云南省花葉用工業(yè)大麻種植的經(jīng)濟效益與碳足跡分析

張琳，杜光輝，楊陽，歐陽文靜，牛江龍，李濤，劉飛虎，湯開磊*

(1.云南大學(xué)，云南 昆明 650500；2.云南漢晟豐工業(yè)大麻種植有限公司，云南 昆明 650200)

工業(yè)大麻是四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%，不具備毒品利用價值的大麻品種類型。 工業(yè)大麻花葉中含有多種不具精神活性的大麻素，其中大麻二酚(CBD)具有調(diào)節(jié)免疫力、治療癲癇和焦慮、鎮(zhèn)痛等功能[1-2]。 近年來，隨著人們對CBD 等大麻素醫(yī)療和保健功效的認(rèn)識加深，國際市場對工業(yè)大麻花葉提取物的需求快速增加。 在此背景下，漢康(云南)生物科技有限公司于2014 年建成了全球第一條高純度CBD 工業(yè)化生產(chǎn)線[3]，此后以收獲花葉提取CBD 為目的的工業(yè)大麻種植和加工產(chǎn)業(yè)在云南迅速發(fā)展。 據(jù)云南省統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，2018—2021 年云南省工業(yè)大麻種植面積累計約2.4 萬hm2，實現(xiàn)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值超過13 億元，工業(yè)大麻已成為云南省的特色經(jīng)濟作物之一。

農(nóng)業(yè)種植既是全球重要的溫室氣體排放源，又是一個巨大的碳匯系統(tǒng)。 在我國提出2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)背景下，以“高效率、低能耗、低排放、高碳匯”為特征的低碳農(nóng)業(yè)成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向[4]。 因此，詳細(xì)評估云南省花葉用工業(yè)大麻種植的經(jīng)濟效益和種植過程中的碳足跡，探究減排增效要素，對我省花葉用工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

種植農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟效益和碳足跡評估通常采用生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)的方法。 例如:王上等[5]基于田間試驗數(shù)據(jù)，利用生命周期評價方法，計算了華北平原春綠豆—夏玉米種植模式的年凈收益和碳排放量；何浩等[6]基于統(tǒng)計資料，比較分析了南方雙季稻區(qū)一熟、二熟、三熟種植模式的經(jīng)濟收益和碳足跡，得出三熟模式的產(chǎn)值最高，平均單位凈利潤碳足跡最低。國外一些研究者也運用LCA 方法對工業(yè)大麻種植過程中的碳足跡進行了評估:Werf[7]評估得出法國種植纖維用工業(yè)大麻產(chǎn)生的碳排放量為2330.0 kgCO2eq/hm2；Scrucca 等[8]對法國以稈芯利用為目標(biāo)的工業(yè)大麻種植進行評估，得出每生產(chǎn)1 kg 稈芯的碳排放量為0.98 kgCO2eq，碳吸收量為-1.29 kgCO2eq；Zampori 等[9]通過Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫獲取全部數(shù)據(jù)，評估得出生產(chǎn)1 kg 工業(yè)大麻莖稈(麻皮和木質(zhì)稈芯)的碳吸收量為-1.82～-1.64 kgCO2eq。 但以往研究因區(qū)域不同導(dǎo)致碳排放強度差異較大，尤其缺乏針對花葉用工業(yè)大麻碳排放特征的研究。

本研究采用LCA 方法，對云南省花葉用工業(yè)大麻種植的經(jīng)濟效益及碳足跡進行分析，旨在為優(yōu)化云南省工業(yè)大麻種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 云南省花葉用工業(yè)大麻種植過程

圖1 云南省花葉用工業(yè)大麻種植流程Fig.1 Process of industrial hemp cultivation for flowers and leaves in Yunnan Province

1.2 數(shù)據(jù)來源

花葉用工業(yè)大麻種植環(huán)節(jié)的生產(chǎn)投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)來源于云南省內(nèi)具有代表性的工業(yè)大麻種植公司(云南漢晟豐工業(yè)大麻種植有限公司)及其協(xié)議種植戶。 投入數(shù)據(jù)主要包括:種子、肥料(復(fù)合肥、尿素、有機肥)、人工、農(nóng)機作業(yè)(深耕、耙地、運輸)所需柴油的消耗量及價格。 產(chǎn)出數(shù)據(jù)主要包括:花葉、莖稈和籽粒的產(chǎn)量及價格。

1.3 核算方法

參照國際標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境管理生命周期評價原則與框架》(GB/T 24040—2008)，將花葉用工業(yè)大麻種植過程中的經(jīng)濟效益及碳足跡分為目標(biāo)定義與范圍界定、清單分析、影響評價、結(jié)果解釋4 個部分。

1.3.1 目標(biāo)定義與范圍界定

本研究以整地作為起始邊界，以花葉交售作為終點邊界，核算花葉用工業(yè)大麻種植的經(jīng)濟效益和碳足跡。 種植管理過程中的碳足跡包括直接碳排放和間接碳排放兩部分。 由于缺乏因土壤呼吸產(chǎn)生CO2的直接碳排放數(shù)據(jù)，參考何浩等[6]和Zampori 等[9]的方法，本研究僅考慮肥料、地膜、人工等生產(chǎn)或使用過程中產(chǎn)生的間接碳排放，以及農(nóng)機使用直接溫室氣體排放。

1.3.2 清單分析

整個種植管理過程分為整地、育苗移栽、田間管理和收獲4 個階段(圖1)。 其中，整地階段的翻耕和起壟使用小型農(nóng)機完成，施基肥、覆蓋地膜由人工完成；育苗移栽階段的播種、育苗、移栽由人工完成；田間管理階段的間苗和定苗、追肥由人工完成；收獲時的砍麻、晾曬、花枝分離、除雜均由人工完成，運輸由農(nóng)機完成。

1.3.3 經(jīng)濟效益核算

河套灌區(qū)耕作方式與秸稈還田對玉米光合物質(zhì)生產(chǎn)及產(chǎn)量的影響……………………………………………………………… 趙曉宇，于曉芳，高聚林，胡樹平，孫繼穎，王志剛，王富貴，張鶴宇（26）

交售工業(yè)大麻花葉的凈收益(E)通過公式(1)計算。

式中:E—凈收益，元/hm2；YL—花葉產(chǎn)量，kg/hm2；PL—售出單價，元/kg；?i—第i種農(nóng)資的投入量，kg/hm2或L/hm2；Pi—第i種農(nóng)資的單價，元/kg 或元/L；L—人工投入總量，工日/hm2；Pl—人工投入成本，元/工日。

1.3.4 碳足跡核算

種植過程中的碳排放主要為各種農(nóng)資投入的碳排放量之和，單位面積碳排放(Ce)及單位產(chǎn)量碳排放(Cf)分別通過公式(2)和公式(3)計算:

式中:Ce—單位面積碳排放，kgCO2eq/hm2；Cf—單位產(chǎn)量碳排放，kgCO2eq/kg；mi—第i種農(nóng)資生產(chǎn)資料的CO2排放參數(shù)，kgCO2eq/kg 或kgCO2eq/L；ml—人工投入的CO2排放參數(shù)，kgCO2eq/工日；YB—地上部生物產(chǎn)量(花葉、籽粒和莖稈產(chǎn)量之和)，kg/hm2。

本研究中使用的碳排放參數(shù)主要包括種子、肥料(復(fù)合肥、尿素、有機肥)、人工、地膜等，其中種子、有機肥、人工的碳排放參數(shù)來源于已發(fā)表的研究文獻[11-13]；復(fù)合肥、尿素、農(nóng)機的碳排放參數(shù)來源于政府間氣候變化專門委員會(IPCC)網(wǎng)站(https:/ /www.ipcc.ch/)(表1)。

表1 碳排放參數(shù)Table 1 Carbon emission parameters

光合作用碳匯(Cs)的計算參照胡志華等[14]的方法，按公式(4)計算。

式中:Cs—光合作用碳匯，kgCO2eq/hm2；S—碳吸收率(以國際上常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5 計算[15])，kgCO2eq/kg。

凈碳排放量(Ces)按公式(5)計算。

式中:Ces—凈碳排放量，kgCO2eq/hm2。

種植生產(chǎn)過程中的生態(tài)效益可用碳生態(tài)效率來衡量，碳生態(tài)效率(Ee)按公式(6)計算。

式中:Ee—碳生態(tài)效率。

如Ee大于1，表示碳匯大于碳排放，對生態(tài)環(huán)境具有正向作用，反之則有反向作用。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有原始數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel (v.2019)軟件進行數(shù)據(jù)處理，運用Origin (v.2022)軟件進行作圖。

2 結(jié)果

2.1 工業(yè)大麻種植經(jīng)濟效益分析

花葉用工業(yè)大麻種植過程中的投入清單見表2，主要包括種子、肥料(復(fù)合肥、尿素、有機肥)、人工、農(nóng)機(深耕、耙地、運輸)等。 在不考慮地租的情況下，花葉用工業(yè)大麻的種植成本為10 371.3 元/hm2。 種植成本中的人工費占比最大，為6150.0 元/hm2，占總成本的59.3%；使用農(nóng)機的支出為1603.8 元，占總成本的15.5%；種子、復(fù)合肥、尿素、地膜、有機肥的使用成本占比較小，僅為總成本的25.2%(圖2)。

圖2 花葉用工業(yè)大麻種植過程中各項投入占總成本的比例Fig.2 Proportion of inputs to total cost in the cultivation of industrial hemp for flowers and leaves

表2 每公頃花葉用工業(yè)大麻種植的投入清單Table 2 List of inputs industrial hemp cultivation for flowers and leaves per hectare

如表3 所示，每公頃的花葉產(chǎn)量為1875.0 ～3375.0 kg，以2022 年平均13.0 元/kg的收購價計算，銷售花葉的收益為24 375.0～43 875.0 元/hm2。 因此，在不考慮地租的情況下，銷售花葉的凈收益為14 003.7～33 503.7 元/hm2。

表3 花葉用工業(yè)大麻種植的產(chǎn)出清單Table 3 List of output of industrial hemp cultivation for flowers and leaves

2.2 工業(yè)大麻種植碳足跡分析

如表 4 所示，在育苗移栽種植模式下，花葉用工業(yè)大麻種植的碳排放量為1485.3 kgCO2eq/hm2，主要貢獻來源為施用復(fù)合肥和尿素，分別占總碳排放的35.8%和29.3%。 覆蓋地膜的碳排放為 311. 0 kgCO2eq/hm2，占總碳排放的 20. 9%。 柴油的碳排放為176.2 kgCO2eq/hm2，占總碳排放的11.9%。 排放量較少的為種子、人工和有機肥，分別占總碳排放的0.1%、1.0%、1.0%。

表4 花葉用工業(yè)大麻種植的碳排放量Table 4 Carbon emissions of hemp cultivation for flowers and leaves

由表5 可知，花葉用工業(yè)大麻的碳匯值為2514.0 ～4536.8 kgCO2eq/hm2，單位花葉產(chǎn)量的碳排放為0.2 ～0.3 kgCO2eq/kg，遠(yuǎn)大于其種植過程中產(chǎn)生的碳排放量，凈碳排放量為-1028.7 ～-3051.4 kgCO2eq/hm2，碳生態(tài)效率為1.7～3.1。

表5 云南省花葉用工業(yè)大麻種植的碳核算指標(biāo)Table 5 Carbon accounting index for the cultivation of flowers and leaves with industrial hemp in Yunnan Province

3 討論

3.1 云南省花葉用工業(yè)大麻種植的經(jīng)濟效益

在不考慮地租成本的情況下，云南省種植花葉用工業(yè)大麻的成本為10 371.3 元/hm2，產(chǎn)值為24 375.0～43 875.0 元/hm2，凈收益為14 003.7～33 503.7 元/hm2。 這一種植成本與當(dāng)?shù)赝诟偁幮赞r(nóng)作物玉米(9000.0～10 500.0 元/hm2)相當(dāng)，但每公頃產(chǎn)值(玉米為18 000.0 ～30 000.0 元/hm2)較玉米高約35%～46%。 與種植烤煙相比，花葉用工業(yè)大麻的產(chǎn)值低(24 000.0～45 000.0 元/hm2)，但由于其種植過程中不需要打農(nóng)藥，收獲及初加工使用人工少，凈收益與烤煙較為接近。 此外，胡新洲等[16]研究報道云南省玉溪市油菜種植的成本為9772.5～13 672.5 元/hm2，凈收益為6676.2～11 828.3 元/hm2；王梅霞等[17]報道云南種植甘蔗的成本為48 700.0～50 000.0 元/hm2，凈收益在5600.0～15 200.0 元/hm2。 花葉用工業(yè)大麻種植的成本與油菜的相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于甘蔗的，因為甘蔗種植中需要使用大量的人工及農(nóng)機。 就凈收益來說，花葉用工業(yè)大麻種植比甘蔗和油菜分別高7327.5～21 675.4 元/hm2和8403.7～18 303.7 元/hm2。

除了交售花葉的收益，花葉用工業(yè)大麻種植戶還可收獲一些成熟較早的籽粒及麻稈。 籽粒可用作飼料或者制作食品，產(chǎn)量為738.0～1384.5 kg/hm2，以2022 年當(dāng)?shù)厥袌鰞r格7.0 元/kg 計算，銷售籽粒可獲得5166.0～9691.5 元/hm2的收益。 麻稈可以用于生產(chǎn)活性炭、造紙及制作板材等，產(chǎn)量為2415.0～4314.0 kg/hm2，以0.6 元/kg 的價格計算，銷售麻稈可得1449.0 ～2588.4 元/hm2的收益。 若將銷售麻籽和麻稈的收益計算在內(nèi)，每公頃花葉用工業(yè)大麻的種植總收益為30 990.0 ～56 154.9 元，凈收益可達(dá)20 618.7～45 783.6 元。 云南工業(yè)大麻主要種植區(qū)的地租約為12 000.0 ～15 000.0 元/hm2，扣除地租，種植花葉用工業(yè)大麻的凈收益也可達(dá)5618.7～30 783.6 元/hm2。

云南省種植花葉用工業(yè)大麻的耕地多為山坡地，地塊小而分散，不利于實現(xiàn)大規(guī)模機械化操作[18]，因而種植過程中的機械化水平低，人工成為最主要的成本，占總成本的59.3%。 因此，研發(fā)推廣適用于山坡地的農(nóng)機及配套栽培技術(shù)，提高育苗移栽、收獲等關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的農(nóng)機化水平，是提高勞動效率、減少勞動力投入、增加種植收益的有效途徑。 此外，花葉用工業(yè)大麻種植的收益與花葉產(chǎn)量和花葉中的大麻素含量有關(guān)，通過選育新品種、研發(fā)高效栽培技術(shù)以提高花葉產(chǎn)量和花葉中的大麻素含量也是提高種植效益的有效途徑。 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所近期選育了全雌工業(yè)大麻品種“云麻雌1 號”及高大麻素含量品種“云麻高酚1 號”，這些品種的推廣應(yīng)用有望增加花葉產(chǎn)量及大麻素含量，減少砍雄麻的成本。

3.2 云南省花葉用工業(yè)大麻種植的碳足跡

本研究核算得出云南省花葉用工業(yè)大麻種植的碳排放量為1485.3 kgCO2eq/hm2，單位花葉產(chǎn)量碳排放量為0.2～0.3 kgCO2eq/kg。 這一碳排放量稍高于何浩等[6]研究報道的南方水稻一熟種植(947.8 kgCO2eq/hm2)，因為水稻種植過程中不需要使用地膜，因而碳排放總量偏低。 本研究中的碳排放總量較Werf[7]和Zampori 等[9]研究報道的值低。 不同研究中碳排放總量的差異可能來源于兩個方面:一是種植管理模式的差異，Werf[7]和Zampori 等[9]研究中的工業(yè)大麻種植以收獲莖稈為主，機械和化肥的使用量均高于本研究中的花葉用工業(yè)大麻種植；二是核算邊界的差異，Zampori等[9]的研究除了考慮工業(yè)大麻種植過程中的碳排放，還計算了從收獲到加工成建筑用隔熱材料所排放的碳量。

工業(yè)大麻葉片光合能力強，生長速度快[19]，每公頃的生物量達(dá)到5028.0 ～9073.5 kg，碳匯可達(dá)2514.0～4536.8 kgCO2eq/hm2。 工業(yè)大麻的碳匯值與單季水稻(2015.0 ～4415.0 kgCO2eq/hm2)接近，但較烤煙(1941.9 ～2206.5 kgCO2eq/hm2)[14，20]的高。 較高的碳匯能力說明其符合低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，發(fā)展工業(yè)大麻種植有利于我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

云南省種植花葉用工業(yè)大麻的施肥量為每公頃300 kg 復(fù)合肥和150 kg 尿素，其碳排放量為966.0 kgCO2eq/hm2，占總碳排放的65.1%，是增加碳排放的主要來源。 因此，控制工業(yè)大麻種植過程中的肥料用量，可以有效降低碳排放總量。 近年來，一些學(xué)者從不同的角度探索了工業(yè)大麻的需肥規(guī)律及減肥增效栽培技術(shù)原理[21-22]。 在不影響產(chǎn)量的情況下控制施肥量有兩個途徑:一是根據(jù)土壤肥力情況調(diào)整施肥量，低肥力土壤增施，高肥力土壤少施；二是根據(jù)工業(yè)大麻生長過程中的需肥規(guī)律施用，苗期多施氮肥，生長后期多施鉀肥。 但相關(guān)研究成果在花葉用工業(yè)大麻種植中的推廣應(yīng)用還需要加強。

覆蓋塑料地膜可以有效抑制雜草，提高土壤溫度和濕度，進而顯著提高工業(yè)大麻的產(chǎn)量[23]。但本研究結(jié)果表明，覆蓋塑料地膜引起的碳排放為311.0 kgCO2eq/hm2，占總碳排放的20.9%，是增加碳排放的主要來源之一。 因此，研發(fā)推廣低碳排放的地膜材料是減少工業(yè)大麻種植過程中碳排放的重要途徑。 近年來，可生物降解地膜的研究取得重要進展，覆蓋栽培效果接近或是優(yōu)于塑料地膜[24]，在工業(yè)大麻種植中潛力巨大。

4 結(jié)論

本研究綜合分析了云南省花葉用工業(yè)大麻種植過程中的經(jīng)濟和環(huán)境表現(xiàn)。 結(jié)果表明，在不考慮地租的情況下，每公頃花葉用工業(yè)大麻的種植成本為10 371.3 元，銷售花葉的凈收益為14 003.7～33 503.7 元/hm2，經(jīng)濟效益較可觀。 從環(huán)境表現(xiàn)來看，種植過程中的碳排放為1485.3 kgCO2eq/hm2，凈碳排放為-1028.7～-3051.4 kgCO2eq/hm2，總碳排放小于光合作用碳匯，碳生態(tài)效率大于1。 研究表明，工業(yè)大麻種植可獲得可觀的經(jīng)濟效益，同時還能增加碳匯，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。