新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體排放的脫鉤與驅動效應分析

楚天舒 賴世宣 黃譯萱 馬紅紅 吳湘琳 蒲勝海 李曉紅

(1.中國農業大學 資源與環境學院,北京 100193;2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所/農業農村部西北綠洲農業環境重點實驗室,烏魯木齊 830091;3.中國農業大學 工學院,北京 100083;4.中國農業大學 經濟管理學院,北京 100083)

政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第6輪評估報告[1]指出,氣候變化及其引起的極端氣象事件頻率和強度的增加,已經對陸地生態系統產生了負面影響。2010—2019年人為溫室氣體凈排放量持續增加,2019年達到590億t(以CO2計,全文同)。其中,農牧業溫室氣體排放量占總量的23%,是重要的排放源之一。因此,探究農牧業溫室氣體減排路徑與策略,已成為當前國內外科研人員高度關注的議題。

在農牧業溫室氣體核算方面,Chen等[2]針對中國的16種主要作物進行研究發現,2001—2018年凈溫室氣體排放增長的91.9%來源于施肥和灌溉,并進行情景分析指出,減少活性氮的損失是減少農業溫室氣體排放最有效的策略。在中國北方大型豬場,每1 kg生豬的溫室氣體排放量為3.39 kg,其中飼料生產、糞便管理、農場能源消耗和腸道甲烷的貢獻分別為55%、28%、13%和4%[3]。從空間分布看,畜牧業高溫室氣體排放區位于青藏高原東南部地區,而高碳匯區位于青藏高原的東南部、西南和中部地區[4]。在溫室氣體評價方面,1994—2013年上海在農業經濟發展與農業排放增長的脫鉤較弱,脫鉤指數為-0.01～0.29[5]。從省域尺度看,1997—2014年中國東部省份農業溫室氣體排放和農業總產值主要處于強脫鉤狀態[6]。Huang等[7]運用LMDI分解法分析發現,農業生產效率、農業產業結構和勞動力等因素對江西省農業溫室氣體排放有負面作用,而農業經濟發展和城市化水平等因素則有正向作用。由此可見,脫鉤分析與驅動效應分析能有助于探究不同地區農業溫室氣體排放特征。而如何定量評估農業機械化、水利化等對農業綠色低碳發展推動效果,系統解析作用機制,成為當前急需解決的課題。

新疆生產建設兵團作為中國農業節水灌溉示范基地、農業機械化示范推廣基地和現代農業示范基地,農牧產品產量高,生產水平先進,引領西北地區農牧業發展。本研究擬以新疆生產建設兵團農牧業生產系統為研究對象,核算農牧業溫室氣體凈排放量;采用Tapio脫鉤分析法評估溫室氣體凈排放量與產值、產量的關聯程度;運用LMDI分解法探究生產機械化、水利現代化、畜禽良種化等對溫室氣體凈排放量的驅動效應,以期為區域農牧業綠色低碳發展提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

新疆生產建設兵團位于我國新疆維吾爾自治區,地處歐亞大陸中部(73°40′ E～96°23′ E,34°25′ N～49°10′ N),氣候屬溫帶大陸性氣候。轄區土地面積701.7萬hm2,其中,耕地面積128.8萬hm2,園地15.1萬hm2,草地171.9萬hm2。2020年,新疆生產建設兵團第一產業增加值673.8億元,占生產總值的23.2%。農作物播種面積141.5萬hm2,糧食、棉花、油料、甜菜和蔬菜占比分別為18.4%、61.1%、4.2%、1.2%和4.6%。糧食、棉花、油料、甜菜和蔬菜產量分別為214.4萬、213.4萬、23.9萬、146.9萬和481.3萬t。種植業耕種收綜合機械化率為95.2%。豬牛羊年末存欄量分別為229.6萬、52.6萬和366.3萬只,肉類、禽蛋和牛奶產量分別為48.8萬、15.1萬和73.8萬t。新疆建設兵團農牧業生產系統設定以農作物種植和畜禽養殖全過程為基礎;其中,種植業涵蓋農作物的耕整地、種植、田間管理、收獲等各個階段,養殖業涵蓋畜典型生產模式下動物飼養、糞污處理等各個環節(圖1)。

圖1 新疆生產建設兵團農牧業生產系統示意圖Fig.1 Diagram of agriculture and animal husbandry production system in Xinjiang Production and Construction Corps (XPCC)

1.2 農牧業溫室氣體凈排放核算方法

本研究按照IPCC溫室氣體核算指南[8],結合新疆生產建設兵團作物種植與畜禽養殖的生產過程,從農業溫室氣體排放、畜牧業溫室氣體排放和土壤固碳3方面,整理出核算方法和公式。

1.2.1農業溫室氣體排放核算方法

新疆生產建設兵團農業生產系統的溫室氣體排放主要分為主要物資碳排放、稻田CH4排放、農田土壤N2O排放和秸稈焚燒碳排放4部分。本研究整理2011—2020年新疆生產建設兵團農業相關數據,帶入式(1)計算得到農業生產系統的溫室氣體排放量。

(1)

式中:Cp為農業生產系統的溫室氣體排放量,kg,全文溫室氣體排放量均以CO2計;Pinput為主要物資碳排放量,kg;Ppaddy-CH4為稻田CH4排放量,kg;PN2O為農田土壤N2O排放量,kg;Pstraw-burning為秸稈焚燒碳排放量,kg;Mi為農業第i種主要物資用量[9];Ei為農業溫室氣體排放系數,詳見表1;Spaddy為水稻種植面積[9],hm2;D為水稻1個生長周期的時間,150 d[10];Rreturn為秸稈還田率,24.07%[11];Nj為第j種途徑輸入農田土壤的氮量[9],kg,j=1,2,3,4分別表示化肥、有機肥、秸稈還田和土壤礦化;N5為大氣干濕沉降進入農田的氮量[12-13],kg;N6為秸稈氮量,kg,由作物產量[9]、草谷比[8]和秸稈含氮量[8]計算獲得;Rburn為秸稈焚燒比例,3.22%[11];Rsuff為焚燒因子,玉米、水稻、小麥和其他作物分別為80%、80%、90%和85%[8];i=1,2,…,22。CH4的100 a全球增溫潛勢[1]為27.9;N和N2O的質量轉換系數為44/28;N2O的100 a全球增溫潛勢為273[1]。

表1 新疆生產建設兵團農業溫室氣體排放系數Table 1 Greenhouse gas emission (GHG) factors in XPCC agriculture

1.2.2畜牧業溫室氣體排放核算方法

新疆生產建設兵團畜牧業生產系統的溫室氣體排放主要分為主要物資排放、畜禽腸道CH4排放、糞便管理過程中CH4排放、糞便管理過程中N2O排放和草地土壤N2O排放5部分。本研究整理2011—2020年新疆生產建設兵團畜牧業相關數據,帶入式(2)計算得到畜牧業生產系統的溫室氣體排放量。

(2)

式中:Ca為畜牧業生產系統的溫室氣體排放量,kg;Ainput為主要物資排放量,kg;AEN為動物腸道CH4排放量,kg;AMM-CH4為糞便管理過程中CH4排放量,kg;AMM-N2O為糞便管理過程中N2O排放量,kg;AG-N2O為草地土壤N2O排放量,kg;M11為畜牧業用電量[9],kW·h;Ei為畜牧業的溫室氣體排放系數,詳見表2;n為畜禽年養殖量[9],頭;W為畜禽生長期間的平均體重,kg/頭;Vex為畜禽單位體重的揮發性固體的排泄量[8],kg/kg;Nex為畜禽單位體重的N的排泄量[8],kg/kg;N7為草地土壤礦化產生的氮量,kg;N8為大氣干濕沉降進入草地的氮量[12-13],kg。

表2 新疆生產建設兵團畜牧業溫室氣體排放系數[1]Table 2 GHG emission factors in XPCC animal husbandry

1.2.3土壤固碳核算方法

本研究整理2011—2020年新疆生產建設兵團農業和畜牧業相關數據,帶入式(3)計算得到農田和草地土壤有機碳儲量變化,作為農田和草地土壤固碳量。

(3)

式中:ΔCOG為農田或草地土壤有機碳儲量變化,kg;CSOC,t為第t年農田或草地土壤有機碳儲量,kg;CSOC,0為初始年農田或草地土壤有機碳儲量,kg;CREF為某種氣候、土壤條件下農田或草地參考土壤有機碳儲量[8],kg/hm2;FLU為土地利用方式的修正因子[8];FMS為管理方式的修正因子[8];FIN為有機物料輸入水平的修正因子[8];S為某種氣候、土壤條件下農田或草地面積[26],hm2。

1.2.4溫室氣體凈排放量核算方法

本研究將農業或畜牧業溫室氣體排放量減去農田或草地土壤有機碳儲量變化,得到農業或畜牧業溫室氣體凈排放量,具體計算公式為:

Cn,t=Ct-ΔCOG×44/12

(4)

式中:Cn,t為第t年農業或畜牧業溫室氣體凈排放量,kg;Ct為第t年農業或畜牧業溫室氣體排放量,kg。二氧化碳和碳的轉化系數為44/12。

1.3 Tapio脫鉤分析法

為探討新疆生產建設兵團農牧業生產系統溫室氣體凈排放量與產值、產量之間的關聯程度,衡量農牧業經濟增長是否以消耗環境為代價,從而引入Tapio脫鉤分析法[27],即采用以時間尺度彈性分析方法反映2個變量之間的脫鉤狀態,按照式(5)計算:

(5)

式中:eV,t為第t年農業或畜牧業溫室氣體凈排放量與產值的脫鉤指數,eY,t為第t年農業或畜牧業溫室氣體凈排放量與產量的脫鉤指數,脫鉤指數的狀態劃分詳見表3;ΔCn,t為第t年比第t-1年農業或畜牧業溫室氣體凈排放量的增長量,kg;Cn,t為第t年農業或畜牧業溫室氣體凈排放量,kg;ΔVt為第t年比第t-1年農業或畜牧業產值的增長量,萬元;Vt為第t年農業或畜牧業產值[9],萬元;ΔYt為第t年比第t-1的農產品或畜產品產量的增長量,kg;Yt為第t年農產品或畜產品產量,kg;yt為第t年農產品或畜產品實際產量[9],kg;nc為農產品或畜產品蛋白質質量分數[28],%,考慮各類農牧產品差異大,產量無法直接加和,遂將其產品產量換算為蛋白質產量再加和。

表3 脫鉤指數的8種狀態Table 3 Eight types of decoupling index

1.4 LMDI分解法

為定量揭示新疆生產建設兵團農牧業生產系統的溫室氣體排放的驅動因素,本研究選用對數平均迪式指數分析法(Logarithmic mean divisia index,LMDI)。LMDI分解法對研究對象進行完全分解而不產生殘差,定量識別驅動因素,在農業領域得到了廣泛應用[29]。

1.4.1農業溫室氣體凈排放量驅動因素分解

《新疆生產建設兵團國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》[30]中將農牧業綠色發展列為鄉村振興的重要抓手,農業規模化、機械化和水利化是兵團農業高質高效發展的核心目標。為了闡明農業綠色低碳發展與規模化、機械化和水利化的協同機制,本研究依據LMDI分解法將農業溫室氣體凈排放量拆解出種植面積、生產機械化水平、水利現代化水平和機械化與水利化協同程度4個驅動因素,定量評估上述4個因素的驅動效應,找出當前存在的不足之處,明確未來協同發展路徑。參照經典公式[29],農業溫室氣體凈排放量的LMDI分解形式可表示為:

(6)

式中:Cp,t為第t年農業溫室氣體凈排放量,kg;Sp,t為第t年農作物種植面積[9],hm2;Sh,t為第t年機械收割面積[9],hm2;Si,t為第t年高新節水灌溉面積[9],hm2;M、P、Q、R為規劃化、機械化、機械化與水利化協同、水利化的驅動因子;ΔCp,t為農業溫室氣體凈排放量的變化量,kg;ΔM為種植面積的效應值,kg/hm2;ΔP為生產機械化水平的效應值,%;ΔQ為機械化與水利化協同程度的效應值,%;ΔR為水利現代化水平的效應值,hm2。

1.4.2畜牧業溫室氣體凈排放量驅動因素分解

為了解析畜牧業綠色低碳發展與規模化、良種化和機械化的協同機制,本研究依據LMDI分解法將畜牧業溫室氣體凈排放量拆解出畜禽養殖量、畜禽良種化水平、生產機械化水平和良種化與機械化協同程度4個驅動因素,判斷上述4個因素對溫室氣體凈排放量起著促進作用或是抑制作用,明確未來協同發展路徑。參照經典公式[29],畜牧業溫室氣體凈排放量的LMDI分解形式可表示為:

(7)

式中:Cl,t為第t年畜牧業溫室氣體凈排放量,kg;Bt為第t年畜禽養殖當量,頭(由畜禽養殖量[9]與系數[31]折算成奶牛當量,全文均以奶牛當量計);Bf,t為第t年畜禽良種推廣量[9],頭;Bc,t為第t年機械剪毛羊量[9],頭;T、U、X、Z為規模化、良種化、良種化與機械化協同、機械化的驅動因子;ΔCl,t為畜牧業溫室氣體凈排放量的變化量,kg;ΔT為畜禽養殖量的效應值,kg/頭;ΔU為良種化水平的效應值,%;ΔX為良種化與機械化協同程度的效應值,%;ΔZ為生產機械化水平的效應值,頭。

2 結果與分析

本研究使用式(1)～(7),以及表1和表2中的相關系數,根據表3的脫鉤指數狀態判斷,對新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體凈排放量、脫鉤情況和驅動因素進行計算與分析。

2.1 農牧業溫室氣體凈排放量

2011—2020年新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體凈排放量均呈現“增長—平穩波動”趨勢,農業溫室氣體凈排放量遠高于畜牧業。農業方面,2011年農業溫室氣體凈排放量為7.12×109kg,2020年達到1.02×1010kg,增長43.42%。主要物資和農田土壤N2O排放量分別約占農業溫室氣體總排放量的73.14%和24.97%;其中,氮肥、電力和柴油在主要物資溫室氣體排放量中分別貢獻了34.88%、19.93%和11.98%;農田土壤有機碳儲量變化為3.81×108kg(圖2(a))。畜牧業方面,2011年畜牧業溫室氣體凈排放量為1.07×109kg,2020年達到1.34×109kg,增長25.55%;其排放主要來源于動物腸道CH4排放,約占67.20%,這也與當地飼養大量反芻動物有關;草地土壤有機碳儲量變化為10.60×108kg(圖2(b))。

圖2 新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體排放量及土壤固碳量Fig.2 GHG emissions and soil carbon sequestration in agriculture and animal husbandry in XPCC

2.2 脫鉤分析

產值方面,新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體凈排放量與農牧業產值主要處于弱脫鉤(圖3(a))和強脫鉤狀態(圖3(b));農牧業溫室氣體凈排放量增速小于農牧業產值增速,其中,2019—2020年脫鉤指數分別為-0.16和-0.24,這意味著新疆生產建設兵團農牧業走上了經濟增長與環境保護協同發展之路。產量方面,農業溫室氣體凈排放量與農產品產量部分年份處于強脫鉤和弱脫鉤狀態,部分年份處于強負脫鉤狀態(圖3(c)),2019—2020年脫鉤指數為-0.26;而畜牧業溫室氣體凈排放量與畜牧業產量由連接狀態轉向弱脫鉤和強脫鉤狀態(圖3(d)),2019—2020年脫鉤指數為-2.37。總的來說,農牧業溫室氣體凈排放量逐步與農牧產品產量脫鉤。

2.3 驅動因素分析

在農業方面,2011—2020年種植面積、生產機械化水平、機械化與水利化協同程度和水利現代化水平的驅動效應總值分別為7.80×108kg/hm2、-14.87×106、-23.93×106和58.25×108hm2(圖4)。其中,種植面積、水利現代化水平對農業溫室氣體凈排放量表現為促進作用,而生產機械化水平、機械化與水利化協同程度起著抑制作用。由此可見,隨著種植規模化與水利化發展,需投入更多的生產物資,如化肥、農藥、地膜、灌溉設施設備、柴油和電力等,這勢必會增加農業生產系統的溫室氣體排放量。而主要作物生產全程機械化發展,農業生產技術效率提高,單位面積投入化肥及地膜等生產物資的量減少[32-33],提高物資利用效率,促進了農業生產系統減排增效。因此,進一步優化灌溉技術與設施設備,加強灌溉工程管理,提升水資源與能源的利用效率[34],逐步將水利現代化對農業溫室氣體凈排放量的促進作用轉化抑制作用。

畜牧業方面,2011—2020年畜禽養殖量、良種化水平、良種化與機械化協同程度和生產機械化水平的驅動效應總值分別為-0.96×108kg/頭、-2.50×106、-4.55×106和9.73×108頭(圖5)。其中,畜禽養殖量、良種化水平、良種化與機械化協同程度對畜牧業溫室氣體凈排放量表現為抑制作用。而生產機械化水平的效應值從2018年起由1.23×108頭轉為-0.53×108頭,即從促進作用轉向抑制作用。畜牧業機械化前期需購置飼草收獲與加工、飼喂、清糞和環境控制等設施設備,這將促進畜牧業生產系統的溫室氣體排放量。而隨著畜牧業機械化水平進一步提升,養殖技術效率的提高,尤其在飼草收獲與加工、糞便處理等環節降低損失與環境污染,逐步實現減排增效[35]。總的來說,當前畜牧業規模化、良種化和機械化對溫室氣體減排具有協同效應。

圖5 新疆生產建設兵團畜牧業溫室氣體凈排放量的驅動效應Fig.5 Driving effect of net GHG emissions in animal husbandry in XPCC

3 討 論

新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體凈排放量與產值處于脫鉤狀態,而逐步與產品產量脫鉤(圖3)。由此可見,其農牧業生產向著環境友好型方向發展,逐漸不以犧牲環境為代價,但目前還處于發展初期。如何實現農牧業生產與溫室氣體排放脫鉤,是其綠色低碳發展的當前面臨的重要問題。具體可以從助力農牧業減排增效和促進農田土壤固氮增匯2方面展開。

1)助力農牧業減排增效方面,應著力推動農牧業機械化高質量發展。

本研究采用LMDI分解法解析農牧業溫室氣體凈排放量的驅動因素發現,機械化對溫室氣體凈排放量起到抑制作用(圖4)。機械化生產作用機制是通過提高生產技術效率,科學管控生產的工程工藝與環境,減少生產物資過量投入,提高物資利用效率,降低環境損失,進而實現溫室氣體減排。當前新疆生產建設兵團已基本實現主要作物生產全程機械化,綜合機械化率已超過95%,而畜牧業機械化還處于發展階段。2021年新疆生產建設兵團發布的《關于促進兵團畜牧業高質量發展的意見》[36]重點指出,落實畜牧業機械補貼政策,完善圈舍、飼喂、擠奶、環境控制、糞污處理和病死畜禽無害化處理的全生產過程設施設備建設。因此,新疆生產建設兵團畜牧業機械化高質量發展可成為畜牧業減排增效的重要途徑。建議優先飼草種植、糞污處理等關鍵環節實現機械化,提高飼草品質與產量,減少糞污環境污染;再逐步促進各環節設施設備與經營規模、養殖工藝相融合,進而實現機械化與綠色低碳協同發展。

2)促進農田土壤固碳增匯方面,應以推廣有機無機配施為重點工作。

從新疆生產建設兵團溫室氣體排放量與結構分析可知,農田土壤有機碳儲量變化相對較低(圖2)。新疆生產建設兵團耕層土壤有機質含量為13.49 g/kg,按照西北區耕地質量評價指標分級,屬于4級;低于西北區有機質平均值15.75 g/kg[37],具有一定的提升潛力。當前農業生產中存在化肥施用量高、有機肥施用量低的問題,不利于土壤有機質提升與培肥地力[38]。因此,在政策方面,建議探索耕地地力保護補貼發放與有機肥施用行為掛鉤的有效機制,激勵團場職工增施有機肥。在農藝方面,番茄、辣椒和甜瓜等是地區特色優質農產品,有機肥的施用能有效提升果菜商品品質與產量。建議優先面向果菜等特色作物,加大有機無機肥科學配施技術的推廣力度,有機肥替代比例可控制在10%～20%。在農機方面,由于有機肥運輸成本高與施用不便等生產問題,建議根據不同團場農機需求情況,靈活應用農機購置補貼、機械作業補貼或農機租賃補貼等多種補貼形式,實現有機肥機械化施用,解決“最后一公里”問題。

4 結 論

本研究運用Tapio脫鉤分析法和LMDI分解法分析了新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體排放量的脫鉤與驅動效應,得到以下結論:

1)2011—2020年新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體凈排放量呈現“增長—平穩波動”趨勢。2020年農業溫室氣體凈排放量為1.02×1010kg,氮肥、電力和柴油為主要排放源;畜牧業溫室氣體凈排放量為1.34×109kg,動物腸道CH4排放量約占67.20%。

2)新疆生產建設兵團農牧業溫室氣體凈排放量與農牧業產值主要處于弱脫鉤和強脫鉤狀態,2019—2020年脫鉤指數分別為-0.16和-0.24。而與農牧產品產量逐步脫鉤,脫鉤指數分別為-0.26 和-2.37。

3)在農業方面,2011—2020年種植面積、生產機械化水平、機械化與水利化協同程度、水利現代化水平的效應值分別為7.80×108kg/hm2、-14.87×106、-23.93×106和58.25×108hm2。在畜牧業方面,2011—2020年畜禽養殖量、良種化水平、良種化與機械化協同程度、生產機械化水平的效應值分別為-0.96×108kg/頭、-2.50×106、-4.55×106和9.73×108頭。