農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡及氮肥去向的計(jì)量研究.pdf

1、自工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的全球溫室氣體排放快速增長(zhǎng)，其中二氧化碳(CO2)排放的增加主要來(lái)源于化石燃料燃燒和土地利用變化，而甲烷和氧化亞氮排放主要來(lái)自農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)貢獻(xiàn)了中國(guó)人為溫室氣體排放總量的11％，分別占人為源甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)排放的52％和84％。農(nóng)業(yè)緩解全球溫室氣體排放的重大科技減排潛力在于改善作物生產(chǎn)田間管理。而基于生命周期分析法的作物生產(chǎn)碳足跡計(jì)量可以幫助識(shí)別農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的關(guān)鍵技術(shù)和措施。本論文通過(guò)實(shí)地

2、農(nóng)場(chǎng)調(diào)查、文獻(xiàn)收集獲取數(shù)據(jù)，采用生命周期分析法，主要研究?jī)?nèi)容:(1)量化中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（糧食作物、蔬菜和水果）碳足跡及其構(gòu)成;(2)分析比較不同經(jīng)營(yíng)規(guī)模、不同管理模式和不同環(huán)境條件下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡的差異;(3)氮肥施用是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高排放的主要原因，對(duì)氮肥的去向與利用率變化進(jìn)行了研究分析，以構(gòu)建用以系統(tǒng)評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡的方法學(xué)體系，提出農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的關(guān)鍵途徑和技術(shù)選擇，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性管理和食物低碳消費(fèi)提供科學(xué)依據(jù)和政策建議。得到

3、的主要結(jié)果如下:
　　1.量化了中國(guó)主要糧食作物生產(chǎn)的碳足跡，識(shí)別農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的關(guān)鍵途徑本研究對(duì)中國(guó)東部代表性地區(qū)進(jìn)行了實(shí)地農(nóng)戶問(wèn)卷調(diào)查，獲取糧食作物生產(chǎn)和管理相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)成碳足跡評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)。采用生命周期評(píng)價(jià)方法，評(píng)估水稻、小麥和玉米糧食作物生產(chǎn)的碳足跡。結(jié)果表明，水稻、小麥和玉米的單位面積碳足跡（土地利用碳足跡）分別為6.0±0.1、3.0±0.2和2.3±0.1 t CO2-eq ha-1，而單位產(chǎn)量碳足跡（產(chǎn)品碳足跡）分

4、別為0.80±0.02、0.66±0.03和0.33±0.02 kg CO2-eq kg-1。其中，氮肥和農(nóng)用機(jī)械分別貢獻(xiàn)了總碳足跡的44％-79％和8％-15％。水稻生產(chǎn)總排放中，灌溉用電排放和稻田甲烷直接排放分別占19％和25％。但在小麥和玉米生產(chǎn)的碳足跡中，灌溉只占了2％-3％。而且，在不同氣候地區(qū)間小麥和玉米碳足跡存在顯著差異，主要是由于作物管理過(guò)程中氮肥和農(nóng)業(yè)機(jī)械投入的差異所導(dǎo)致。研究還發(fā)現(xiàn)，農(nóng)戶承包管理的農(nóng)田面積大小對(duì)作物生

5、產(chǎn)碳足跡也有影響。相對(duì)于承包農(nóng)田面積較小(＜0.5ha)的生產(chǎn)條件，農(nóng)戶承包農(nóng)田面積較大(＞0.5 ha)時(shí)小麥和玉米碳足跡減少了22％-28％，這主要?dú)w因于農(nóng)田管理效率的提高。研究也表明，我國(guó)糧食作物生產(chǎn)碳足跡高于西方國(guó)家，具有高碳排放特征，主要是由于氮肥的不合理施用，因而減少氮肥施用提高氮肥利用效率是中國(guó)農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)溫室氣體減排的關(guān)鍵途徑;
　　2.調(diào)查了南京市周邊蔬菜生產(chǎn)，初步表征了大棚蔬菜生產(chǎn)的碳足跡，揭示蔬菜碳足跡與其營(yíng)

6、養(yǎng)價(jià)值及銷(xiāo)售收益間存在沖突矛盾
　　對(duì)南京市周邊大棚蔬菜基地進(jìn)行農(nóng)戶調(diào)查，訪問(wèn)獲取了小青菜、莧菜、空心菜、番茄、黃瓜和土豆的生產(chǎn)管理調(diào)查資料，建成了蔬菜生產(chǎn)碳足跡數(shù)據(jù)庫(kù)。采用同上的計(jì)量方法，結(jié)果表明，大棚蔬菜生產(chǎn)的土地利用碳足跡在0.7-10.4 t CO2-eq ha-1之間，且不同蔬菜種類(lèi)間沒(méi)有差異。但是，小青菜和莧菜的單位產(chǎn)量（產(chǎn)品）碳足跡（分別為0.34 kg CO2-eq kg-1和0.38 kg CO2-eq kg-1

7、）顯著高于其它蔬菜種類(lèi)(0.07-0.17 kgCO2-eq kg-1);且小青菜和莧菜生產(chǎn)的單位收益碳排放也較高（分別為1.95 kg CO2-eqUSD-1和1.82 kg CO2-eq USD-1）。然而，相比小青菜、番茄、黃瓜和土豆，空心菜和莧菜（分別為0.12 kg CO2-eq ANV-1和0.36 kg CO2-eq ANV-1）的單位營(yíng)養(yǎng)價(jià)值碳排放較低?；释度雽?duì)碳足跡的貢獻(xiàn)最大，占蔬菜生產(chǎn)總排放的55％-82％。其次為

8、有機(jī)肥和灌溉，分別占總排放的2％-21％和1％-26％，不同蔬菜類(lèi)型間差異較大;而農(nóng)機(jī)、農(nóng)膜和農(nóng)藥對(duì)碳足跡貢獻(xiàn)最小，分別占總排放的5％、5％和2％。因此，減少化肥施用和增施有機(jī)肥可能是蔬菜生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)減排的重要措施。不過(guò)，鼓勵(lì)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的同時(shí)，如何平衡人們的營(yíng)養(yǎng)需求和農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)利益仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
　　3.調(diào)查評(píng)價(jià)了中國(guó)主要水果生產(chǎn)的碳足跡，明確了水果生產(chǎn)在土地利用碳足跡與水果產(chǎn)品碳足跡間的反差，提出果園施肥管理是減排的重

9、要途徑
　　分別在陜西、福建、湖北、河北和滬寧地區(qū)選擇代表性果園實(shí)地調(diào)查了蘋(píng)果、香蕉、柑橘、梨和桃等中國(guó)主要水果生產(chǎn)，按水果生產(chǎn)周期評(píng)價(jià)了水果生產(chǎn)的碳足跡。結(jié)果表明，在所有被調(diào)查的果園中，單位面積碳足跡（土地利用碳足跡）的范圍從2.9t CO2-eq ha-1到12.8 t CO2-eq ha-1，而單位產(chǎn)量碳足跡（水果產(chǎn)品碳足跡）范圍從0.07kg CO2-eq kg-1到0.7 kg CO2-eq kg-1。這里，水果生產(chǎn)的土

10、地利用碳足跡顯著高于糧食作物，但水果產(chǎn)品碳足跡又顯著低于糧食作物。柑橘和梨的產(chǎn)品碳足跡(分別為0.14和0.18 kg CO2-eq kg-1)顯著低于蘋(píng)果、香蕉和桃(分別為0.24、0.27和0.37 kg CO2-eqkg-1)。然而，從不同水果的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值來(lái)看，柑橘的單位營(yíng)養(yǎng)價(jià)值碳排放強(qiáng)度(平均0.5kg CO2-eq g-1 Vc)顯著低于其他水果(3.0-5.9 kg CO2-eq g-1 Vc)。此外，從果農(nóng)可以獲得的經(jīng)濟(jì)效益

11、來(lái)看，柑橘和梨的單位收益碳排放強(qiáng)度(分別為1.20和1.01 kg CO2-eqUSD-1)顯著高于蘋(píng)果、香蕉和桃(0.87-0.39 kg CO2-eq USD-1)。在果園的管理活動(dòng)中，化學(xué)氮肥是最重要的貢獻(xiàn)者，占溫室氣體排放總量的47％-75％。本研究也發(fā)現(xiàn)，在氮肥高效管理下，水果碳足跡降低且產(chǎn)量提高。適當(dāng)增施有機(jī)肥和提高氮肥利用率是水果生產(chǎn)的重要減排途徑。我們的研究建議鼓勵(lì)低碳水果消費(fèi)，而服務(wù)于減排的同時(shí)，如何權(quán)衡人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需

12、要和果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)利益是重要的政策考量。
　　4.量化了土地管理機(jī)制和不同農(nóng)田管理模式對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡的影響幅度，指出發(fā)展規(guī)模經(jīng)營(yíng)和集約化管理可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，具有巨大的減排潛力
　　選擇了鄱陽(yáng)湖周邊地區(qū)不同經(jīng)營(yíng)規(guī)模的農(nóng)戶（大戶，3.3ha以上;小戶，3.3 ha以下），詳細(xì)調(diào)查了水稻生產(chǎn)和管理情況，分析比較了不同經(jīng)營(yíng)規(guī)模下水稻生產(chǎn)（早稻、晚稻和單季稻）的碳足跡。在調(diào)查的農(nóng)戶生產(chǎn)中，早稻碳足跡最低，單季稻次之而晚稻最高（單位

13、面積碳足跡和單位產(chǎn)量碳足跡分別是:早稻，4.54±0.44 t CO2-eq ha-1和0.62±0.1kg CO2-eq kg-1;單季稻，6.84±0.79 t CO2-eq ha-1和0.80±0.13 kg CO2-eqkg-1和晚稻，8.72±0.54 t CO2-eq ha-1和1.1±0.17 kg CO2-eq kg-1）。氮肥施用和稻田甲烷排放是水稻生產(chǎn)碳排放的最大貢獻(xiàn)者，分別占總碳足跡的33％和57％。比較而言，大戶

14、雙季稻產(chǎn)品碳足跡(0.86±0.11 kg CO2-eq kg-1)比小戶（1.14±0.25 kg CO2-eqkg-1）減少了25％，主要是由于規(guī)模化種植模式下氮肥利用率得到提高和良好水分管理下甲烷排放的降低。因此，優(yōu)化農(nóng)田管理方式和發(fā)展規(guī)?；N植模式是減少中國(guó)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要策略。
　　而對(duì)江蘇典型地區(qū)土地流轉(zhuǎn)農(nóng)場(chǎng)的實(shí)地調(diào)查計(jì)量表明，農(nóng)戶分散經(jīng)營(yíng)管理模式（散戶）、集約型生產(chǎn)模式（無(wú)公害農(nóng)場(chǎng)）和有機(jī)生產(chǎn)模式（有機(jī)農(nóng)場(chǎng)）三

15、種管理模式下水稻碳足跡存在顯著差異。散戶經(jīng)營(yíng)管理下水稻產(chǎn)品碳足跡(0.80 kg CO2-eq kg-1)顯著高于有機(jī)農(nóng)場(chǎng)(0.56 kg CO2-eq kg-1)和集約型農(nóng)場(chǎng)管理模式(0.50 kg CO2-eq kg-1)。其差異主要表現(xiàn)在肥料和農(nóng)藥投入及灌溉管理活動(dòng)的不同，在集約化和有機(jī)生產(chǎn)管理模式下這三項(xiàng)投入的碳成本顯著減少。而散戶經(jīng)營(yíng)管理下灌溉用電導(dǎo)致的排放和稻田甲烷直接排放顯著高于集約型和有機(jī)模式。有機(jī)生產(chǎn)管理模式中由于有機(jī)

16、肥替代了化肥，生物農(nóng)藥替代了化學(xué)農(nóng)藥，這些有機(jī)生產(chǎn)資料的碳成本較低。上述結(jié)果說(shuō)明，集約型農(nóng)場(chǎng)管理模式是一種既低碳又高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，當(dāng)前仍具有顯著的減排潛力，而改善散戶經(jīng)營(yíng)管理可能是中國(guó)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的普遍任務(wù)。
　　5.對(duì)全球研究文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)量，揭示了提高氮肥利用率的重要途徑是提高土壤中殘留氮的作物吸收利用，為指導(dǎo)氮肥合理施用和溫室氣體減排提出了重要方向氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的外部投入，但氮肥利用率的問(wèn)題一直困擾著肥料施用

17、和環(huán)境管理。收集了全球范圍內(nèi)氮肥田間試驗(yàn)的已發(fā)表英文文獻(xiàn)，獲取了肥料、土壤、作物相關(guān)數(shù)據(jù)和15N標(biāo)記豐度數(shù)據(jù)，建成數(shù)據(jù)庫(kù)，分析評(píng)估肥料氮去向和作物吸收氮的來(lái)源，以探討提高氮肥利用率的農(nóng)田管理措施。結(jié)果表明，作物氮來(lái)源于肥料氮的比例平均不到一半，而大部分氮是直接或間接來(lái)源于土壤氮。施肥后的當(dāng)季收獲作物氮中來(lái)源于肥料氮的比例，玉米、水稻和其它小粒谷類(lèi)作物（包括大麥、小麥、小米、燕麥和高粱）平均分別為41％、32％和37％。相比無(wú)機(jī)肥料，有機(jī)

18、肥料（糞肥、綠肥、堆肥等）在當(dāng)季作物的氮回收率平均為29％，但在后季作物中的氮回收率還可達(dá)到10％?？梢哉J(rèn)為，作物中大多數(shù)非肥料氮來(lái)自土壤和作物殘留氮的周轉(zhuǎn)，但后季作物對(duì)無(wú)機(jī)肥料氮總回收率僅占5％。因此，以往考慮提高肥料氮利用率時(shí)，可能忽視了作物氮最重要的來(lái)源—土壤氮。關(guān)注提高土壤中殘留肥料氮的作物吸收利用和合理施用有機(jī)氮肥可能是提高氮肥利用率的重要途徑。
　　本論文量化了中國(guó)主要種植業(yè)生產(chǎn)（包括糧食作物、大棚蔬菜和水果）的碳足跡

19、，并對(duì)不同環(huán)境條件、不同經(jīng)營(yíng)規(guī)模和不同管理模式下作物生產(chǎn)碳足跡進(jìn)行比較，探明了中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡特征及其不同產(chǎn)業(yè)的碳排放差異，也為政策制定者提供低碳生產(chǎn)和低碳消費(fèi)的科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中氮肥去向與作物氮素來(lái)源的研究提示了對(duì)土壤殘留氮素的利用是提高氮肥利用率的重要途徑，并支持了有機(jī)肥對(duì)于提高氮肥利用率并降低溫室氣體排放的重要意義。本研究也提出了碳足跡在評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境影響中的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，例如如何權(quán)衡土地利用碳強(qiáng)度和農(nóng)產(chǎn)品碳強(qiáng)度（反之