[11]; 其二, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳氮循環(huán)導(dǎo)致的土壤氧化亞氮排放[37]。

伍芬琳等[38]通過河北冬小麥的大田試驗, 對土地翻耕碳排放系數(shù)進行測算, 但是此翻耕系數(shù)實際包括翻地所用機械柴油以及農(nóng)藥和化肥等物資投入產(chǎn)生的碳排放, 并非只考慮翻耕過程土壤有機碳含量變化導(dǎo)致的碳排放。楊思存等[39]通過對連續(xù)翻耕8年的玉米耕地進行試驗, 發(fā)現(xiàn)翻耕平均每年會使土壤有機碳含量減少0.04 t·hm-2, 而免耕則會使土壤有機碳含量增加0.64 t·hm-2。

土壤氧化亞氮排放又可以分為由于有機氮肥、秸稈還田等氮素輸入導(dǎo)致的直接排放, 以及來源于大氣氮沉降和淋溶徑流造成的間接排放[40]。張學(xué)智等[41]在測算土壤氧化亞氮的直接和間接排放時采用了我國《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》(后文簡稱“《指南》”)中的排放系數(shù)(表5), 并根據(jù)不同農(nóng)作物類型的經(jīng)濟系數(shù)、秸稈氮含量、秸稈還田率等測算了秸稈還田的氮素輸入量等。閔繼勝等[42]進一步測算了不同作物品種土壤本底和肥料的氧化亞氮排放, 其排放系數(shù)源于對國內(nèi)相關(guān)研究試驗數(shù)據(jù)整理所得, 如表6所示。

2.2.2 水稻生長過程

水稻的生長過程會產(chǎn)生大量的甲烷排放, 稻田土壤中存在豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì)和產(chǎn)甲烷菌, 經(jīng)過稻田土壤氧化形成的甲烷通過水稻植株排放到大氣中[3]。

閔繼勝等[42]在對水稻生長過程甲烷排放的測算時, 參考了王明星等[43]通過甲烷監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)研究建立的初級模式所測算得到的排放系數(shù), 并根據(jù)單季稻、晚稻和中季稻的生長周期進行計算最終得到我國各省水稻生長周期內(nèi)甲烷的排放系數(shù)(表7),其中早稻、晚稻和中季稻的生長周期分別為85 d、100 d和105 d。此外, 唐志偉等[44]則采用了《指南》中的推薦排放因子計算稻田甲烷排放, 《指南》根據(jù)2005年全國各大農(nóng)業(yè)區(qū)的稻田生產(chǎn)管理等條件的平均水平, 計算得出了水稻甲烷排放因子的推薦值與變化范圍(表8)。

表 4 作物秸稈燃燒碳排放系數(shù)Table 4 Carbon emission factor of crop straw burning g·kg-1

表 5 農(nóng)業(yè)土地管理碳排放系數(shù)Table 5 Carbon emission factor of agricultural land management

表 6 不同農(nóng)作物氧化亞氮排放系數(shù)[42]Table 6 Nitrous oxide emission factors of different crops[42]

表 7 中國各省(市、自治區(qū))水稻生長周期內(nèi)的甲烷排放系數(shù)Table 7 Methane emission factor of rice grow cycle in provinces (cities, autonomous regions) of China g(CH4)·m-2

表 8 中國分農(nóng)業(yè)區(qū)稻田甲烷排放系數(shù)Table 8 Methane emission factors of paddy fields by agricultural region in China kg(CH4)·hm-2

表 9 畜禽碳排放系數(shù)[46]Table 9 Carbon emission factor of livestock and poultry[46] kg·unit-1·a-1

2.2.3 動物腸道發(fā)酵、糞便管理過程

畜禽動物尤其是草食性和反芻類動物在攝入富含纖維素飼料后, 在腸道消化吸收過程中甲烷菌發(fā)酵產(chǎn)生甲烷[45]; 與稻田甲烷排放機理類似, 動物糞便中的有機質(zhì)經(jīng)過甲烷菌作用產(chǎn)生大量甲烷, 此外, 糞便堆放過程中在微生物作用下還會進行反硝化和硝化反應(yīng)生成氧化亞氮[3]。

胡向東等[46]對動物腸道發(fā)酵和糞便管理碳排放進行了核算, 其引用的腸道發(fā)酵與糞便管理甲烷排放系數(shù)來源于IPCC (表9), 而腸道發(fā)酵造成的氧化亞氮系數(shù)則是將FAO所發(fā)布的氧化亞氮排放量除以動物的平均飼養(yǎng)量所得, 研究中還根據(jù)出欄率對各類動物的年均出欄量進行了調(diào)整, 具體方法是將出欄率小于1的用本年末存欄量與上年末存欄量進行平均處理, 而出欄率大于等于1的則按照IPCC的公式進行計算調(diào)整。此外, 由于糞便管理造成的碳排放易受到氣溫等條件的影響, 因此不同地區(qū)的碳排放系數(shù)有所差異, 《指南》給出了不同地區(qū)動物糞便管理的碳排放系數(shù)(表10)。

表 10 中國各區(qū)域動物糞便管理碳排放系數(shù)Table 10 Carbon emission coefficients from animal manure management by region in China kg·unit-1·a-1

2.3 碳匯角度

農(nóng)業(yè)作為重要的生態(tài)系統(tǒng), 具有碳源與碳匯的雙重屬性。IPCC第6次評估報告指出農(nóng)業(yè)、林業(yè)與土地利用可提供2050年全球碳減排20%～30%的潛力, 農(nóng)業(yè)是短期內(nèi)可能實現(xiàn)大量減少二氧化碳的唯一部門。因此, 有研究在進行碳排放測算時, 將農(nóng)業(yè)碳匯作為核算因素考慮在內(nèi), 用碳排放量減去碳匯量所得結(jié)果又被稱為凈碳排放。而由于農(nóng)業(yè)碳匯量大于碳排放量, 農(nóng)業(yè)凈碳排放核算結(jié)果往往為負(凈碳匯量為正)。

農(nóng)業(yè)碳吸收主要有農(nóng)作物光合作用固碳與土壤固碳兩種途徑[47], 因此在進行碳匯核算時主要分為農(nóng)作物吸收與土地利用兩方面內(nèi)容。田云等[48]、翁翎燕等[49]在進行農(nóng)作物吸收二氧化碳核算時引用了王修蘭[50]、韓召迎等[51]的方法和系數(shù), 具體是通過作物的產(chǎn)量和干物重來推算二氧化碳的吸收量, 公式可以表示為:

式中:C表示作物碳吸收總量,Ci表示第i種作物碳吸收量,ci表示第i種作物光合作用合成單位有機質(zhì)吸收的碳即碳吸收率,Yi為作物的經(jīng)濟產(chǎn)量,ri為第i種作物經(jīng)濟產(chǎn)品部分的含水量, HIi為第i種作物的經(jīng)濟系數(shù)。相關(guān)的糧食作物與經(jīng)濟系數(shù)由王修蘭[50]整理所得, 蔬菜瓜類等園藝作物的經(jīng)濟系數(shù)由韓召迎等[51]根據(jù)文獻資料估算所得(表11)。

表 11 主要農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)、含水量和碳吸收率[50-51]Table 11 Economic factors, water contents and carbon absorption rates of main crops[50-51]

根據(jù)土地利用方式測算碳匯時, 方精云等[52]根據(jù)各地不同森林類型的實測數(shù)據(jù), 基于連續(xù)生物量換算因子法, 最終得出了林地的碳吸收參數(shù)為5.77 kg(C)·m-2·a-1; 根據(jù)我國草地的實地調(diào)查和遙感數(shù)據(jù)建立方程, 測得草地的碳吸收參數(shù)為0.0021 kg(C)·m-2·a-1。張大東等[53]根據(jù)園地的土壤和植被固碳系數(shù)測算了浙江省的園地碳吸收量, 而根據(jù)其研究中2000-2009年園地固碳量除以園地面積估算園地的碳吸收系數(shù)為0.559 kg(C)·m-2·a-1。此外, 土壤固碳能力會受到農(nóng)田管理措施影響, 韓冰等[54]研究發(fā)現(xiàn)施用化肥、秸稈還田、施用有機肥和免耕等管理措施可以使農(nóng)田土壤固碳能力分別增加40.51 Tg·a-1、23.89 Tg·a-1、35.83 Tg·a-1和1.17 Tg·a-1。

2.4 基于全生命周期法的碳足跡測算

碳足跡是從生命周期角度出發(fā), 分析全生命周期與人類生產(chǎn)消費活動直接或間接相關(guān)的碳排放過程[55]。全生命周期評價法(LCA法)是自下而上的過程分析法, 而運用LCA法核算農(nóng)業(yè)碳足跡時, 主要有兩個關(guān)鍵步驟: 第一, 確定農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的邊界, 即界定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從投入到產(chǎn)出全過程中直接或間接產(chǎn)生碳排放的活動; 第二, 收集計算碳足跡所需的數(shù)據(jù), 包括農(nóng)業(yè)生命周期中碳排放活動的數(shù)量和對應(yīng)的排放因子[56]。因此, 進行農(nóng)業(yè)碳足跡核算時與一般排放因子法農(nóng)業(yè)碳排放核算區(qū)別就在于在確定碳排放來源時, 采用的方法是LCA法, 從農(nóng)業(yè)全生命周期的角度來構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳排放分析框架, 其核算的內(nèi)容比較全面, 但是由于涵蓋的核算內(nèi)容多, 核算過程也比較耗時且成本較高。

黃祖輝等[56]、張廣勝等[4]在測算農(nóng)業(yè)碳足跡時,分析了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及最終廢棄物處置全過程中直接和間接碳排放的活動, 并將投入產(chǎn)出法嵌入其中進行核算; 此外, 還考慮了免耕等農(nóng)業(yè)技術(shù)管理措施的固碳減排效應(yīng), 最終得到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的凈碳足跡。姚成勝等[57]基于LCA法測算了中國畜牧業(yè)的碳排放,其中不僅包括了畜禽飼養(yǎng)過程的碳排放, 還考慮了飼料糧種植與運輸加工、畜禽產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)的碳排放。

3 簡要評述與研究展望

3.1 簡要評述

隨著碳排放問題受到廣泛關(guān)注, 學(xué)者們對中國農(nóng)業(yè)碳排放核算等內(nèi)容進行了深入研究并取得了豐碩成果, 為農(nóng)業(yè)碳排放測算指標體系建設(shè)、研究農(nóng)業(yè)碳排放問題與制定農(nóng)業(yè)減排固碳的相關(guān)政策提供了堅實基礎(chǔ)。但是, 現(xiàn)有研究也存在一定局限性, 主要體現(xiàn)在以下方面:

第一, 確定農(nóng)業(yè)碳排放來源時不夠科學(xué)全面?，F(xiàn)有研究在農(nóng)業(yè)碳排放核算時, 大多只測算了農(nóng)業(yè)碳排放來源某個或某幾個方面, 如只核算了農(nóng)業(yè)物資投入造成的碳排放或者農(nóng)業(yè)能源消耗的碳排放,未能全面測算整個農(nóng)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生的碳排放, 且目前的農(nóng)業(yè)碳排放集中于農(nóng)業(yè)產(chǎn)前和產(chǎn)中環(huán)節(jié), 缺乏對產(chǎn)后運輸、儲藏以及加工等產(chǎn)后環(huán)節(jié)的測算; 而部分研究未能掌握碳排放的內(nèi)涵, 只測算了農(nóng)業(yè)二氧化碳排放, 卻忽略了農(nóng)業(yè)是甲烷和氧化亞氮兩類溫室氣體的重要排放源, 導(dǎo)致最終測算結(jié)果較為片面。遺漏農(nóng)業(yè)碳排放源會導(dǎo)致碳排放結(jié)果被大大低估,不利于對農(nóng)業(yè)碳排放現(xiàn)狀進行準確把握, 難以為農(nóng)業(yè)減排相關(guān)政策的制定提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支撐。另外尚有所爭議的是化肥、農(nóng)藥生產(chǎn)過程中的碳排放在工業(yè)碳排放核算時已考慮在內(nèi), 是否應(yīng)該再計入農(nóng)業(yè)碳排放。

第二, 排放系數(shù)的使用較為主觀隨意。隨著排放系數(shù)法在農(nóng)業(yè)碳排放測算等研究中被廣泛使用,排放系數(shù)是否準確、科學(xué)越來越成為能否精確測算農(nóng)業(yè)碳排放的關(guān)鍵。農(nóng)業(yè)碳排放因作物種類、耕作方式、地理區(qū)間等方面不同存在較大差距?，F(xiàn)有部分研究在引用相關(guān)排放系數(shù)時, 未明晰其原始來源,一方面, 采用的部分排放系數(shù)來源于國外多年前的試驗, 是否適用于中國農(nóng)業(yè)碳排放的情景還有待商榷; 另一方面, 由于對引用的排放系數(shù)測算范圍不清,導(dǎo)致出現(xiàn)重復(fù)測算的情況, 如被引用較多的翻耕排放系數(shù), 其在測算時不僅包括了翻耕導(dǎo)致土壤有機碳庫流失產(chǎn)生的碳排放, 還囊括了農(nóng)業(yè)物資投入和柴油等方面產(chǎn)生的碳排放, 如果在最終測算時將此類翻耕碳排放與農(nóng)業(yè)物資碳排放簡單相加進行核算,必然導(dǎo)致結(jié)果被高估。此外, 由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程是動態(tài)變化過程, 隨著技術(shù)進步與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,農(nóng)業(yè)碳排放水平也會發(fā)生相應(yīng)變化, 而現(xiàn)有的碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)滯后、測算方法粗放、缺乏動態(tài)調(diào)整[58]。

第三, 農(nóng)業(yè)碳匯核算等研究有待深入。一方面,由于現(xiàn)有能源減排與固碳技術(shù)在短期內(nèi)實現(xiàn)突破難度較大, 而農(nóng)業(yè)作為重要的碳匯來源, 可以通過作物吸收和土壤兩條途徑進行固碳, 有著巨大的固碳潛力, 對于實現(xiàn)“雙碳”目標有著至關(guān)重要的作用; 另一方面, 隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進一步開展, 生態(tài)振興與生態(tài)富民在鄉(xiāng)村振興中將扮演更為重要的角色, 而碳排放交易制度以及生態(tài)價值補償?shù)葐栴}的研究展開亟需農(nóng)業(yè)碳匯測算數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)支撐。當前研究多關(guān)注于農(nóng)業(yè)碳排放測算, 或是將農(nóng)業(yè)碳源與碳匯結(jié)合起來進行農(nóng)業(yè)凈碳匯測算, 由于當前碳排放測算準確性難以保證, 因此考慮碳排放的凈碳匯測算所得結(jié)果的準確性更會大大降低; 而農(nóng)業(yè)碳匯單獨測算以及影響因素等研究相對較少, 尚存在一定研究空白。

第四, 農(nóng)業(yè)碳排放研究集中于國家和省級等宏觀層面, 農(nóng)戶以及企業(yè)等微觀層面的研究相對較少。從宏觀層面測算農(nóng)業(yè)碳排放情況, 掌握國家和地區(qū)的農(nóng)業(yè)碳排放情況, 從而為宏觀政策的制定提供支撐固然重要, 但農(nóng)戶作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要主體, 其生產(chǎn)決策對于農(nóng)業(yè)碳排放有著直接影響?，F(xiàn)有研究往往熱衷于開展宏觀層面的碳排放測算和實證分析,而對農(nóng)戶和企業(yè)等微觀層面的關(guān)注不足、數(shù)據(jù)開發(fā)程度較低。此外, 現(xiàn)有文獻從空間視角研究農(nóng)業(yè)碳排放時, 局限于對空間差異的規(guī)律性總結(jié)描述, 對其產(chǎn)生差異的原因解釋不足, 缺乏對不同尺度和時空范圍的碳排放對比與變化研究[59]。

3.2 研究展望

結(jié)合現(xiàn)有研究存在的不足, 未來對我國農(nóng)業(yè)碳排放核算等相關(guān)問題的研究, 可以考慮從以下幾個方面深入展開:

第一, 構(gòu)建一套統(tǒng)一、全面、科學(xué)、合理的農(nóng)業(yè)碳排放測算指標體系標準。由國家相關(guān)部門牽頭,加強與各高校與科研單位合作, 建立完善農(nóng)業(yè)碳排放核算的方法學(xué)體系, 根據(jù)農(nóng)業(yè)碳排放的科學(xué)原理與我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)實情況, 參考IPCC國家溫室氣體排放清單等國際標準, 綜合采用全生命周期和投入產(chǎn)出等方法確定二氧化碳、甲烷和氧化亞氮在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的主要排放源頭, 將農(nóng)業(yè)要素投入、能源消耗、秸稈焚燒、土壤管理、水稻生長以及動物腸道發(fā)酵與糞便管理等各類源頭全面納入農(nóng)業(yè)碳排放核算體系。

第二, 建立中國農(nóng)業(yè)碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)庫。首先,在借鑒國內(nèi)外研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上, 總結(jié)整合農(nóng)業(yè)碳排放領(lǐng)域的排放系數(shù); 其次, 與自然學(xué)科展開深入合作, 加快遙感、大數(shù)據(jù)與云計算等新興技術(shù)在實測領(lǐng)域的研究[60], 通過實地監(jiān)測、自然試驗等方法, 分不同地區(qū)、不同溫室氣體種類、不同耕作方式以及不同作物種類和養(yǎng)殖品種等各類碳排放源全面測算符合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際的排放系數(shù), 為農(nóng)業(yè)碳排放核算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

第三, 深化對農(nóng)業(yè)碳匯相關(guān)研究。加強對農(nóng)業(yè)碳匯核算與影響因素的研究, 尤其需要繼續(xù)深入保護性耕作、秸稈還田、有機肥施用、綠肥種植等措施對農(nóng)田土壤固碳能力的影響研究, 推動提升土壤有機質(zhì)含量, 充分發(fā)揮土壤固碳潛力。在此基礎(chǔ)上,推進生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)價值一致性補償?shù)饶Ｐ驮谵r(nóng)業(yè)生態(tài)補償標準及其相關(guān)問題的應(yīng)用研究[61], 積極探索建立農(nóng)業(yè)碳匯市場補償機制和其他農(nóng)業(yè)生態(tài)價值補償機制, 從而加強農(nóng)戶減排固碳行為的經(jīng)濟激勵, 為實現(xiàn)“雙碳”目標做出積極貢獻。

第四, 繼續(xù)加強農(nóng)戶與企業(yè)微觀層面的農(nóng)業(yè)碳排放研究。農(nóng)業(yè)減排固碳政策歸根結(jié)底要落實在農(nóng)戶與企業(yè)等微觀主體身上, 考察農(nóng)戶對相關(guān)政策的行為反應(yīng)能為政策實行效果給予客觀真實地反饋[62]。因此, 需要進一步深化農(nóng)戶生產(chǎn)碳排放及其低碳生產(chǎn)行為的影響機制研究, 并深入對不同尺度與時空的碳排放對比和變化分析, 從根本上挖掘農(nóng)業(yè)碳排放的影響因素、特征差異與存在問題。另外, 充分發(fā)揮模擬模型在碳排放預(yù)測中的作用, 為農(nóng)業(yè)碳排放政策制定與調(diào)整提供參考依據(jù)。