中国农业温室气体排放量测算及影响因素研究

分类：论文范文 发表时间：2021-01-04 10:14

　　摘要农业生产过程所产生的温室气体在全球生产活动温室气体排放总量中占有很大比例,因此对农业温室气体的排放量进行测算并分析其影响因素,对实现农业节能减排有重要意义。本文基于1993―2011年中国农业生产的相关统计数据,借鉴前人关于农业生产中各种温室气体排放源排放系数的研究成果,测算了中国农业生产过程中的CH4、N2O和CO2排放量,并分析了影响因素。结果表明,CH4排放量基本平稳波动不大,N2O排放量从1993年的93.21万t波动增加到2011年的120.51万t,农业生产资料CO2排放量由15626.98万t增加到31258.10万t。种植业CO2排放主要分为土壤排放和生产资料排放,土壤CO2排放与大气温度、土壤温度、地表温度和土壤水分有关,生产资料CO2排放主要是由化肥和农药造成的;种植业CH4、N2O排放原因较为复杂,还有待进一步研究;动物肠道发酵CH4、N2O排放的影响因素主要取决于动物种类、饲料特性、饲养方式和粪便管理方式等。

　　关键词中国农业生产温室气体排放量影响因素

　　全球气候变暖影响着全球经济社会的可持续发展,而温室气体尤其是人类活动对化石能源消耗等生产、生活活动所引起的温室气体排放成为全球变暖的主因。农业作为国民经济的基础部门,其生产过程中所产生的温室气体在人类活动所产生的温室气体中的比例较大。世界银行统计数据表明,2005年全球CH4和N的排放量分别达到了66.07亿t和37.89亿tCO2当量,而农业生产活动所产生的CH4和N排放量分别占43.1%和82.56%[1]。联合国粮食及农业组织(FAO)[2]指出全球种植业和畜牧业的温室气体排放分别占全球人为温室气体排放的30%和18%。Paustian等[3]的研究结果表明,全球农地使用过程中所造成的温室气体排放占到人为温室气体排放的20%。世界观察研究所2009年的报告指出,全球牲畜及其副产品至少排放325.64×108tCO2当量的温室气体,约占全球总排放量的51%,几乎是FAO此前估算量的3倍[4]。

　　1农业温室气体排放量测算方法

　　1.1计算方法

　　农业源温室气体排放主要包括水稻种植的CH4排放、施肥所造成的N2O排放、反刍动物的CH4排放和畜禽废弃物管理过程产生的CH4和N2O排放[10],农田土壤也是温室气体排放的重要源头,大气中每年有5%~20%的CO2、15%~30%的CH4和80%~90%的N2O源自于土壤[11]。本文采用胡向东等[12]、邢光熹等[13]和闵继胜等[6]的测算公式,分别测算了我国稻田的CH4排放,化肥和土壤引起的N2O排放,农田土壤、化肥、农药、农业机械和农业灌溉所产生的CO2排放,以及畜牧业的CH4、N2O排放量。

　　1.2温室气体排放系数的确定

　　1.2.1稻田CH4排放系数

　　CH4的来源主要是厌氧环境下的生物作用,因此产生CH4的土壤主要是各类较浅水体、沼泽等湿地及水稻田,旱田土壤的好气性,使得CH4通过生物作用而被氧化,因此旱田生态系统是CH4的重要的汇,本文在研究种植业CH4排放时只考虑水稻田的CH4排放情况。但是我国地域广阔,从炎热的热带气候到寒冷的寒温带气候,从湿润的海洋性气候到干旱的沙漠气候,各地区的农业区位因素差异很大,因此,稻田的CH4排放系数也差异很大。王明星等[14]根据《中国农业统计资料》对我国的北方地区和西南地区(西藏)的单季稻的单位面积CH4排放系数进行了计算,且该系数是基于相关模型,以天气、施肥和土壤有关的参数作为输入变量得到的输出结果,因此这一结果已经包含了天气、施肥和土壤情况对水稻田的CH4排放量的影响,在本文就不再单独考虑这些因素对水稻CH4排放的影响。本文根据IPCC[15]从水稻的生长周期视角按着85d、100d和105d把水稻分为早稻、晚稻和中季稻。这里的中季稻主要包括单季晚稻、冬水田等,在后文统一为中稻[6]。表1为我国各区域稻田的CH4排放系数。

　　1.2.2稻田N2O排放系数

　　全球农业土壤和热带土壤已经成为大气中N2O的主要来源之一,占到70%~90%[16],氮肥的过度使用是N2O排放增加的重要原因之一[17]。王智平[18]研究了我国水稻和旱地作物的农田本底N2O排放系数以及肥料氮肥和复合肥N2O排放系数,结果确定旱地N2O平均排放通量为0.95kg·hm-2·a-1,区间为0.2~2.0kg·hm-2·a-1,水田平均排放通量为0.24kg·hm-2·a-1,区间为0.07~0.38kg·hm-2·a-1。邢光熹等[13]采用田间测算和IPCC第2阶段的算法计算得出1995年中国农田N2O排放量达到398Gg和336Gg,发现水田是我国农田N2O重要排放源,占中国农田N2O总排放量的22%,并计算了我国不同区域稻田的N2O排放系数。本文采用邢光熹等[13]的数据,早稻、晚稻和中稻的N2O排放系数(βi)分别为1.63kg·hm-2、3.98kg·hm-2和4.59kg·hm-2。张强等[19]运用修正的IPCC2006方法计算了我国农田N2O排放量,结果发现化学氮肥对我国农田N2O排放量的贡献率达到77.64%,他们结合Mata分析,得出我国水田的N2O排放因子为0.54%

　　2测算结果及影响因素分析

　　2.1温室气体排放量测算

　　2.1.1稻田CH4和N2O排放量

　　从表5可以看出,1993—2011年我国稻田的CH4排放量总体呈现下降趋势,期间具有一定的波动性。1993—1999年虽有所上升但是随后逐渐下降,由1999年的1000.73万t降到2011年的968.55万t。从作物来看,我国水稻的CH4排放量主要集中在中稻,且其排放总量呈不断增加趋势,由1993年的466.10万t增加到2011年的651.64万t,早稻和晚稻的CH4排放量逐年减少。

　　2.1.2种植业CO2排放量

　　农田土壤呼吸造成的CO2排放量由1993年的238130.40万t波动增加到2008年的304786.88万t(我国耕地面积的相关数据只更新到2008年,因此只计算到2008年的农田土壤呼吸的CO2排放量)。在表6可以看出,中国种植业的CO2排放量呈现出明显的增长趋势,由1993年的15626.98万t增加到2011年的31258.10万t,农膜、化肥、农用柴油、农药和农业灌溉源的CO2排放量都有所增加,这主要是为了追求较高的农业产出,增加农业生产资料投入所造成的。从结构来看,农田土壤呼吸的CO2排放量是种植业温室气体排放的主体部分。

　　2.2农业生产过程中温室气体排放的影响因素分析

　　2.2.1种植业温室气体排放的影响因素

　　1)种植业CO2排放的影响因素土壤呼吸CO2排放与大气温度、土壤温度、地表温度和土壤水分均呈现正相关关系,土壤N2O的排放只与土壤水分呈现显著相关,而施肥效应则掩盖了土壤的温度和水分效应[32]。农业生产资料比较繁多,因此本文选取农业灌溉面积、农药使用量、化肥使用量、农用柴油消耗量和农膜使用量的自然对数作为自变量,种植业总产值自然对数值作为因变量,建立多元回归方程。

　　2)种植业CH4排放的影响因素

　　种植业CH4排放主要是稻田的CH4排放,而影响稻田CH4排放的因素比较复杂。耕作制度和稻田CH4排放通量具有显著的相关性,水稻-小麦轮作的稻田CH4平均排放通量为5.37mg·m-2·h-1,冬水稻田CH4平均排放通量为16.10mg·m-2·h-1[33];南方稻田的冬季休闲和种植绿肥植物紫云英的耕作模式的CH4平均排放通量分别是无稻休闲区CH4平均排放通量的114.3%和420.3%[34]。施肥是稻田CH4排放的重要因素,有机肥的施用使稻田土壤有机物增多,提高了稻田的CH4排放[35],这主要是因为有机肥为稻田CH4的产生提供丰富的有机质,而有机肥处理,例如经过沼气池发酵处理后的沼渣肥能有效减少稻田CH4排放[36]。而关于化肥对稻田CH4排放的影响具有不一致性,秦晓波等[37]认为化肥处理使稻田CH4排放比不施肥有一定的下降,早稻和晚稻分别下降18.4%和29.6%;王明星[38]认为施用包括尿素、钾肥和含硫酸根的肥料能促使稻田CH4的减排。此外,肥料的种类和不同施用方式对稻田CH4排放影响的相关研究结果也具有不一致性[39]。地下水位和稻田CH4的排放通量具有一定相关性,早稻高量绿肥低水位处理稻田的CH4排放速率大于高量绿肥高水位处理稻田,而晚稻则刚好相反[40]。不同水稻品种的稻田CH4排放通量差异化明显,江苏不同历史时期代表性水稻的CH4排放通量大体随着品种的演进而减少,这主要与水稻根的氧化力有关,且呈现负相关[41]。任丽新等[42]发现根系小、茎叶较轻且产量高的水稻品种CH4排放通量较小[42]。

　　2.2.2畜禽温室气体排放的影响因素

　　肠道发酵和粪便管理是畜禽CH4排放的重要源泉。肠道发酵是动物消化道内的饲料经过微生物发酵,进而产生CH4,通过动物的口、鼻或直肠排出体外。其主要受到动物的类型、年龄、体重、采食种类、数量及质量、产出水平、饲养方式等因素影响,而采食量和饲料质量是最关键的影响因素[53]。李玉娥等[54]通过对活体重相同猪、牛的猪舍和牛舍日CH4排放系数进行检测发现,牛舍是猪舍的4倍,而在不同采食量和饲料结构下,黄牛、山羊的每日CH4排放差异化都较为明显,其中黄牛和山羊都是在自由采食的情况下排放系数达到最大化。郭海宁等[55]通过对南京六合发酵床和传统水泥地面猪舍温室气体排放情况研究发现,发酵床舍内的CH4排放是传统猪舍的61.2%,而其舍内的CH4平均排放通量是传统猪舍的63.6%。

　　3讨论与结论

　　通过对1993—2011年我国农业温室气体排放量的量化测算,了解了我国农业温室气体排放的时间序列特征和温室气体结构状况。结合前人研究成果,本文对温室气体排放的影响因素进行总结。1993—2011年我国农业CH4排放量基本保持平稳波动不大,N2O排放量从1993年的93.21万t波动增加到2011年的120.51万t,农业生产资料CO2排放量由15626.98万t增加到31258.10万t。这些结果低于《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》里的我国农业CH4排放量的3428.7万t,略高于其N2O排放的85万t[60],与闵继胜等[6]测算的我国农业源温室气体排放量基本一致。与国家的信息公布数据有差异主要因为测算的范畴不同,信息公布里面包含了粪便燃烧、秸秆焚烧等的温室气体排放,而本文并没有涵盖这两个方面。我国区域间农业生产差异很大,不同的农耕和畜禽养殖的温室气体排放系数可能存在较大差异,且影响因素可能更加复杂或存在差异,本文的测算数据还难以体现出区域的差异化,且影响因素分析缺乏一些实际的试验和案例去检验,这还有待进一步的探究,但本文的测算方法和因素分析可为后来的研究提供一些理论方向。

　　参考文献

　　[1]新能源与低碳行动课题组.低碳经济与农业发展思考[M].北京:中国时代经济出版社,2011:11-13NewEnergyandLowCarbonActionTaskForce.LowCarbonEconomyandAgriculturalDevelopment[M].Beijing:ChinaEconomicTimesPress,2011:11-13

　　[2]FAO.LivestockLongShadow[R].2006:97-110

　　[3]PaustianK,ColeVC,SauerbeckD,etal.CO2mitigationbyagriculture:Anoverview[J].ClimaticChange,1998,40(1):135-162

　　作者尚杰1,2,3杨果1于法稳

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