1 农业生产的碳收支特征
在联合国气候变化框架公约(UNFCCC)里,源(Source)是指向大气排放温室气体的任一活动或机制,汇(Sink)是指将温室气体从大气中移除的任一过程、活动或机制。固碳(Carbon Sequestration)是指固定并确保碳储存以免碳排放到大气中[15]。
农业生产过程是一个复杂的系统,主要受人为因素控制。人类必须不断地从事各种活动,才能使农田生态系统健康运行。为使系统保持平衡并维持较高的生产力水平,必须通过多种途径投入人力、水以及用于各种农业机械的化石燃料等物质和能源,以补偿产品输出后所出现的亏损[16],而这些过程需要有机碳的消耗,因此,从碳循环的角度而言,农业经营活动也是碳的输入输出过程。其中,农作物光合作用固碳和人工有机肥是主要的碳输入,而农田化肥生产,农业机械使用,农村用电和灌溉过程等的碳排放是主要的碳输出过程。因此,笔者就主要对农业生产的重要碳收支环节进行估算,以全面了解中国农业生产的碳源/汇状况。需要说明的是,尽管肥料、农业机械、农药等本身不含能量,但其制造或运作过程消耗了大量间接工业辅助能[19],而这些物质和能量在农业生产中参与了循环,因此在生产过程或耗能过程中释放的碳也应看作是农田生态系统碳排放的途径之一。T. O. West [17] 称之为“全碳分析”(Full C Cycle Analysis),即包括对能源使用、电、肥料、灌溉和农田机械的碳排放的估算。
2 研究方法
数据来源于《中国统计年鉴》19782009年全国各种农作物产量、种植面积数据和灌溉、施肥、农业机械、农村用电等农业投入统计数据。
(1)总碳排放(Et)估算公式为:
Et=Ef+Em+Ep+Ei
式中,Ef,Em,Ep,Ei分别为农田化肥生产,农业机械使用,农村用电和灌溉过程带来的碳排放。各项碳排放过程计算公式如下(其中A、B、C、D为系数,参照T.O. West[17]的转换系数):
Ef = Gf × A
Em = (Am × B)+(Wm × C)
EP = (wP × C)
其中,Gf 为化肥使用量,Am为农作物种植面积,Wm为农业机械总动力,wP为农村用电总动力,C=0.18 kgC?kw-1,为灌溉面积,A=857.54 kgC?mg-1;B=16.47 kgC?hm-2,C=0.18 kgC?kw-1,D= 266.48 kgC?hm-2。
(2)总碳吸收(Ct)估算公式为:
其中,i表示第i种农作物类型;Cd为某种作物全生育期对碳的吸收量;Cf为作物合成1 g有机质(干质量)所需要吸收的碳,Yw为经济产量,Dw生物产量,H为经济系数, 三者存在数量关系: Dw = Yw /Hi,中国主要农作物经济系数和见文献[11]。
3 结果与分析
3.1 19782009年中国农业生产碳排放特征分析
就碳排放总量而言,自1978年以来呈明显增加趋势。由1978年的2 661.21万t增加到2009年的19 344.31万t(图1),增长了约6.27倍,年均增长率10%。农业生产碳排放的各项构成要素中,灌溉碳排放增长幅度较小,31年间仅增长了30%;农业机械碳排放和化肥使用碳排放呈现稳定的增长势头,而农村用电碳排放增势最为明显。这说明自1978年至2009年,我国农田基础灌溉设施变化不大,农田灌溉碳排放没有显著变化,而其他农业投入如化肥、农机使用等则持续增加,并且随着农业机械化程度的提高,农村用电量显著增加,尤其是1997年农村用电碳排放首次超越农业化肥使用碳排放,呈现出剧烈增长之势,这些变化都与我国农业机械化、现代化的发展密不可分。
3.2 19782009年中国农作物碳吸收特征分析
与碳排放逐年显著增加的趋势不同,我国农田生态系统碳吸收由1978年的 30 654.34万t增加到2009年的66 151.95万t,增加了115.8%,呈现出总体上升、稳中有变的发展趋势(图2)。碳吸收总量在90年代之前增势明显,此后则呈现上升缓慢、稳中有变的趋势。这主要是因为1978年我国农业政策发生了重大调整,家庭联产承包责任制的实施极大刺激了农民生产的积极性,随后几年间我国农作物单位面积产量增势显著,20世纪90年代以后由于国家政策、农业投入以及农作物播种面积、单位面积产量渐趋平稳,碳吸收总量也呈现平稳发展的势头。
19782009年,由于碳排放的增长显著,而同期农田生态系统碳吸收增长平稳,因此同期净碳汇呈稳中有降的发展趋势(图3),尤其从20世纪90年代末以来,下降趋势明显。
3.3 2009年中国各省区农业生产碳源/汇变化特征分析
利用2009年全国各省、直辖市以及自治区的农业生产相关统计资料,对各省区的碳源/汇变化特征进行横向对比分析,统计数据均来源于《中国统计年鉴》。
3.3.1 各省区碳排放变化特征分析 各省碳排放总量相比之下,江苏、广东2009年碳排放总量突破2 000万t,居全国之首;而浙江、河北、山东、河南4省碳排放总量突破1 000万t,居全国前列。这一方面是因为农作物播种面积较大,如河南省2009年农作物播种面积达1 418.1万hm2,居全国之首,因此,相应的农业投入如化肥施用、农田灌溉和农机使用带来的碳排放量较多;另一方面是农村用电量大所致,如江苏省2009年农业系统碳排放高达2 868.5万t,主要原因是由于其农村用电量大,因此碳排放总量大,其他如浙江、广东等沿海发达省也是如此。主要是由于这些地区农业相对发达,现代化水平较高,因此能源消耗量大(图4)。 就各省碳排放总量内部构成要素而言,各构成要素对其碳排放总量的贡献各不相同。上海、浙江、广东、江苏等发达省市,农村用电碳排放占其碳排放总量的比例均在80%以上,其中以上海最为突出,高达94%,而西藏却不足10%。
3.3.2 各省区碳汇变化特征分析 2009年中国各省农田生态系统净碳汇量及地区差异很大。就净碳汇量而言,我国大部分省市农业生产碳收支基本持平并略有盈余,只有个别省市碳排放量大于碳吸收量,净碳汇出现负值。就净碳汇的地区差异来讲,以农业为主的中西部省市与沿海及经济发达省市存在较大差异。其中净碳汇量最大的河南省总量达到6 150.5万t,而最小的广东省则为负624.7万t,说明河南作为主要的农业大省,农作物播种面积大,农田生态系统碳吸收总量远远超过农业生产碳排放,因此具有很强的固碳能力。与此相反的是以广东、浙江、上海等省市为代表的沿海发达省市,因其农业投入高,和播种面积相近的其他省份比,其农业碳排放远远超过其农田生态系统的碳吸收量,出现了净碳汇及单位面积净碳汇均为负值的情况(图5、图6)。
4 中国农业生产的碳减排对策
4.1 推广节水农业,提高农田灌溉效率
我国农田水利设施不够完善,农田灌溉方式也依然沿用过去的随地“漫灌”方式,造成水资源的极大浪费。对此,一方面要因地制宜,在我国水资源短缺的北方地区大力发展旱作农业、节水农业,另一方面通过采用有效的渠道防渗技术及管道输水等方式,减少灌溉过程的水资源流失,同时积极使用喷灌、滴灌等先进的节水灌溉技术,注重农业灌溉用水的净化处理和回收再利用,不断提高灌溉效率,促进水资源的合理、有效和节约利用。
4.2 科学施肥,提高肥料利用率,增施有机肥
以往的过量粗放的化肥施用方式,一方面削弱了庄稼的生产能力,造成很大程度的资源、能源浪费,加剧环境污染;另一方面又破坏了土壤自身的物理性状,导致土壤板结,不利于农作物生长。因此,大力推广测土配方施肥和科学施肥,增施有机肥、厩肥,发展可持续农业,既满足庄稼生长的肥料需求、改善土壤性状,又能节省能源、保护环境、减少农民负担,因而具有极大的社会、经济和生态效益。
4.3 改变传统耕作方式,促进秸秆还田,提高土壤固碳效率
我国人多地少,应通过调整耕作制度, 采用恰当的耕作方式(如轮作)和保护性耕作措施来提高土壤有机碳稳定性,增加农田碳汇,另外要加强对农民的科学宣传教育,促进农作物秸秆还田。通过秸秆粉碎、沤制还田,推行过腹还田、发展沼气等各种措施,促进秸秆科学还田[18]。既培育土壤肥力,提高土壤有机质含量,又减少了秸秆焚烧造成的环境污染等负面效应,促进农业生产活动中的非经济产量的资源化利用。
4.4 提高农业生产率,促进农作物生育期碳吸收
改良土壤,加强水利设施建设,改善农业生产条件。改良作物品种,培育耐高温、抗干旱等极端气候及抗病虫害的优良品种,确保在新的生态环境下农牧产量的不断提高,扩大农作物生育期碳的吸收和存储。
4.5 促进土地集约节约利用,提高单位面积生产率