中國農業系統近40年溫室氣體排放核算

范紫月,齊曉波,曾麟嵐,吳 鋒,*

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 2 中山大學數學學院(珠海),珠海 519000

氣候變化風險不容忽視,人類社會為應對其效應,設定了碳達峰和碳中和目標。厘清各行業的排放數量,積極促進產業轉型發展,已迫在眉睫。全球溫室氣體排放加劇了氣候變化進程,造成極端天氣事件頻發和全球變暖等一系列問題。CO2、CH4、N2O是導致全球變暖的主要溫室氣體,對溫室效應的貢獻率接近80%[1]。聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)認為人類活動是增加大氣中溫室氣體濃度、導致自然溫室效應的主要原因之一[2]。其中,農業生產活動是重要的溫室氣體人為排放源,據2021年《自然-食品》發布的開創性最新研究顯示,世界糧食體系占全球人為溫室氣體排放量的三分之一以上[3]。聯合國環境規劃署指出人為排放的CH4有40%來自農業生產活動,而CH4的溫室氣體效應是CO2的26倍多[4—6]。中國是農業大國,農業生產活動是我國除能源消耗和工業生產過程外最大的人類溫室氣體排放源[7]。因此,農業系統溫室氣體排放的研究以及農業減排策略的制定對我國實現雙碳目標、推動綠色低碳農業的發展起重要作用。

農業系統溫室氣體排放問題已受到許多國內外研究學者、組織、政府和公眾的廣泛關注,但仍缺乏系統的方法和數據支撐。國外學者的研究主要側重于農業的碳排放源的解析和對應的碳排放核算,如,有學者認為農業系統碳排放主要來自農業投入(化肥和石灰、種子、農藥、灌溉等)和農業機械的能源消耗,并使用農業生態系統全碳循環分析方法解釋了碳排放率隨時間變化的機制[8]。Jules和Andrew則認為農業系統對碳排放的貢獻主要來源于農業經營中化石燃料的直接使用,生產資料來源于能源消耗密集型投入(特別是化肥),以及農田耕作導致土壤有機質的流失[9]。Panchasara等基于澳大利亞農業部門溫室氣體排放研究指出畜牧業是農業系統最大排放源,占農業總排放的70%[10]。Lesschen等通過估算歐盟國家畜牧業中生產不同農產品產生的溫室氣體排放量,指出生牛乳制品和牛肉是其中最大的溫室氣體排放源[11]。

國內學者對農業系統碳排放研究多聚焦于區域尺度和時空差異的研究。對于區域尺度的研究,有學者從省區尺度分析我國農業系統碳排放動態演變趨勢[12],也有學者從跨行政區視角對1993—2017年長江經濟帶的農業系統碳排放量與變化趨勢進行了測算,認為農業碳排放系統與其經濟系統間存在耦合協調發展關系[13]。另有研究通過碳足跡的排放因子法對江蘇省農業系統碳排放量進行估算,并運用 STIRPAT 模型開展了農業系統碳排放的趨勢預測[14]。對于時空差異的研究,有研究利用生命周期評價法對中國主要糧食作物小麥和玉米生產過程的碳足跡進行了系統核算,并分析其時空動態[15—16]。另外有研究從化肥、農藥、農膜、農業機械、翻耕、灌溉六種農業投入及活動出發核算農業系統碳排放,發現農業系統碳排放強度較高地區主要集中在東部沿海發達省份和中部農業大省[17]。也有研究科學測算我國各省2002—2011年的農業碳排放量,考察了我國三大地區的地區差距,并根據排放總量的變化趨勢將31個地區劃分為四種類型[18]。

上述研究豐富了我國農業系統溫室氣體排放研究的體系和框架,為后續研究奠定了基礎,為農業排放控制策略的制定提供了參考。然而,現有中國農業系統溫室氣體排放體系研究依然存在不足。目前對我國農業系統溫室氣體排放的研究對象通常局限于種植業,鮮有學者將農業系統的種植業和畜牧業一起進行研究,從而導致農業系統溫室氣體排放的測算不全面。同時考慮了種植業和畜牧業的研究成果通常具有區域局限性,局限于某一特定區域或省。另外,對全國農業系統溫室氣體排放進行研究的成果的數據尺度通常為全國或省級,且通常只考慮某一特定時間或一段連續時間,時間跨度不大。同時,農業系統溫室氣體排放核算沒有建立統一的方法,各研究對農業系統排放源的選取不同導致核算結果出現一定差異,這不利于對農業系統碳排放情況的宏觀把控和針對性減排政策的制定。

農業系統溫室氣體排放研究選取的農業系統碳排放源與研究區域差異較大,相關研究結論多具有片面性、局限性和不可比性,難以分析全國尺度的時空演變規律以指導農業系統溫室氣體減排工作。因此,本文基于排放因子法構建了包含種植業和牲畜養殖業的農業系統溫室氣體排放核算體系,系統核算了1980—2020年我國全國尺度上的農業系統溫室氣體排放,為進一步揭示空間異質性特征選取在區縣級尺度下對1980、2000、2011年的中國農業系統的溫室氣體排放量進行核算,厘定了我國各區域農業系統碳排放的空間差異和結構特征,對比了不同階段農業系統碳排放變化的時空異質性規律。本文的創新性在于,厘清了我國近40年農業系統溫室氣體排放的變化趨勢和總量,并在區縣尺度上對農業系統溫室氣體排放進行核算,揭示了空間差異性特征,為我國農業系統溫室氣體排放的動態特征以及現狀規律提供了科學參考,從農業減排角度為實現雙碳目標提供理論支撐。

1 研究方法和數據來源

1.1 農業系統溫室氣體排放核算

1.1.1 核算對象及核算邊界

本研究擬分析近40年全國尺度農業系統溫室氣體排放趨勢,參考IPCC國家溫室氣體清單指南[19]并結合我國農業溫室氣體排放狀況綜合確定核算邊界和核算對象。核算邊界設為農作物種植與牲畜養殖的溫室氣體排放。農作物種植的溫室氣體排放核算包括農作物從播種到收獲全過程中各項投入造成的直接和間接溫室氣體排放,主要有3個方面。一是農產品的投入,針對化肥(氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥)、農藥等農業生產資料投入產品產生的溫室氣體排放;二是農作物播種和生長過程產生的溫室氣體排放以及翻耕破壞土壤表層而導致的有機碳流失,針對我國三大主要糧食作物稻谷、玉米和小麥的播種和生長進行核算,包括了稻田因淹水厭氧發酵產生的CH4排放(玉米和小麥為旱生作物,旱地作物生長過程中CH4的排放量可以忽略不計),作物生長過程土壤N2O排放,化肥施用過程中的溫室氣體排放;三是農作物收獲后秸稈焚燒處理和綜合利用產生的碳流量。牲畜養殖行業溫室氣體排放核算主要針對我國主要牲畜品種(牛、馬、驢、騾、豬)養殖溫室氣體排放。由于大牲畜(特別是反芻動物)和豬的養殖是我國溫室氣體排放的重要源頭,核算主要包括了兩方面：一是腸道發酵代謝過程中,寄生在牲畜消化道內的微生物發酵排出體外的甲烷排放;二是動物糞便管理缺氧產生的CH4排放及在施入土壤之前的貯存和處理引起的 N2O排放(圖1)。

圖1 農業系統溫室氣體排放核算體系Fig.1 Accounting system of greenhouse gas emission in agricultural system

1.1.2 核算方法

農業系統的溫室氣體排放核算采用排放因子法[19]:

E=∑iEi=∑iADi×EFi

(1)

式中,E為農業系統溫室氣體排放總量,Ei為第i種溫室氣體排放源的溫室氣體排放量,ADi為第i種溫室氣體排放源的排放因子,EFi為第i種溫室氣體排放源的溫室氣體排放系數。

本文中使用的排放因子主要參考聯合國政府間氣候變化專門委員會的評估報告,聯合國糧食及農業組織,美國橡樹嶺實驗室,中國生命周期基礎數據庫以及國內專家針對我國農業情況進行實驗測量或計算并公開發表的數據。

(1)農作物耕種溫室氣體排放核算

對于農作物耕種中投入的農藥和化肥的生產帶來的溫室氣體排放EI,核算公式為：

(2)

式中,Pi表示第i種農產品投入量(氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥,農藥),fi表示投入的第i種農產品生產的溫室氣體排放系數,見表1：

表1 農作物耕種中投入的農資產品生產的溫室氣體排放系數

ORNL：美國橡樹嶺國家實驗室 Oak ridge national laboratory;CLCD：中國生命周期基礎數據庫 Chinese life cycle database

對于農作物播種和生長過程中產生的溫室氣體排放核算公式為：

(3)

ER=A1×Fr

(4)

EN=PN×FN

(5)

EC=ER+ES+EN

(6)

表2 農作物生長溫室氣體排放系數

翻耕的排放系數已根據C排放系數換算成CO2排放系數(CO2排放系數=C排放系數/12×44)

由于中國現代農業的飛速發展和人們生活水平的提高,大量農作物秸稈被露天焚燒,造成巨大的資源浪費和環境污染,同時會排放大量溫室氣體。本文考慮秸稈露天焚燒產生的CO2和CH4排放,首先計算秸稈產量

WSj=WPj×SGi

(7)

式中,WSj表示第j種農作物秸稈產量,WPj表示為第j種農作物的經濟產量,SGj為第j種農作物的草谷比。隨后,計算秸稈燃燒產生的溫室氣體排放量

EB=∑jWSj×Fbj×δj×ηj

(8)

式中,EB表示農作物秸稈焚燒溫室氣體排放量,Fbj表示第j種農作物秸稈焚燒的排放系數[26],δi表示第j種農作物秸稈焚燒比[27],ηj表示第j種農作物秸稈焚燒效率[28]。

(2)牲畜養殖溫室氣體排放核算

對牲畜養殖溫室氣體排放,核算公式為：

EL=∑klNk×Flkl

(9)

式中,EL表示牲畜養殖溫室氣體排放量,Nk表示第k種牲畜數量,Flkl表示第k種牲畜數量第l種溫室氣體的排放系數見表3。

表3 主要牲畜養殖的分類溫室氣體排放系數

CH4排放系數來源于IPCC第四次評估報告,N2O排放系數為參照FAO公布的中國畜禽排泄物N2O排放量推算的排放系數[29]

1.2 數據來源

本文農業系統溫室氣體排放的測算數據主要來源于中國農業調查隊縣域統計資料和年鑒,其中農作物播種面積以及經濟產量數據來源于《中國統計年鑒》[30]、《中國農業年鑒》[31],化肥和農藥數據來源于《中國農村統計年鑒》[32],牲畜養殖數量來源于《中國畜牧業年鑒》[33]、《中國畜牧獸醫年鑒》[34],區縣級數據來源于中國農業調查隊縣域統計資料等數據資料。

2 結果與分析

2.1 農業系統溫室氣體排放時序特征

本文核算得到我國1980—2020年間以十年為間隔的農業系統溫室氣體排放量(圖2)。整體來看,1980—2020年我國農業溫室氣體排放量呈現波動升高的趨勢,其中1980—2010年保持正增長,2010—2020年出現負增長。1980—2000年的20年間,我國農業系統溫室氣體總排放量由66536.21萬t CO2-e升高到85613.82萬t CO2-e,增長28.67%,年均增長率1.43%。得益于家庭聯產承包責任制施行,農村的生產力有極大程度的提高,因此農業排放也大幅增長。2000—2010年我國農業生產水平和產值較之前已有大幅度提高,該時期農業系統溫室氣體排放的年均增長率為1.34%,但農業系統溫室氣體排放量年均增長率比1980—2000年間的平均增長率降低了約0.1%。這段時期由于經濟發展不平衡從而三農問題也逐漸顯現,對農業生產活動產生了一定影響,導致溫室氣體排放的增長率有所降低。2010年以來,我國實施綠色發展,“兩型社會”等國家發展戰略,2020年農業系統溫室氣體排放總量為97041萬t CO2-e,相比2010年略有下降,說明我國農業減排政策已初見成效,推測未來我國農業溫室氣體排放總量將呈現逐步下降趨勢。

圖2 1980—2020年中國農業系統溫室氣體排放量Fig.2 Greenhouse gas emissions from Chinese agricultural system from 1980 to 2020CO2-e 表示CO2當量,CH4和N2O的CO2-e核算結果根據 IPCC 第四次評估報告按1 t CH4、N2O 所引發的溫室效應分別相當于 25 t 、298 t CO2 計算

從農業系統溫室氣體排放的結構來看(圖2),農業系統排放的溫室氣體中CH4排放的貢獻明顯高于其他氣體,且隨時間呈波動變化趨勢。1980—1990年的CH4排放量增長22.44%,2000年CH4排放量相較于1990年減少9.23%,2000年之后,CH4排放量的變化幅度不大,2000—2010年恢復增長趨勢,增長3.7%,而2020年相比于2010年CH4排放量有所下降,下降6.45%。1980—2020年我國農業系統N2O的排放量呈先增長后下降趨勢,其中1980—2010年N2O排放量一直穩定增長,而2020年比2010年降低11.97%。1980年我國農業系統N2O的排放量為15465.31萬t CO2-e,略高于同年CO2的排放量,而2000年后,CO2的排放量超過N2O成為我國農業系統溫室氣體排放貢獻第二大的氣體。2000年N2O的排放量為22291.42萬t CO2-e,比同年CO2的排放量低1.76%。2000—2020年,CO2排放量呈持續增長趨勢,年均增長率為2.83%。1980—2020年農業系統CH4、CO2、N2O的排放量年均增長率分別為0.2%、3.62%、1.07%,CH4雖然是農業系統溫室氣體排放貢獻最大的氣體,但年均增長率較低,變化幅度比較平穩,CO2、N2O兩種氣體排放量年均增長率較高,其中CO2最高,排放量增幅較大。

2.2 農業系統溫室氣體排放結構特征

圖3 1980—2020年我國種植業和養殖業溫室排放量比例 Fig.3 Proportion of greenhouse emissions from planting and livestock breeding industries in China from 1980 to 2020

從農業系統中的種植業和養殖業來看,1980、2000、2020年種植業溫室氣體排放占比呈現先降低后升高的變化趨勢,2000年相比1980年有所降低,但依舊比養殖業高24%。1980—2020年全國種植業和養殖業產生的溫室氣體排放量平均占比分別為67.33%和32.67%,種植業的溫室氣體排放占比大于養殖業(圖3)。

我國種植業產生的主要溫室氣體有CO2、CH4、N2O,其中最主要的來源是稻田種植產生的CH4、秸稈焚燒產生的CO2以及氮肥施用產生的N2O(圖4)。1980年,種植業51.07%的溫室氣體排放來源于稻田種植。2000年前后三農問題逐漸凸顯,農民的種糧積極性和種植業的發展都受到一定程度的影響,水稻種植面積也大幅縮減,因此其產生的溫室氣體排放量占比也隨之減少,導致1980—2000年CH4排放量也出現大幅下降。而2000—2020年由于廢棄秸稈被大量露天焚燒,種植業CO2排放量明顯不斷升高,CH4排放量也有所上升。同時,我國農業化肥及農藥投入引起的溫室氣體排放呈現先增長后減少的趨勢,2000年由于農藥的過量濫用嚴重污染環境并影響農業生態,農業部提出調整農業投入結構,減少農藥使用量等政策,至2020年農藥使用造成的溫室氣體排放已有一定減少。

圖4 1980—2020年我國種植業溫室氣體排放結構Fig.4 Greenhouse gas emission structure of planting industry in China from 1980 to 2020

牲畜養殖業產生的溫室氣體主要是CH4和N2O,大部分來源于大牲畜特別是反芻動物的腸道發酵,以及動物糞便的綜合利用和管理(圖5)。動物腸道發酵產生的CH4是牲畜養殖業最大的溫室氣體排放源,在牲畜養殖業的所有溫室氣體排放中平均占比47.66%。糞便管理產生的N2O是養殖業第二大排放氣體,平均占比為37.30%,同時糞便管理也會產生一定量的CH4排放,占養殖業溫室氣體排放總量的15.03%。1980—2020年我國養殖業不同時間段的不同排放來源溫室氣體占比幾乎未發生結構性變化,但1980—2000年養殖業產生的CH4和N2O的排放總量都隨時間變化快速增長,特別是CH4的排放量增幅較大。而由于大牲畜和豬的養殖導致的溫室氣體排放是牲畜養殖排放的主要來源,近年來由于受到牲畜疫病特別是豬瘟影響,2020年CH4和N2O排放量相比于2000年均有明顯降低。

圖5 1980—2020年我國養殖業溫室氣體排放結構 Fig.5 Greenhouse gas emission structure of livestock breeding industry in China from 1980 to 2020

從我國農業系統不同溫室氣體排放構成來看,CH4是排放量占比最高的溫室氣體,1980、2000、2020年占總排放量比例分別為55%、47%、40%,占比隨時間呈下降趨勢,而CO2的排放量占比則逐年升高,N2O占比則不斷波動,2020年CO2和N2O的排放量占比分別達到37%、23% (圖6)。

圖6 1980—2020年我國農業系統不同溫室氣體排放比例 Fig.6 Different greenhouse gas emission ratios of Chinese agricultural system from 1980 to 2020

CH4作為農業溫室氣體排放量貢獻最大的氣體,排放源有稻田種植、秸稈焚燒以及動物的腸道發酵和糞便管理(圖7)。其中,稻田種植是最主要的排放源,1980年其CH4排放占農業系統所有CH4排放來源的64%,2000年有所下降,占比為47.74%,1980—2020年平均占比為54.96%,表示農業系統有一半CH4排放來源于稻田淹水厭氧發酵產生。牲畜的腸道發酵是農業系統CH4排放第二大來源,其排放量占農業系統所有CH4排放的比例由1980年的27.8%升高至2000年的40.04%,2020年比2000年下降7.26%。另外,腸道發酵和糞便管理的CH4排放平均占比分別為33.3%、10.50%,秸稈焚燒產生的CH4平均占比最低為1.25%。CO2是農業系統中溫室氣體排放占比第二大的氣體,其最主要的排放源即為秸稈焚燒產生的CO2,平均占比達到67.90%,其次是化肥、農藥的農產品投入間接產生的CO2,平均占比分別為20.50%和11.17%,翻耕造成的土壤有機碳流失產生的CO2相對較少,平均占比不足0.5%。N2O的農業系統排放來源按貢獻由大到小主要有動物的糞便管理、氮肥施用以及農作物生長導致的土壤N2O排放。動物的糞便管理是我國農業系統N2O排放的最主要來源,平均占比為50.89%,其次是氮肥施用產生的N2O排放,平均占比為31.05%。我國主要三大農作物小麥、玉米、稻谷生長產生的N2O排放平均占比為18.07%,其中小麥、玉米作為旱生作物生長時土壤排放的N2O排放量多于稻谷,平均占比分別為7.14%和9.87%。

圖7 1980—2020年我國農業系統不同溫室氣體排放情況Fig.7 Different greenhouse gas emissions of Chinese agricultural system from 1980 to 2020

2.3 農業系統溫室氣體排放空間特征

我國縣域尺度農業系統溫室氣體排放量呈現出較為顯著的區域分布差異(圖8)。從時間變化來看,1980年我國農業系統溫室氣體排放量較高的縣區主要集中在長江流域東南部以及南部沿海地區,高排放縣區集中在江蘇、江西、廣東、廣西、湖北和湖南等地,我國東北和西北部分地區也有較高的農業系統溫室氣體排放。2000年我國農業系統溫室氣體排放量升高明顯的區域集中于東北部分地區,特別是陜西、吉林和黑龍江等地的部分縣區,而我國北部、西部和西北部的農業系統溫室氣體排放量相對來說有所下降,東南部地區農業排放量依舊很高。2011年西北地區農業系統溫室氣體排放水平總體較低,說明我國為保護和改善西部生態環境實施退耕還林政策已有成效。由于農業經濟發展和農民收入水平提高,農業技術進步和農業投入不斷增加,新疆西部、北部以及寧夏等縣區農業系統溫室氣體排放水平相較于2000年有明顯提高,東北部地區農業系統溫室氣體排放量也進一步增長,特別是處于吉林省、黑龍江和遼寧的部分縣區。長江流域和南部沿海地區的農業系統溫室氣體排放水平較穩定,這些地區高投入、高消耗、高排放的農業生產方式一直是我國農業系統溫室氣體排放的重要來源。總體而言,1980—2011年間我國農業系統溫室氣體排放總量一直不斷升高,不同地區的農業系統溫室氣體排放量水平與其農業生產規模成正比,區域分布呈現出不斷集中的特點。

從不同溫室氣體排放的時空分布來看,對于CH4排放,我國農業系統CH4排放主要分布在秦嶺及淮河以南地區。由于水稻種植是我國農業系統CH4排放的最主要來源,因此我國的一些水稻主產區如長江中下游平原、珠江流域的河谷平原和三角洲地帶的CH4的排放量較高。1980—2011年我國西部及東北部CH4排放量逐漸增長,特別是部分處于新疆、青海、內蒙古等地的縣區。這些地區具有地廣人稀、降水量少等特點,雖然不宜種植業發展,但適宜牧草生長,是我國畜牧業的主要分布地區,多養殖大牲畜和反芻類動物,其腸道發酵和糞便管理是這些地區CH4排放高的主要原因。對于CO2排放,我國農業系統CO2高排放量的縣區主要分布于東北地區、長江下游及東部沿海地區,西北也有少量地區存在較高的CO2排放。秸稈露天焚燒是最主要的農業系統CO2排放來源,我國東北地區和西部部分地區是地廣人稀的產糧區,主要種植旱地作物,秸稈剩余量較大,秸稈資源利用率低,因此CO2排放量大。華東地區的農村經濟較發達,農業經濟發展水平領先,農民生活用能商品化程度高,因此也存在大量的廢棄秸稈剩余,露天焚燒的秸稈量大,從而使得這些地區的CO2排放量也普遍較高。1980—2000年,東北地區的CO2排放逐漸向吉林省、遼寧省北部和內蒙古東部集中,西北地區的排放量也有一定增加,而我國西南部和云貴高原地區的CO2排放整體有所減少。2000—2011年,東北地區的CO2排放進一步加深,西北特別是新疆南部CO2排放量有明顯增長。對于N2O排放,農業系統N2O的排放主要來自于動物特別是役畜的養殖,青藏高原地區、內蒙古高原的豐水地以及新疆天山兩側的高山牧場都是我國主要牲畜的飼養區,因此具有較高的N2O排放。而位于我國東北部和東南部的主要糧食產區由于農業投入量高,因此氮肥施用量也隨之增加,而氮肥施用也是農業系統N2O排放的重要來源,因此N2O的排放水平高。1980—2000年,我國東北地區、長江流域和珠江流域的N2O排放有一定增長,2000—2011年我國西部地區特別是新疆西部地區N2O排放增加,東北和華中地區N2O排放也進一步增長。總體來說,1980—2011年N2O排放的分布情況較為穩定,空間結構隨時間變化不大。

圖8 1980—2011年我國縣級農業系統溫室氣體排放空間分布圖Fig.8 Spatial distribution map of greenhouse gas emissions from County-Level Agricultural System in China from 1980 to 2011

根據我國農業系統溫室氣體排放量的變化情況的空間分布(圖9),1980—2011年間我國農業系統溫室氣體排放總體上呈現集中趨勢,排放量由商品經濟發達地區向農業經濟依賴程度高的地區轉移。統計我國不同區域的縣區農業系統溫室氣體增減排情況發現,我國東北、華北、西南地區80%以上的縣區都存在排放量增長情況,其中東北地區排放有增長的縣區占比最高達到98.01%。華東地區48.46%的縣區的農業系統溫室氣體排放量有所下降,是我國減排程度最高的地區。從縣域排放量變化情況來看,西北地區、東北地區、黃淮海平原、長江流域、東南沿海地區均有明顯的排放變化,是我國排放量變化的熱點地區。西北地區排放量增長呈現自東向西的空間趨勢,排放量增長的地區主要是青海省西部,西藏北部以及新疆的大部分縣區,特別是新疆西部有顯著增長,主要是由于這些地區著力優化農業產業體系,推動生產要素向優勢產區集聚。東北地區呈現由外向內集中的趨勢,排放量較高的地區逐漸向吉林省與遼寧省、內蒙古自治區交界的縣區集中,這些地區土壤肥沃、地形平坦、土地面積大、灌溉水源豐富、便于機械化農業生產,農業的集約化發展促使這些地區排放量的上升。黃淮海平原的排放變化較大,排放增長顯著的區域主要是江蘇省北部、安徽省北部與河南省南部交界地區,農村經濟體制改革后,黃淮海地區是我國農地流轉的典型地區[35],從而導致該地區排放量的變化。長江流域是我國水稻的主要產區和灌溉區,而水稻種植產生的CH4排放則主要來源于稻田灌溉區[36],隨著農業經濟的發展水稻產量不斷增長是這些地區具有較高的排放量的主要原因。東南沿海地區的排放量的減少自內陸向沿海地區不斷加深,這些地區由于農業經濟較發達,農業結構不斷完善,因此農業系統溫室氣體排放量有明顯減少。

圖9 1980—2011年我國農業系統溫室氣體總排放量變化情況圖Fig.9 Change of total greenhouse gas emissions of Chinese agricultural system from 1980 to 2011

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1980—2020年我國的農業系統溫室氣體排放總量從6.65億t CO2-e增長至9.70億t CO2-e,呈波動增長趨勢,增長了近46%。近40年增長速率在不同時段也存在差異,1980—2000年增長(28.67%)高于2000—2020年的增長水平(13.35%)。《中華人民共和國氣候變化第三次國家信息通報》統計數據[37]表明我國2010年農業活動產生的溫室氣體排放總量為8.28億t 二氧化碳當量,由于本文考慮了農作物種植等CO2排放,同年核算結果(9.71億t )略高于該結果。據2014年國家溫室氣體排放清單的結果顯示[38],我國農業溫室氣體排放量為8.3億t 二氧化碳當量,相比本文結果發現2014年排放量比1980年增長了約25%,比2010年降低了約15%。與國內專家的農業排放結果[39]比較,2017年中國農業排放總量為13.7億t,高于本文核算結果,根據其在不同情景下中國農業碳排放的預測, 2020年碳排放總量約為14—15億t,該結果比本文的核算結果高約5億t 。

1980—2020年我國農業系統中種植業的溫室氣體平均排放總量(占比67.33%)高于牲畜養殖業(占比32.67%),CH4、CO2和N2O是農業系統排放的主要溫室氣體,其中CH4排放貢獻最大(平均占比47.33%),CO2的貢獻比例有增大的趨勢,N2O的排放占比和排放結構變化較小。研究發現我國農業系統溫室氣體排放與地區農業經濟發展水平、人口密度和城鎮化水平存在顯著相關關系。我國農業溫室氣體排放結構和分布情況與不同地區的農業生產方式有關,CH4排放源主要來源于稻田種植和農作物秸稈燃燒(56.20%),同時CH4排放量高的地區多位于我國主要的糧食產區,主要包括長江中下游平原、珠江流域的河谷平原和三角洲地帶等地區,以及東北地區和新疆天山地區等旱地作物產區。CO2排放量主要源于秸稈的露天焚燒(67.91%),因此我國糧食產量高且地廣人稀的東北、西北等地區,以及農民收入水平高、農用能源商品率高的華東地區是農業CO2的主要排放地區。農業N2O的排放主要由于畜牧養殖(50.89%)和氮肥施用(31.05%),與空間分布顯示的N2O排放量較高的縣區主要分布于我國的主要畜牧養殖地區的情況相符,如青藏高原、內蒙古和新疆等地,以及我國農業經濟發展水平高的長江流域以及珠江三角洲地區。

研究厘清了中國農業系統近40年溫室氣體排放時間變化規律與空間分布異質性特征,有助于推動我國農業系統核算體系進一步完善,并為我國未來農業減排目標與政策的制定提供科學參考。根據我國的農業溫室氣體排放的核算結果以及不同地區的排放特點,給出以下政策建議：

(1)針對種植業排放占比較大的問題,可采取合理施用化肥和有機肥的措施,避免過量施氮。農用化肥產品的投入,特別是氮肥的施用是農業系統溫室氣體排放的重要來源,施用化肥會產生CO2、CH4等溫室氣體。我國農業經濟發達、農產品商品率高的華中地區,需制定精準施肥策略,綜合考慮種植業和養殖業協同管理,合理分配和使用農作物種植和牲畜養殖資源,減少氮肥、增加有機肥和動物糞肥的施用,進一步深化農業施肥現代化,以減少N2O的排放。

(2)由于CH4為農業排放貢獻最大的溫室氣體,建議優化農田,尤其是稻田種植區的水肥管理以降低CH4排放。CH4排放平均占農業系統溫室氣體排放總量的47.33%,同時CH4排放是僅次于CO2的導致全球變暖的第二大原因,而CH4在大氣中的壽命比CO2短,因此相比于CO2,減少CH4排放在限制全球升溫方面有更立竿見影的效果。從CH4排放排放量的空間分布來看,應對華中平原和長江、珠江等主要河流流域等主要稻田種植區域進行合理土壤水分管理和有機肥施用,以達到減少CH4排放的目標。

(3)由于CO2排放量占比增高,建議進一步提升農作物秸稈的綜合利用率。秸稈的露天焚燒是農業系統溫室氣體排放的重要來源,我國農業CO2排放中65%以上是來自秸稈的露天焚燒,造成了資源的嚴重浪費和環境污染。秸稈的綜合利用方式有肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化。近年來提高秸稈綜合利用率和禁止秸稈露天焚燒政策使得農業系統溫室氣體排放量有所減少。然而,以旱地農作物為主要糧食作物的東北地區和西北地區的農作物秸稈產量和CO2排放仍較高,因此,需重點提升該類地區的秸稈綜合利用效率,降低溫室氣體減排量。

(4)由于N2O的排放占比變化較小,可從改善N2O的排放結構角度考慮,發展低碳牲畜養殖。我國 N2O排放主要來自于牲畜的腸道發酵和糞便管理,在我國青藏高原地區、內蒙古高原的豐水地以及新疆天山兩側的高山牧場等主要畜牧養殖地,應推廣在牲畜養殖過程中控制飼養和糞便管理措施,如通過改變飼料成份提高飼能比,將糞便廢棄物資源集中處理循環利用,以減少環境污染和碳氮排放。

(5)針對我國農業溫室氣體排放的空間分布和差異,應清晰認識我國農業系統溫室氣體排放的區域和結構差異,科學規劃種植業和養殖業的農業資源分配。制定農業生產政策時應考慮不同地區的資源稟賦及技術水平等方面的差異,因地制宜地提高農業生產效率,優化農業生產要素投入,合理化種植業和養殖業結構。例如,對于我國東北地區應控制小麥玉米等旱地作物的種植和提高農副產品利用率,而對長江流域以及珠江三角洲地區則應精準控制水稻的種植生長過程以及土壤管理,對于我國西北地區和內蒙古地區,則應合理規劃牲畜養殖規模,促進農業生產智能化、精準化、綠色化,從而減少我國總體農業系統溫室氣體排放,實現農業資源充分利用、生態環境保護以及農業經濟可持續發展。