陳　舜, 逯　非, 王效科

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京　100049

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中國主要農(nóng)作物種植農(nóng)藥施用溫室氣體排放估算

陳舜1,2, 逯非1, 王效科1,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049

摘要:過去30年來我國農(nóng)作物的播種面積并未產(chǎn)生太大變化，但病蟲害的發(fā)生和防治次數(shù)卻不斷增加。根據(jù)6種中國主要農(nóng)作物的病蟲害發(fā)生情況，收集了相應(yīng)的農(nóng)藥用量及其制造的溫室氣體排放量數(shù)據(jù)，估算了中國主要農(nóng)作物在種植過程中，因?qū)Σ∠x害使用殺蟲劑和殺菌劑而產(chǎn)生的溫室氣體排放量現(xiàn)狀。結(jié)果表明，我國主要農(nóng)作物小麥、水稻、玉米、馬鈴薯、油菜和棉花的每公頃病蟲害防治時(shí)使用農(nóng)藥所產(chǎn)生的溫室氣體排放量分別是9.19 (1.86—23.24)、20.54(2.03—50.95)、10.38(3.45—19.32)、5.91(2.15—18.34)、10.84(8.10—13.62)、19.51(5.11—49.01)kg CE hm-2a-1，即水稻和棉花最高；但論單產(chǎn)農(nóng)藥溫室氣體排放量，則油菜和棉花遠(yuǎn)高于其余4種糧食作物。每年小麥、水稻、玉米、馬鈴薯、油菜和棉花的病蟲害防治使用農(nóng)藥所產(chǎn)生的總溫室氣體排放量分別是220.8(44.7—558.4)、606.7(60.0—1505.1)、336.4(112.0 —606.3)、30.9(11.2—96.0)、79.5(59.4—99.8)、96.4(25.2—242.2)Gg CE，總計(jì)1.37(0.31—3.13)Tg CE。將以上6種作物的病蟲害防治情況外推到全國農(nóng)作物，則我國一年因?yàn)檗r(nóng)作物病蟲害防治而產(chǎn)生的溫室氣體排放量為2.13(0.48—4.85)Tg CE。另外由于缺乏草害面次數(shù)據(jù)而沒有包括除草劑本分，所以以上數(shù)字仍是低估。病蟲害防治由于作物本身、防治對象、防治方法以及藥劑用量的固有差異，導(dǎo)致農(nóng)作物病蟲害防治的溫室氣體排放量計(jì)算結(jié)果存在著較大的不確定性，目前基于自下而上農(nóng)戶調(diào)查的估算方法無法克服這些問題，更精確的估算需要自上而下的企業(yè)級調(diào)查數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物；殺蟲劑；殺菌劑；溫室氣體排放

隨著人類對全球氣候變化的不斷關(guān)注和溫室氣體排放控制的需要，關(guān)于化石燃料燃燒和土地利用變化的直接溫室氣體排放已經(jīng)開展了大量研究，但對于人類生產(chǎn)和生活直接消費(fèi)的產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放還研究較少，不利于人們認(rèn)識從社會(huì)生產(chǎn)和消費(fèi)過程中減少溫室氣體排放的意愿和責(zé)任。農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)規(guī)模和能量密集產(chǎn)品的使用量也隨著人口和技術(shù)水平的發(fā)展而增加，牽涉了極為廣泛的能量消耗及其溫室氣體排放。

Lal[1]回顧了美國20世紀(jì)八九十年代對各種農(nóng)業(yè)活動(dòng)的溫室氣體排放量的大量研究，總結(jié)認(rèn)為高能耗的化工產(chǎn)品(主要是化肥和農(nóng)藥)的制造、包裝和存儲(chǔ)過程是農(nóng)業(yè)活動(dòng)中最重要的間接溫室氣體源(農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用是最重要的直接溫室氣體源；傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)中，直接源和間接源總體大小相當(dāng)；而在限制機(jī)械使用的保護(hù)性耕作系統(tǒng)中，間接源更大)?？紤]到我國機(jī)械化程度遠(yuǎn)低于美國，直接溫室氣體源的重要程度要相應(yīng)降低，那么化肥和農(nóng)藥的施用作為最重要的間接源更加不容忽視。有國內(nèi)學(xué)者呼吁，今后的農(nóng)產(chǎn)品生命周期研究應(yīng)重點(diǎn)針對我國主要化肥和農(nóng)藥生產(chǎn)的資源消耗和環(huán)境影響而展開[2]。

隨著人口對農(nóng)產(chǎn)品需求增加、勞動(dòng)力成本提高而農(nóng)藥成本降低、病蟲耐藥性的提高[3]，全球變暖及耕作方式改變導(dǎo)致農(nóng)作物病蟲害發(fā)生頻率和程度的持續(xù)加劇[4]等多方面因素，我國農(nóng)藥的生產(chǎn)和使用越來越多。據(jù)中國農(nóng)業(yè)年鑒和中國統(tǒng)計(jì)年鑒，20世紀(jì)80年代以來我國農(nóng)作物總播種面積變化不大，但病蟲害年平均發(fā)生次數(shù)卻從1980年的0.92次增至2010年的2.29次，防治次數(shù)從0.80次攀升至2.77次；2010年全國農(nóng)藥的施用量達(dá)175.0萬t，產(chǎn)量則是1985年的11倍。早在2005年，我國已成為世界第一大農(nóng)藥生產(chǎn)和使用國[5]，而由于成本和效果的優(yōu)勢，在今后很長的一段時(shí)間內(nèi)，化學(xué)農(nóng)藥仍是難以替代的重要保產(chǎn)農(nóng)資[6]，其相應(yīng)的溫室氣體排放量也將繼續(xù)保有上升勢頭。

目前，在農(nóng)業(yè)活動(dòng)溫室氣體利用生命周期評價(jià)法(Life Cycle Assessment, LCA)進(jìn)行的清單研究中，國內(nèi)研究者常常忽略不同作物、病蟲害和農(nóng)藥類型的差別，使用單一的、完全國外的農(nóng)藥排放系數(shù)[7- 9]，抹平了不同作物、不同國別之間的差異，且小樣點(diǎn)的用量數(shù)據(jù)也難以體現(xiàn)全國總體情況。

結(jié)合上述背景，本文基于我國近幾年主要農(nóng)作物全國范圍的病蟲害發(fā)生次數(shù)、農(nóng)藥施用種類和使用量，結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)各種農(nóng)藥生產(chǎn)的溫室氣體排放參數(shù)，估算了我國不同農(nóng)作物生產(chǎn)中針對不同病蟲害施用農(nóng)藥的溫室氣體排放量各自和整體的現(xiàn)狀*“溫室氣體”只涉及化石燃料相關(guān)的CO2、CH4和N2O，最后單位全部轉(zhuǎn)化為碳當(dāng)量(Carbon Equivalent, 本文中統(tǒng)一寫作CE)。；由于缺乏近年全國草害的防治面積數(shù)據(jù)，下文中所指“農(nóng)藥”只包括殺蟲劑和殺菌劑，不包括除草劑)

1研究方法

對于一定區(qū)域內(nèi)的某作物(“區(qū)域”在本文情境中實(shí)指“全國”，后同)，防治某一種病蟲害i的農(nóng)藥施用溫室氣體排放量CPi通過公式(1)計(jì)算，該作物防治所有病蟲害的農(nóng)藥施用總溫室氣體排放量CP通過公式(2)計(jì)算，該作物每公頃的農(nóng)藥防治溫室氣體排放量HCP通過公式(3)計(jì)算：

CPi=Mi×AIi×CAIi

(1)

(2)

HCP=CP÷G

(3)

式中，i是不同的病蟲害類型；CPi是該區(qū)域內(nèi)防治該作物的某一種病蟲害i的農(nóng)藥施用溫室氣體排放量(kg CE)，計(jì)算結(jié)果見表2；Mi是該作物對病蟲害i的防治面次(hm2次)，數(shù)據(jù)來源見2.2，取值見表2；AIi是防治病蟲害i的單位面次農(nóng)藥有效成分用量(kg ai hm-2次-1)*ai為“active ingredient”即“有效成分”的通用縮寫。，數(shù)據(jù)來源見2.3，取值見表1；CAIi是防治病蟲害i所用的農(nóng)藥的溫室氣體排放系數(shù)(kg CE/kg ai)，計(jì)算方法見公式(4)，取值見表1。CP是該區(qū)域內(nèi)該作物防治所有病蟲害的農(nóng)藥施用總溫室氣體排放量 (kg CE)；M是該區(qū)域內(nèi)該作物所有病蟲害的總防治面次(hm2次)，由于Mi的數(shù)據(jù)來源中只給出了主要的幾種病蟲害類型，所以M>∑Mi；(AI×CAI)=∑CPi÷∑Mi，表示該作物單位面次的加權(quán)平均農(nóng)藥施用溫室氣體排放量(kg CE hm-2次-1)。HCP是每公頃該作物的農(nóng)藥防治總溫室氣體排放量(防治所有病蟲害)(kg CE/hm2)，計(jì)算結(jié)果見表3；G是播種面積(hm2)，取值見表3。

各種農(nóng)藥的溫室氣體排放系數(shù)CAI根據(jù)公式(2)計(jì)算：

(4)

式中，Ep是單位有效成分生產(chǎn)能耗(MJ/kg ai)，取值見2.1；EFPT是單位有效成分的(粉劑/乳劑/顆粒)成型、包裝和運(yùn)輸能耗(MJ/kg ai)，取值為20MJ/kg ai[10]*考慮到我國主要是人工施藥，和國外大規(guī)模使用器械甚至飛機(jī)來做噴霧的情況不同，因此本文的結(jié)果不包括施藥環(huán)節(jié)的溫室氣體排放量。；0.140是能耗與CO2當(dāng)量(CO2equivalent, CO2e)的轉(zhuǎn)換系數(shù)(kg CO2e/MJ)，取值自2011年化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)的終端能源消費(fèi)量[11]中前73.6%的5種最主要能源的加權(quán)溫室氣體排放因子(5種終端能源消費(fèi)量為：原煤7745.85萬t標(biāo)準(zhǔn)煤、電力4336.31萬t標(biāo)準(zhǔn)煤、石腦油3351.54萬t標(biāo)準(zhǔn)煤、熱力2357.88萬t標(biāo)準(zhǔn)煤、天然氣2315.00萬t標(biāo)準(zhǔn)煤；根據(jù)中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2012，1t標(biāo)準(zhǔn)煤=29271MJ；加權(quán)量為國內(nèi)全生命周期終端能源溫室氣體排放因子[12]：原煤100.5g CO2e /MJ、天然氣72.73g CO2e/MJ、汽油98.86 g CO2e/MJ、電力297.7 g CO2e/MJ，熱力用原煤的因子，石腦油用汽油的因子)；12/44是CO2e與CE的轉(zhuǎn)換系數(shù)(kg CE/kg CO2e)。

2數(shù)據(jù)來源

2.1單位農(nóng)藥有效成分的生產(chǎn)能耗Ep

早期農(nóng)藥是以是天然礦物或植物為原料加工而成的(如硫磺、砷酸鉛、硫酸銅等)，但現(xiàn)代農(nóng)藥則是典型的石油化工產(chǎn)品，其合成基礎(chǔ)是各種來源于化石燃料所制成的原料(乙烯、丙烯、甲烷等)的中間體，因此化石燃料既是農(nóng)藥合成的原料也是燃料[10]。由于企業(yè)級的農(nóng)藥生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)常被視為商業(yè)機(jī)密，已有的關(guān)于農(nóng)藥生產(chǎn)能耗的文章[1, 13- 15]大多都可追溯回1987年Maurice B. Green的一項(xiàng)研究結(jié)果[10]，他是根據(jù)當(dāng)時(shí)已失效的專利中的制造方法來計(jì)算的。

本文以下農(nóng)藥的單位有效成分生產(chǎn)能耗(Ep)取自Green：克百威454、馬拉硫磷228.8、甲拌磷209、福美鐵81(取值同福美雙)，代森錳鋅260、多菌靈390、霜脲氰422、氟啶胺574、嘧菌酯595、戊唑醇531、高效氯氟氰菊酯509、毒死蜱304、氯氰菊酯600(MJ/kg ai)[10]。

但Green當(dāng)時(shí)計(jì)算過的很多農(nóng)藥品種現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了，現(xiàn)在常用的很多品種卻沒有包括在內(nèi)，因此如何估算現(xiàn)在常用農(nóng)藥的能耗成為了一個(gè)難題。相比利用分子量或化學(xué)結(jié)構(gòu)或反應(yīng)步數(shù)為變量來預(yù)測制造能耗，Audsley[15]發(fā)現(xiàn)，以農(nóng)藥發(fā)明年份為變量，對制造能耗做回歸的擬合效果最佳(認(rèn)為隨著科技的進(jìn)步，同樣是基于來自石油、煤或天然氣的乙烯、丙烯和甲烷，后發(fā)明的農(nóng)藥生產(chǎn)工藝更復(fù)雜，因此制造能耗更高)。因此前述未提及的農(nóng)藥的單位有效成分生產(chǎn)能耗(Ep)按照Audsley的回歸方程[15]，即公式(5)計(jì)算：

(5)

式中，Y是農(nóng)藥有效成分的發(fā)明年份：敵敵畏1954、乙蒜素1958、乙酰甲胺磷1964、辛硫磷1965、異丙威1967、稻瘟靈1968、三唑磷1970、三唑酮1973、殺蟲單1975、三環(huán)唑1975、氰戊菊酯1976、甲基異柳磷1977、噻嗪酮1977、四螨嗪1979、烯唑醇1980、高效氯氰菊酯1988[16]；井岡霉素1973[17]；倍硫磷1957、代森銨1960、氧樂果1965、丙環(huán)唑1979、己唑醇1980[18]；吡蟲啉1985、噻蟲嗪1991[19]；水胺硫磷1951、噁唑菌酮1989[20]；辛菌胺醋酸鹽1989、三氯異氰尿酸1950[21]；氟啶蟲酰胺2010[22]；五氯硝基苯1939、代森鋅1944、三氯殺螨醇1956、代森聯(lián)1958、炔螨特1963、丙森鋅1965、萎銹靈1965、滅多威1967、異稻瘟凈1967、甲基硫菌靈1969、甲氰菊酯1971、丙溴磷1975、三乙膦酸鋁1977、溴氰菊酯1974、苯醚甲環(huán)唑1982、聯(lián)苯菊酯1984、阿維菌素1985、噠螨靈1990、氟啶蟲酰胺1994、吡唑醚菌酯1994和啶蟲脒1995則查自British Crop Production Council(BCPC) 2009年更新的《The Pesticide Manual(第十五版)》(即e-Pesticide Manual Version 5.0)。

2.2全國各作物不同病蟲害類型的防治面次Mi

由于各作物病蟲害最近幾年的詳細(xì)防治面次缺乏公開數(shù)據(jù)，故使用全國農(nóng)技中心2007—2011年的病蟲測報(bào)[23- 27]中對應(yīng)病蟲害的“預(yù)計(jì)發(fā)生面次”代替(將預(yù)計(jì)發(fā)生面次看做實(shí)際防治面次的近似值)，表1—表3中作物病蟲害類型的選取均來自于此。小麥和水稻的防治面次取值為2007—2011年5年間的預(yù)計(jì)發(fā)生面次均值，缺少5a跨度數(shù)據(jù)的玉米、馬鈴薯、油菜和棉花取2009—2011年3年間的預(yù)計(jì)發(fā)生面次均值，具體取值見表2。

2.3各作物不同病蟲害類型的有效成分用量AIi

如無特殊說明，則各種病蟲害的化學(xué)農(nóng)藥及其有效成分用量(AIi)均取值自中國農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所主辦的“中國農(nóng)藥信息網(wǎng)”，該網(wǎng)站提供了全國所有的農(nóng)藥登記信息：(1)通過“作物/防治對象查詢(http://www.chinapesticide.gov.cn/service/aspx/B4.aspx)” 得到防治某種作物某一病蟲害全國所有的農(nóng)藥商品的登記條目；(2)用excel軟件統(tǒng)計(jì)各化學(xué)農(nóng)藥有效成分的出現(xiàn)頻次(不包括極少數(shù)生物農(nóng)藥，如蘇云金桿菌)，據(jù)此選出最普遍的一種或幾種有效成分(累計(jì)出現(xiàn)頻次占總頻次2/3即66.7%以上的前一種或前幾種有效成分)；(3)再在同一網(wǎng)站查看不同廠家對同一有效成分給出的用量取值表(如果登記條目太多，則抽選20條左右)，獲得該有效成分合法用量全國范圍內(nèi)的最大和最小值(以上過程以2014年1—2月的搜索結(jié)果為準(zhǔn))。如果某病蟲害類型在農(nóng)藥信息網(wǎng)中沒有登記結(jié)果，則使用藥劑和劑量參考該作物病蟲害的相關(guān)文獻(xiàn)[28-36]。

施藥方式為稀釋藥液拌種時(shí)，AIi=種子重量÷10÷稀釋倍數(shù)；若按藥種比拌種，AIi=種子重量÷藥種比×有效成分含量(%)。種子重量按小麥種子105 kg/hm2、玉米種子45 kg/hm2、馬鈴薯種薯1800 kg/hm2、棉花種子30 kg/hm2計(jì)。施藥方式為按稀釋倍數(shù)噴霧時(shí)，棉花玉米藥液量按750 kg 3桶水/667m2計(jì)，小麥藥液量按450 kg 2桶水/667m2計(jì)，AIi=藥液量÷稀釋倍數(shù)。

3結(jié)果分析

表1給出了我國6種主要農(nóng)作物(小麥、水稻、玉米、馬鈴薯、油菜和棉花)的病蟲害種類、防治所用的主要農(nóng)藥有效成分類型和單位面次農(nóng)藥的使用溫室氣體排放量(具體用量因篇幅關(guān)系略去)。表1表明，由于作物通常會(huì)受到多種病蟲害的危害，因此所需的農(nóng)藥有效成分種類很多(例如小麥病蟲害常見的農(nóng)藥有效成分類型就有19種，水稻有17種)；另外，(在統(tǒng)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn))即便是同一種有效成分，其用藥劑量也差異很大：針對同一作物的同一種有效成分，使用方法不同帶來的用量差異很大(例如針對小麥紋枯病的同一個(gè)廠家出品的多菌靈·三唑酮可濕性粉劑粉劑，有拌種或噴霧兩種方式，用量相差5—6倍)；而即便目標(biāo)作物、目標(biāo)病蟲害類型、有效成分、劑型和使用方法都相同，合法的產(chǎn)品用量通常也是一個(gè)范圍而非單一值，且不同廠家的產(chǎn)品之間還經(jīng)常會(huì)有范圍不一致的情況出現(xiàn)(比如同樣是針對小麥蚜蟲的40%氧樂果乳油，就有單位面次用量為81—162、135—162、300—450g/hm2的3種產(chǎn)品)。因此，病蟲害防治所產(chǎn)生的溫室氣體排放量從理論上(即不考慮農(nóng)民實(shí)際操作的用量差異)就具有很大的異質(zhì)性和不確定性。

表1　全國主要農(nóng)作物病蟲害防治的化學(xué)農(nóng)藥有效成分及單位面次溫室氣體排放量*

*每一行的有效成分對于該病蟲害來說都是一種選擇、是可以單獨(dú)使用的(即防治單位面次的小麥蚜蟲既可以只用吡蟲啉12—37.5g，也可以只用敵敵畏600—800g)；某些行內(nèi)有兩種以上的有效成分，且用“·”相連，是因?yàn)檫@其中的一種或幾種有效成分只有混配形式(沒有單一成分的登記條目)，混合制劑的用量是這幾種有效成分之和(如氰戊菊酯·馬拉硫磷的混合制劑60—120g);“單位面次溫室氣體排放量”的上下限是同一種病蟲害(表中列出的)所有選擇的上下限，它的均值則是各項(xiàng)選擇中值的算數(shù)均值

由表2可知，我國小麥、水稻、玉米、馬鈴薯、油菜和棉花的年平均病蟲害發(fā)生面次分別為6427、9447、6300、553、822、2589萬hm2次，防治時(shí)使用農(nóng)藥所產(chǎn)生的總溫室氣體排放量分別為220.8(44.7—558.4)、606.7(60.0—1505.1)、336.4(112.0 —606.3)、30.9(11.2—96.0)、79.5(59.4—99.8)、96.4(25.2—242.2)Gg CE，6種合計(jì)總溫室氣體排放量為1.37(0.31—3.13)Tg CE。其中，水稻、玉米和小麥?zhǔn)侵饕欧旁矗吖舱伎傮w的84.9%。不同作物的蟲害和病害對總溫室氣體排放量的貢獻(xiàn)不同(為討論方便，只比較其均值)：小麥病蟲害防治的最主要排放源是蚜蟲和白粉病，小麥蟲害防治溫室氣體排放量占小麥病蟲害總體防治溫室氣體排放量的49.1%；水稻主要的農(nóng)藥溫室氣體排放源是對紋枯病、稻飛虱、稻縱卷葉螟、二化螟和稻瘟病的防治，水稻蟲害防治溫室氣體排放量占水稻病蟲害總體的58.6%；玉米病蟲害的最主要排放源是玉米螟，其貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于其它玉米病蟲害類型，玉米蟲害防治溫室氣體排放量占玉米病蟲害總體的81.5%。另外3種農(nóng)作物中，馬鈴薯病蟲害防治的溫室氣體排放最小，最主要排放源是對晚疫病的防治，病害防治溫室氣體排放量占總體的73.0%；油菜病蟲害防治的最主要溫室氣體排放源是菌核病，油菜病害防治的溫室氣體排放量占總體的98.9%；棉花病蟲害防治的溫室氣體排放量主要來自于棉鈴蟲、棉盲蝽和鈴期病害，蟲害防治農(nóng)藥排放占總體的77.5%。

由表3可知，不同作物病蟲害防治的農(nóng)藥溫室氣體排放情況差異很大(全國平均值)。水稻和棉花的每公頃防治次數(shù)則為3.2和5.2次，每公頃的防治總溫室氣體排放量最高，達(dá)到20.54和19.51 kg CE hm-2；玉米、油菜及小麥的每公頃防治次數(shù)和農(nóng)藥施用溫室氣體排放則次之，馬鈴薯最低。將作物產(chǎn)出(單位面積產(chǎn)量)加入考慮，則差距更大：6種作物各自每噸產(chǎn)量所消耗的農(nóng)藥所產(chǎn)生的溫室氣體排放量分別是1.94、3.13、1.89、1.91、5.93和15.29 kg CE t-1，水稻仍是糧食作物中單產(chǎn)農(nóng)藥溫室氣體排放量最高的，是馬鈴薯(最低值)的1.6倍，而屬于經(jīng)濟(jì)作物的油菜和棉花的單位產(chǎn)量農(nóng)藥溫室氣體排放量均遠(yuǎn)高于糧食作物，棉花的單產(chǎn)農(nóng)藥溫室氣體排放量更是水稻的4.9倍。

表2　全國主要糧油棉作物的病蟲害防治溫室氣體排放現(xiàn)狀

表3　全國主要農(nóng)作物的每公頃病蟲害防治現(xiàn)狀

①播種面積取與防治面次同樣年份的平均值，每年的播種面積來自相應(yīng)年份的中國農(nóng)業(yè)年鑒;

②小麥和水稻每公頃產(chǎn)量取2007—2011年的5a平均值、玉米、馬鈴薯、油菜和棉花每公頃產(chǎn)量均取2009—2011年的3a平均值(但2011年的馬鈴薯的單產(chǎn)值與總產(chǎn)量和播種面積之商不符，故馬鈴薯單產(chǎn)取值為總產(chǎn)與播種面積之商)，每年的單產(chǎn)、總產(chǎn)和播種面積數(shù)據(jù)均查詢自自國家統(tǒng)計(jì)局的公開數(shù)據(jù)庫(http://data.stats.gov.cn/);

③平均防治次數(shù)=該作物所有病蟲害的總防治面次÷該作物播種面積;

④單位產(chǎn)量農(nóng)作物防治溫室氣體排放量=每公頃防治總溫室氣體排放量÷每公頃產(chǎn)量

4討論與結(jié)論4.1討論

各種差異的來源：(1)就各作物的全國農(nóng)藥溫室氣體排放總量而言，水稻、小麥、玉米這三大主糧最高，這是由其播種面積的絕對優(yōu)勢所決定的(3種作物播種面積均在2400萬hm2以上，合計(jì)占了全國所有農(nóng)作物播種總面積的一半還多)。(2)就每公頃的農(nóng)藥溫室氣體排放量而言，水稻和棉花最高(20.54、19.51 kg CE/hm2)，且遠(yuǎn)高于油菜、玉米、小麥和馬鈴薯(10.84、10.38、9.19、5.91 kg CE/hm2)，這符合水稻和棉花本身病蟲害多發(fā)、防治次數(shù)最多的基本情況。(3)就每kg產(chǎn)品的農(nóng)藥溫室氣體排放量而言，棉花最高(15.29 kg CE/hm2)，且遠(yuǎn)高于包括單產(chǎn)同樣很低的油菜在內(nèi)的其余5種作物，因?yàn)槊藁ú粌H單產(chǎn)最低、而且病蟲害防治次數(shù)最高，導(dǎo)致其單位產(chǎn)品的碳代價(jià)最高。(4)病害和蟲害防治的溫室氣體貢獻(xiàn)大小各有側(cè)重，這不僅與作物本身的病蟲害發(fā)生特點(diǎn)有關(guān)，也與其主流用藥類型有關(guān)：玉米和棉花是蟲害貢獻(xiàn)大(主要是發(fā)生面積最大的玉米螟、棉鈴蟲和棉盲蝽)，小麥和水稻的病害和蟲害貢獻(xiàn)大致相當(dāng)(主要是小麥蚜蟲、小麥吸漿蟲、小麥紅蜘蛛、小麥白粉病、小麥赤霉病、稻飛虱、稻縱卷葉螟、水稻二化螟、稻瘟病和水稻紋枯病)，馬鈴薯和油菜則以防治病害的農(nóng)藥溫室氣體排放為主(主要是馬鈴薯晚疫病和油菜菌核病，其中油菜菌核病的貢獻(xiàn)特別突出，這是因?yàn)槎嗑`的用藥量通常很高)。對大部分病蟲害而言，由于農(nóng)藥種類的可選擇余地相當(dāng)大，不同農(nóng)藥也有巨大的用量和制造排放量差異，因此農(nóng)藥的選擇會(huì)帶來相當(dāng)?shù)臏p排空間。從控制農(nóng)藥溫室氣體排放的角度，應(yīng)該主要從種植面積大和病蟲害多的作物(如水稻和棉花)著手，鼓勵(lì)淘汰防治效率不高、使用量大的老藥(如多菌靈)，使用補(bǔ)貼等方式鼓勵(lì)使用眾多同類替代品中更高效、使用量更低的新型農(nóng)藥。另外，即使不考慮稻田甲烷排放，水稻也仍然是單位面積碳代價(jià)最高的作物，對于以稻米為主食的亞洲人來說，鼓勵(lì)節(jié)約糧食也有減少溫室氣體排放的積極意義。

計(jì)算中還存在的不確定性包括：(1)公式(4)中的單位有效成分的溫室氣體排放量轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.140 kgCO2e/MJ)是整個(gè)化學(xué)制品行業(yè)的平均值，雖然較能反映中國化學(xué)制品企業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，但未必和農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)完全相同。而用來計(jì)算農(nóng)藥有效成分生產(chǎn)能耗(Ep)的公式(3)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)回歸公式，雖然這是根據(jù)Green的精確能耗數(shù)據(jù)所能得出的最明顯趨勢，但顯然并不能精準(zhǔn)到完全代替工廠的實(shí)測數(shù)據(jù)。那么使用公式(1)估算的中國的單位農(nóng)藥有效成分溫室氣體排放量(CAI)會(huì)與實(shí)際情況有出入。(2)由于防治方法和用量的地區(qū)性差異、及可能存在的操作不規(guī)范，各地實(shí)際使用的農(nóng)藥種類和用量的上下限有可能會(huì)超出本文的估計(jì)范圍，且各地的每公頃作物防治溫室氣體排放量均值可能會(huì)與本文估算的全國均值有出入。要解決以上不確定性，首先要對我國典型農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)工藝能耗(Ep)做實(shí)際調(diào)查，以提高對各種農(nóng)藥的溫室氣體排放系數(shù)(CAI)的估算精度。其次是提高對農(nóng)藥用量的估算精度，目前自下而上的農(nóng)戶級調(diào)查從根本上無法克服農(nóng)藥用量本身的不確定性和區(qū)域異質(zhì)性，更好的辦法是通過自上而下的企業(yè)級調(diào)查，獲得各種農(nóng)藥的總銷售量及其用于各種作物的去向比例數(shù)據(jù)(一種農(nóng)藥常常有很多種去向，只有總量也無法得知其分散到各個(gè)作物上的用量)，最后匯總成作物所使用的各種農(nóng)藥總量。

另外，本文因?yàn)槿狈Σ莺γ娲螖?shù)據(jù)而沒有包括除草劑的貢獻(xiàn)，但除草劑的總體發(fā)明年份較殺蟲劑和殺菌劑更晚，雖然施用次數(shù)不如殺蟲殺菌劑多但通常單次使用量較大，導(dǎo)致每公頃溫室氣體排放量也相當(dāng)可觀：例如按本文同種方法計(jì)算的玉米除草劑的每公頃溫室氣體排放量達(dá)17.43(0.92—49.19)kg CE/hm2，均值和上限均超過玉米每公頃殺蟲和殺菌劑的溫室氣體排放量之和。且隨著轉(zhuǎn)基因作物的推廣使用，除草劑的市場份額也在不斷擴(kuò)大[3]，因此本文計(jì)算的各作物每公頃農(nóng)藥施用溫室氣體排放量和全國農(nóng)藥溫室氣體排放總量仍是低估。

4.2結(jié)論

由于防治一種病蟲害往往有多達(dá)十余種的農(nóng)藥可供選擇，而即便是同一種農(nóng)藥，使用量也可相差數(shù)倍之多，另外不同的農(nóng)藥品種又有不同的制造方法和能耗……，因此，即使是防治同一種作物的同一種病蟲害，單位面積的農(nóng)藥溫室氣體排放量也是大不相同的，甚至可以相差數(shù)百倍(表1)。而對于同一種作物而言，防治病害和蟲害的溫室氣體貢獻(xiàn)偏重也不同，例如玉米和棉花更重蟲害(玉米螟、棉鈴蟲和棉盲蝽)，油菜和馬鈴薯更重病害(晚疫病、菌核病)，小麥水稻則是多種病蟲害皆重(小麥蚜蟲、小麥吸漿蟲、小麥紅蜘蛛、小麥白粉病、小麥赤霉病、稻飛虱、稻縱卷葉螟、水稻二化螟、稻瘟病和水稻紋枯病)(表2)。至于不同作物整體的農(nóng)藥防治溫室氣體排放量，水稻和棉花的平均每公頃防治總溫室氣體排放量是小麥、玉米、油菜和馬鈴薯的2倍左右；如果考慮的不是平均值而是極限值，則差異更大(表3)。

以上6種作物的病蟲害防治溫室氣體排放量為1.37(0.31—3.13)Tg CE，若將上述農(nóng)作物的整體平均農(nóng)藥施用情況外推到其余農(nóng)作物(按六種農(nóng)作物播種面積總和1.035億hm2、全國農(nóng)作物總播種面積1.605億hm2計(jì))，則我國目前農(nóng)作物施用農(nóng)藥(不包括除草劑)的溫室氣體排放總量為2.13(0.48—4.85)Tg CE a-1(考慮到除草劑的貢獻(xiàn)，以上數(shù)字均仍是低估)。

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Estimate of greenhouse gases emission from pesticides usage in China′s major crops

CHEN Shun1,2, LU Fei1, WANG Xiaoke1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract：Over the past 30 years, China′s total area sown with crops did not change significantly. Meanwhile, the occurrences of crop pests and diseases as well as the control (treatment) areas have increased drastically. China has become the world′s largest pesticide manufacturer and consumer since 2005 and the up-trend is expected to continue. Correspondingly, the greenhouse gases (GHGs) emission resulting from pesticide usage may also increase fast and become an important part of indirect GHGs emission in agriculture. However, domestic GHGs emission parameters from pesticide usage were rarely reported in analysis of China′s agricultural life-cycle, which leads to considerable uncertainty in studies related to agricultural indirect GHGs emission. In this study, GHGs emission from pesticides manufacture was estimated by summing up the global warming potential of GHGs emitted from four processes including manufacture of active ingredients, formulation of emulsifiable oils/wettable powders/granules, packaging, and transport. According to the occurrence of pests and diseases in six major crops (wheat, rice, maize, potato, oilseed rape, and cotton) in China, the amount of current GHGs emissions induced by usage of insecticides and fungicides specific for these crops was assessed based on the integration of available information on the use of relevant pesticides and GHGs emissions from their manufacturing. Our estimation indicated that the GHGs emission pertaining to pests and diseases control was the highest for rice and cotton (20.54 [2.03—50.95] and 19.51 [5.11—49.01], respectively) followed by oilseed rape (10.84 [8.10—13.62]), maize (10.38 [3.45—19.32]), wheat (9.19 [1.86—23.24]), and potato (5.91 [2.15—18.34] kg carbon equivalent [CE] per hectare each year). Different crop pests and diseases contributed differently to crop′s GHGs emission from pesticides usage: for maize and cotton, pests were the main contributors (especially maize borer, maize earworm, and cotton plant-bug); for oilseed rape and potato, diseases were the main contributors (especially potato late blight and rape sclerotinia rot); and for wheat and rice, pests and diseases both contributed equally to the total emission (especially wheat aphid, wheat midge, wheat red spider, wheat powdery mildew, wheat scab, rice plant hopper, rice leaf roller, rice striped stem borer, rice blast, and rice sheath blight). Meanwhile, as to the pesticide GHGs emission per unit yield, all four grain crops contributed far less than cotton and oilseed rape. Correspondingly, the overall emission due to the insect pests and diseases control measures for each of the analyzed crops in China was: 220.8 (44.7—558.4), 606.7 (60.0—1505.1), 336.4 (112.0—606.3), 30.9 (11.2—96.0), 79.5 (59.4—99.8), and 96.4 (25.2—242.2) Gg CE/a for wheat, rice, maize, potato, oilseed rape, and cotton, respectively, with a total amount of 1.37 (0.31—3.13) Tg CE/a. It should be noted that these results are underestimation of China′s actual pesticide GHGs emission since the herbicides were not considered because of the unavailability of weed treatment data. Owing to the variation in the characteristics of crop pests and diseases control measures (including various conditions of crops, pests, and diseases, wide range of pesticide and fungicide choices and their legal dosage), non-negligible uncertainties still exist in our current bottom-up estimates based on farmer surveys. More accurate estimation requires implementation of top-down methods and data based on enterprise-level surveys.

Key Words:crops; pesticides; fungicides; GHGs; carbon emission

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(71003092); 科技部973專題(2010CB833504-2); 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)子課題(XDA05050602, XDA05060102)

收稿日期:2014- 05- 27; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 26

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: wangxk@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201405271084

陳舜, 逯非, 王效科.中國主要農(nóng)作物種植農(nóng)藥施用溫室氣體排放估算.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(9):2560- 2569.

Chen S, Lu F, Wang X K.Estimate of greenhouse gases emission from pesticides usage in China′s major crops.Acta Ecologica Sinica,2016,36(9):2560- 2569.