黃淮海玉米生產能源利用效率和凈生態系統碳平衡時空特征

楊 歡,喬 遠,2,王興邦,2,陳新平,2,張務帥,2,*

1 西南大學資源環境學院,重慶 4007152 西南大學長江經濟帶農業綠色發展研究中心,重慶 400715

玉米作為我國第一大糧食作物,在國家的糧食安全、經濟發展和社會穩定中占據重要的地位。玉米總產和種植面積在2018年分別達到2.57億t和42.1×106hm2,占國內谷物總產的37%和農作物總種植面積的25.4%,其總產和總種植面積較2004年分別增長97.4%和65.6%[1]。黃淮海地區是我國主要的玉米產區之一,玉米種植面積為600多萬hm2,總產量超過2300萬t,約占全國玉米總產量的39%[2]。當前黃淮海地區玉米生產存在資源利用率不高,土壤退化等問題[3]。因此,定量化評價黃淮海地區玉米生產的能源利用效率和凈生態系統碳平衡對保障我國糧食安全和玉米可持續生產尤為重要。

前期研究表明我國糧食生產存在肥料、農藥和柴油等資源投入過量的問題[4]。農業發展對生態環境的脅迫效應總體十分劇烈,短期內中國仍然面臨農業快速發展與生態環境保護之間的矛盾[5]。實施既能養活人類又能保護環境的可持續農業對于實現若干可持續發展目標至關重要。因此,對農業生產活動的能源分析可以幫助確定支持可持續農業的措施。于偉詠等[6]研究中測算中國31個省份的農業能源利用效率,指出碳排放強度低的地區農業能源利用效率較高。王夢媛等[7]研究發現盡管作物生產主要投入和產出要素相同,但同一作物不同地點產出能值和能源利用效率均存在顯著差異。綜上所述,我國農業能源利用效率主要從全國尺度出發開展研究,但尚未針對黃淮海地區玉米生產的時空變化進行定量化評價。

農業生產資料特別是氮肥的投入可以增加地上植物生物量,進而通過增強根系分泌物增加地下碳輸入。Ni[8]等人進行的整合分析表明,化肥顯著增加了20%的土壤碳輸入,主要是由于凈初級生產力的增加。農田土壤過多的化肥施用會導致土壤的酸化和鹽堿化,這可能會影響作物生長,從而降低有機碳固存潛力[9]。然而,氮肥投入同時也會增加土壤呼吸相關微生物的活性,甚至可以抵消對凈初級生產力的促進作用。Chen等[10]通過大量的田間試驗發現過量的氮肥和傳統的農業管理會造成大量的活性氮損失和溫室氣體排放。在中國東北地區,與不施氮的玉米農田土壤相比施氮增加土壤碳輸入0.08 Mg C/hm2,但同時刺激土壤CO2排放增加0.09 Mg C/hm2,從而導致土壤有機碳儲量減少[11]。由于直接測量土壤有機碳儲量變化存在一定局限,凈生態系統碳平衡被開發為估算土壤碳平衡的工具,但與之相關的黃淮海地區玉米生產凈生態系統碳平衡的研究尚缺乏。

基于全生命周期的定量化黃淮海地區玉米生產資源投入的能源利用效率和環境效益的時空變化研究較為缺乏,制約著我國對黃淮海地區玉米生產生態環境效益的評價和減排措施的提出。本文以2004—2018年黃淮海玉米生產為研究對象,基于國家統計數據,采用生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)、能值分析、碳平衡分析等方法,定量化該地區玉米生產能源利用效率和凈生態系統碳平衡及其時空變化,探究關鍵影響因素,提出優化措施,為實現玉米綠色生產提供依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域與供試作物

研究區域主要圍繞黃淮海地區的河北、河南、山東、安徽和江蘇五個省。該地區人口產業密集,農資投入量大,不同省份的資源投入和產量水平等存在較大差異。研究對象為黃淮海地區主要種植的夏玉米。

1.2 數據來源與收集

根據中國國家統計局(http://www.stats.gov.cn/)[1]、《中國農村統計年鑒》[12]以及《全國農產品成本收益資料匯編》[13]收集整理黃淮海地區2004—2018年來玉米生產的產量、種植面積、化肥用量、農藥、柴油、地膜、種子和人工等相關數據。

1.3 生命周期評價(LCA)

生命周期評價(LCA)是用于評估給定產品的潛在環境影響以支持生產和消費決策的最廣泛使用的工具之一[14]。研究中使用LCA定量化評估黃淮海地區玉米從農資的生產加工運輸到玉米收獲的整個生命周期的環境效應[15]。

1.4 能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態系統碳平衡和可持續性指數計算

1.4.1能源利用效率

為了闡明黃淮海地區玉米生產的能量平衡,本研究根據能源輸入(化肥、農藥、柴油地膜)和輸出(玉米籽粒所含能量)來計算玉米生產的凈能量、能源生產力和能源利用效率。計算公式如下：

NE=EO-ED

(1)

EP=YP/ED

(2)

EUE(%)=EO/ED×100%

(3)

式中,NE、EP和EUE分別為凈能量(能源產生和消耗量之間的差值)、能源生產力(單位能源消耗所生產的玉米籽粒產量)和能源利用率(單位能源消耗的能量產生量)。EO是玉米籽粒的能源產生,ED是能源消耗包含玉米生產期間消耗的可再生能源(即人工和種子)和不可再生能源(即柴油,機械,農藥和化肥),單位為GJ/hm2。YP為玉米籽粒的產量,單位為kg。本研究將能量輸入和輸出乘以它們各自的能量當量參數,以計算能源消耗量和能源產生量(表1)[16—28]。

1.4.2溫室氣體排放

基于生命周期評價方法,本研究計算了整個生命環節的溫室氣體排放量,單位為kg CO2-eq/hm2。農業溫室氣體主要包括CO2,CH4和N2O[29]。計算公式如下：

GHG=GHGm+Total N2O×44/28×298

(4)

Total N2O=N2O emission +2.5%×NO3leaching+1%×NH3volatilization

(5)

N2O emission=1.13exp(0.0071×Nsurplus)

(6)

NH3volatilization =1.45+0.24×Nrate

(7)

NO3leaching=25.31exp(0.0095×Nsurplus)

(8)

Nsurplus=Nrate-Nuptake

(9)

Nuptake=產量×0.86/0.845×籽粒吸氮量

(10)

式中,GHG為玉米生產整個生命過程中溫室氣體排放量,GHGm為農業投入品(包括肥料、農藥、柴油等)生產運輸過程中產生的溫室氣體,單位為kg CO2eq/hm2[16—28]。Total N2O 是指氮肥田間施用所產生的N2O排放,44/28為N與N2O間的換算系數,298為N2O相比于CO2的溫室效應的當量系數,2.5%和1%分別為硝態氮淋洗和氨揮發進入環境后通過一系列生物化學反應間接轉化為N2O的轉換因子[30]。N2O emission為N2O直接排放,NH3volatilization為氨揮發,NO3leaching為硝酸鹽淋洗,Nsurplus為氮盈余,單位為kg N/hm2；Nrate為施氮量,單位為kg/hm2；0.86/0.845為國際標準產量換算數值；籽粒吸氮量在產量大于7.5 t/hm2時為18.1 kg N/t,在產量小于7.5 t/hm2時為19.8 kg N/t[10]。

表1 溫室氣體排放和能量當量參數

1.4.3凈生態系統碳平衡

為了評估玉米中植物部分的碳分配,假設玉米中所有植物部分的碳濃度為0.45g/g[31]。凈生態系統碳平衡(Net Ecosystem Carbon Budget, NECB)被用來表示土壤有機碳含量的變化,基于Xia等[32]計算公式如下：

NECB=NPP/0.58(GPP)-HR-GHG×12/44+FRW

(11)

式中,GPP為總初級生產力,NPP為凈初級生產力,NPP/GPP的比率系數為0.58[33]。HR為收獲后從土壤中移除的玉米籽粒碳含量,計算方式為玉米產量與碳濃度相乘,單位為kg C/hm2。GHG為玉米生產整個生命周期的溫室氣體排放量,由公式4計算獲得,12/44指CO2和C之間的換算系數。FRW為收獲后殘留在田間的谷物和秸稈碳含量,單位為kg C/hm2,計算方式為作物碳含量乘以田間殘留物系數,山東、江蘇、河南、河北、安徽五個省的田間殘留物系數分別為0.82、0.86、0.93、0.91和0.86[34]。

凈初級生產力通過下式計算,單位為kg C/hm2：

NPP=NPPG+NPPS+NPPR+NPPER+NPPL

(12)

NPPG、NPPS、NPPR和NPPER分別為作物籽粒、秸稈、根部和根際的碳含量,為植物籽粒、秸稈、根部和根際的生物量與碳濃度相乘,單位為kg C/hm2。NPPL為玉米生育期殘留物的碳含量,單位為kg C/hm2,我們殘留物生物量占地上生物量和根系干生物量的5%[35]。

1.4.4可持續性指數

可持續性指數是為了量化玉米生產系統的生產力及碳分配情況,計算公式如下[36]。

SI=(CP-CE)/CE

(13)

式中,CP指玉米生產的碳總量,CE是基于生命周期評價方法計算的溫室氣體排放量,CP和CE的單位都同為kg C/hm2。

研究中的CP包含玉米籽粒(CG)、秸稈(CS)、根系(CR)和根際(CEER)的碳含量,根據Bolinder等人的研究結果,按照下式計算[37]：

CG=YP×0.45

(14)

CS=(YP+YS) (1-HI)×0.45

(15)

CR=YP/(S/R×HI)×0.45

(16)

CEER=CR×YER

(17)

式中,YP是玉米地上部干物質產量,YS為玉米秸稈量,單位為kg/hm2,HI是收獲指數(籽粒的干物質產量/總地上干物質產量),根據Zhao等[38]對中國玉米生長數據的研究,將河北、河南、山東、安徽和江蘇玉米生產的HI分別設置為0.49、0.50、0.51、0.51和0.51。S/R為冠/根比,YER為相對可恢復根系因子的額外根系碳(即根際沉積碳)。假設給定玉米的S/R和YER分別為5.60和0.65[37]。

2 結果

2.1 黃淮海地區不同年份生產投入與環境效益評價

2.1.1資源投入、總種植面積和總產量年際變化及各省份種植面積和產量占比

2004—2018年的15年間,黃淮海地區玉米生產的肥料投入總體呈增加趨勢,氮肥、磷肥和鉀肥的平均投入量分別為202、72.4和53.8 kg/hm2(表2)。氮肥用量在不同年份間存在較大差異,2004年投入量最高為219 kg/hm2,自2015年后我國總體養分投入量有所下降,2018年投入量最低為178 kg/hm2。磷肥和鉀肥投入量在15年間保持逐年遞增,2018年分別較2004年增加了61.7和62.8 kg/hm2。種子投入在15年間呈下降的趨勢,2004年達到最高值43.3 kg/hm2,2017年最低為30.4 kg/hm2。農藥和柴油投入量在15年間的差異較大,單位面積最高投入量相比于最低投入量增長133%和221%。地膜投入量15年間相對穩定,總體變化范圍為0.2—0.8 kg/hm2。

表2 黃淮海地區不同年份玉米生產投入產出情況

黃淮海地區15年間玉米總產量和種植面積整體呈上升趨勢,總產量提高85.7%,種植面積增加53.5%(圖1)。單產在15年間總體呈先上升后下降的趨勢,平均值為6.7 t/hm2(表2)。山東、河南和河北為黃淮海地區玉米主產地,各省的總產量分別占區域總量的34%、29%和27%。安徽和江蘇的產量分別占區域總量的6%和4%,種植面積分別占8%和4%(圖1)。

圖1 黃淮海地區不同年份及不同省份玉米生產的總產量、種植面積、產量占比和種植面積占比Fig.1 Total maize production, total planting area, proportion of production, and proportion of planting area in different years and provinces in Huang-Huai-Hai region

2.1.2玉米生產能源利用效率的年際變化

黃淮海地區2004—2018年15年間玉米生產能源消耗量和能源產生量的平均值分別為26.6 GJ/hm2和103 GJ/hm2(表3)。玉米生產的凈能量隨時間呈上升的趨勢,變化范圍為60.7—86.4 GJ/hm2,平均值為76.5 GJ/hm2。作為評價玉米生產能源利用情況的指標,2004到2018年間均呈現先上升后下降的趨勢。2005和2007年玉米生產的能源生產力和能源利用效率相同,都分別為0.24 t/GJ和3.7。

表3 黃淮海地區不同年份玉米生產能源利用情況

2.1.3玉米生產溫室氣體排放、凈生態系統碳平衡和可持續性指數的年際變化

15年間,黃淮海地區溫室氣體排放呈現先增加后減少的趨勢,變化范圍為3.6—4.1 t CO2-eq/hm2,平均排放量為3.8 t CO2-eq/hm2(圖2)。其中肥料生產運輸過程和田間施用的溫室氣體排放在總排放量中占比最高,達到81.7%。農藥生產運輸和農機耗油的溫室氣體排放占總排放量的5.7%和6.9%,其它過程的貢獻率之和低于6%。各環節溫室氣體排放貢獻率大小排序為：肥料生產運輸>肥料田間施用>農機耗油>農藥生產運輸>種子>灌溉耗電>地膜>人工。

黃淮海15年玉米生產碳輸入高于碳輸出,凈生態系統碳平衡為正值。黃淮海地區玉米生產的凈生態系統碳平衡在2005年最低,為10.1 t C/hm2,自2015年(14.2 t C/hm2)后呈逐漸下降的趨勢。2015—2018年平均凈生態系統碳平衡為13.6 t C/hm2,比2004—2014年高11.9%。凈生態系統碳平衡中總初級生產力和作物殘留物量分別占總碳輸入的84.1%和15.9%；碳輸出中收獲移除和以溫室氣體排放形式的碳損失分別占總碳輸出的74.6%和25.4%(圖2)。碳輸入和碳輸出均在2015年達到最高,分別為18.8 t C/hm2和4.5 t C/hm2,在2005年最低,分別為13.5 t C/hm2和3.5 t C/hm2。可持續性指數同凈生態系統碳平衡和溫室氣體排放的變化規律相近,均為先增加后降低,2005年最低為5.7,2012年最高為7.7(圖2),2012年玉米生產的可持續指數較2004年增加了20.6%。

圖2 黃淮海地區不同年份玉米生產溫室氣體排放量、凈生態系統碳平衡和可持續性指數Fig.2 Greenhouse gas emissions, net ecosystem carbon budget and sustainability index of maize production in Huang-Huai-Hai region in different years

2.2 黃淮海地區不同省份生產投入與環境效益評價

2.2.1不同省份玉米生產資源投入和產量變化

黃淮海玉米生產資源投入和產量在空間上存在差異(表4)。江蘇省氮肥投入量最高,為257 kg/hm2,比氮肥投入量最低的河南省高出55.8%；山東省磷肥、鉀肥和農藥的投入量最高,分別高于區域平均34.1%、31.6%和9.7%,河北省的農藥投入量顯著低于其他4個省份。河北省柴油和種子投入量占比最高,分別占區域總投入量的24.1%和21.6%。山東省機械化程度較高,人工投入量最低。黃淮海地區各省份單產由高到低分別為：山東>河北>河南>安徽>江蘇。

表4 黃淮海地區不同省份玉米生產投入產出情況

2.2.2不同省份玉米生產的能源利用效率

2004—2018年江蘇省玉米生產平均能源消耗量最高,為31.0 GJ/hm2,凈能量、能源生產力和能源利用效率最低,分別為66.2 GJ/hm2、0.20 t/GJ和3.1(表5)。河南省平均能源消耗量為區域最低,為23.5 GJ/hm2。河北省玉米生產凈能量、能源生產力和能源利用率最高,分別為83.0 GJ/hm2、0.30 t/GJ和4.5。山東省能源產生量最高,為111 GJ/hm2。河北省和河南省能源利用效率比區域平均分別高15.4%和12.8%,而山東省、安徽省和江蘇省比區域平均分別低0.4%、8.3%和25.8%。

表5 黃淮海地區不同省份玉米生產的能源利用情況

2.2.3不同省份玉米生產溫室氣體排放、凈生態系統碳平衡和可持續性指數

黃淮海玉米生產溫室氣體排放由低到高的順序為河南<河北<山東<安徽<江蘇(圖3)。江蘇省玉米生產溫室氣體排放最高,達4.8 t CO2-eq/hm2,是河南省的1.5倍。山東省和安徽省玉米生產溫室氣體排放均為3.9 t CO2-eq/hm2。河北、河南、山東、安徽和江蘇肥料生產運輸和施用環節溫室氣體排放分別占區域溫室氣體總排放的13.0%、12.9%、16.0%、16.4%和22.1%。

黃淮海地區各省份玉米生產平均碳輸入和碳輸出分別為16.6、4.1 t C/hm2,凈生態系統碳平衡為12.6 t C/hm2(圖3)。河北省玉米生產的凈生態系統碳平衡最高,為13.8 t C/hm2,江蘇省玉米生產凈生態系統碳平衡最低,為11.3 t C/hm2。碳輸入中總初級生產力占比80%以上,碳輸出中收獲移除占比70%以上。作物殘留物量范圍在2.5—2.8 t C/hm2之間,河北省最高,江蘇省最低。黃淮海地區各省份玉米生產能源利用效率和可持續性指數由高到低的順序為：河北>河南>山東>安徽>江蘇(圖3)。

圖3 黃淮海地區不同省份玉米生產溫室氣體排放量、凈生態系統碳平衡和可持續性指數Fig.3 Greenhouse gas emissions, net ecosystem carbon budget and sustainability index of maize production in different provinces in Huang-Huai-Hai region

2.2.4不同省份玉米生產的綜合生態環境效益分析

黃淮海地區各省份玉米生產的資源投入和環境效益間存在較大差異。通過顏色等級得分方格圖(圖4),可以清晰比較各省份不同指標的得分情況,得分越高,代表該省份玉米生產的綜合生態環境效益越高。各省份間玉米生產能源利用效率、作物殘留物和可持續性指數的得分分布情況相似,河北省最高,江蘇省最低。山東省產量得分最高,凈生態系統碳平衡得分位居第二。安徽省在各個指標上的得分僅高于江蘇省。河北、河南和山東三個省份綜合得分均為正值,安徽和江蘇兩個省份綜合得分均為負值。

圖4 黃淮海地區不同省份玉米生產的綜合生態環境效益Fig.4 Comprehensive ecological and environmental benefits of maize production in different provinces in Huang-Huai-Hai region

3 討論

黃淮海地區15年間(2004—2018年)玉米生產平均能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態系統碳平衡和可持續性指數分別為3.9、3.8 t CO2/hm2、12.6 t C/hm2和6.8(表3、圖2)。氮肥和柴油是影響能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態系統碳平衡和可持續性指數的重要因素。15年間全國平均[13]氮肥和農藥投入量為199和9.3 kg/hm2,柴油使用量為34.2 L/hm2。黃淮海地區氮肥投入量與全國平均投入量相差不大,但農藥和柴油投入量比全國高21.3%和102%,與此同時單產比全國低3.2%,從而導致了黃淮海地區較高的溫室氣體排放。本研究的基礎數據來自《全國農產品成本收益資料匯編》,有機肥等在這個數據庫中沒有體現或數據不完整,這可能對系統評價結果的準確度存在影響,因此在本研究中我們限定了系統邊界以確保結果的真實性與可比性。

本研究發現,黃淮海玉米生產的能源利用效率和凈生態系統碳平衡呈先增加后降低的趨勢。基于此,為滿足不斷增長的人口需求,農業生產需不斷增加資源投入來保證糧食產量,這會造成各種環境問題。2004—2015年,能源利用效率不斷下降的原因是資源投入相關的能源消耗量的增長速率高于能源產生量的增長速率。2015年國家農業部實施“化肥農藥零增長行動”后總體資源投入有所下降,能源利用效率也有所回升。在2004—2015年間,黃淮海玉米單產提高22.6%,凈生態系統碳平衡增加21.6%。凈生態系統碳平衡是土壤中原有有機碳庫分解與新添加的碳源、系統碳輸入與同化等共同作用的結果[39]。凈初級生產力在生態系統碳平衡中扮演著重要角色[40],農資投入促進玉米固定大氣中CO2能力的提高,增加土壤中可獲得的有機物料[41]。同時,地上部生物量增加促進根際分泌物對土壤原有碳庫的分解。由此可知,增加作物產量,應用秸稈還田、有機替代等技術,增加地上和地下的碳同化和碳儲量對提高凈生態系統碳平衡具有重要意義[42]。

黃淮海地區玉米生產的能源利用效率和凈生態系統碳平衡在空間上存在較大差異。黃淮海地區15年間玉米生產能源利用效率和凈生態系統碳平衡最高的省份均為河北省(表5、圖3)。能源利用效率、溫室氣體排放和可持續性指數隨資源投入特別是肥料投入的變化而變化,具有顯著的正相關關系。凈生態系統碳平衡中的碳輸入計算均與單產相關,河北省玉米單產位居區域第二,總初級生產力及作物殘留物最高,所以其凈生態系統碳平衡最高。江蘇省農資投入最高,尤其是氮肥投入,因此江蘇省溫室氣體排放、能源利用效率、凈生態系統碳平衡和可持續性指數最低,這與前人的研究結果相似[6]。在顏色等級得分方格圖中河北省、河南省和山東省的得分均為正值,生態環境效益相對較好,黃淮海地區玉米生產布局應適當向這三個省份傾斜。

綜上所述,黃淮海地區玉米生產的能源利用效率和凈生態系統碳平衡等總體生態環境效益有待提升,為實現該地區玉米生產的可持續發展,可采取以下措施：(1)平衡施肥：減少氮肥的投入,優化磷肥和鉀肥,大力推廣測土配方施肥技術。氮肥是溫室氣體排放的主要貢獻因子,通過優化氮肥施用,可以提高作物產量、能源利用效率和增加土壤碳固持。到2013年,我國實施測土配方施肥技術因氮肥田間施用減少導致的農田減排達1171.8萬 t CO2-eq[43]。(2)配施增效肥料：緩控釋肥等已被廣泛應用于農業生產,可有效減少溫室氣體排放并提高氮肥利用效率和產量[44]。(3)應用秸稈還田技術：Lu[45]的整合分析結果表明,秸稈還田能夠顯著提高我國表層土壤(0—20 cm)有機碳儲量12%。(4)開展土壤-作物系統綜合管理；綜合技術的優化經過多種研究與大量實驗證實對我國溫室氣體減排和提高產量有積極影響[10]。

4 結論

黃淮海地區2004—2018年玉米生產平均能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態系統碳平衡和可持續性指數分別為3.9、3.8 t CO2/hm2、12.6 t C/hm2和6.8。肥料的生產和田間施用以及農機耗油是各種生態環境效應的主要影響因素。2004年到2018年,黃淮海地區玉米生產的能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態系統碳平衡和可持續性指數總體呈現先增加后減少的趨勢。空間尺度上,玉米單位面積的生態環境效益得分排序由高到低為河北省>河南省>山東省>安徽省>江蘇省,其中河北省、河南省和山東省得分均為正值,具有較好的玉米生產綜合效益。玉米生產應根據不同地區的氣候特征、土壤養分特性和種植規模等因素進行規范化、合理化布局。同時,合理減少農業化學品投入量,施用增效肥料,應用秸稈還田技術等保護性耕作措施,進行田間系統化的綜合管理,提高玉米生產的資源利用率和生態環境效益。