华北集约高产农田温室气体净排放研究初探＊

梁 龙 吴文良 孟凡乔

(中国农业大学资源与环境学院,北京 100193)

华北集约高产农田温室气体净排放研究初探＊

梁 龙 吴文良 孟凡乔

(中国农业大学资源与环境学院,北京 100193)

本文以华北高产粮区山东桓台冬小麦-夏玉米轮作模式为例,借鉴LCA模型,初步探讨了华北平原通过长期大规模秸秆还田后温室气体排放的汇源问题。结果表明:综合考虑农资系统和农作系统,该模式表现为源,每各生产1t冬小麦-夏玉米净温室气体排放量为-1 075.71kgCO2e;但具体到农作生产系统,轮作模式下农田生态系统固碳均值为+262.31 kgCO2e,能够抵消因施肥造成的-222.99 kgCO2e排放,并部分抵消机械燃油燃烧排放。因此,农作系统在坚持秸秆还田基础上,进一步改进耕作措施,具有成为温室气体排放汇的可能性。

小麦-玉米轮作;温室气体;碳汇;碳源

20世纪90年代,中美学者利用DNDC模型,在1990年数据库的基础上,对两国农业生态系统中的C储量及温室气体排放做了一个比较研究,其中结论之一就是美国农业土地每年净增72.4TgC,而中国农业土地每年丢失73.8 TgC,其主要原因就是对作物秸秆不同的处理模式[1],该结果引起中国方面的高度重视,加大了秸秆还田力度,如今秸秆还田及其综合利用在中国得到广泛推广。而根据美国EPA2009年公布的数据显示,来自美国农业活动的温室气体排放整体估算值为469.8TgCO2e,其中农业排放的基线值为413.1TgCO2e,另外相关肥料生产排放值为30.7 Tg,农业设备为48.4Tg,农田和草地为-22.4Tg,这意味着美国农田和草地始终是温室气体排放的汇而非源[2]。那么,经过近20年转变,我国秸秆还田后的农田是温室气体排放的汇还是源,能否在今后的工农业生产中承担“汇”的重任,在全球气候变暖受到举世瞩目的情况下,这是一个非常现实和值得研究的问题。本文以粮食主产区黄淮海平原境内的山东桓台县为例做一初步探讨。

1 对象和方法

1.1 桓台基本情况

山东省桓台县位于泰沂山脉北麓,黄河下游,鲁北平原南缘,是华北平原的一部分,地处东经117°50’-118°10’,北纬36°54’-37°04’,总面积509.53 km2,境内地势平坦,土质肥沃。桓台县唐山镇自1989年建成“吨粮镇”后,该县又于1990年建成了江北第一个“吨粮县”,此后农业一直稳步增长。2008年全县35.6万亩小麦平均亩产523kg,36万亩玉米平均亩产639 kg,小麦单产连续13年稳定在510kg左右,玉米单产连续19年保持在620kg左右。桓台农田管理主要特点是大量施用化肥和秸秆还田,在整个黄淮海平原具有较强的代表性,因此,对该地区进行深入研究具有典型性和重大的现实意义。

1.2 研究方法

本研究借鉴国际通行的生命周期评价(Life Cycle Assessment,以下简称LCA)方法来计算桓台地区小麦-玉米轮作生产模式下的温室气体“净”排放量。

1.2.1 LCA的定义及农业生产评价框架

(1)关于LCA的定义:LCA是一项自20世纪60年代末开始发展起来的重要环境管理工具和生态设计工具,是一种按系统路径(从“摇篮到坟墓”)评价产品或行为产生环境影响的方法。联合国环境规划署(UNEP)将其定义为:“评价一个产品系统生命周期整个阶段——从原材料的提取和加工,到产品生产、包装、市场营销、使用、再使用和产品维护,直至再循环和最终废物处置——的环境影响的工具[5]”。

(2)农业LCA评价框架:国外Brentrup F等[4]设计了农作物生产“从摇篮到餐桌”的LCA评价,其系统边界包括原料物资开采、农资生产和农作生产三个环节。但实际上,农业LCA系统边界可以继续向下游延伸,一个真正意义上的农业LCA研究范围应该包括能源系统、农资生产系统、农作生产系统、加工系统、物流系统、废弃物处理系统等[6]。鉴于本文研究重点为农资和农作两个系统,加上文献不足,因此,本研究主要集中于1-3子系统的温室气体排放,并将1-2子系统合并为农资系统,即以1t冬小麦和夏玉米籽粒为功能单位,从煤、石油、天然气开采开始,到离开农田为止为范围边界,包括农资系统的间接排放和农作系统的直接排放在内的“从摇篮到农田”的温室气体净排放,以便与国外研究比较。

1.2.2 农资系统温室气体排放系数

表1是山东桓台2007-2009年小麦玉米投入的平均数据,来源于中国农业大学桓台试验站的追踪统计调查。表中各影响要素温室气体排放数据分别来源于:

(1)化肥生产的温室气体排放,国内外都集中于对氮肥的研究,West等计算得出[7],在美国每吨氮肥生产的碳排放为0.814 1t;而Lal认为[8],化肥的生产、包装、储存和运输等环节总温室气体排放可达0.9～1.8t C·t N-1。国内则主要集中在对氮肥的能耗研究,其中胡致远等利用国家统计局数据[9],借鉴美国Greet模型,对我国N、P2O5、K2O生产以及柴油做了从化石原料开采到进入农田系统前整个生命周期的评价,本研究采用其研究成果。

(2)对于电力生产温室气体排放研究,潘自强采用生命周期方法评价了不同电厂发电的温室气体排放系数,结果表明[10]:煤电链355.4 g Ce·kWh,水电链66.3 gCe·kWh,核电链3.74 g Ce·kWh。狄向华(2005)等[11]利用2002年中国能源统计年鉴数据计算我国火电链CO2、CH4排放分别为1.07和2.60×10-3kg/kWh。鉴于桓台农业用电来源于火电,我国电力行业生产能耗和排放不断降低,本文利用2006年国家统计年鉴公布数据重新计算,我国2006年火电能耗为0.356kgtec/kWh,排放CO2、CH4、N2O分别为948.483、0.011、0.010g/kWh。

表1 山东桓台冬小麦-夏玉米投入产出清单

(3)关于农药生产的温室气体排放国内尚未见报道,本文根据国家环境保护部2008年公布的《有机磷类农药工业水污染物排放标准》进行估算,大致为18 000g/kg折纯。1.2.3 农作系统温室气体排放和固碳系数

(1)农作系统温室气体一方面来源于耕作、播种、施肥、收获等农田管理过程中的机械能耗及燃油。按照国际LCA评价惯例,必须把农机生产及其使用过程中温室气体排放通过折算机械使用年限统计进去,但我国缺乏这方面数据,因此仅仅考虑机械燃油生产和燃烧的温室气体排放。

(2)农作系统温室气体排放的另一主要来源就是硝化-反硝化过程中产生的N2O,IPCC认为我国农田系统N2O排放量为进入农田氮肥总量的1.25%。但众多研究表明,这个数值偏高。曾江海(1995)研究结果显示[12],施尿素的农田排放的N2O占氮肥施用量的0.54%;Zheng等[13]的结果表明,在东北农区、华北农区和南方农区,N2O平均值分别为0.010 1、0.004 83和0.011 9;潘志勇在桓台的实验表明[14],不同氮肥施用量和秸秆还田模式下N2O的排放量为氮肥施入量的0.21-1.26%之间,高氮秸秆还田模式下N2O的排放量最低;张玉铭在河北栾城的实验表明[15],采用当地农民小麦玉米轮作习惯耕作方式,施入氮肥400kg的情况下,每年因施肥造成的N2O排放量占肥料施入的0.57%-0.81%。综上所述,鉴于桓台属于高肥水投入,小麦、玉米秸秆全部还田,因此,本研究以桓台试验为基础,综合权衡,冬小麦、夏玉米N2O排放比例取氮肥施入量的0.6%和0.7%。

(3)农作系统区别其他系统最为显著的特点就在于排放温室气体的同时,本身也能固碳,从而全部或者部分抵消温室气体排放。农作系统固碳一方面是通过提高土壤有机质固碳,一方面是作物生长过程中通过光合作用将大气中的碳固定于作物本身,再通过秸秆还田等形式固碳。关于我国农田固碳的潜力和速率,也有不少研究。韩冰等人认为[16],从单位面积的平均固碳速率上来看,全国平均可达380.78kg·hm-2·a-1;陈冬冬分析了河北栾城22年的统计数据,结果表明[17],如果考虑作物籽粒的固碳作用,栾城实施秸秆还田后,冬小麦-夏玉米体系固碳值在1009-3549kg·C·hm-2a-1之间;刘光栋[18]、包永红[19]对桓台12年秸秆还田的统计数据进行整理分析,结果表明:桓台冬小麦-夏玉米种植模式平均吸收CO2为1 984.88 kg·hm-2a-1,即每生产1t玉米和小麦共吸收CO2为262.31kg,本研究取这一结果。

2 结果与分析

2.1 初步结论

综合上述各种影响要素温室气体排放和固碳系数,我们可以建立秸秆还田模式下的冬小麦-夏玉米种植模式的温室气体汇源清单(见表2)。结果表明,从化石原料开采到作物籽粒离开农田系统,华北平原每生产1t小麦和玉米籽粒总的温室气体净排放量为-1 075.71kg,表现为源而非汇,但具体到农作系统,大规模秸秆还田导致的土壤固碳可以抵消农田反硝化产生的温室气体,并部分抵消耕作中机械燃油排放的温室气体。

表2 山东桓台冬小麦-夏玉米生产模式温室气体清单(CO2eq kg/t)

2.2 解释分析

(1)农资生产系统:农资系统属于作物生产温室气体的间接排放,实质上是工业生产领域的排放。从表2可以看出,农资系统各要素中产生温室气体最大的源是化肥与电力。国内外资料表明[8-9、20],欧美等国每生产1kg氮肥的温室气体排放为4-7kg,而国内则介于6-13kg之间,如果用全生命周期评价则数值更高。这一方面是因为我国化肥工业生产能耗高居不下,另一方面也与我国“富煤、少油、缺气”的能源结构形式有关。世界上以天然气为原料的合成氨综合能耗为29.3 GJ·t-1,我国2005年以煤为原料的中氮企业吨氨能耗最低也需51 GJ·t-1,平均达61.9 GJ·t-1,主客观原因导致化肥生产成为温室气体排放重要因素[21]。

与化肥生产依赖煤炭资源相似,我国火电发电占全国电力总量的85%左右[22],当前我国火电温室气体的排放值在707.73-1302.3gCO2e/kWh之间[9-10],而且今后仍然主要以燃煤发电为主。与此同时,虽然华北平原以1.7%的水资源生产了全国10%粮食,在保证粮食安全问题上占有举足轻重的地位,但农业绝大部分用水都是靠抽取地下水灌溉,黄淮海平原农民冬小麦-夏玉米轮作习惯灌溉7-11次,每次675-750m3/hm2-1,随着地下水位的急剧下降,抽取地下水所消耗的电力已经从20世纪70年代的0.08-0.1kWh/m3上升到目前的0.45-0.55 kWh/m3,由此导致粮食生产间接造成的电力行业的温室气体排放是惊人的[17]。因此,依赖于煤炭资源的化工和电力行业在未来的节能减排中任务艰巨,而农业生产通过合理施肥和灌溉,在保证粮食稳产的前提下减少化肥和电力的投入无疑能大量减少温室气体的排放。

(2)农作生产系统:众多的研究表明,黄淮海平原农作系统在不考虑N2O等要素之前是一个碳汇,但当把农田生态系统排放的N2O、CH4以及机械燃油等要素纳入体系,农作系统的汇源效应则尚无定论。但表2桓台的数据表明,通过长期的秸秆还田,小麦-玉米轮作系统固碳值基本可以抵消农作中油耗排放和农田反硝化产生的温室气体,其中小麦为-23.73CO2e,表现为源,玉米为+12.36 CO2e,表现为汇。而各种研究表明[12-15、21、23],降低氮肥施用量、无机肥和有机肥结合、氮磷钾肥合理搭配、肥料缓施控释、合理灌溉都能够降低温室气体排放,这意味着以桓台为代表的黄淮海平原,农民习惯了的高肥高水模式,在继大规模推广秸秆还田之后,通过水肥的调控,具有降低温室气体,使农作系统表现为汇的可行性和现实性。如果能在众多研究的基础上总结出行之有效且具有普遍推广价值的耕作方式,那么华北平原小麦-玉米轮作区域就能在未来的节能减排中,像美国一样作为汇的要素列入国家发展规划。

3 讨 论

(1)本文中农资系统各影响要素温室气体排放值主要借鉴各个行业年鉴和统计数据,部分借鉴近年我国LCA的相关研究成果,我国统计数据彼此矛盾的事情时有发生,LCA进入我国研究领域仅十年左右,相关成果也不是很成熟和完善,因此,农资系统的数据只能大致反映现实概况,和实际数值可能存在一定出入。

(2)决定农作系统汇源的两个关键因素是农田固碳和各种温室气体尤其是N2O实际数值的准确性。本文关于这两个数值主要来源于中国农业大学桓台试验站对该区域十来年的跟踪调查和实验研究,相对具有较高的准确性,可以部分反映华北平原的现状和未来趋势,但具体到其他区域和不同种植模式,其汇源现状和潜力还需进一步探讨。

(3)农业系统是一个开放的系统,受各种外部因素影响较大,同时农业投入除了水肥电,还有机械、农药等。各种研究表明,我国农业的水体污染和土壤毒性不容忽视,而温室气体仅仅是农业生态的一个重要方面,因此,在大力倡导低碳经济和低碳农业的同时,同样必须关注其他因素对农业的影响,加强农业生态建设,提倡低碳生态农业更符合未来发展趋势。

(编辑:李 琪)

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AbstractThis paper utilized LCA matrix,preliminarily studied the problem that the mode ofwinterwheat-summermaize rotation was carbon sink or source which undergons long-ter m and large-scale straw return.The paper takes Huantai county of Shandong Province,a high-yielding grain production inNorth China Plain as a case.The results indicated themodewas carbon source ifwe integrated considered agriculturalmaterials production subsystem and farming subsystem and the quantityof net GHGswas-1075.71kgCO2ewhen produced 1 ton wheat grain and wheat respectively.But if only thought farming system,the cropland absorbed carbon+262.31 kgCO2e,which can offset the-222.99 kgCO2e and partly fuel combustion emission caused by fertilizes used and agriculturalmachine respectively.Therefore,on the basis of straw return,improving tillage method,farming system may become the carbon sink in the future.

Key wordswheat-maize rotation mode;greenhouse gas;carbon sink;carbon source

The Preli m inary Study of Net Greenhouse Gas Em issions in Intensive High-yielding Cropland in North China

L IANG Long WU W en-liang M ENG Fan-qiao
(College of Resources and Environmental Sciences,China AgriculturalUniversity,Beijing 100193,China)

X196

A

1002-2104(2010)03专-0047-04

2010-04-06

梁龙,博士后,主要研究方向为农田生态健康与循环农业。

＊国家自然科学基金项目(No.30970533);十一五国家科技支撑项目(No.2006BAD17B05);国际科技合作项目(No.2009DFA91790)资助。