胡永浩, 張昆揚(yáng), 胡南燕, 武拉平

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 北京 100083)

《國(guó)家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略2035》指出, 1951-2020年中國(guó)平均氣溫增速達(dá)到0.26 ℃·(10a)-1, 遠(yuǎn)高于同期0.15 ℃·(10a)-1世界平均增速, 氣候變暖對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅; 然而, 全球變暖趨勢(shì)仍將持續(xù), 這給未來發(fā)展增添了更多風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。二氧化碳等溫室氣體排放(碳排放)的增加是造成全球變暖的主要原因, 為減少碳排放、減緩全球變暖, 中國(guó)積極參與全球氣候治理, 進(jìn)行了一系列實(shí)踐探索。一方面, 我國(guó)先后加入《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》《巴黎協(xié)定》等氣候協(xié)議, 就碳減排領(lǐng)域進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際合作; 另一方面,結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際提出2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo), 并推出《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等一系列方案, 為減少碳排放作出了重要貢獻(xiàn)。

但我國(guó)碳排放治理體系尚不完善, 碳排放核算體系尚待建立健全, 各領(lǐng)域碳排放統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失, 難以為碳排放政策制定、“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。因此, 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合多部門制定發(fā)布了《關(guān)于加快建立統(tǒng)一規(guī)范的碳排放統(tǒng)計(jì)核算體系實(shí)施方案》, 提出加快建立統(tǒng)一規(guī)范的碳排放統(tǒng)計(jì)核算體系, 建立科學(xué)核算方法, 系統(tǒng)掌握我國(guó)碳排放總體情況。農(nóng)業(yè)既是溫室氣體主要排放來源之一, 又承擔(dān)著關(guān)鍵的碳匯角色, 充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)減排固碳潛力是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。為推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳工作, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳實(shí)施方案》, 推出實(shí)施監(jiān)測(cè)體系建設(shè)等十大行動(dòng), 要求完善農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳的監(jiān)測(cè)指標(biāo)、關(guān)鍵參數(shù)與核算方法, 這也為農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算體系建設(shè)、農(nóng)業(yè)低碳綠色發(fā)展指明了方向。

現(xiàn)有研究已從農(nóng)業(yè)碳排放來源、碳排放測(cè)算以及碳排放驅(qū)動(dòng)因素等方面進(jìn)行了研究, 但不同研究在確定碳排放來源、選取測(cè)算角度和排放系數(shù)上存在很大差異, 這導(dǎo)致最終農(nóng)業(yè)碳排放的測(cè)算結(jié)果與研究結(jié)論難以趨于一致。FAO數(shù)據(jù)顯示, 2019年中國(guó)的農(nóng)業(yè)碳排放總量為78 283.91萬(wàn)t, 是全球農(nóng)業(yè)碳排放最多的國(guó)家; 田云等[1]研究測(cè)得2019年中國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放為94 067.21萬(wàn)t, 而張揚(yáng)等[2]測(cè)得同年中國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放為7989.70萬(wàn)t, 可見不同研究所得結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

鑒于此, 本文在對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上, 從不同角度對(duì)現(xiàn)有研究中農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算選取的碳排放來源、采用的排放系數(shù)以及測(cè)算結(jié)果等方面進(jìn)行梳理, 對(duì)其中排放系數(shù)的來源與適用范圍進(jìn)行重點(diǎn)分析, 并進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述, 對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算等研究?jī)?nèi)容的未來發(fā)展進(jìn)行展望, 以期為未來農(nóng)業(yè)碳排放的相關(guān)研究提供參考依據(jù)。

1 農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算方法

各種溫室氣體對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn), 可以按照二氧化碳的排放率折算為二氧化碳當(dāng)量, 而由于二氧化碳對(duì)全球變暖的總貢獻(xiàn)超過50%, 是最重要的溫室氣體, 所以溫室氣體排放常常也被簡(jiǎn)稱為“碳排放”[3]。盡管用“碳排放”來指代溫室氣體排放并不準(zhǔn)確, 但是“控制碳排放”等術(shù)語(yǔ)已被大多數(shù)人理解、接受和采用, 因此本文暫且將“溫室氣體排放”簡(jiǎn)稱為“碳排放”。

農(nóng)業(yè)碳排放則是指農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的溫室氣體排放,主要包括二氧化碳、甲烷和氧化亞氮3種溫室氣體[4]。農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算方法主要有排放系數(shù)法、模型模擬法和實(shí)地測(cè)量法, 不同測(cè)算方法適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)各異, 后文將逐一進(jìn)行介紹。

1.1 排放系數(shù)法

目前農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算研究中最為常見的方法是排放系數(shù)法(或排放因子法)。排放系數(shù)法來源于政府間氣候變化委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的《國(guó)家溫室氣體清單指南》,其測(cè)算流程是在構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算指標(biāo)體系, 即確定主要農(nóng)業(yè)碳排放來源的基礎(chǔ)上, 將農(nóng)業(yè)碳排放源活動(dòng)水平數(shù)據(jù)與排放系數(shù)相乘, 得到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域各種溫室氣體排放量, 再根據(jù)不同氣體的全球變暖潛力值將其轉(zhuǎn)化為碳排放當(dāng)量, 從而得到最終的碳排放總量, 其具體測(cè)算公式如下:

式中:Ei為第i種農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放量, 主要是二氧化碳、甲烷和氧化亞氮3種;Tin是指第i種溫室氣體第n個(gè)排放源的量;δin則是對(duì)應(yīng)的排放系數(shù)即單位排放源的活動(dòng)數(shù)據(jù)所造成的溫室氣體排放量;E為農(nóng)業(yè)總碳排放量;ωi為第i種農(nóng)業(yè)溫室氣體的全球變暖潛力值, 根據(jù)IPCC相關(guān)報(bào)告, 甲烷和氧化亞氮的全球變暖潛力值分別為25和298 (二氧化碳的全球變暖潛力值為1)。

排放系數(shù)法測(cè)算碳排放的關(guān)鍵是確定農(nóng)業(yè)碳排放源和相關(guān)排放系數(shù), 從而建立農(nóng)業(yè)碳排放核算的指標(biāo)體系。排放系數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于適用尺度廣, 可用于宏觀、中觀與微觀各個(gè)層次, 且公式簡(jiǎn)明、原理易懂; 缺點(diǎn)是測(cè)算較為籠統(tǒng), 排放系數(shù)易受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式、作物類型等因素的影響不確定性較大。

1.2 模型模擬法

模型模擬法以生物地球化學(xué)過程為基礎(chǔ), 融合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵過程與控制因子, 將有限的點(diǎn)位觀測(cè)案例擴(kuò)展到較大區(qū)域尺度, 為定量計(jì)量農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳氮循環(huán)、測(cè)算農(nóng)業(yè)碳排放提供了切實(shí)可行的方法[5]。常用的模擬農(nóng)業(yè)碳排放的模型主要有反硝化-分解模型(Denitrification-Decomposition model,DNDC)、洛桑碳模型(Rothamsted Carbon model, Roth C)、稻田甲烷排放模型(CH4MOD)以及區(qū)域氮循環(huán)模型(IAP-N)等。

DNDC模型主要由兩部分組成: 其一是土壤微氣候、農(nóng)作物生長(zhǎng)和土壤有機(jī)質(zhì)分解3個(gè)子模型,模擬土壤物理環(huán)境條件; 其二是硝化作用、反硝化作用以及發(fā)酵作用3個(gè)子模型, 模擬土壤物理環(huán)境對(duì)微生物活動(dòng)的影響, 計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的碳排放[6]。此外, DNDC在模擬時(shí)還需要輸入氣候、土壤、管理措施以及作物類型等現(xiàn)實(shí)參數(shù)。Roth C模型是以英國(guó)洛桑實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的土壤有機(jī)碳(SOC)周轉(zhuǎn)模型, 該模型將有機(jī)庫(kù)分為易分解植物殘?bào)w(DPM)、難分解植物殘?bào)w(RPM)、微生物量(BIO)、腐殖化有機(jī)質(zhì)(HUM)和惰性有機(jī)質(zhì)(IOM) 5個(gè)部分, 可以模擬不同氣候和管理方式下的SOC變化情況[7]。CH4MOD模型由甲烷基質(zhì)供應(yīng)和甲烷產(chǎn)生與排放2個(gè)子模塊構(gòu)成, 可以有效地模擬不同氣候、土壤及農(nóng)業(yè)管理下的稻田甲烷排放, 具有廣泛適應(yīng)性與良好解釋性[8]。IAP-N模型包含土壤環(huán)境、植物生長(zhǎng)、硝化/反硝化、其他氮轉(zhuǎn)化過程4個(gè)部分, 可以較好地模擬農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的氮循環(huán), 常用于估算不同種類農(nóng)用地的氧化亞氮排放[9]。

模型模擬法的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)參數(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行模擬測(cè)算, 所得測(cè)算結(jié)果精確度大大提升, 模型模擬法還可以用來預(yù)測(cè)未來的碳排放量, 從而用來評(píng)估不同管理方式的減排效果; 但其局限性在于需要獲取的參數(shù)較多、模擬過程較為復(fù)雜, 且模型模擬法多用于模擬生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的碳排放。

1.3 實(shí)地測(cè)量法

實(shí)地測(cè)量法是通過對(duì)排放源的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總得到最終的碳排放量。其最大優(yōu)點(diǎn)是核算中間環(huán)節(jié)少、結(jié)果準(zhǔn)確, 但是數(shù)據(jù)獲取較為困難、成本投入較大且其適用范圍局限于微觀層次的排放源[10]。

盡管以上3種方法適用范圍不同且優(yōu)缺點(diǎn)各異,但在實(shí)際農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算中3種方法并非相互獨(dú)立而是緊密聯(lián)系的。排放系數(shù)法中的排放系數(shù)需要通過模型模擬法或者實(shí)地測(cè)量法獲得, 而模型模擬法也需要實(shí)地收集參數(shù)進(jìn)行過程模擬, 將3種方法揚(yáng)長(zhǎng)避短、充分結(jié)合, 能夠提升最終測(cè)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算

農(nóng)業(yè)碳排放呈現(xiàn)多源性特征, 現(xiàn)有研究選取不同角度對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放進(jìn)行了測(cè)算, 取得了一系列富有價(jià)值的研究成果。鑒于當(dāng)前研究中的農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算方法以排放系數(shù)法為主, 本部分將重點(diǎn)從排放系數(shù)法的兩個(gè)關(guān)鍵方面即確定農(nóng)業(yè)碳排放來源以及相關(guān)排放系數(shù)來源與測(cè)算, 對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)展開梳理。

2.1 投入產(chǎn)出角度

部分研究從投入產(chǎn)出角度對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放進(jìn)行核算, 主要包括了3類核算內(nèi)容: 一是化肥、農(nóng)藥等物資的生產(chǎn)、運(yùn)輸以及施用過程間接產(chǎn)生的碳排放;二是農(nóng)業(yè)汽油、柴油、用電等能源消耗產(chǎn)生的直接碳排放; 三是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的秸稈等廢棄物處理過程產(chǎn)生的碳排放。

2.1.1 要素投入

李波等[11]認(rèn)為農(nóng)業(yè)(狹義農(nóng)業(yè), 即種植業(yè))碳排放主要來源于化肥、農(nóng)藥和能源消耗以及翻耕過程,具體包括6個(gè)方面: 化肥生產(chǎn)和使用過程產(chǎn)生的碳排放, 化肥生產(chǎn)過程、運(yùn)輸過程和施用過程消耗化石燃料間接導(dǎo)致碳排放, 化肥過量施用造成土壤結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的碳排放; 農(nóng)藥生產(chǎn)和使用過程產(chǎn)生的碳排放; 農(nóng)膜生產(chǎn)使用過程產(chǎn)生的碳排放; 農(nóng)業(yè)機(jī)械使用消耗的農(nóng)用柴油等化石燃料產(chǎn)生的碳排放; 灌溉過程中因用電間接消耗化石燃料產(chǎn)生的碳排放;農(nóng)業(yè)翻耕破壞土壤有機(jī)庫(kù)導(dǎo)致有機(jī)碳釋放造成的碳排放。此種碳排放來源的分類方法被諸多研究肯定并使用[12-13], 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列拓展。有研究則將前5種來源即化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)機(jī)械耗用柴油以及灌溉消耗電能的碳排放歸納為農(nóng)業(yè)物資投入導(dǎo)致的碳排放[14-15]。

農(nóng)業(yè)物資投入碳排放測(cè)算時(shí), 李波等[11]研究所整理的排放系數(shù)(表1)同樣被大量國(guó)內(nèi)學(xué)者采納使用。其中化肥碳排放系數(shù)來源于美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室West等[16]測(cè)算的氮肥生產(chǎn)、運(yùn)輸過程的碳排放系數(shù)與智靜等[17]引用美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室各類化肥施用過程碳排放的平均系數(shù)相加所得; 農(nóng)藥碳排放系數(shù)也來自于智靜等[17]引用美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù); 農(nóng)膜碳排放系數(shù)來源于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所Cheng等[18]的研究, 其根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)的數(shù)據(jù), 用塑料導(dǎo)致的二氧化碳排放量除以塑料數(shù)量, 所得的塑料碳排放系數(shù)來代表農(nóng)膜的碳排放系數(shù); 農(nóng)業(yè)灌溉用電碳排放系數(shù)由Dubey等[19]根據(jù)Singh等[20]巴基斯坦農(nóng)業(yè)灌溉用電數(shù)據(jù)計(jì)算所得的排放系數(shù), 再與我國(guó)平均火力發(fā)電系數(shù)相乘所得; 柴油碳排放系數(shù)來源于IPCC推薦值。

表 1 農(nóng)業(yè)物資投入碳排放系數(shù)Table 1 Carbon emission factors of agricultural inputs

雖然基于要素投入視角的碳排放測(cè)算方式被學(xué)者們所接受, 但在具體的排放系數(shù)選取上, 諸多學(xué)者嘗試從不同角度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化, 以期能夠更為準(zhǔn)確測(cè)算出中國(guó)的碳排放情況。Zhang等[21]根據(jù)中國(guó)化肥廠與實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 推算出氮肥生產(chǎn)加工及使用過程中的排放系數(shù), 其中包括了農(nóng)田的氧化亞氮排放。陳舜等[22]根據(jù)中國(guó)氮肥、磷肥和鉀肥的制造加工過程, 推算了其生產(chǎn)過程的碳排放系數(shù)。而范紫月等[23]在對(duì)農(nóng)業(yè)物資投入碳排放測(cè)算時(shí), 引用了中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)(CLCD)的排放系數(shù), 并進(jìn)一步區(qū)分了氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥各類化肥的排放系數(shù)。張國(guó)等[24]根據(jù)Lal[25]的研究數(shù)據(jù)結(jié)合中美農(nóng)藥生產(chǎn)過程的差異, 估算了不同類型的殺蟲劑、殺菌劑以及除草劑生產(chǎn)和運(yùn)輸過程的碳排放系數(shù)(表2)。

2.1.2 能源消費(fèi)

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域所消耗的能源除了柴油、灌溉電力以外還包括汽油、煤炭等能源, 因此有研究認(rèn)為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中投入使用原煤、汽油、柴油、電力等能源消費(fèi)造成的碳排放是農(nóng)業(yè)碳排放的主要來源[26]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械使用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料與農(nóng)產(chǎn)品加工以及運(yùn)輸?shù)冗^程會(huì)耗用煤炭、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油和電力等能源, 而這些化石燃料的燃燒會(huì)直接導(dǎo)致大量的碳排放產(chǎn)生, 農(nóng)業(yè)耗用電力也會(huì)導(dǎo)致火力發(fā)電等過程的間接碳排放[27-28]。于偉詠等[29]則認(rèn)為, 上文提到的5種農(nóng)業(yè)物資投入也可以視作能源消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放, 其中農(nóng)用柴油和電力屬于直接能源碳排放源, 化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用屬于間接能源碳排放。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的能源消費(fèi)碳排放測(cè)算和其他領(lǐng)域能源消費(fèi)碳排放測(cè)算系數(shù)一致。李國(guó)志等[26]、龐麗[30]根據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》將農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的能源消費(fèi)分為了煤炭、汽油、柴油、天然氣、煤油、燃料油、原油、電力和焦炭9類, 并根據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》和IPCC的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)和碳排放系數(shù)(表3)測(cè)算了農(nóng)業(yè)能源消費(fèi)的碳排放。

2.1.3 秸稈焚燒

吳昊玥等[31]強(qiáng)調(diào)農(nóng)作物秸稈焚燒會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳和甲烷等溫室氣體; 而秸稈還田一方面會(huì)增加土壤氮素導(dǎo)致土壤氧化亞氮排放, 另一方面會(huì)增加土壤固碳速率從而利于減少碳排放[32]。由于不同秸稈處理方式對(duì)碳排放的影響渠道不同, 因此本部分重點(diǎn)對(duì)秸稈焚燒碳排放進(jìn)行分析, 秸稈還田造成的碳排放和固碳效應(yīng)將在下文中土壤管理與碳匯部分詳細(xì)展開。

秸稈焚燒的碳排放核算中, 王革華[33]根據(jù)秸稈的含碳系數(shù)和氧化率計(jì)算得到了秸稈燃燒的碳排放系數(shù)1.247 kg(CO2)·kg-1, 而實(shí)際計(jì)算時(shí)常常將秸稈產(chǎn)生量與秸稈焚燒比例相乘后再乘以碳排放系數(shù)得到最終秸稈焚燒的碳排放量。曹國(guó)良等[34]在核算秸稈露天焚燒碳排放時(shí)引用了美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的甲烷排放系數(shù)以及Andreae等[35]基于化學(xué)物理原理測(cè)算的二氧化碳和甲烷排放系數(shù); 劉麗華等[36]則通過模擬秸稈燃燒試驗(yàn)來測(cè)定了水稻(Oryza sativa)、小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、油菜(Brassica campestris)、棉花(Gossypiumspp.)和大豆(Glycine max) 6種作物秸稈燃燒排放的二氧化碳、甲烷與氧化亞氮的排放系數(shù)(表4)。

表 2 農(nóng)藥生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)奶寂欧畔禂?shù)[24]Table 2 Carbon emission factors of pesticide production and transportation[24]

表 3 農(nóng)業(yè)能源消費(fèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)與碳排放系數(shù)Table 3 Conversion coefficient and carbon emission factors of agricultural energy consumption

2.2 生產(chǎn)過程角度

除了農(nóng)用物資投入、能源消耗以及秸稈焚燒造成的碳排放外, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中土壤管理、水稻生長(zhǎng)以及動(dòng)物腸道發(fā)酵與糞便管理過程產(chǎn)生的碳排放同樣不可忽視。

2.2.1 土地管理過程

土地管理過程中造成土壤碳排放主要源于兩個(gè)方面: 其一, 翻耕破壞土壤有機(jī)庫(kù)導(dǎo)致有機(jī)碳釋放造成的碳排放[11]; 其二, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳氮循環(huán)導(dǎo)致的土壤氧化亞氮排放[37]。

伍芬琳等[38]通過河北冬小麥的大田試驗(yàn), 對(duì)土地翻耕碳排放系數(shù)進(jìn)行測(cè)算, 但是此翻耕系數(shù)實(shí)際包括翻地所用機(jī)械柴油以及農(nóng)藥和化肥等物資投入產(chǎn)生的碳排放, 并非只考慮翻耕過程土壤有機(jī)碳含量變化導(dǎo)致的碳排放。楊思存等[39]通過對(duì)連續(xù)翻耕8年的玉米耕地進(jìn)行試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)翻耕平均每年會(huì)使土壤有機(jī)碳含量減少0.04 t·hm-2, 而免耕則會(huì)使土壤有機(jī)碳含量增加0.64 t·hm-2。

土壤氧化亞氮排放又可以分為由于有機(jī)氮肥、秸稈還田等氮素輸入導(dǎo)致的直接排放, 以及來源于大氣氮沉降和淋溶徑流造成的間接排放[40]。張學(xué)智等[41]在測(cè)算土壤氧化亞氮的直接和間接排放時(shí)采用了我國(guó)《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》(后文簡(jiǎn)稱“《指南》”)中的排放系數(shù)(表5), 并根據(jù)不同農(nóng)作物類型的經(jīng)濟(jì)系數(shù)、秸稈氮含量、秸稈還田率等測(cè)算了秸稈還田的氮素輸入量等。閔繼勝等[42]進(jìn)一步測(cè)算了不同作物品種土壤本底和肥料的氧化亞氮排放, 其排放系數(shù)源于對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理所得, 如表6所示。

2.2.2 水稻生長(zhǎng)過程

水稻的生長(zhǎng)過程會(huì)產(chǎn)生大量的甲烷排放, 稻田土壤中存在豐富的產(chǎn)甲烷基質(zhì)和產(chǎn)甲烷菌, 經(jīng)過稻田土壤氧化形成的甲烷通過水稻植株排放到大氣中[3]。

閔繼勝等[42]在對(duì)水稻生長(zhǎng)過程甲烷排放的測(cè)算時(shí), 參考了王明星等[43]通過甲烷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)研究建立的初級(jí)模式所測(cè)算得到的排放系數(shù), 并根據(jù)單季稻、晚稻和中季稻的生長(zhǎng)周期進(jìn)行計(jì)算最終得到我國(guó)各省水稻生長(zhǎng)周期內(nèi)甲烷的排放系數(shù)(表7),其中早稻、晚稻和中季稻的生長(zhǎng)周期分別為85 d、100 d和105 d。此外, 唐志偉等[44]則采用了《指南》中的推薦排放因子計(jì)算稻田甲烷排放, 《指南》根據(jù)2005年全國(guó)各大農(nóng)業(yè)區(qū)的稻田生產(chǎn)管理等條件的平均水平, 計(jì)算得出了水稻甲烷排放因子的推薦值與變化范圍(表8)。

表 4 作物秸稈燃燒碳排放系數(shù)Table 4 Carbon emission factor of crop straw burning g·kg-1

表 5 農(nóng)業(yè)土地管理碳排放系數(shù)Table 5 Carbon emission factor of agricultural land management

表 6 不同農(nóng)作物氧化亞氮排放系數(shù)[42]Table 6 Nitrous oxide emission factors of different crops[42]

表 7 中國(guó)各省(市、自治區(qū))水稻生長(zhǎng)周期內(nèi)的甲烷排放系數(shù)Table 7 Methane emission factor of rice grow cycle in provinces (cities, autonomous regions) of China g(CH4)·m-2

表 8 中國(guó)分農(nóng)業(yè)區(qū)稻田甲烷排放系數(shù)Table 8 Methane emission factors of paddy fields by agricultural region in China kg(CH4)·hm-2

表 9 畜禽碳排放系數(shù)[46]Table 9 Carbon emission factor of livestock and poultry[46] kg·unit-1·a-1

2.2.3 動(dòng)物腸道發(fā)酵、糞便管理過程

畜禽動(dòng)物尤其是草食性和反芻類動(dòng)物在攝入富含纖維素飼料后, 在腸道消化吸收過程中甲烷菌發(fā)酵產(chǎn)生甲烷[45]; 與稻田甲烷排放機(jī)理類似, 動(dòng)物糞便中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過甲烷菌作用產(chǎn)生大量甲烷, 此外, 糞便堆放過程中在微生物作用下還會(huì)進(jìn)行反硝化和硝化反應(yīng)生成氧化亞氮[3]。

胡向東等[46]對(duì)動(dòng)物腸道發(fā)酵和糞便管理碳排放進(jìn)行了核算, 其引用的腸道發(fā)酵與糞便管理甲烷排放系數(shù)來源于IPCC (表9), 而腸道發(fā)酵造成的氧化亞氮系數(shù)則是將FAO所發(fā)布的氧化亞氮排放量除以動(dòng)物的平均飼養(yǎng)量所得, 研究中還根據(jù)出欄率對(duì)各類動(dòng)物的年均出欄量進(jìn)行了調(diào)整, 具體方法是將出欄率小于1的用本年末存欄量與上年末存欄量進(jìn)行平均處理, 而出欄率大于等于1的則按照IPCC的公式進(jìn)行計(jì)算調(diào)整。此外, 由于糞便管理造成的碳排放易受到氣溫等條件的影響, 因此不同地區(qū)的碳排放系數(shù)有所差異, 《指南》給出了不同地區(qū)動(dòng)物糞便管理的碳排放系數(shù)(表10)。

表 10 中國(guó)各區(qū)域動(dòng)物糞便管理碳排放系數(shù)Table 10 Carbon emission coefficients from animal manure management by region in China kg·unit-1·a-1

2.3 碳匯角度

農(nóng)業(yè)作為重要的生態(tài)系統(tǒng), 具有碳源與碳匯的雙重屬性。IPCC第6次評(píng)估報(bào)告指出農(nóng)業(yè)、林業(yè)與土地利用可提供2050年全球碳減排20%～30%的潛力, 農(nóng)業(yè)是短期內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)大量減少二氧化碳的唯一部門。因此, 有研究在進(jìn)行碳排放測(cè)算時(shí), 將農(nóng)業(yè)碳匯作為核算因素考慮在內(nèi), 用碳排放量減去碳匯量所得結(jié)果又被稱為凈碳排放。而由于農(nóng)業(yè)碳匯量大于碳排放量, 農(nóng)業(yè)凈碳排放核算結(jié)果往往為負(fù)(凈碳匯量為正)。

農(nóng)業(yè)碳吸收主要有農(nóng)作物光合作用固碳與土壤固碳兩種途徑[47], 因此在進(jìn)行碳匯核算時(shí)主要分為農(nóng)作物吸收與土地利用兩方面內(nèi)容。田云等[48]、翁翎燕等[49]在進(jìn)行農(nóng)作物吸收二氧化碳核算時(shí)引用了王修蘭[50]、韓召迎等[51]的方法和系數(shù), 具體是通過作物的產(chǎn)量和干物重來推算二氧化碳的吸收量, 公式可以表示為:

式中:C表示作物碳吸收總量,Ci表示第i種作物碳吸收量,ci表示第i種作物光合作用合成單位有機(jī)質(zhì)吸收的碳即碳吸收率,Yi為作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,ri為第i種作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品部分的含水量, HIi為第i種作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。相關(guān)的糧食作物與經(jīng)濟(jì)系數(shù)由王修蘭[50]整理所得, 蔬菜瓜類等園藝作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)由韓召迎等[51]根據(jù)文獻(xiàn)資料估算所得(表11)。

表 11 主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)、含水量和碳吸收率[50-51]Table 11 Economic factors, water contents and carbon absorption rates of main crops[50-51]

根據(jù)土地利用方式測(cè)算碳匯時(shí), 方精云等[52]根據(jù)各地不同森林類型的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 基于連續(xù)生物量換算因子法, 最終得出了林地的碳吸收參數(shù)為5.77 kg(C)·m-2·a-1; 根據(jù)我國(guó)草地的實(shí)地調(diào)查和遙感數(shù)據(jù)建立方程, 測(cè)得草地的碳吸收參數(shù)為0.0021 kg(C)·m-2·a-1。張大東等[53]根據(jù)園地的土壤和植被固碳系數(shù)測(cè)算了浙江省的園地碳吸收量, 而根據(jù)其研究中2000-2009年園地固碳量除以園地面積估算園地的碳吸收系數(shù)為0.559 kg(C)·m-2·a-1。此外, 土壤固碳能力會(huì)受到農(nóng)田管理措施影響, 韓冰等[54]研究發(fā)現(xiàn)施用化肥、秸稈還田、施用有機(jī)肥和免耕等管理措施可以使農(nóng)田土壤固碳能力分別增加40.51 Tg·a-1、23.89 Tg·a-1、35.83 Tg·a-1和1.17 Tg·a-1。

2.4 基于全生命周期法的碳足跡測(cè)算

碳足跡是從生命周期角度出發(fā), 分析全生命周期與人類生產(chǎn)消費(fèi)活動(dòng)直接或間接相關(guān)的碳排放過程[55]。全生命周期評(píng)價(jià)法(LCA法)是自下而上的過程分析法, 而運(yùn)用LCA法核算農(nóng)業(yè)碳足跡時(shí), 主要有兩個(gè)關(guān)鍵步驟: 第一, 確定農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的邊界, 即界定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從投入到產(chǎn)出全過程中直接或間接產(chǎn)生碳排放的活動(dòng); 第二, 收集計(jì)算碳足跡所需的數(shù)據(jù), 包括農(nóng)業(yè)生命周期中碳排放活動(dòng)的數(shù)量和對(duì)應(yīng)的排放因子[56]。因此, 進(jìn)行農(nóng)業(yè)碳足跡核算時(shí)與一般排放因子法農(nóng)業(yè)碳排放核算區(qū)別就在于在確定碳排放來源時(shí), 采用的方法是LCA法, 從農(nóng)業(yè)全生命周期的角度來構(gòu)建農(nóng)業(yè)碳排放分析框架, 其核算的內(nèi)容比較全面, 但是由于涵蓋的核算內(nèi)容多, 核算過程也比較耗時(shí)且成本較高。

黃祖輝等[56]、張廣勝等[4]在測(cè)算農(nóng)業(yè)碳足跡時(shí),分析了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及最終廢棄物處置全過程中直接和間接碳排放的活動(dòng), 并將投入產(chǎn)出法嵌入其中進(jìn)行核算; 此外, 還考慮了免耕等農(nóng)業(yè)技術(shù)管理措施的固碳減排效應(yīng), 最終得到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的凈碳足跡。姚成勝等[57]基于LCA法測(cè)算了中國(guó)畜牧業(yè)的碳排放,其中不僅包括了畜禽飼養(yǎng)過程的碳排放, 還考慮了飼料糧種植與運(yùn)輸加工、畜禽產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)的碳排放。

3 簡(jiǎn)要評(píng)述與研究展望

3.1 簡(jiǎn)要評(píng)述

隨著碳排放問題受到廣泛關(guān)注, 學(xué)者們對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放核算等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究并取得了豐碩成果, 為農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算指標(biāo)體系建設(shè)、研究農(nóng)業(yè)碳排放問題與制定農(nóng)業(yè)減排固碳的相關(guān)政策提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但是, 現(xiàn)有研究也存在一定局限性, 主要體現(xiàn)在以下方面:

第一, 確定農(nóng)業(yè)碳排放來源時(shí)不夠科學(xué)全面?，F(xiàn)有研究在農(nóng)業(yè)碳排放核算時(shí), 大多只測(cè)算了農(nóng)業(yè)碳排放來源某個(gè)或某幾個(gè)方面, 如只核算了農(nóng)業(yè)物資投入造成的碳排放或者農(nóng)業(yè)能源消耗的碳排放,未能全面測(cè)算整個(gè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生的碳排放, 且目前的農(nóng)業(yè)碳排放集中于農(nóng)業(yè)產(chǎn)前和產(chǎn)中環(huán)節(jié), 缺乏對(duì)產(chǎn)后運(yùn)輸、儲(chǔ)藏以及加工等產(chǎn)后環(huán)節(jié)的測(cè)算; 而部分研究未能掌握碳排放的內(nèi)涵, 只測(cè)算了農(nóng)業(yè)二氧化碳排放, 卻忽略了農(nóng)業(yè)是甲烷和氧化亞氮兩類溫室氣體的重要排放源, 導(dǎo)致最終測(cè)算結(jié)果較為片面。遺漏農(nóng)業(yè)碳排放源會(huì)導(dǎo)致碳排放結(jié)果被大大低估,不利于對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放現(xiàn)狀進(jìn)行準(zhǔn)確把握, 難以為農(nóng)業(yè)減排相關(guān)政策的制定提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支撐。另外尚有所爭(zhēng)議的是化肥、農(nóng)藥生產(chǎn)過程中的碳排放在工業(yè)碳排放核算時(shí)已考慮在內(nèi), 是否應(yīng)該再計(jì)入農(nóng)業(yè)碳排放。

第二, 排放系數(shù)的使用較為主觀隨意。隨著排放系數(shù)法在農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算等研究中被廣泛使用,排放系數(shù)是否準(zhǔn)確、科學(xué)越來越成為能否精確測(cè)算農(nóng)業(yè)碳排放的關(guān)鍵。農(nóng)業(yè)碳排放因作物種類、耕作方式、地理區(qū)間等方面不同存在較大差距?，F(xiàn)有部分研究在引用相關(guān)排放系數(shù)時(shí), 未明晰其原始來源,一方面, 采用的部分排放系數(shù)來源于國(guó)外多年前的試驗(yàn), 是否適用于中國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放的情景還有待商榷; 另一方面, 由于對(duì)引用的排放系數(shù)測(cè)算范圍不清,導(dǎo)致出現(xiàn)重復(fù)測(cè)算的情況, 如被引用較多的翻耕排放系數(shù), 其在測(cè)算時(shí)不僅包括了翻耕導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫(kù)流失產(chǎn)生的碳排放, 還囊括了農(nóng)業(yè)物資投入和柴油等方面產(chǎn)生的碳排放, 如果在最終測(cè)算時(shí)將此類翻耕碳排放與農(nóng)業(yè)物資碳排放簡(jiǎn)單相加進(jìn)行核算,必然導(dǎo)致結(jié)果被高估。此外, 由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程是動(dòng)態(tài)變化過程, 隨著技術(shù)進(jìn)步與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,農(nóng)業(yè)碳排放水平也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化, 而現(xiàn)有的碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)滯后、測(cè)算方法粗放、缺乏動(dòng)態(tài)調(diào)整[58]。

第三, 農(nóng)業(yè)碳匯核算等研究有待深入。一方面,由于現(xiàn)有能源減排與固碳技術(shù)在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破難度較大, 而農(nóng)業(yè)作為重要的碳匯來源, 可以通過作物吸收和土壤兩條途徑進(jìn)行固碳, 有著巨大的固碳潛力, 對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著至關(guān)重要的作用; 另一方面, 隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略進(jìn)一步開展, 生態(tài)振興與生態(tài)富民在鄉(xiāng)村振興中將扮演更為重要的角色, 而碳排放交易制度以及生態(tài)價(jià)值補(bǔ)償?shù)葐栴}的研究展開亟需農(nóng)業(yè)碳匯測(cè)算數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)支撐。當(dāng)前研究多關(guān)注于農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算, 或是將農(nóng)業(yè)碳源與碳匯結(jié)合起來進(jìn)行農(nóng)業(yè)凈碳匯測(cè)算, 由于當(dāng)前碳排放測(cè)算準(zhǔn)確性難以保證, 因此考慮碳排放的凈碳匯測(cè)算所得結(jié)果的準(zhǔn)確性更會(huì)大大降低; 而農(nóng)業(yè)碳匯單獨(dú)測(cè)算以及影響因素等研究相對(duì)較少, 尚存在一定研究空白。

第四, 農(nóng)業(yè)碳排放研究集中于國(guó)家和省級(jí)等宏觀層面, 農(nóng)戶以及企業(yè)等微觀層面的研究相對(duì)較少。從宏觀層面測(cè)算農(nóng)業(yè)碳排放情況, 掌握國(guó)家和地區(qū)的農(nóng)業(yè)碳排放情況, 從而為宏觀政策的制定提供支撐固然重要, 但農(nóng)戶作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要主體, 其生產(chǎn)決策對(duì)于農(nóng)業(yè)碳排放有著直接影響?，F(xiàn)有研究往往熱衷于開展宏觀層面的碳排放測(cè)算和實(shí)證分析,而對(duì)農(nóng)戶和企業(yè)等微觀層面的關(guān)注不足、數(shù)據(jù)開發(fā)程度較低。此外, 現(xiàn)有文獻(xiàn)從空間視角研究農(nóng)業(yè)碳排放時(shí), 局限于對(duì)空間差異的規(guī)律性總結(jié)描述, 對(duì)其產(chǎn)生差異的原因解釋不足, 缺乏對(duì)不同尺度和時(shí)空范圍的碳排放對(duì)比與變化研究[59]。

3.2 研究展望

結(jié)合現(xiàn)有研究存在的不足, 未來對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放核算等相關(guān)問題的研究, 可以考慮從以下幾個(gè)方面深入展開:

第一, 構(gòu)建一套統(tǒng)一、全面、科學(xué)、合理的農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)。由國(guó)家相關(guān)部門牽頭,加強(qiáng)與各高校與科研單位合作, 建立完善農(nóng)業(yè)碳排放核算的方法學(xué)體系, 根據(jù)農(nóng)業(yè)碳排放的科學(xué)原理與我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)情況, 參考IPCC國(guó)家溫室氣體排放清單等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn), 綜合采用全生命周期和投入產(chǎn)出等方法確定二氧化碳、甲烷和氧化亞氮在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的主要排放源頭, 將農(nóng)業(yè)要素投入、能源消耗、秸稈焚燒、土壤管理、水稻生長(zhǎng)以及動(dòng)物腸道發(fā)酵與糞便管理等各類源頭全面納入農(nóng)業(yè)碳排放核算體系。

第二, 建立中國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。首先,在借鑒國(guó)內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 總結(jié)整合農(nóng)業(yè)碳排放領(lǐng)域的排放系數(shù); 其次, 與自然學(xué)科展開深入合作, 加快遙感、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算等新興技術(shù)在實(shí)測(cè)領(lǐng)域的研究[60], 通過實(shí)地監(jiān)測(cè)、自然試驗(yàn)等方法, 分不同地區(qū)、不同溫室氣體種類、不同耕作方式以及不同作物種類和養(yǎng)殖品種等各類碳排放源全面測(cè)算符合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的排放系數(shù), 為農(nóng)業(yè)碳排放核算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

第三, 深化對(duì)農(nóng)業(yè)碳匯相關(guān)研究。加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)碳匯核算與影響因素的研究, 尤其需要繼續(xù)深入保護(hù)性耕作、秸稈還田、有機(jī)肥施用、綠肥種植等措施對(duì)農(nóng)田土壤固碳能力的影響研究, 推動(dòng)提升土壤有機(jī)質(zhì)含量, 充分發(fā)揮土壤固碳潛力。在此基礎(chǔ)上,推進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)價(jià)值一致性補(bǔ)償?shù)饶Ｐ驮谵r(nóng)業(yè)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)問題的應(yīng)用研究[61], 積極探索建立農(nóng)業(yè)碳匯市場(chǎng)補(bǔ)償機(jī)制和其他農(nóng)業(yè)生態(tài)價(jià)值補(bǔ)償機(jī)制, 從而加強(qiáng)農(nóng)戶減排固碳行為的經(jīng)濟(jì)激勵(lì), 為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做出積極貢獻(xiàn)。

第四, 繼續(xù)加強(qiáng)農(nóng)戶與企業(yè)微觀層面的農(nóng)業(yè)碳排放研究。農(nóng)業(yè)減排固碳政策歸根結(jié)底要落實(shí)在農(nóng)戶與企業(yè)等微觀主體身上, 考察農(nóng)戶對(duì)相關(guān)政策的行為反應(yīng)能為政策實(shí)行效果給予客觀真實(shí)地反饋[62]。因此, 需要進(jìn)一步深化農(nóng)戶生產(chǎn)碳排放及其低碳生產(chǎn)行為的影響機(jī)制研究, 并深入對(duì)不同尺度與時(shí)空的碳排放對(duì)比和變化分析, 從根本上挖掘農(nóng)業(yè)碳排放的影響因素、特征差異與存在問題。另外, 充分發(fā)揮模擬模型在碳排放預(yù)測(cè)中的作用, 為農(nóng)業(yè)碳排放政策制定與調(diào)整提供參考依據(jù)。