江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放時序特征及脫鉤彈性分析

蔣 巖， 韋陳華， 董振杰， 汪 源， 趙 燦， 霍中洋

(江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009)

全球氣候變暖是當(dāng)前世界亟待解決的嚴(yán)峻問題，氣候變暖導(dǎo)致的海平面升高、冰川融化、極端天氣頻發(fā)等危害嚴(yán)重威脅人類生存和社會持續(xù)發(fā)展。人類活動造成的溫室氣體排放是引起全球變暖的主要根源。自1750年工業(yè)革命后，全球經(jīng)濟(jì)騰飛發(fā)展，溫室氣體排放量也隨之急劇上升，使得全球平均氣溫升高1 ℃左右，引起全球氣候劇變。為此，學(xué)者呼吁改變傳統(tǒng)以犧牲環(huán)境換取經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方式，盡可能減少高碳能源消耗，大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，尋求環(huán)境友好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式。我國為應(yīng)對氣候變化，在2003年提出“低碳經(jīng)濟(jì)”概念之初便將節(jié)能減排與生態(tài)環(huán)境保護(hù)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要任務(wù)，在《巴黎協(xié)定》通過前便向世界做出減排承諾。從“十一五”起，我國通過頂層設(shè)計嚴(yán)格管控碳排放，落實(shí)一系列政策和方案踐行和落實(shí)我國的減排承諾。在2020年9月的第七十五屆聯(lián)合國大會，國家主席習(xí)近平提出“2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”這一重大戰(zhàn)略目標(biāo)，充分體現(xiàn)了大國領(lǐng)袖卓越的戰(zhàn)略眼光，彰顯了我國在全球氣候變化問題上的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

當(dāng)前碳排放的估算方法主要有排放因子法、質(zhì)量平衡法、實(shí)測法和模型法。其中，排放因子法應(yīng)用最為廣泛，該方法主要根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的《2006年國家溫室氣體清單編制指南報告》獲取排放因子，我國也編寫完成《省級溫室氣體清單編制指南》。農(nóng)田、森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)的光合作用實(shí)現(xiàn)碳匯，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動也是僅次于工業(yè)活動的碳排放源。農(nóng)業(yè)活動以糧食生產(chǎn)為主，維持口糧自給自足是我國立國之本，關(guān)系著國運(yùn)民生，如何平衡糧食產(chǎn)出和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放之間的矛盾成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。周思宇等研究發(fā)現(xiàn)，與1979年相比，我國東北三省2015年農(nóng)作物生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度降低了1.54 t/hm，但排放總量提高了22%，主要與土地管理方式及農(nóng)用品投入有關(guān)。侯穎等衡量了農(nóng)田人為活動所產(chǎn)生的碳排放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自然濕地改造成農(nóng)田后，碳排放總量從-15.38 t升高至6.54 t，田間種植和化肥投入是主要的碳來源。嚴(yán)圣吉等進(jìn)一步指出，甲烷(CH)、氧化亞氮(NO)是作物生產(chǎn)中主要的碳排放產(chǎn)物，分別占排放總量的23%和15%。邱子健等研究了江蘇省農(nóng)業(yè)碳排放時序特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)種植業(yè)的排放量遠(yuǎn)高于畜牧業(yè)，約占75%。上述研究都表明我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動碳排放構(gòu)成復(fù)雜，時序變化大，合理估算和分析這些變化有利于更好地實(shí)現(xiàn)碳減排。

作為糧食生產(chǎn)大省，江蘇省在全國3.39%的耕地上產(chǎn)出了5.58%的糧食。為了更好地評估江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放現(xiàn)狀，本研究通過排放因子法估算了江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放當(dāng)量，分析2000—2020年碳排放的時序特征和排放結(jié)構(gòu)變化，并分析了糧食生產(chǎn)碳排放和總產(chǎn)值間的脫鉤關(guān)系，以期為江蘇省實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和早達(dá)峰提供量化參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 糧食生產(chǎn)碳排放估算

參考前人研究，選取糧食生產(chǎn)中6個碳源：化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、土地翻耕和水稻種植，建立糧食生產(chǎn)碳排放估算框架，各碳源的碳排放系數(shù)和數(shù)據(jù)來源見表1，估算模型如下：

(1)

式中：為碳排放量；為第種排放源的碳排放量；為第種排放源的活動水平；為第種排放源的碳排放系數(shù)。水稻種植主要產(chǎn)生甲烷(CH)，將其按IPCC評估報告中百年尺度CO增溫潛勢的28倍換算成CO來計算碳排放系數(shù)。

表1 糧食生產(chǎn)碳排放源和排放系數(shù)

為衡量江蘇省2000—2020年生產(chǎn)單位糧食所帶來的碳排放量，引入單位糧食碳排放量概念，公式如下：

=。

(2)

式中：為單位糧食碳排放量；為糧食生產(chǎn)碳排放量；為糧食產(chǎn)量。

1.2 Tapio脫鉤模型

選用Tapio脫鉤模型來度量糧食生產(chǎn)碳排放量與產(chǎn)值變化間的關(guān)系，可分為負(fù)脫鉤、脫鉤和連接3種類型，脫鉤狀態(tài)的劃分依據(jù)為0.8和1.2，細(xì)分的8種具體狀態(tài)見表2。

脫鉤彈性系數(shù)公式如下：

=(Δ)(Δ)。

(3)

式中：為脫鉤彈性；為糧食生產(chǎn)碳排放量；Δ為糧食生產(chǎn)碳排放的增量；為糧食總產(chǎn)值；Δ為糧食總產(chǎn)值的增量。

表2 Tapio脫鉤彈性類別

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究中，糧食產(chǎn)量、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、土地翻耕和水稻種植面積等數(shù)據(jù)均來自歷年《江蘇省統(tǒng)計年鑒》。其中，化肥使用量為折純量，糧食產(chǎn)量為包括谷物、雜糧、薯類和豆類等在內(nèi)的原糧。土地翻耕面積用農(nóng)作物總播種面積代替(不包含水稻種植面積)。糧食總產(chǎn)值包括谷物、雜糧、薯類和豆類。采用GDP可比價，以2000年作為價格基期計算糧食總產(chǎn)值。

2 江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放時序特征和脫鉤彈性分析

2.1 糧食生產(chǎn)時序特征分析

江蘇省是糧食生產(chǎn)、流通和消費(fèi)大省，優(yōu)越的自然資源條件使江蘇產(chǎn)糧優(yōu)勢明顯。由圖1可知，2000—2020年江蘇省糧食產(chǎn)量呈現(xiàn)先降后升的趨勢，在2003年取得最低值2 471.85萬t。在糧食安全受到威脅時，江蘇省通過政策調(diào)控、助農(nóng)補(bǔ)貼和技術(shù)指導(dǎo)等手段確保糧食生產(chǎn)能力回升，并在2020年達(dá)到峰值3 729.06萬t，較2000年提高了20.04%。年間增長為當(dāng)年較前年糧食產(chǎn)量增長率，在2001—2003年逐年降低，分別降低5.30%、1.19%和14.97%。在2004年觸底反彈，增長14.45%，在2009年后維持平穩(wěn)增加的趨勢，平均年間增長率為1.34%。環(huán)比增速為當(dāng)年較2000年糧食產(chǎn)量增長率，2001—2006年糧食產(chǎn)量均低于2000年，其中2003年較2000年低20.43%，嚴(yán)重威脅省內(nèi)糧食安全。2007年后糧食產(chǎn)量開始高于2000年，糧食安全問題逐漸解決?，F(xiàn)階段，省內(nèi)糧食產(chǎn)量增長基本匹配人口增長，實(shí)現(xiàn)自給自足，但仍需重視糧食生產(chǎn)，緩解我國糧食自給壓力。

2.2 碳排放時序特征分析

2.2.1 總碳排放當(dāng)量 根據(jù)式(1)估算出江蘇省2000—2020年糧食生產(chǎn)碳排放當(dāng)量，2000—2020年江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放總體呈現(xiàn)先降后升再緩慢降低的趨勢(圖2、表3)。在2003年達(dá)到最低值，為782.50萬t。在2010—2014年維持在890萬t左右的水平，然后逐步降低。從年度增長來看，江蘇省碳排放在2001年、2003年、2004年和2005年波動較大，分別為-3.91%、-3.15%、6.73%和3.38%，2005年后波動區(qū)間為-1.76%～1.59%，2000—2020年的年間增長率平均為-0.04%。從環(huán)比增長來看，2001—2004年碳排放低于2000年，分別低3.91%、4.63%、7.63%和1.42%。2005—2018年碳排放高于2000年，平均高3.82%。2019年和2020年江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放總量分別為840.88萬和837.00萬t，分別較2000年的847.15萬t降低0.74%和1.20%。

2.2.2 單位糧食碳排放量 與2000年相比，江蘇省糧食產(chǎn)量增長20.04%，而碳排放總量降低1.20%，說明隨著糧食生產(chǎn)方式和栽培手段的創(chuàng)新，單位糧食生產(chǎn)所帶來的碳排放當(dāng)量大幅降低。為了衡量這一變化，引入單位糧食碳排放量，為糧食產(chǎn)量與碳排放總量的比值(表3)。2000年生產(chǎn)1 t糧食帶來的碳排放量為0.272 7 t，2001—2008年的單位糧食碳排放量均高于2000年，最高值為2003年的0.316 6 t/t。2008年后單位糧食碳排放量逐步降低，2020年生產(chǎn)1 t糧食帶來的碳排放量僅為0.224 5 t，較2000年降低了17.69%。

2.2.3 生產(chǎn)要素碳排放當(dāng)量 由表3可知，從糧食生產(chǎn)要素碳排放量來看，碳排放以化肥投入和水稻種植為主，土地翻耕產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量最少。2020年，化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、土地翻耕和水稻種植的碳排放當(dāng)量分別為251.44萬、32.42萬、55.16萬、94.34萬、10.01萬、393.63萬t，同比2000年分別增長了-16.31%、-28.20%、71.73%、42.88%、3.30%、-0.03%。從20年變化來看，化肥和農(nóng)藥碳排放當(dāng)量整體逐年下降，農(nóng)膜、農(nóng)用柴油和土地翻耕整體逐年上升。水稻種植碳排放當(dāng)量呈先降后升的趨勢，2005年后穩(wěn)定在390.31萬～403.17 萬t間，波動較小。在碳排放總量波動較大的2001年、2003年、2004年和2005年，水稻種植帶來的碳排放當(dāng)量年間增長分別為-8.77%、-7.12%、14.77%和4.56%。這說明水稻種植面積的變化是上述年份碳排放總量波動的主要原因。

表3 江蘇省2000—2020年糧食生產(chǎn)碳排放情況

2.3 碳排放結(jié)構(gòu)時序特征分析

圖3為不同碳排放源帶來的碳排放當(dāng)量占當(dāng)年糧食生產(chǎn)碳排放當(dāng)量的比值，反映江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放結(jié)構(gòu)在20年內(nèi)的變化。2020年碳排放源按占比大小依次為水稻種植、化肥、農(nóng)用柴油、農(nóng)膜、農(nóng)藥和土地翻耕，分別占47.03%、30.04%、11.27%、6.59%、3.87%和1.20%。從20年內(nèi)結(jié)構(gòu)變化來看，水稻種植的碳排放占比先降后增，在2003年最低，占比為42.04%，在2004—2015年穩(wěn)定在45%左右，2015—2020年逐步上升。綜合碳排放總量和水稻種植碳排放當(dāng)量來看，該階段上升的主要原因與碳排放總量的降幅大于水稻種植碳排放的降幅有關(guān)?；释度氲奶寂欧帕空急认仍龊蠼档?，2003年達(dá)到峰值， 為38.42%。 2004年后逐步降低，從36.12%降低至2020年的30.04%。農(nóng)藥投入的碳排放占比呈降低趨勢，從2000年的5.33%降低至2020年的3.87%，這主要和江蘇省減肥減藥政策和栽培技術(shù)優(yōu)化有關(guān)。輕簡高效施肥模式和新型緩控釋肥提高了肥料的利用率，生物防治部分替代了化學(xué)防治，從而實(shí)現(xiàn)減肥減藥、穩(wěn)產(chǎn)減排。農(nóng)用柴油投入的碳排放占比在2000—2007年保持在8%左右，2008年后逐年上升，從2008年的8.35%上升至2020年的11.27%，這和江蘇省較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化率有關(guān)。農(nóng)膜帶來的碳排放占比呈升高趨勢，從2000年的3.79%上升至2020年的6.59%。農(nóng)膜有著增溫保濕的作用，促發(fā)芽和幼苗生長，通常用在作物生長初期，江蘇省薄膜育秧、地膜覆蓋等栽培農(nóng)藝的推廣普及提高了省內(nèi)農(nóng)膜使用量，從而使得農(nóng)膜碳排放占比升高。值得注意的是，2009年后農(nóng)膜投入的碳排放占比開始超過農(nóng)藥投入的碳排放占比，成為糧食生產(chǎn)碳排放第4位碳排放源。

2.4 脫鉤彈性分析

根據(jù)公式(3)研究江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放脫鉤彈性(表4)。江蘇省2000—2020年糧食生產(chǎn)總產(chǎn)值持續(xù)增長，經(jīng)濟(jì)增長波動范圍為0.006 6～0.072 7。糧食生產(chǎn)碳排放變化方面，2001—2003年呈負(fù)增長，2004—2011年呈正增長，2012年呈負(fù)增長，2013年呈正增長，2014—2020年呈負(fù)增長。脫鉤彈性特征為擴(kuò)張連接、弱脫鉤和強(qiáng)脫鉤， 其中除2004年和2005年外均呈脫鉤狀態(tài)。強(qiáng)脫鉤代表經(jīng)濟(jì)正增長，而碳排放負(fù)增長。綜合前文來看，2001—2003年的強(qiáng)脫鉤主要和糧食生產(chǎn)能力下調(diào)有關(guān)，嚴(yán)重威脅了糧食安全，是一種舍本逐末的強(qiáng)脫鉤狀態(tài)。擴(kuò)張連接表明碳排放量與經(jīng)濟(jì)增長比例基本相當(dāng)，呈線性關(guān)系(彈性系數(shù)在0.8～1.2)。2004年和2005年，糧食生產(chǎn)的反彈增長使碳排放帶來的環(huán)境壓力正增長，從而達(dá)到擴(kuò)張連接的狀態(tài)。2006—2011年保持弱脫鉤狀態(tài)，碳排放量雖有增長，但漲幅不及經(jīng)濟(jì)增長，且該階段糧食產(chǎn)量持續(xù)增長，說明江蘇省內(nèi)惠農(nóng)政策和栽培農(nóng)藝推廣初現(xiàn)成效，糧食生產(chǎn)碳排放調(diào)控態(tài)勢良好。2011年后開始向強(qiáng)脫鉤過渡，在維持糧食穩(wěn)定增長的前提下，糧食生產(chǎn)碳排放量開始出現(xiàn)下降趨勢。在2014年由弱脫鉤轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)脫鉤后，2015—2020年連續(xù)6年強(qiáng)脫鉤，且與2001—2003年相比，強(qiáng)脫鉤的代價并非糧食產(chǎn)量降低，而是政策支持、技術(shù)推廣、生產(chǎn)調(diào)控和低碳理念等所帶來的理想型降低，有助于維持糧食安全，符合國家戰(zhàn)略發(fā)展需求。

表4 江蘇省2000—2020年糧食生產(chǎn)碳排放彈性結(jié)果

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本研究從糧食生產(chǎn)農(nóng)用品投入、土地翻耕和水稻種植角度，根據(jù)碳排放因子法估算了2000—2020年江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放情況，分析了20年內(nèi)江蘇省糧食產(chǎn)量、碳排放量和結(jié)構(gòu)的時序特征，并根據(jù)Tapio脫鉤模型分析了糧食生產(chǎn)碳排放和總產(chǎn)值間的變化關(guān)系，主要結(jié)論如下。

(1)江蘇省糧食產(chǎn)量在2003年后觸底反彈，隨后平穩(wěn)增加。2020年糧食產(chǎn)量水平為3 729.06萬t，較2000年的3 106.63萬t提高了20.04%。同年總碳排放量為837.00萬t，較2000年的847.15萬t降低了1.20%，單位糧食碳排放量從0.272 7 t/t降低至0.224 5 t/t，降低了17.69%。江蘇省糧食生產(chǎn)碳排放量主要來源為水稻種植和化肥投入，2020年碳排放量分別為393.63萬和251.44萬t。化肥和農(nóng)藥的碳排放量逐年降低，而農(nóng)膜、農(nóng)用柴油和土地翻耕的碳排放量逐年提高，水稻種植帶來的碳排放量在2005年后維持平穩(wěn)。這些結(jié)果表明近些年江蘇省輕簡化綠色生產(chǎn)和栽培技術(shù)推廣成效顯著，農(nóng)業(yè)逐步走向低碳化。

(2)從排放結(jié)構(gòu)來看，水稻種植的碳排放占比最高，平均在45%左右。化肥、農(nóng)藥的碳排放占比從最高值38.42%和5.90%降低至2020年的30.04%和3.87%，減肥減藥成效明顯。農(nóng)膜、農(nóng)用柴油和土地翻耕的碳排放占比分別從最低值3.79%、7.79%和0.98%提高至2020年的6.59%、11.27%和1.20%，農(nóng)膜的碳排放占比自2009年后超過農(nóng)藥。這些結(jié)果說明江蘇省碳排放結(jié)構(gòu)時序變化較大，后續(xù)政策制定應(yīng)繼續(xù)保持減肥減藥原則，引導(dǎo)農(nóng)膜使用標(biāo)準(zhǔn)化，通過栽培技術(shù)優(yōu)化水稻種植碳排放。

(3)江蘇省2000—2020年碳排放脫鉤彈性指數(shù)分布在-3.038 7～0.947 3，呈現(xiàn)出擴(kuò)張連接、強(qiáng)脫鉤和弱脫鉤3種狀態(tài)。2001—2003年的強(qiáng)脫鉤主要與糧食產(chǎn)量的下降有關(guān)，是一種舍本逐末的脫鉤狀態(tài)。2004年和2005年因糧食生產(chǎn)的反彈增長呈現(xiàn)擴(kuò)張連接狀態(tài)，隨后維持較長時間的弱脫鉤狀態(tài)。自2014年轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)脫鉤后，2015—2020年連續(xù)6年呈強(qiáng)脫鉤狀態(tài)，且糧食產(chǎn)量穩(wěn)定上升，是由多方面努力實(shí)現(xiàn)的理想型脫鉤狀態(tài)。

3.2 建議

根據(jù)本研究結(jié)果，兼顧糧食安全、綠色低碳生產(chǎn)和種植業(yè)經(jīng)濟(jì)效益考慮，從政策引導(dǎo)、栽培農(nóng)藝和碳排交易等角度提出如下建議。

3.2.1 加強(qiáng)頂層布局，制度引導(dǎo)減排 為推行綠色低碳的種植模式，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，我國在化肥農(nóng)藥投入、畜禽糞便管理及農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用方面先后出臺了一系列政策法規(guī)。正如本研究發(fā)現(xiàn)的，化肥和農(nóng)藥投入所帶來的碳排放逐年降低。但糧食生產(chǎn)涉及多生產(chǎn)要素的投入，本研究發(fā)現(xiàn)的農(nóng)膜和農(nóng)用柴油的碳排放量逐年上升，需加以警惕。應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化碳減排政策，針對區(qū)域重點(diǎn)碳排放源有針對性地控排、減排。政府應(yīng)加強(qiáng)頂層布局，通過頒布法律法規(guī)、建立糧食低碳生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、碳減排考核制度等干預(yù)和引導(dǎo)種植戶低碳生產(chǎn)。

3.2.2 優(yōu)化栽培農(nóng)藝，技術(shù)推動減排 農(nóng)業(yè)是立國之本，糧食生產(chǎn)關(guān)系國運(yùn)民生，保障糧食自給自足有重要的戰(zhàn)略價值。技術(shù)創(chuàng)新是平衡糧食產(chǎn)出和糧食生產(chǎn)碳減排的主要途徑。糧食生產(chǎn)中肥料、農(nóng)藥等生產(chǎn)要素的投入，旋耕、灌溉方式等措施都會影響碳排放。在栽培措施上，用免耕或少耕替代深耕，用間歇性節(jié)水灌溉替代傳統(tǒng)灌溉方式都能降低碳排放。復(fù)種經(jīng)濟(jì)作物，推廣間套作，適度優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)也可顯著降低溫室氣體排放。此外，水稻種植過程中，通過秸稈還田、側(cè)深施肥、綠肥固碳、選用低排放水稻品種和高效肥料產(chǎn)品等手段都能實(shí)現(xiàn)減碳增匯。

3.2.3 發(fā)展碳排交易，機(jī)制促進(jìn)減排 碳排放交易是將溫室氣體排放權(quán)作為商品進(jìn)行買賣，是平衡區(qū)域溫室氣體排放供需的市場機(jī)制。目前我國有7個試點(diǎn)碳市場，控排產(chǎn)業(yè)需按配額排放，超額需購買額外配額，從而控制排放總額不變，按需交易配額。農(nóng)業(yè)兼顧碳排和碳匯，應(yīng)考慮將農(nóng)業(yè)種植所產(chǎn)生的碳匯納入工業(yè)碳交易市場，通過工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)。此外，發(fā)展農(nóng)業(yè)碳市場還有助于鼓勵農(nóng)戶低碳生產(chǎn)，通過售賣碳排放配額、政府補(bǔ)貼等手段，激勵種植戶低碳種植，減肥減藥，促進(jìn)糧食生產(chǎn)碳減排。