寧夏主要農作物生產碳足跡測算與分析

楊伏杰,馬 軍

(寧夏石油化工環境科學研究院股份有限公司,寧夏銀川 750000)

農業生產活動被認為是全球溫室氣體的主要排放源之一,貢獻了全球溫室氣體排放量的19%～29%[1]。作為糧食生產和消費大國,中國農業生產溫室氣體排放量占全國總排放量的19%[2],并且排放量以2.8%的年均增速不斷增長[3]。因此,為了實現“碳達峰、碳中和”和低碳發展目標,控制和減緩農業系統的碳排放至關重要。同時,中國作為人口大國,對糧食需求量巨大,必須保證耕地面積不減少、保障糧食安全,因此,農業系統既要滿足和保障充足的糧食生產需求,又要盡可能地降低農作物生產對環境的影響(如溫室氣體排放)。

“足跡”方法能夠有效地量化生產過程或活動對環境的影響[4]。碳足跡被廣泛用于量化和評估生產過程或活動產生的碳排放量。農作物生產碳足跡是指農作物生產過程的溫室氣體凈排放量[5],即農業生產溫室氣體排放與土壤固碳量的差值[6]。目前,學者們針對中國農作物生產碳足跡開展了大量的研究?，F有研究主要集中在全國層面[3,6]、省級層面[7-8]和中東部地區[9],而針對西部地區特別是市級層面農作物生產碳足跡的量化研究仍比較欠缺。

寧夏地處我國西北內陸、黃河上游,農業資源十分豐富,是我國西北地區重要的商品糧基地,也是我國重要的農業產區,素有“塞上江南”“魚米之鄉”的美譽,對保障區域和全國糧食安全發揮著重要作用。桂河等[10]基于農地利用、農田土壤、水稻種植和畜牧養殖4大類農業碳排放源,測算分析了寧夏2000—2019年農業碳排放時序特征。曾憲芳等[11]基于農田生產的實地調查數據,利用碳足跡的基本理論和方法,測算了寧夏平羅縣主要農作物的碳足跡。吳金鳳等[12]選取位于農牧交錯帶的寧夏鹽池縣為研究區,分析了平羅縣1995—2012年種植業碳足跡變化特征。然而,現在關于寧夏主要農作物生產碳足跡的研究和關注度仍較低、分析不夠深入,在保障糧食安全和“碳達峰、碳中和”的大背景下,有必要就寧夏主要農作物生產的環境影響(碳足跡)開展更深入、全面的分析。該研究以寧夏5個地級市作為研究區,測算分析主要農作物生產的碳足跡變化特征和地區差異,以期為寧夏農業系統開展碳減排、降低農業生產的環境影響提供參考。

1 研究方法與數據

1.1 農作物生產碳足跡測算農作物生產碳足跡包括從播種到收割整個過程中所涉及的直接碳排放和間接碳排放[8]。其中,直接排放包括土壤碳流失和排放,土壤N2O排放,水稻種植和稻田產生的CH4排放,土壤固碳,農業機械在耕地、播種、收割過程中因使用能源產生的CO2排放,農作物秸稈焚燒產生的N2O和CH4排放,灌溉過程產生的CO2排放(柴油機燃油排放);間接排放主要來自灌溉、化肥和農藥等,灌溉消耗電力發電產生的CO2排放,化肥和農藥在生產、運輸等過程中因消耗能源產生的CO2排放。農作物生產的碳足跡等于上述所有直接和間接排放之和減去土壤固碳量。由于農業生產過程產生的溫室氣體包括CO2、N2O和CH4,通常采用IPCC[13]推薦的方法將N2O和CH4轉換為CO2當量(CO2-eq)。

在明確碳足跡測算邊界和范圍的基礎上,文獻中主要利用生命周期分析方法[14]測算和評估農作物生產碳足跡。寧夏農作物種植以稻谷、小麥和玉米為主,其播種面積和產量相對較高,其他農作物播種面積和產量相對較低,因此該研究僅測算和分析寧夏5個地級市的稻谷、小麥和玉米3種主要農作物生產碳足跡。由于市級層面的部分數據不易獲取或公開的統計資料中未能提供,因此,結合已有的研究成果[15],采用主要農產品全生命周期溫室氣體排放系數(單位農產品碳排放系數)來測算農作物生產的碳足跡。

CFi=Pi×ci

(1)

式中:CFi表示第i種農作物生產的碳足跡;Pi表示第i種農作物或農產品的產量;ci表示第i種農作物或農產品的碳排放系數。寧夏稻谷、小麥和玉米3種主要農作物碳排放系數見表1。

表1 寧夏主要農作物碳排放系數

1.2 地區間碳足跡的差異分析使用碳足跡變異系數表征地區間農作物生產碳足跡的差異大小,根據變異系數的計算方法[16],碳足跡變異系數表達式如下:

(2)

1.3 數據來源該研究所使用的數據包括稻谷、小麥和玉米3種主要農作物的產量和農產品生產的碳排放系數。其中,寧夏5個地級市3種農作物的產量數據來自歷年《寧夏統計年鑒》;農產品生產的碳排放系數采用Liu等[7]、Zhang等[8]的研究結果。文獻[7]～[8]研究了中國各省份主要農作物生產的碳足跡,提供了各省份單位農產品生產的碳足跡或碳排放系數,選取其研究結果中寧夏稻谷、小麥和玉米生產的碳排放系數,并采用兩者的平均值作為3種農作物生產的碳排放系數(表1),以此測算寧夏5個地級市農作物生產的碳足跡。

2 結果與討論

2.1 寧夏各市主要農作物產量2008—2020年,寧夏3種主要農作物(稻谷、小麥和玉米)總產量平穩增長,由280.39萬t增至326.26萬t(圖1a),年均增長率為1.27%。其中,稻谷和小麥產量總體上呈下降趨勢,分別由66.38萬t和64.07萬t降至49.39萬t和27.79萬t,年均分別下降2.43%和6.72%;而玉米產量保持增長,由149.94萬t提高至249.07萬t,年均增長4.32%。

圖1 2008—2020年寧夏各市主要農作物產量Fig.1 Main crop yield in five cities of Ningxia from 2008 to 2020

2008—2020年,銀川市、吳忠市、中衛市的稻谷產量總體上均有所下降(圖1b),分別由37.48萬t、11.42萬t、9.02萬t降至23.29萬t、9.59萬t、4.00萬t,特別是“十三五”期間,銀川和吳忠市的產量下降較快;石嘴山市的稻谷產量略有增加,由8.47萬t增至12.52萬t;固原市沒有種植和生產稻谷。

2008—2020年,寧夏5個市的小麥產量總體上均呈下降狀態(圖1c),其中,吳忠市的產量下降幅度最大,由16.79萬t降至2.41萬t,年均降速為14.95%;固原市的產量在“十三五”期間穩中有增,由2016年的10.63萬t增至2020年的11.59萬t。

2008—2020年,寧夏5個市的玉米產量均有不同程度的增長(圖1d),其中,增長幅度最大的是固原市,其次是中衛市,產量分別由14.81萬t、24.79萬t升至43.40萬t、52.60萬t,年均分別增長9.37%、6.47%;其余3個市的玉米產量增幅相對較低。

2.2 寧夏主要農作物生產碳足跡2008—2020年,寧夏3種主要農作物生產的碳足跡呈波動增長趨勢(圖2a),由182.23萬t CO2-eq上升到189.18萬t CO2-eq,增加了3.81%。

圖2 2008—2020年寧夏不同農作物生產碳足跡及占比Fig.2 Carbon footprint of three crop production and its shares in Ningxia from 2008 to 2020

就不同農作物生產的碳足跡而言,由于其碳足跡等于各自的產量與相應的碳排放系數的乘積,因此其碳足跡與各自的產量變化趨勢一致。稻谷、小麥、玉米生產的碳足跡分別由2008年的40.98萬t CO2-eq、61.88萬t CO2-eq、79.37萬t CO2-eq變為2020年的30.50萬t CO2-eq、26.84萬t CO2-eq、131.84萬t CO2-eq。

2008—2020年,寧夏3種主要農作物生產的碳足跡總累計量達到2 536.49萬t CO2-eq,其中,稻谷、小麥、玉米生產的碳足跡累計量分別為516.95萬t CO2-eq、620.27萬t CO2-eq、1 399.27萬t CO2-eq,分別占總累計量的20.38%、24.45%、55.17%(圖2b)。

2.3 寧夏各市農作物生產碳足跡2008—2020年,在寧夏5個地級市中,銀川市和吳忠市3種農作物生產的碳足跡總量相對較高(圖3a),其中銀川市的碳足跡總量有所下降,由2008年的56.70萬t CO2-eq下降到2020年的40.92萬t CO2-eq;而吳忠市的碳足跡總量則相對穩定,由2008年的50.51萬t CO2-eq變為2020年的50.99萬t CO2-eq。石嘴山市、固原市和中衛市3種農作物生產的碳足跡總量相對較低,且均有所增長,分別由2008年的27.25萬t CO2-eq、19.59萬t CO2-eq、28.29萬t CO2-eq增至2020年的30.77萬t CO2-eq、34.17萬t CO2-eq、32.33萬t CO2-eq。

圖3 2008—2020年寧夏各市農作物生產碳足跡及占比Fig.3 Carbon footprint of crop production and its shares in five cities of Ningxia from 2008 to 2020

2008—2020年,銀川市、石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛市農作物生產的碳足跡累計量分別為667.72萬t CO2-eq、372.64萬t CO2-eq、688.12萬t CO2-eq、392.92萬t CO2-eq、415.09萬t CO2-eq,分別占寧夏碳足跡總累計量的26.32%、14.69%、27.13%、15.49%、16.37%(圖3b)。

就寧夏各市不同農作物生產的碳足跡而言,由于各市農作物的生產結構不同,因此,各市3種農作物生產的碳足跡差異比較顯著(圖4)。銀川市稻谷、玉米生產的碳足跡差異較小,高于小麥生產的碳足跡。石嘴山市、吳忠市和中衛市玉米生產的碳足跡相對較高,而稻谷和小麥生產的碳足跡較低,特別是自2012年以來,吳忠市和中衛市玉米生產的碳足跡顯著高于稻谷和小麥生產的碳足跡。固原市小麥和玉米生產的碳足跡呈現相反的變化趨勢,2008—2012年小麥生產的碳足跡大于玉米生產的碳足跡,而2013—2020年玉米生產的碳足跡大于小麥生產的碳足跡,特別是自2017年以來,玉米生產的碳足跡是小麥生產的碳足跡的2倍多。

圖4 2008—2020年寧夏各市不同農作物生產碳足跡Fig.4 Carbon footprint ofthree crop productionin five cities of Ningxia from 2008 to 2020

就寧夏各市不同農作物生產的碳足跡累計量而言,2008—2020年,銀川市稻谷、玉米生產的碳足跡累計量占銀川市總累計量的比例在40%左右(表2),石嘴山市和固原市玉米生產的碳足跡累計量占比均超過50%,而吳忠市和中衛市玉米生產的碳足跡累計量占比均超過60%。

表2 2008—2020年寧夏各市不同農作物生產碳足跡累計量占比

該研究利用變異系數表征寧夏各市農作物生產的碳足跡之間的差異性,結果如圖5所示。2008—2020年,寧夏各市農作物生產的碳足跡變異系數總體上保持下降趨勢,在2016和2017年,出現小幅波動。變異系數由2008年的0.442 2 降低到2020年的0.219 7,表明寧夏5個地級市主要農作物生產的碳足跡之間的差異呈不斷縮小態勢。

圖5 2008—2020年寧夏各市主要農作物生產碳足跡差異性Fig.5 The variation coefficient of carbon footprint ofmaincrop production in five cities of Ningxia from 2008 to 2020

3 結論與建議

基于稻谷、小麥和玉米3種主要農作物的產量和農產品生產的碳排放系數,測算和分析了2008—2020年寧夏5個地級市3種農作物生產的碳足跡變化特征和地區間的差異性,得到以下主要結論。2008—2020年,寧夏稻谷和小麥產量總體上呈下降趨勢,而玉米產量逐年增長;寧夏3種主要農作物生產的碳足跡增長了3.81%,碳足跡總累計量達到2 536.49萬t CO2-eq,其中玉米生產的碳足跡累計量占總累計量的比重超過50%;在寧夏5個地級市中,銀川市和吳忠市3種農作物生產的碳足跡相對較高,其碳足跡累計量占寧夏碳足跡總累計量的比重均高于25%,而石嘴山市、固原市和中衛市3種農作物生產的碳足跡相對較低,其碳足跡累計量占寧夏碳足跡總累計量的比重均低于20%;寧夏5個地級市農作物生產的碳足跡變異系數值不斷降低,各市碳足跡之間的差異逐漸減小。

農作物生產碳足跡或碳排放主要來自化肥不合理或過量使用產生的溫室氣體排放,農業機械使用能源產生的排放,農作物秸稈焚燒產生的排放,水稻種植過程產生的甲烷排放,土地利用和管理不合理產生的排放等;而農作物秸稈還田等有助于增加碳匯,減少碳足跡。因此,為了降低農業生產過程中的碳足跡,應合理使用化肥、提高化肥利用效率,減少或禁止農作物秸稈的焚燒,加大秸稈還田力度或綜合利用,加大高標準農田建設力度,加強對耕地的保護和管理,減少耕地利用碳排放,提高農田固碳能力和碳儲量。