農(nóng)業(yè)碳排放時(shí)序特征及達(dá)峰分析
——以海南省18市縣為例

霍禮鑫張雨帆柯佑鵬過建春王佳楠

(1.海南大學(xué)管理學(xué)院，海南 海口 570228；2.海南師范大學(xué)，海南 ?？?571158)

進(jìn)入21世紀(jì)以來CO2、CH4等溫室氣體的大量排放導(dǎo)致全球氣候變暖，導(dǎo)致全球極端氣候?yàn)?zāi)害事件頻繁發(fā)生[1]。因此，減少溫室氣體排放、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已達(dá)成國際共識(shí)[2]。中國作為主要的碳排放國家之一，在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上提出力求于2030年前達(dá)到碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)是全球溫室氣體的第2大碳排放源，農(nóng)業(yè)碳排放的研究對(duì)于解決環(huán)境問題意義重大[4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放的測算方法較多，主要包括IPCC測算法、碳排放系數(shù)法等方法。張廣勝等[6]利用生命周期法評(píng)估法測度了1985—2011年中國農(nóng)業(yè)碳排放總量。Borgen[5]使用IPCC法對(duì)挪威農(nóng)田和草地的溫室氣體碳排放進(jìn)行研究。楊果等[7]利用投入產(chǎn)出法進(jìn)行我國農(nóng)業(yè)碳排放的測算。Guo等[8]基于碳排放系數(shù)法對(duì)吉林省農(nóng)業(yè)碳排放量進(jìn)行測算。近年來，學(xué)者也開始關(guān)注農(nóng)業(yè)碳排放預(yù)測，利用不同方法預(yù)測碳排放。邱子健等[2]利用STIRPAT模型，根據(jù)設(shè)定的基準(zhǔn)情景和低碳情景對(duì)江蘇省未來農(nóng)業(yè)碳排放趨勢進(jìn)行預(yù)測分析。胡劍波等[9]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究預(yù)測中國工業(yè)碳排放量將于2026年達(dá)到峰值。趙愛文等[10]較早將灰色預(yù)測模型應(yīng)用于中國碳排放問題并通過對(duì)中國碳排放進(jìn)行短期預(yù)測證實(shí)灰色GM(1，1)模型的預(yù)測較為精準(zhǔn)。Li等[11]利用GM(1，1)模型預(yù)測2020年山東省碳排放將增長到2015年的20%左右。通過梳理文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)還存在2方面問題：鮮有研究涉及到農(nóng)業(yè)碳排放預(yù)測層面，雖然有不少學(xué)者的研究涉及到碳排放的預(yù)測，但是碳排放預(yù)測研究主要集中于國家層面或局限于工業(yè)領(lǐng)域，關(guān)于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳排放預(yù)測的文獻(xiàn)較少；研究人員主要從山東、黑龍江等農(nóng)業(yè)大省進(jìn)行研究或是著眼于全國角度分析，有關(guān)海南省熱帶地區(qū)農(nóng)業(yè)碳排放的相關(guān)研究較少。

本文以海南省為主要研究地區(qū)，從種植業(yè)碳排放、禽畜業(yè)碳排放2個(gè)方面共10個(gè)碳源，構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳排放計(jì)算架構(gòu)并測算海南省及18個(gè)市縣2011—2021年主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)碳排放量，分析其碳排放的時(shí)序特征，利用灰色預(yù)測模型預(yù)測2021—2035年海南省及各市縣農(nóng)業(yè)碳排放量，提出有針對(duì)性的農(nóng)業(yè)碳減排建議。

1 方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

從農(nóng)業(yè)碳排放的指標(biāo)體系構(gòu)建來看，農(nóng)業(yè)碳排放主要有3個(gè)來源：農(nóng)用物資直接投入產(chǎn)生的碳排放，具體包括化肥、農(nóng)藥、柴油、農(nóng)膜直接利用產(chǎn)生的碳排放、土地翻耕導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)損失所產(chǎn)生的碳排放以及農(nóng)業(yè)灌溉所耗費(fèi)的能源燃料產(chǎn)生的碳排放[6]；水稻成熟過程中所釋放的甲烷等溫室氣體[8]；禽畜業(yè)養(yǎng)殖期間所產(chǎn)生的碳排放，包括糞便以及腸道發(fā)酵系統(tǒng)所產(chǎn)生的溫室氣體排放。相較于其他省份，海南省水稻所產(chǎn)生的碳排放量所占比重不高，所以將農(nóng)用物資所產(chǎn)生的碳排放和水稻種植過程中產(chǎn)生的碳排放歸為種植業(yè)碳排放。本文結(jié)合海南的實(shí)際情況從種植業(yè)碳排放、禽畜業(yè)碳排放2個(gè)方面構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳排放的計(jì)算架構(gòu)。

1.2 研究方法

本文利用政府間氣候變化委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告發(fā)布的碳排放系數(shù)法參考美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和省級(jí)溫室氣體排放清單的測算指標(biāo)系數(shù)，測算海南省及各市縣農(nóng)業(yè)碳排放量并進(jìn)行分析，采用灰色預(yù)測模型GM(1，1)預(yù)測海南省及各市縣農(nóng)業(yè)碳排放量趨勢。

海南省農(nóng)業(yè)碳排放量測算公式：

T=∑Ti=∑Fi×αi

(1)

式中，T為農(nóng)業(yè)碳排放總量；Ti為農(nóng)業(yè)活動(dòng)中各源農(nóng)業(yè)碳排放；Fi為農(nóng)業(yè)碳排放活動(dòng)量；αi為各源類農(nóng)業(yè)碳排放系數(shù)。本文通過借鑒自然科學(xué)研究成果并結(jié)合海南省實(shí)際情況選取2個(gè)方面的主要碳排放源：種植業(yè)碳排放、禽畜業(yè)碳排放。2020年主要農(nóng)作物秸稈綜合利用率達(dá)85%以上，2022年實(shí)現(xiàn)秸稈直接還田20萬hm2，秸稈綜合利用率穩(wěn)定在86%以上，減排空間有限，故未將秸稈焚燒產(chǎn)生的碳排放納入計(jì)算中。本文中農(nóng)業(yè)碳排放主要包含種植業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放和禽畜養(yǎng)殖業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放。

農(nóng)田資源投入碳排放源系數(shù)及參考來源見表1所示。根據(jù)政府間氣候變化委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告結(jié)果顯示CH4和N2O轉(zhuǎn)化為CO2的增溫潛勢系數(shù)分別為21和310。

表1 種植業(yè)碳排放源與系數(shù)

禽畜養(yǎng)殖中的碳排放主要來自于禽畜腸道發(fā)酵中產(chǎn)生的甲烷以及禽畜糞便中產(chǎn)生的甲烷和氧化亞氮，本文根據(jù)政府間氣候變化委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告、省級(jí)溫室氣體排放清單以及相關(guān)文獻(xiàn)[12]，選取的禽畜養(yǎng)殖中各碳源排放系數(shù)見表2。

表2 禽畜業(yè)碳排放源與系數(shù)

1.3 灰色預(yù)測模型

灰色預(yù)測模型GM(1，1)是基于原始數(shù)列逐步上升或者下降的規(guī)律，對(duì)原始數(shù)列在應(yīng)用過程中累加生成序列以減少原始數(shù)列的隨機(jī)性，使其呈現(xiàn)出較為明顯的特征規(guī)律的模型。因此，本文選擇適應(yīng)于小樣本量且確信度較高的灰色預(yù)測模型GM(1，1)來預(yù)測海南省及各市縣未來的農(nóng)業(yè)碳排放量，利用計(jì)算得到的2011—2021年海南省農(nóng)業(yè)碳排放量，構(gòu)建原始數(shù)列，對(duì)海南省2021—2030年農(nóng)業(yè)碳排放量進(jìn)行趨勢預(yù)測。具體步驟如下。

將海南省2011—2021年農(nóng)業(yè)碳排放量作為原始數(shù)列，計(jì)算原始數(shù)列x(0)的級(jí)比：

(2)

建立碳排放量的微分方程：

(3)

式中，(x)(1)(t)為累加數(shù)列，利用最小二乘法求解灰參數(shù)a和μ：

(4)

其中，

(5)

yn=[x(0)(2)，x(0)(3)，…，x(0)(n)]T

(6)

將灰參數(shù)a和μ代入時(shí)間函數(shù)可得：

(7)

相應(yīng)的碳排放量預(yù)測值即為：

t=1，2，3，…，n-1

(8)

運(yùn)用關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)、殘差檢驗(yàn)、后驗(yàn)差檢驗(yàn)等檢驗(yàn)?zāi)Ｐ虶M(1，1)的精度，并對(duì)2022—2035年海南省碳排放量進(jìn)行預(yù)測。

1.4 數(shù)據(jù)來源

本文海南省農(nóng)業(yè)碳排放的數(shù)據(jù)均來源于《海南省統(tǒng)計(jì)年鑒》，氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥、農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力、農(nóng)藥均為當(dāng)年量；翻耕面積為耕地總面積；灌溉面積為單位有效灌溉面積；水稻面積為海南省熱帶稻田早稻晚稻面積；禽畜出欄量均采用當(dāng)年出欄量，年內(nèi)肥豬和年內(nèi)家禽平均生命周期為200d和55d。本文研究地區(qū)選取海南省主要18市縣，由于三沙市的特殊性故本文并未將三沙市納入本文研究范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南省農(nóng)業(yè)碳排放時(shí)序特征

基于《海南省統(tǒng)計(jì)年鑒》的海南省農(nóng)業(yè)碳排放的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用碳排放系數(shù)法得到的2011—2021年海南省農(nóng)業(yè)碳排放量測算結(jié)果及各碳源所占比例如表3所示。

表3 2011—2021年海南省農(nóng)業(yè)碳排放量情況

由表3可知，2021年農(nóng)業(yè)碳排放量為397.67萬t，比2011年下降了14.45%，平均每年下降1.445%。其中，2021年種植業(yè)碳排放總量為266.43萬t，占比66.99%，2021年畜禽業(yè)碳排放總量為131.24萬t，占比33.01%。2011—2021年海南省農(nóng)業(yè)碳排放總量呈現(xiàn)先上升再下降的2個(gè)階段。第1階段，海南省農(nóng)業(yè)碳排放量從2011年的464.83萬t到2013年的528.67萬t，并于2013年達(dá)到頂峰，年均增長率為6.65%。并且2011—2012年的增長速度較快，同比增長11.03%，隨后1年增長速度較慢，每年同比增長率約為2.43%。第2階段，海南省農(nóng)業(yè)碳排放量呈現(xiàn)出逐步下降走勢，農(nóng)業(yè)碳排放量從2014年的514.39萬t下降到2021年的397.67萬t，年均下降率為3.43%。

2.2 海南省各市縣農(nóng)業(yè)碳排放時(shí)序特征

基于《海南省統(tǒng)計(jì)年鑒》的海南省各市縣農(nóng)業(yè)碳排放的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用碳排放系數(shù)法得到的2011—2021年海南省農(nóng)業(yè)碳排放量分布圖以及各市縣碳排放測算結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 2011年海南省18市縣農(nóng)業(yè)碳排放分布圖

圖2 2021年海南省18市縣農(nóng)業(yè)碳排放分布圖

圖3 2011—2021年海南省各市縣農(nóng)業(yè)碳排放量占比圖

從研究數(shù)據(jù)來看，海口、瓊海、澄邁、儋州、文昌、樂東2011—2021年農(nóng)業(yè)碳排放總量超過300萬t，為沿海地區(qū)。大多數(shù)市縣的農(nóng)業(yè)碳排放總量在100萬～300萬t。五指山、保亭2011—2021年農(nóng)業(yè)碳排放總量小于100萬t，，均為內(nèi)陸地區(qū)?？梢钥闯?，海南省農(nóng)業(yè)碳排放總量呈現(xiàn)四周沿海地區(qū)高，中部內(nèi)陸地區(qū)低的分布規(guī)律，且從2011—2021年海南省農(nóng)業(yè)碳排放總體呈現(xiàn)不斷減少的趨勢。從2011—2021年海南省各市縣農(nóng)業(yè)碳排放量占比分布趨勢來看，農(nóng)業(yè)碳排放量呈下降趨勢的有11個(gè)，具體為海口、五指山、文昌、臨高、瓊中、陵水、昌江、儋州、屯昌、三亞、瓊海。其中下降得最快的是瓊中縣，年均下降幅度為15.85%。瓊中地處海南中部核心保護(hù)區(qū)，農(nóng)村土地面積僅占全縣土地面積的13.4%，近年來瓊中大力發(fā)展旅游業(yè)、熱帶高效農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)碳排放量也呈現(xiàn)明顯下降趨勢。海南省共有7個(gè)市(縣)農(nóng)業(yè)碳排放總量呈現(xiàn)上升趨勢，具體為萬寧、定安、澄邁、東方、保亭、白沙、樂東。其中，只有樂東農(nóng)業(yè)碳排放總量表現(xiàn)為快速上升，上升幅度超過1%，年均增長2.27%。樂東縣農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，化學(xué)和農(nóng)藥的施用量逐年升高，盡管樂東縣已出臺(tái)相應(yīng)的減排政策，但是效果并不顯著?？偟膩砜?，海南省四周沿海地區(qū)的農(nóng)業(yè)碳排放量多數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，中部地區(qū)的農(nóng)業(yè)碳排放量多數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。

2.3 碳排放預(yù)測及達(dá)峰分析

經(jīng)由灰度預(yù)測模型GM(1，1)運(yùn)算得到2021—2035年海南省和17個(gè)市縣的農(nóng)業(yè)碳排放量預(yù)測值。其中，瓊中由于碳排放有效樣本量占比過小，且瓊中森林覆蓋率達(dá)到88.81%，已于2013年完成碳達(dá)峰，故沒有預(yù)測瓊中未來10年的碳排放數(shù)據(jù)，海南省其余各市縣的農(nóng)業(yè)碳排放預(yù)測如表4所示。

表4 海南省及各市縣農(nóng)業(yè)碳排放量預(yù)測值

2022—2035年海南省農(nóng)業(yè)碳排放預(yù)測值不斷走低。其中，2022—2035年海南省農(nóng)業(yè)碳排放量平均值為319.55，遠(yuǎn)低于2011—2021年農(nóng)業(yè)碳排放量的平均值，根據(jù)預(yù)測結(jié)果海南省農(nóng)業(yè)碳排放量在2021年后持續(xù)下降，在2030年前已達(dá)到峰值。這是由于海南自建立自由貿(mào)易港以來，大力發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)，保護(hù)綠色環(huán)境使得海南省擁有優(yōu)越的生態(tài)環(huán)境。并且海南省于2021年7月提出要多措并舉做“減法”，不斷探索“降碳減排”之路。在2022年8月印發(fā)《海南省碳達(dá)峰實(shí)施方案》。從預(yù)測結(jié)果來看?？?、三亞、陵水、白沙、昌江、澄邁、五指山、萬寧、屯昌、保亭、臨高、文昌、瓊海、樂東14個(gè)市(縣)農(nóng)業(yè)碳排放量呈現(xiàn)逐年下降的趨勢，在2035年前均已達(dá)到峰值，但是定安、儋州、東方3個(gè)市(縣)農(nóng)業(yè)碳排放量呈現(xiàn)逐年上升趨勢，并未達(dá)到峰值?？梢姡Ｄ鲜】刂妻r(nóng)業(yè)碳排放要因地制宜，根據(jù)各市縣不同情況制定相應(yīng)的減排政策，以確保各市縣在2035年前能實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，并最終實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

3 政策建議

為有效控制農(nóng)業(yè)碳排放總量，進(jìn)一步減少海南省農(nóng)業(yè)碳排放，爭取早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，考慮到海南省各市縣農(nóng)業(yè)碳排放的非均衡性，各地政府應(yīng)根據(jù)本地實(shí)際情況，制定精準(zhǔn)適用的低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展政策。

3.1 大力發(fā)展熱帶綠色農(nóng)業(yè)，減少種植業(yè)碳排放

立足于海南省各市縣的實(shí)際情況，針對(duì)海南糧食主產(chǎn)區(qū)、冬季瓜菜種植區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域，不斷推進(jìn)海南省農(nóng)業(yè)“增效減施”“降碳減排”，加快有機(jī)肥替代化肥、秸稈還田、生物農(nóng)藥等新技術(shù)的推廣；以海南糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)所需農(nóng)機(jī)為重點(diǎn)，推行節(jié)能減排行動(dòng)，加大對(duì)節(jié)水灌溉、精準(zhǔn)施藥、側(cè)深施肥、免耕播種等綠色農(nóng)業(yè)新機(jī)具的宣傳與推廣力度；以海南水稻主產(chǎn)區(qū)為重點(diǎn)，與南繁等科研機(jī)構(gòu)合作推廣高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的水稻減少甲烷產(chǎn)生。

3.2 提升畜禽養(yǎng)殖業(yè)低碳發(fā)展水平

畜禽養(yǎng)殖業(yè)碳排放量占海南省農(nóng)業(yè)碳排放量的33.01%，針對(duì)海南省禽畜業(yè)具有一定的減排空間。以海南畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場為重點(diǎn)，積極推行禽畜企業(yè)安裝糞污處理設(shè)備并對(duì)禽畜糞污綜合利用率達(dá)標(biāo)的養(yǎng)殖場給予一定的優(yōu)惠政策；大力推廣反芻動(dòng)物腸道甲烷減排技術(shù)，尤其是生豬養(yǎng)殖業(yè)，通過選用高品質(zhì)飼料、調(diào)節(jié)禽畜口糧結(jié)構(gòu)、來減少反芻動(dòng)物碳排放，減少畜禽養(yǎng)殖業(yè)碳排放量。

3.3 根據(jù)農(nóng)業(yè)碳排放區(qū)域差異分區(qū)制定節(jié)能減排政策

結(jié)合農(nóng)業(yè)碳排放量四周沿海地區(qū)高，中部內(nèi)陸地區(qū)低，并且呈現(xiàn)上升趨勢的分布規(guī)律，確定重點(diǎn)減排區(qū)域。對(duì)于四周沿海地區(qū)以及定安、儋州、東方3個(gè)預(yù)測于2035年前未達(dá)到碳達(dá)峰的市縣給予高度的重視，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，制定個(gè)性化的農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展政策，實(shí)現(xiàn)海南省各市縣聯(lián)動(dòng)發(fā)展。