我国设施农业碳排放核算及碳减排路径.pdf

我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 尹 岩 郗凤明 邴龙飞 王娇月 李杰颖 杜立宇 刘 丽 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 抚顺矿业集团有限责任公司生态环境中心 辽宁抚顺 沈阳农业 大学土地与环境学院 沈阳 沈阳环境科学研究院 沈阳 摘 要 设施农业作为典型的农业生产管理模式 其特有的生产环境条件和高度集约利用的 特点 会对农业碳循环产生影响 本研究以设施农业生产管理过程中的农膜投入 能源消耗 农药化肥投入 气肥施用 设施土壤五大温室气体排放源为核算对象 对 年我国 个省 份连栋温室 日光温室 塑料大棚 种设施农业的碳排放量和排放强度进行估算 结果表明 我国设施农业碳排放总量为 万 塑料大棚 日光温室 连栋温室 种类型设施 农业碳排放量分别占 和 设施农业碳排放以土壤温室气体排放 农膜投 入和农用品投入碳排放为主 连栋温室单位面积碳排放量显著低于日光温室和塑料大棚 科技资金配置率和设施农业规模是对设施农业碳排放影响最大的两个因素 基于此 本研究 从提高设施农业的科技投入 物质消耗利用率 设施面积利用率 个角度提出碳减排路径 关键词 排放强度 对数平均迪氏指数模型 科技投入 物质消耗 连栋温室 本文由福州市生态系统价值核算科研服务项目 辽宁省博士科研启动基金指导计划项目 沈阳市 社会科学课题重点课题 国家自然科学基金项目 中国科学院青年创新促进会优秀会员项目 和中国 科学院青年创新促进会会员项目 资助 通讯作者 应用生态学报 年 月 第 卷 第 期 温室气体排放是影响全球气候变化 威胁自然 环境和经济发展的重要因素 农业生产活动作 为重要的温室气体人为排放源 其温室气体排 放量达全球总排放量的 我国农业 生产活动产生的温室气体排放比例为 高于很多国家 我国承诺降低温室气 体排放强度 单位 二氧化碳排放量 到 年实现温室气体排放量达峰 碳达峰 到 年实现温室气体净零排放 碳中和 因 此 在巨大的温室气体减排任务下 我国迫切需要提 高资源利用率 发展低碳农业 分析我国不同省 份低碳农业发展政策时发现 控制农业生产活动中 的碳排放是低碳农业发展的重中之重 许多学者在探索农业温室气体排放问题时 以 联合国政府间气候变化专门委员会 制定的 年国家温室气体清单指南 为依据 通过 能值测算 实地监测 模型模拟 等方式对 农业温室气体排放量进行估算 研究表明 土壤 役 畜肠道发酵 秸秆燃烧 水稻种植 役畜粪便管理是 农业温室气体的五大排放源 排放量占比分别为 和 分析农业温室气体 排放的驱动因素发现 增施化肥 促进灌溉 集约化 管理等促进了温室气体排放 免耕 秸秆还田等 保护性耕作管理措施抑制了温室气体排放 对 比美国 加拿大 新西兰农业温室气体排放量时发 现 农业生产管理模式显著影响农业碳排放 全球设施农业面积超过 万 主要分布 在亚洲 非洲 欧洲等地 我国是全球设施农 业面积最大的国家 年我国设施农业总面积为 万 设施农业是一种典型的农业生产管 理模式 因其特有的生产环境条件和高度集约利用 等特点 会对农业碳循环产生影响 诸多学者 从不同角度围绕露天农业 指基于旱地 水田 水浇 地的种植业 其特点是依赖自然环境 受天气影响 大 碳排放问题进行了积极探索 然而 目前关于 设施农业碳排放的研究成果并不多见 仅有的研究 成果一方面主要针对设施农业成本收益问题展开研 究 另一方面 主要针对设施农业生产管理过程中的 关键参数进行模拟优化 与露天农业相比 因蓄热 增温防寒 遮阳降温防雨产生的农用品投入和能源 消耗所引起的温室气体排放还未被定量核算 基于 此 本研究以省域为基本统计单元 以设施农业生产 管理过程中的农膜投入 能源消耗 农药化肥投入 气肥施用 设施土壤五大温室气体排放源为核算对 象 对 年我国连栋温室 日光温室 塑料大棚 种设施农业的碳排放量和排放强度进行估算 详细 分析碳排放量和排放强度的空间分布特征以及影响 碳排放的主导因素 并提出面向碳中和的碳减排 路径 研究地区与研究方法 研究区概况 改革开放以来 我国设施农业得到快速发展 世纪 年代 以塑料拱棚为主的设施生产迅速 发展 使设施作物周年供应状况得到明显改善 世纪 年代以来 大力推广的节能日光温室和遮阳 棚生产技术 攻克了北方地区冬春季和南方地区夏 秋季 两个淡季 的生产技术难题 使得全国广大地 区实现了周年生产 设施农业技术的发展 不仅解 决了作物周年均衡供应的问题 也在促进农民增收 和高效利用农业资源等方面做出了历史性贡献 我 国设施农业主要集中在东北地区和黄淮海地区 其 中 江苏省设施农业面积约占全国的 其次是 山东 约占 辽宁 河北 陕西 省设施农业面 积也较大 约占全国的 设施农业生产 管理模式与露天农业大不相同 需要对设施环境进 行调控 营造适宜作物生长的环境条件 主要是对光 照 温度 湿度和气体的人为调控 我国设施农业生 产区域布局和基本情况如表 所示 设施农业碳排放核算 设施农业生产过程中会消耗大量的农用品和能 源 从而带来温室气体排放 本研究选取农膜 化 肥 农药等农用品投入 灌溉电力 农机燃油 供暖 降温电力等能源消耗 气肥施用和设施土壤温室气 体排放作为设施农业碳排放源 对其进行定量核算 农用塑料薄膜投入碳排放核算 设施农业生 产过程中投入的农用塑料薄膜主要为地膜和棚膜两 类 农用塑料薄膜在生产和运输过程中均会造成温 室气体排放 其中 对设施农业棚膜投入量估算主 要依据 日光温室建设标准 日光温室和塑料大棚结构与性能要求 和 连栋温室建设标准 核算公式如下 式中 为设施农业农膜投入碳排放量 为设施农业地膜年投入量 为设施农业棚 膜年投入量 为农用塑料薄膜碳排放系数 取 值为 期 尹 岩等 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 表 我国设施农业生产区域布局与基本情况 区域 地理位置 设施类型 主要措施 供应期 东北温带区 辽宁中北部 吉林 黑龙 江中南部 内蒙古东部 以日光温室为主 兼 顾塑料大中棚 冬季蓄热增温和保 温防寒 塑料大中棚 月中旬至 月下旬 月中旬至 月中下旬 日光温 室 月至翌年 月 东北温带亚 区 月下旬至 月下旬 月上 旬至 月上旬 东北冷温带亚 区 月中旬至 月下旬 东北 寒温带亚区 黄淮海与环渤海暖温区 辽宁东部 辽宁西部 辽 宁南部 北京 天津 内蒙 古赤峰和乌兰察布地区 山西 河北 山东 河南 安徽中北部 江苏中北部 以日光温室为主 塑 料大中棚为辅 冬季蓄热增温和保 温防寒 日光温室 月至翌年 月 塑料 大中棚 月 月 西北温带干旱及青藏高寒区 新疆 甘肃 宁夏 陕西 青海 西藏 内蒙古中西 部 以日光温室为主 塑 料大中棚为辅 冬季蓄热增温和保 温防寒 日光温室 月至翌年 月 塑料 大中棚 月 月 长江流域亚热带多雨区 四川 重庆 云南北部 贵 州 湖北 湖南 江西 上 海 浙江 江苏南部 安徽 南部 福建北部 以塑料大中棚为主冬春季保温栽培 夏 季遮阳降温避雨栽 培 月中旬至翌年 月 华南热带多雨区 福建中北部 广东 广西 海南 云南中南部 以塑料大中棚 防雨 棚 防虫网并举 遮阳降温防雨 月中旬至翌年 月 农药化肥投入碳排放核算 设施农业生产过 程中投入的农药和化肥 其在生产和运输过程中均 会造成温室气体排放 本研究对此部分碳排放进行 核算 算式如下 式中 为设施农业农药化肥投入碳排放量 分别为设施农业化肥 农药 投入量 和 分别为化肥 农药的碳排放 系数 取值分别为 能源消耗碳排放核算 设施农业生产过程中 灌溉和降温 南方 供暖 北方 会消耗电力能源 同时农业机械也会消耗燃油能源 能源在消耗过程 中会造成温室气体排放 本研究对此部分碳排放进 行核算 算式如下 式中 为设施农业能源消耗碳排放量 为设施农业灌溉电力消耗量 为设施农业 降温 供暖电力消耗量 为设施农业机械 燃油消耗量 和 分别为电力和燃油消耗碳 排放系数 取值分别为 气肥施用碳排放核算 设施农业生产过程中 常用化学反应法向设施内增施 以促进作物光 合作用 由于设施每天定期需要通风换气 因此 设 施内没有参与光合反应的 会释放到大气中 是 重要的设施农业温室气体排放源 本研究对此部分 碳排放进行核算 算式如下 式中 为设施农业气肥施用碳排放量 为 气态密度 为设施 面积 为设施脊高 和 分别为施气肥后温室内 浓度 和大气 平均浓度 设施土壤碳排放核算 设施土壤因耕作管 理 化肥施用 有机碳矿化等原因会释放温室气体 本研究对此部分碳排放进行核算 算式如下 式中 为设施土壤碳排放量 为设 施土壤 通量 为设施农业 供应期天数 为设施农业氮肥施用量 为设施土壤 排放系数 为 转换为百年尺度上相对全球增温潜势 设施农业碳排放驱动因素分析 为进一步分析影响碳排放的主导因素 并提出 面向碳中和的碳减排路径 本研究基于对数平均迪 氏指数 模型 选择碳排放效率 碳排放量与产量之比 投入产出 应 用 生 态 学 报 卷 比 产量与物耗投入之比 科技资金配置率 物耗 投入与科技人员数量之比 设施农业规模 科技人 员数量与设施农业面积之比 作为设施农业碳排放 的驱动因素 深入分析各驱动因素对我国设施农业 碳排放的影响程度 本研究基于前人研究成果 构 建设施农业碳排放驱动因素分析模型 式中 为设施农业碳排放量 为设施农业碳排放 效率 为设施农业产出投入比 为设施农业科 技资金配置率 为设施农业规模 为设施农业面 积 为设施农业总产出 为设施农业物耗投入 为科技人员数量 数据来源与处理 本研究数据来源于中国设施农业信息网 日光温室建设标准 日光 温室和塑料大棚结构与性能要求 连栋温室建设标准 农业用聚乙烯吹塑棚膜 全国设施蔬菜重点区域发展规划 年 中国统计年鉴 中国 能源统计年鉴 中国农村统计年鉴 中国 科技统计年度数据 利用 软件对核算结果 进行数据处理 借助 软件绘制碳排放空间变 化图 结果与分析 设施农业碳排放的空间变化特征 由图 可以看出 年 我国设施农业碳排 放总量为 万 总体呈东北高 西南 图 我国 个省份不同类型设施农业碳排放量的空间分布 连栋温室 日光温室 塑料大棚 农膜投入 能源消耗 农用品投入 气肥施用 设施 土壤 该图基于审图号为 号的标准地图制作 底图无修改 下同 期 尹 岩等 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 低的格局 其中 江苏 山东 辽宁排放量最高 分别 占全国碳排放总量的 和 广西 西藏 海南是碳排放量最小的省份 分别占全国碳排 放总量的 和 从设施农业类型来看 碳排放量顺序为塑料大 棚 日光温室 连栋温室 种类型设施农业碳排放 量分别为 和 万 从空间分布来看 我国北方以日光温室碳排放为主 南方以塑料大棚碳排放为主 辽宁 山东 河北日光 温室碳排放量最高 分别占全国碳排放总量的 和 江苏 山东 湖北塑料大棚 碳排放量最高 分别占全国碳排放总量的 和 连栋温室主要集中在江苏 内蒙 古 山东 其碳排放量分别占全国碳排放总量的 和 设施农业不同类型碳排放贡献特征 分析我国设施农业不同类型碳排放的贡献发 现 土壤碳排放 农膜使用 农用品投入 能源消耗 气肥施用碳排放平均占比分别为 土壤碳排放 农膜使用 农用品 投入碳排放是我国设施农业的主要碳排放源 连栋 温室不同碳排放源的排放量顺序为土壤碳排放 农 用品投入 能源消耗 农膜投入 气肥施用 其中 土 壤碳排放是主要的碳排放源 占比 农用品投入碳排放占比次之 达 日 光温室不同碳排放的排放量顺序为土壤碳排放 农 用品投入 农膜投入 能源消耗 气肥施用 其中 土 壤碳排放占比 农用品投入和农膜投 入碳排放占比分别为 和 塑料大棚不同碳排放的排放量顺序为土壤 碳排放 农膜投入 农用品投入 能源消耗 气肥施 用 其中 土壤碳排放占比 农膜投入 和农用品投入碳排放占比分别为 和 图 我国 个省份不同类型设施农业碳排放强度的空间分布 应 用 生 态 学 报 卷 设施农业碳排放强度特征 与碳排放量空间分布有所不同的是 我国设施 农业碳排放强度总体呈现西南高 东北低的趋势 图 高排放强度的省份主要集中分布在贵州 重 庆 湖北 湖南 排放强度高达 排放强度最低的省份是黑龙江 排放强度低至 各类设施农业碳排放强度顺序为日 光温室 塑料大棚 连栋温室 日光温室 连栋温室 和塑料大棚 种设施农业碳排放强度均呈现长江流 域偏高 东北地区偏低的趋势 对比各类碳排放源 的排放强度发现 连栋温室和日光温室的土壤碳排 放强度和气肥施用碳排放强度显著高于塑料大棚 日光温室和塑料大棚的农膜投入碳排放度显著高于 连栋温室 能源消耗碳排放强度显著低于连栋温室 日光温室农用品投入碳排放强度显著高于连栋温室 和塑料大棚 设施农业碳排放的驱动因素 本研究基于 模型 对设施农业碳排放 的驱动因素进行乘法分解和加法分解 旨在深入探 讨影响设施农业碳排放的因素 由图 可以看出 图 设施农业碳排放驱动因素分解结果 乘法分解方法 加法分解方 法 碳排放效率 产出投入比 科技资金配置率 设施农业规模 设施农业面积 我国设施农业产出投入比 设施农业面积和科技资 金配置率均呈降低趋势 降低幅度顺序为产出投入 比 设施农业面积 科技资金配置率 这 个因素 对于设施农业碳排放的贡献呈负驱动作用 其中 科 技资金配置率负驱动作用最大 贡献了 万 设施农业面积负驱动作用次之 贡献了 万 产出投入比负驱动作用最小 仅贡 献 万 相比之下 设施农业碳排放效率 和设施农业规模是呈升高趋势的 设施农业规模的 升高幅度大于碳排放效率 这两个因素对设施农业 碳排放的贡献呈正驱动作用 碳排放效率贡献了 万 设施农业规模的贡献远高于碳排放效率 为 万 讨 论 目前 关于农业碳排放量的估算主要集中在 化肥 农药 农膜等农用品在生产和运输过程中 产生的碳排放 因耕作 灌溉 施肥等管理 措施造成的役畜肠道发酵和粪便管理碳排放 农 机燃油燃烧产生的碳排放 土壤有机质矿化分 解产生的碳排放 水田淹水厌氧发酵产生的甲 烷排放 灌溉电力消耗产生的碳排放 以及 因氮肥施用土壤排放氮氧化物 等 秸秆焚烧 过程产生的碳排放 本研究在确定设施农业核 算框架体系时 考虑到设施农业以蔬菜种植为主 因 此没有将水田淹水厌氧发酵甲烷排放和秸秆焚烧碳 排放纳入核算体系 同时农业设施中少有役畜投入 故对役畜肠道发酵和粪便管理碳排放亦不纳入核算 体系 对比已有农业碳排放核算结果与本研究关于设 施农业碳排放核算结果时发现 农业能源消耗产生 的碳排放在 本研究 能源消耗碳排放在 分析原 因时发现灌溉电力是农业能源消耗碳排放的主要源 头 灌溉方式的不同显著影响了能源消耗碳排放 量 同时设施农业因需要供暖 降温也会消耗一 部分电力 造成额外的能源消耗碳排放 此外 本研 究亦发现 设施土壤碳排放是 种碳排放源中排放 强度最大的 可以达到 这是 因为设施土壤高温 持续大量的施肥等均会促进设 施土壤有机碳分解矿化 从而表现出设施土壤有机 碳矿化率明显高于农田 深入分析设施农业碳排放驱动因素时发现 对 设施农业碳排放影响最大的两个因素是科技资金配 期 尹 岩等 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 置率和设施农业规模 也就是说提高设施农业的科 技投入 物质消耗利用率 设施面积利用率是有效降 低设施农业碳排放的关键路径 提高设施农业 科技投入 研究表明 滴管方式可以有效降低生长 期土壤碳排放 且降低灌溉能耗 保护性耕作在 有效保持作物产量的同时可以显著降低温室气体排 放 将光伏发电技术应用在设施农业中 可以大大 减少对化石能源的需求 达到节能减排的效果 因 此 以改善耕作管理措施为目标的科技投入十分必 要 提高物质消耗利用率 设施农业化肥施用 量可达 已超出施肥理论量 的 显著提高了农用品投入碳排放 同 时 棚膜作为设施农业重要的一种农膜投入类型 更 是提高了农膜投入碳排放 因此 应推广秸秆还田 和测土配方施肥 根据不同作物类型 按需施肥 减 少肥料生产碳排放和因施肥产生的土壤碳排放 并 提高棚膜质量 延长棚膜使用寿命 减少棚膜更换频 率 有效降低棚膜投入碳排放 提高设施面积利 用率 本研究发现 连栋温室碳排放强度为 低于日光温室和塑料大棚 因此 推 广连栋温室和连栋单层膜温室 可以有效降低温室 内运行能耗 减少气肥施用量 减少因土地破碎化造 成的农机高能耗 结 论 本研究核算了 年我国 个省份设施农业 温室气体排放量 结果表明 我国设施农业碳排放总 量为 万 塑料大棚 日光温室 连栋 温室 种类型设施农业碳排放量分别为 和 万 设施农业各碳排放 源排放量由高到低依次为土壤碳排放 农膜使用 农用品投入 能源 消耗 气肥施用 连栋温室碳排放 强度 低于日光温室 和塑料大棚 此外 科技资金配置率和设施农业规模是影响设施 农业碳排放最大的两个驱动因素 参考文献 刘宇峰 原志华 郭玲霞 等 中国农作物生产碳足 迹及其空间分布特征 应用生态学报 田云 张俊飚 李波 基于投入角度的农业碳排放时 空特征及因素分解研究 以湖北省为例 农业现 代化研究 丛建辉 刘学敏 赵雪如 城市碳排放核算的边界界 定及其测度方法 中国人口 资源与环境 应 用 生 态 学 报 卷 高鸣 宋洪远 中国农业碳排放绩效的空间收敛与分 异 基于 指数与空间计算的 实证分析 经济地理 束胜 康云艳 王玉 等 世界设施园艺发展概况 特 点及趋势分析 中国蔬菜 中国设施农业信息网 温室面积 中国设施农业信息网 日光温室建设标准 中国设施农业信息网 日光温室和塑料大棚结构与 性能要求 中国设施农业信息网 连栋温室建设标准 周建斌 翟丙年 陈竹君 等 西安市郊区日光温室 大棚番茄施肥现状及土壤养分累积特性 土壤通报 陈舜 逯非 王效科 中国氮磷钾肥制造温室气体排 放系数的估算 生态学报 国家标准化管理委员会 农业用聚乙烯吹塑棚膜 中华人民共和国农业农村部 全国设施蔬菜重点区 域发展规划 年 国家统计局 中国统计年鉴 中国统计信息网 中国能源统计年鉴 中国农业与经济社会发展统计数据库 中国农村统 计年鉴 期 尹 岩等 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 国家统计局 中国科技统计年度数据 胡向东 王济民 中国畜禽温室气体排放量估算 农 业工程学报 闵继胜 胡浩 中国农业生产温室气体排放量的测 算 中国人口 资源与环境 田云 张俊飚 中国农业生产净碳效应分异研究 自 然资源学报 陶宝先 张保华 董杰 等 设施耕作促进农田土壤 有机碳矿化 农业环境科学学报 作者简介 尹 岩 女 年生 博士研究生 助理研究 员 主要从事农业环境与生态领域研究 责任编辑 杨 弘 尹岩 郗凤明 邴龙飞 等 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 应用生态学报 应 用 生 态 学 报 卷