寧夏主要農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡測算與分析

楊伏杰,馬 軍

(寧夏石油化工環(huán)境科學研究院股份有限公司,寧夏銀川 750000)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)和消費大國,中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)“碳達峰、碳中和”和低碳發(fā)展目標,控制和減緩農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的碳排放至關(guān)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(nóng)業(yè)系統(tǒng)既要滿足和保障充足的糧食生產(chǎn)需求,又要盡可能地降低農(nóng)作物生產(chǎn)對環(huán)境的影響(如溫室氣體排放)。

“足跡”方法能夠有效地量化生產(chǎn)過程或活動對環(huán)境的影響[4]。碳足跡被廣泛用于量化和評估生產(chǎn)過程或活動產(chǎn)生的碳排放量。農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡是指農(nóng)作物生產(chǎn)過程的溫室氣體凈排放量[5],即農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡開展了大量的研究。現(xiàn)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(qū)[9],而針對西部地區(qū)特別是市級層面農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡的量化研究仍比較欠缺。

寧夏地處我國西北內(nèi)陸、黃河上游,農(nóng)業(yè)資源十分豐富,是我國西北地區(qū)重要的商品糧基地,也是我國重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū),素有“塞上江南”“魚米之鄉(xiāng)”的美譽,對保障區(qū)域和全國糧食安全發(fā)揮著重要作用。桂河等[10]基于農(nóng)地利用、農(nóng)田土壤、水稻種植和畜牧養(yǎng)殖4大類農(nóng)業(yè)碳排放源,測算分析了寧夏2000—2019年農(nóng)業(yè)碳排放時序特征。曾憲芳等[11]基于農(nóng)田生產(chǎn)的實地調(diào)查數(shù)據(jù),利用碳足跡的基本理論和方法,測算了寧夏平羅縣主要農(nóng)作物的碳足跡。吳金鳳等[12]選取位于農(nóng)牧交錯帶的寧夏鹽池縣為研究區(qū),分析了平羅縣1995—2012年種植業(yè)碳足跡變化特征。然而,現(xiàn)在關(guān)于寧夏主要農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡的研究和關(guān)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(nóng)作物生產(chǎn)的環(huán)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(qū),測算分析主要農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡變化特征和地區(qū)差異,以期為寧夏農(nóng)業(yè)系統(tǒng)開展碳減排、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境影響提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡測算農(nóng)作物生產(chǎn)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(chǎn)生的CH4排放,土壤固碳,農(nóng)業(yè)機械在耕地、播種、收割過程中因使用能源產(chǎn)生的CO2排放,農(nóng)作物秸稈焚燒產(chǎn)生的N2O和CH4排放,灌溉過程產(chǎn)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(nóng)藥等,灌溉消耗電力發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放,化肥和農(nóng)藥在生產(chǎn)、運輸?shù)冗^程中因消耗能源產(chǎn)生的CO2排放。農(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)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(zhuǎn)換為CO2當量(CO2-eq)。

在明確碳足跡測算邊界和范圍的基礎(chǔ)上,文獻中主要利用生命周期分析方法[14]測算和評估農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡。寧夏農(nóng)作物種植以稻谷、小麥和玉米為主,其播種面積和產(chǎn)量相對較高,其他農(nóng)作物播種面積和產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡。由于市級層面的部分數(shù)據(jù)不易獲取或公開的統(tǒng)計資料中未能提供,因此,結(jié)合已有的研究成果[15],采用主要農(nóng)產(chǎn)品全生命周期溫室氣體排放系數(shù)(單位農(nóng)產(chǎn)品碳排放系數(shù))來測算農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡。

CFi=Pi×ci

(1)

式中:CFi表示第i種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡;Pi表示第i種農(nóng)作物或農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量;ci表示第i種農(nóng)作物或農(nóng)產(chǎn)品的碳排放系數(shù)。寧夏稻谷、小麥和玉米3種主要農(nóng)作物碳排放系數(shù)見表1。

表1 寧夏主要農(nóng)作物碳排放系數(shù)

1.2 地區(qū)間碳足跡的差異分析使用碳足跡變異系數(shù)表征地區(qū)間農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡的差異大小,根據(jù)變異系數(shù)的計算方法[16],碳足跡變異系數(shù)表達式如下:

(2)

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

2 結(jié)果與討論

2.1 寧夏各市主要農(nóng)作物產(chǎn)量2008—2020年,寧夏3種主要農(nóng)作物(稻谷、小麥和玉米)總產(chǎn)量平穩(wěn)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(chǎn)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(chǎn)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(nóng)作物產(chǎn)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(wèi)市的稻谷產(chǎn)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(chǎn)量下降較快;石嘴山市的稻谷產(chǎn)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(chǎn)稻谷。

2008—2020年,寧夏5個市的小麥產(chǎn)量總體上均呈下降狀態(tài)(圖1c),其中,吳忠市的產(chǎn)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(chǎn)量在“十三五”期間穩(wěn)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(chǎn)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(wèi)市,產(chǎn)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(chǎn)量增幅相對較低。

2.2 寧夏主要農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡2008—2020年,寧夏3種主要農(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡而言,由于其碳足跡等于各自的產(chǎn)量與相應(yīng)的碳排放系數(shù)的乘積,因此其碳足跡與各自的產(chǎn)量變化趨勢一致。稻谷、小麥、玉米生產(chǎn)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?yōu)?020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(nóng)作物生產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)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(wěn)定,由2008年的50.51萬t CO2-eq變?yōu)?020年的50.99萬t CO2-eq。石嘴山市、固原市和中衛(wèi)市3種農(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)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(wèi)市農(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡而言,由于各市農(nóng)作物的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不同,因此,各市3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡差異比較顯著(圖4)。銀川市稻谷、玉米生產(chǎn)的碳足跡差異較小,高于小麥生產(chǎn)的碳足跡。石嘴山市、吳忠市和中衛(wèi)市玉米生產(chǎn)的碳足跡相對較高,而稻谷和小麥生產(chǎn)的碳足跡較低,特別是自2012年以來,吳忠市和中衛(wèi)市玉米生產(chǎn)的碳足跡顯著高于稻谷和小麥生產(chǎn)的碳足跡。固原市小麥和玉米生產(chǎn)的碳足跡呈現(xiàn)相反的變化趨勢,2008—2012年小麥生產(chǎn)的碳足跡大于玉米生產(chǎn)的碳足跡,而2013—2020年玉米生產(chǎn)的碳足跡大于小麥生產(chǎn)的碳足跡,特別是自2017年以來,玉米生產(chǎn)的碳足跡是小麥生產(chǎn)的碳足跡的2倍多。

圖4 2008—2020年寧夏各市不同農(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡累計量而言,2008—2020年,銀川市稻谷、玉米生產(chǎn)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(chǎn)的碳足跡累計量占比均超過50%,而吳忠市和中衛(wèi)市玉米生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡累計量占比

該研究利用變異系數(shù)表征寧夏各市農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡之間的差異性,結(jié)果如圖5所示。2008—2020年,寧夏各市農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡變異系數(shù)總體上保持下降趨勢,在2016和2017年,出現(xiàn)小幅波動。變異系數(shù)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(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡之間的差異呈不斷縮小態(tài)勢。

圖5 2008—2020年寧夏各市主要農(nóng)作物生產(chǎn)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(jié)論與建議

基于稻谷、小麥和玉米3種主要農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的碳排放系數(shù),測算和分析了2008—2020年寧夏5個地級市3種農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡變化特征和地區(qū)間的差異性,得到以下主要結(jié)論。2008—2020年,寧夏稻谷和小麥產(chǎn)量總體上呈下降趨勢,而玉米產(chǎn)量逐年增長;寧夏3種主要農(nóng)作物生產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)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(wèi)市3種農(nóng)作物生產(chǎn)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(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡變異系數(shù)值不斷降低,各市碳足跡之間的差異逐漸減小。

農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡或碳排放主要來自化肥不合理或過量使用產(chǎn)生的溫室氣體排放,農(nóng)業(yè)機械使用能源產(chǎn)生的排放,農(nóng)作物秸稈焚燒產(chǎn)生的排放,水稻種植過程產(chǎn)生的甲烷排放,土地利用和管理不合理產(chǎn)生的排放等;而農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳足跡,應(yīng)合理使用化肥、提高化肥利用效率,減少或禁止農(nóng)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(nóng)田建設(shè)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(nóng)田固碳能力和碳儲量。