2008～2017 年中國地級市化肥施用碳足跡的時空演變格局

田沛佩,盧宏瑋,李 丹,殷 闖,夏 軍1, (1.中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101；.華北電力大學可再生能源學院,北京 1006；.武漢大學,水資源與水電工程科學國家重點實驗室,武漢 4007)

人為溫室氣體排放是導致全球氣候變化的重要原因之一[1-2],而農業生產是全球第二大溫室氣體(GHG)排放源[3],占人為溫室氣體排放總量的21%～25%[4]和非CO2溫室氣體(N2O 和CH4)排放的56%[5].化肥生產和施用是溫室氣體排放的重要部分,我國從20 世紀70 年代開始大力推動化肥工業和農業施肥[6-7],至2015 年全國化肥施用量達到6.02×107t(折純量),較1978 年增加581%[8].具體來看,我國化肥消費量在2008 年以后依然快速增長,至2015 年達到峰值.從化肥施用量和播種面積來看,我國單位面積化肥施用負荷在不斷提高.2015 年,國家提出化肥施用零增長行動[8],自此化肥施用量開始下降,至2017 年降至5.86×104t,降幅為2.7%,說明化肥施用零增長行動政策效果初顯.單獨來看,氮肥年用量為2.2×107t/a,在2013 年達到峰值后持續下降,至2017 年較峰值下降7.3%;磷肥年用量為8×106t/a,2017 年較2008 年僅增加2.2%;鉀肥施用量在2015 年達到峰值.化肥的大量施用對農作物增產起到了關鍵作用,但其伴生的環境污染和溫室氣體排放同樣影響深遠.因此,探明我國化肥碳排放特征及規律對發展低碳高效農業,保護生態環境具有重要意義.

碳足跡是目前國內外普遍認可的一種用于衡量產品或服務碳排放水平的指標.目前,國內外學者對我國化肥施用進行了一系列研究.例如,潘曉東等[9]分析了中國地級市化肥施用量的時空變化特征,發現2000～2015 年我國化肥施用量超標的地級市變多,區域變廣,糧食重心和化肥施用量的移動軌跡出現明顯差異;陳舜等[10]推算了符合中國目前情況的各種氮,磷和鉀肥制造過程中的溫室氣體排放系數,并指出大部分排放系數為歐美平均水平的2 倍左右;Zhang 等[11]基于全生命周期分析量化了中國氮肥施用的碳足跡,得出中國每生產和施用1t 氮肥會排放13.5t 當量的CO2,且從1980 年至2010 年由氮肥生產和施用引起的碳排放增加了2 倍.這些研究對認識我國化肥的碳排放具有重要價值.

本文在已有研究基礎上,從全生命周期思想出發,對我國氮,磷和鉀肥生產,運輸和施用過程的溫室氣體排放進行準確量化.在研究尺度上,基于更小尺度空間樣本單元數據進行分析和研究,從時空角度定量探究我國2008～2017 年地市尺度的化肥施用碳足跡,以期為我國低碳高效農業發展提供科學依據.

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區域及數據來源

以中國大陸為研究區域,涉及全國334 個地級行政單元(不包括港澳臺地區).基于數據的有效性和可獲取性,選取2008～2017 年為研究時段.涉及的數據主要為地市級氮,磷和鉀肥施用量(折純量),耕地面積等,數據來源為我國歷年地市的統計年鑒[12].部分缺失數據用省級數據按耕地面積插值替代,缺失地市(集中于內蒙,福建,廣州和青海)數據占比13.6%.

1.2 研究系統邊界

本研究基于生命周期思想,研究系統邊界設定為主要化肥(氮,磷和鉀)從生產到施用全過程所造成的直接或間接溫室氣體排放,包括[13]:①化肥生產和運輸過程的排放;②氮肥施用造成的土壤N2O 排放[14];③氮肥施用所增加的土壤固碳量[15].其中①和②為正排放.③為負排放.

1.3 化肥施用碳足跡計算

化肥施用碳足跡的計算參考Lu 等[16], Zhang等[17], Liu 等[13]研究成果和《2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南》[15].具體計算過程如下:

式中:CF 為化肥施用的碳足跡(t CO2eq);GEFij分別為氮,磷和鉀肥生產和運輸的排放;GENi為氮肥施用造成的土壤N2O 排放;GESi為氮肥施用所增加的土壤固碳量.

氮,磷和鉀肥生產和運輸的排放為:

式中:EFpj分別為氮,磷和鉀肥生產排放系數;EFt為化肥運輸排放系數;FAij分別為氮,磷和鉀肥的施用量(折純量).

氮肥施用所造成的土壤N2O 排放為:

式中:EFn為氮施用N2O 排放系數;298 為N2O 100 年增溫潛力[18];44/28 為N 與N2O 的轉換系數.

表1 中國化肥施用排放因子Table 1 Emission factors for fertilizer production and application

氮肥施用所增加的土壤碳固存為:

式中:

式中:A 為耕地面積;a 和b 為斜率和截距,根據Lu等[16]的研究選取.

單位面積的化肥施用溫室氣體排放(FCF:t CO2eq/hm2)為:

本研究中化肥施用碳排放系數見表1,其中中國農區的劃分基于Chen 等[19]的研究成果.

2 結果與討論

2.1 我國化肥施用碳足跡的總體特征

圖1 顯示了2008～2017 年中國化肥碳足跡構成.由圖可見,2008～2017 年間呈單峰形變化,前期緩慢增加并在2013 年達到峰值(253.9Tg CO2eq),之后持續下降,至2017 年碳足跡降至227.7Tg CO2eq,較峰值下降10.3%.對化肥碳足跡貢獻最多的是氮肥生產和運輸的溫室氣體排放(GEF-N:57%),其次是施用造成的土壤N2O 排放(GEN-N:21%);磷和鉀肥的施用(GEF-P 和GEF-K)共貢獻了約7%的溫室氣體排放,氮肥施用所增加的土壤碳固存(GES-N)減少了約16%的溫室氣體排放.總的來看,雖然2008～2017年磷肥和鉀肥的用量達到1400萬t/a(氮肥施用量的70%),但是大部分化肥施用溫室氣體排放來自于氮肥施用,且整個10 年間碳足跡構成無明顯變化(圖1).

圖2 顯示我國2015 年化肥施用碳足跡的空間特征.采用自然間斷點分級法對碳足跡進行分類,碳足跡越大說明該地區化肥施用碳排放越高.總的來看,2015 年全國大部分地市化肥施用溫室氣體排放均處于中低水平(0～80 萬t CO2eq)(圖2a),長江以南地市的化肥施用碳排放普遍較低,青藏地區的碳足跡更是低于5 萬t CO2eq.化肥施用碳足跡較高的地區主要分布在河南,河北,黑龍江和吉林等糧食主產區.氮肥施用碳足跡的時空分布特征與總碳足跡基本一致,說明化肥施用的溫室氣體排放主要由氮肥貢獻;磷肥施用碳足跡區域差異巨大,大部分處于低水平或高水平(0～0.02 或＞0.08Tg CO2eq)而處于中間水平的地市較少,且高水平區域與氮肥施用碳足跡高水平區域基本一致;鉀肥施用碳足跡較高的地區主要位于黑河騰沖線以南,東南沿海地區因為鉀肥施用的碳排放相對較高.

圖1 2008～2017 年中國化肥施用碳足跡構成Fig.1 Composition of the carbon footprint of the fertilizer application from 2008 to 2017

由表2 可知2008～2017 年我國化肥施用碳足跡的地市數量變化.大部分地市排放量位于0.2～0.4Tg CO2eq 之間且近十年間變化不大(約110 個左右),但碳排放高水平和低水平地市以2013 年為轉折點出現顯著負相關.具體來說,2008～2013 年化肥施用碳排放量較低的地市數量緩慢減少,由2008 年的62 個降至2013 年的58 個,減少的地市多位于青藏地區;而化肥施用碳排放量較高的地市數量緩慢上升,由2008 年的26 個增至2013 年的35 個,增加的地市多位于北方地區.2013～2017年化肥施用碳排放低水平的地市數量持續上升,而化肥施用碳排放高水平的地市數量則持續下降.總的來說,2013 年是我國化肥施用碳排放的轉折年,之后化肥施用碳排放低水平的地市數量開始逐漸增加,而高水平的地市數量相應減少.

圖2 2015 年中國化肥施用碳足跡Fig.2 The carbon footprint of the fertilizer application in 2015

表2 2008～2017 年不同化肥施用碳足跡水平下的地級市數量Table 2 The number of prefecture-level regions with different carbon footprints of fertilizer application in China from 2008 to 2017

2.2 我國化肥施用碳足跡負荷的時空特征

由圖3 可以看出,全國大部分地市化肥施用碳足跡負荷均處于中低水平(0～4t CO2eq/hm2)(圖3a),特別是南方和青藏地區.化肥施用碳足跡負荷較高的地區主要分布在我國的糧食主產區(華北平原,東北平原和長江中下游平原).全國化肥施用碳足跡總負荷為1.97t CO2eq/hm2,其中氮,磷和鉀肥碳足跡負荷分別為1.79t CO2eq/hm2,0.15t CO2eq/hm2和0.03t CO2eq/hm2,占比91%,7.6%和1.4%.根據國際通用的年化肥施用安全上限225kg/hm2[20]和我國通用的氮,磷和鉀施用比例11:4:3 計算,我國碳足跡負荷應不高于1.22t CO2eq/hm2,而上述計算得出的實際負荷已經高于國際水平50%以上.有253 個地市的實際負荷過高,主要位于華北平原,東北平原和長江中下游平原;負荷較小的地區(＜ 1.22t CO2eq/hm2)共有80 個,主要位于青藏高原和西北地區內蒙古一線.對比分析2015 年化肥施用碳足跡和碳足跡負荷可以看出,負荷高的地市與足跡高水平的地市基本一致,二者的時空分布特征(圖2和圖3)趨同,說明我國化肥施用碳足跡負荷的增加是碳足跡增加的重要原因[21].

圖3 2015 年中國化肥施用碳足跡負荷Fig.3 The farm carbon footprint of the fertilizer application in 2015

2.3 2008～2017 年我國地市級化肥施用碳足跡的變化

由圖4 可知,我國化肥施用碳足跡已從2008 年的238.9Tg CO2eq 降至2017 年的227.7Tg CO2eq.十年間化肥施用碳足跡呈下降趨勢的地市共216 個,占全國地級行政區的64.8%.其中,95 個地市溫室氣體減排超過1 萬 t CO2eq/a,占全國地級行政區的28.5%,主要分布在陜西,河北,河南,湖南和廣東等省.2008～2017年一直保持增長的地市有121個,其中48 個地市的溫室氣體排放量增加超過 1 萬 t CO2eq/a,占全國地級行政區的14.4%,主要位于新疆,云南,黑龍江和吉林省.2013 年之前共有152 個地市(主要集中在青藏和內蒙地區)碳足跡呈下降趨勢,超過一半的地市呈上升趨勢,新疆部分地區的溫室氣體排放增量甚至超過15 萬 t CO2eq/a.2013 年之后全國氮肥施用量開始減少,化肥施用碳足跡明顯下降,呈下降趨勢的地市增至216 個,占全國地級行政區的79.6%.這一時期全國化肥施用碳足跡下降范圍明顯增大,華北和東北平原大部分地區溫室氣體排放以超過1 萬t CO2eq/a 的速度下降.具體而言,氮肥施用碳足跡與碳足跡負荷于2013 年之后呈現下降趨勢,磷肥與鉀肥施用碳足跡與碳足跡負荷于2015 以后開始下降,化肥施用碳足跡與碳足跡負荷的變化呈現相對同步趨勢.但是,仍有33 個地市的化肥施用碳足跡依然保持增長,主要位于新疆,云南和黑龍江等地,說明在這些區域仍需進一步優化化肥施用模式,提高施肥效率.

2.4 討論

化肥的合理施用對于保障我國糧食安全至關重要,而當前依然存在的過度施用已經造成了嚴重的環境污染和大量溫室氣體排放[22].在碳足跡構成方面,我國化肥施用的碳足跡主要由氮肥施用驅動(占90%以上),2015 年氮肥施用碳足跡負荷為1.79t CO2eq/hm2,比國際平均水平高出50%以上.Ju 等[23]對水稻,小麥和玉米農田系統的研究表明我國當前采用的農業氮肥施用方法(550～600kg N/hm2)并不能顯著增加作物產量,但會導致嚴重的環境污染.減少氮肥施用量,優化施肥技術,控制氮肥流失是降低溫室氣體排放的重要途徑.在化肥生產和施用的各個階段,生產運輸過程的溫室氣體排放占比達60%以上.事實上,由于我國氮肥生產的設施和技術較為落后,產生了大量溫室氣體排放[11,24].優化能源生產過程,提高從大氣中制備氨的效率能大大減少化肥制造過程帶來的溫室氣體排放.

圖4 2008～2017 年中國化肥施用碳足跡變化Fig.4 Variation in carbon footprint of the fertilizer application from 2008 to 2017

針對化肥施用伴生的環境問題,我國政府出臺了《到2020 年化肥使用量零增長行動方案》[25],指出要加快轉變施肥方式,減少不合理化肥投入,走高產高效,優質環保,可持續發展之路.鑒于此,本文探究了2008～2017 年中國地級市化肥施用碳足跡的時空演變格局,繪制了我國化肥施用溫室氣體排放空間分布圖.但本文也存在大量的不確定性,主要來源于以下幾方面: 1)數據的不確定性,本文的主要數據來源為我國地市發布的統計年鑒,但是由于我國不同區域經濟發展和地方政府管理水平差異巨大,該數據的可靠新和準確性難以驗證; 2)計算方法的不確定性,本文基于生命周期思想探究我國化肥施用碳足跡的時空格局,主要考慮了化肥的生產,運輸和施用三大主要過程,在研究范圍的確定上存在不確定性;3)排放因子的不確定性,文中排放因子主要來源于前人研究成果,受制于數據和研究方法局限性,部分因子存在分辨率不足,時效性降低等問題,如化肥運輸排放因子采用全國平均排放因子,在空間分辨率上有待改善.此外,本文尚未深入分析單位產量化肥施用溫室氣體排放,也未對化肥施用碳足跡與糧食產量進行耦合研究.未來還需對我國化肥施用溫室氣體排放開展多尺度,多時段綜合分析.

3 結論

3.1 2008～2017 年,我國化肥施用碳足跡以2013 年為節點呈現“先增大后減少”的單峰變化,2015 年我國氮,磷和鉀肥施用總碳足跡負荷為1.97t CO2eq/hm2,較發達國家平均水平高出50%以上,我國生產化肥施用碳足跡依然處于較高水平.

3.2 在化肥生產和施用的全生命周期階段,生產和運輸過程的溫室氣體排放占比較高(60%以上),因此,更新和優化我國化肥生產的設施和技術有助于減少化肥施用的溫室氣體排放.

3.3 氮肥的施用貢獻了約91%的總化肥施用碳足跡,因此減少氮肥施用量,優化施肥技術,控制氮肥流失是減少我國化肥施用溫室氣體排放的重要途徑.

3.4 超過3/4 的地市化肥施用碳足跡負荷過高,主要位于我國三大糧食主產區:華北平原,東北平原和長江中下游平原,提高主產區生產效率,發展集約化農業對溫室氣體減排具有重要意義.

3.5 2013 年以后仍有33 個地市的化肥施用碳足跡依然保持增長,這些地區主要位于新疆,云南和黑龍江等地,在這些地區進一步優化化肥施用,提高施肥效率,可顯著提升當地綠色農業發展水平.