基于低碳农业的清洁生产与生态补偿*——以山东桓台为例

梁 龙，王大鹏，吴文良，孟凡乔

(中国农业大学资源与环境学院，北京 100193)

冬小麦-夏玉米轮作是华北平原最常见的农田生产方式。据统计，我国每年农作物秸秆产量达7亿t之多，但每年只有20%～30%被利用，大部分被烧掉，不但造成资源的极大浪费，而且严重污染环境［1］。对于北方粮食主产区而言，如何有效地处理作物秸秆，是实现农田清洁生产的重要环节。该文以山东高产粮区桓台县14年的农业面源污染综合治理经历为例，探索农业清洁生产与生态补偿的问题。

1 对象与方法

1.1 桓台县概况

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，全国百强县之一。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，通过20年的发展，已实现了粮食的高产、稳产。秸秆还田本是桓台农业生产的一项传统，但随着生产力提高，玉米秸秆产量剧增，同时当地养殖业的萎缩，使得大量农户无法将巨量秸秆全部还田或者综合利用，玉米秸秆还田比例一直在30%～50%之间，其余大部分都是焚烧，造成环境污染。

2007年开始，当地政府采用行政强制和经济补偿相结合的办法，全面推行秸秆禁烧:一方面通过行政手段强制推行玉米秸秆还田和综合利用;另一方面对玉米秸秆还田由县乡镇两级补贴，平均30～50元/667m2，同时加大农机具购置补贴，保障机械配备到位，连续3年实施主产区秸秆全量还田和还田补偿，取得较好生态和社会效益。

1.2 研究方法

1.2.1 农业清洁生产、低碳农业与生态补偿

一般来说，农业清洁生产是指通过生产和使用对环境友好的农用化学品，在清洁肥沃的土地利用节水、节肥、节药、节地、节能以及资源综合利用等农业生产技术，在农业生产的全过程，使用清洁化的农艺措施，减少农业污染的产生，降低农业生产及其产品和服务过程对环境和人类可能造成的风险。而广义的低碳农业是通过技术改进、制度创新、产业转型、链条整合、新能源开发利用等多种手段，降低农业系统碳源影响，扩大碳汇效应，最终实现以温室气体减排为核心的农业生产发展和生态环境共赢的现代农业。从清洁农业和低碳农业的概念和内涵来看，农业清洁生产是发展低碳农业的一种重要的方式和手段。

农业区别于工业的一个最大特点是，农业既是碳源也是碳汇，可以实现碳排放的“以农补工”。以美国为例，2009年美国环境保护署 (EPA)报告显示:2007年美国温室气体排放总量为7150.1TgCO2eq，其中农业排放为413.1 TgCO2eq，但整个农业系统固碳达到1062.6 TgCO2eq，不但完全抵消了农业自身排放，而且使美国温室气体净排放降低为6087.5TgCO2eq［2］。由于农业的生态效应，通过生态补偿来激励和引导农民发展清洁农业和低碳农业，已经成为世界各国通行做法。当前，国际上包括碳汇补偿在内的生态补偿的通行做法是:(1)确定基线排放量;(2)确定项目排放量;(3)确定减排量，减排量=基线排放-项目排放;(4)对符合标准生态减排给予经济补偿。

1.2.2 LCA是进行碳排放评价的有效方法

生命周期评价 (Life Cycle Assessment，简称LCA)源于20世纪60年代，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［3-4］。”

20世纪80年代，LCA主要用于工业领域，随着对低碳农业研究的深入，国内外众多专家意识到，现代农业是与工业、加工、服务业紧密联系的复合体，因此，低碳农业不仅仅是农田低碳，而是农业产业的低碳［5］。现代农业碳排放不仅仅要考虑农田系统本身的碳排放，其上游化肥、农药、机械的生产和运输，由此消耗的原料及煤、石油、天然气等，以及下游农产品加工的碳排放都属于农业产业碳排放范畴，而LCA就是对整个产业全面评价。因此，LCA可以成为农业碳排放计量和生态补偿的重要方法之一。该研究借鉴该方法来计算桓台地区14年来小麦-玉米轮作系统的温室气体排放量变化，进而探讨低碳排放与生态补偿的关系，关于农业LCA的模式和方法可以参照相关研究［6］。

2 结果与分析

2.1 相关参数

以1t作物籽粒为功能单位，山东桓台1996～2009年不同年份农田生态系统的投入产出数据见表1。其中1996年、2003年、2006年数据来源于中国农业大学实验站的调研统计，2007～2009年数据来源于桓台县农业推广站3年推广实践。其中，小麦秸秆还田为100%，1996年、2005年和2006年玉米秸秆还田分别为30%、50%和70%，其余部分成为燃料、饲料或者在田间燃烧，2007～2009年玉米秸秆在全县主产区粉碎全量还田，少量作为青贮饲料，该文以全量还田计算，各年投入见表1。

该研究的系统边界从煤、石油、天然气开采开始，到小麦、玉米离开农田为止，其中农田的整地、施肥、病虫害防治、收获过程作为农作系统，化肥、农药、机械、燃油生产及运输作为农资系统。化肥、农药、电力等温室气体根据相关研究成果计算，由于资料缺乏，农业机械仅仅考虑机械燃油生产和燃烧的温室气体排放［7-10］。

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，1996年IPCC报告中，建议农田系统N2O排放参数为进入农田氮肥总量的1.25%，2006年IPCC第四次报告调整到1%，但中国农业大学和中国科学院在桓台实验站的研究表明，0.7%更接近当地常规模式的实际水平，该文取这一数值［11］。关于农田碳汇该文考虑土壤固碳和秸秆还田固碳，刘光栋、包永红分析桓台12年秸秆还田后土壤有机质变化，发现桓台农田土壤平均吸收CO2为1984.88 kg·hm-2a-1，即每生产1t玉米和小麦土壤吸收262.31kg CO2［12-13］。研究表明［14］，秸秆还田当年，30%的植物碳残留在土壤中，其余仍以CO2等形式进入环境，成为碳泄漏部分，因此，秸秆还田需要考虑其源与汇的双重性。

2.2 结果分析

综合上述参数，桓台农田生态系统的温室气体排放结果如表2所示。

表1 山东桓台1996～2009年农田系统投入产出

表2 1996～2009桓台农田生态系统温室气体排放量 单位:CO2eqkg/t

从表1～2统计数据和研究结果表明:桓台县冬小麦-夏玉米轮作系统朝着清洁生产方向不断发展，表现在农业投入在2003年达到峰值后逐步降低，同时，玉米秸秆的还田比例不断提高，而整个轮作系统全生命周期温室气体排放呈下降趋势。每吨小麦温室气体排放1996年为1537.7CO2eqkg，2003年高达1680.7 CO2eqkg，2009年下降到1408.5CO2eqkg，若以1996年为基线值，则下降了8.4%;每吨玉米从1868.2CO2eqkg下降到2009年的1092.3CO2eqkg，下降了41.5%，玉米的减排表现尤为明显。小麦下降的关键在于化肥等投入的降低，玉米的关键因素首先在于秸秆的还田，减少燃烧排放同时增加了秸秆固碳;其次是推行测土配方施肥，使氮肥投入降低;另外由于灌溉水的减量化，使消耗电力的排放降低。

从表2可以看出:秸秆还田后其固碳效应和碳泄漏表现得都非常明显，因此，在农田系统节能减排上，稳定秸秆固碳和降低秸秆碳泄漏是关键，而氮肥、灌溉电力、机械柴油、土壤固碳是也制约农田生态系统温室气体排放的重要因素。在农资系统中，降低碳排放关键是氮肥生产的减排;农作系统除了减少氮肥投入，其次是发展节水农业，减少电力消耗。理论上，秸秆还田土壤的碳排放应该远远高于非秸秆还田，但桓台长期大田实验表明，秸秆以有机肥形式还田，同时和无机肥合理搭配，是土壤固碳和降低秸秆碳泄漏的有效措施［15］。因此，在坚持配方施肥的基础上，加大保护性耕作力度，实施合理灌溉，减少氮、电、油的消耗，这是减排的重要措施，也是增加土壤碳汇，稳定秸秆固碳的关键。

3 讨论

3.1 关于农业清洁生产

长期以来，人们仅仅考虑了农业经济效益，但事实上农业的生态效益远远大于其经济效益，因此，必须加大投入，实施农业清洁生产，使其从碳源向净碳汇转变，实现“以农补工”。桓台经验表明，遵循循环农业理念［16］，在集约化基础上通过化肥等投入的减量化，秸秆的再利用、再循环，农药的可控化，农业的减排增汇是有可能的。同时，也必须看到，建立农业清洁机制是包括农业、工业、运输、服务业等整个社会体系的责任。随着农业产业链的延长，如何实现种植、养殖、加工的一体化和清洁生产，实现现代低碳循环农业产业模式，是今后农业清洁生产研究的重点。

3.2 关于生态补偿

生态补偿在全世界都是一个不断探索的议题，在我国还处于起步阶段，无论从经济补偿额度还是补偿机制，都还需不断摸索。以桓台为例，2006年的农田生产投入基本代表华北高产粮区平均水平，若以2006年碳排放为基线排放量，2007～2009年测土配方的排放为项目排放量，每吨小麦、玉米的减排量分别是272.2和817 CO2eqkg，按照中国国家发改委规定清洁发展机制项目申请中每吨CO2当量的最低交易价格为8欧元计算，桓台每公顷农田减排量为9.26tCO2eq，折合人民币651元左右，当地政府每公顷补偿600元，与国家最低标准基本相当。但秸秆本身是光合作用的产物，理论上不论是焚烧还是还田，其所含碳重新进入大气并没有对大气中碳平衡造成影响，国际上关于秸秆的碳排放一般单独计算，目前包括北京、山东桓台等地为避免农民焚烧而进行生态补偿开全国先河，但这种模式在其他财政支付能力不足的地方能否大面积推广，一旦政府放弃行政强制和经济补充，如何使秸秆还田和综合利用变成农民的自觉行动，这些都值得探索。另外，该文中，秸秆固碳和土壤固碳有重复计算嫌疑，秸秆还田后如何防范碳泄漏也还要加强研究。

3.3 关于低碳农业

温室气体排放是全球关注的一个热点，研究表明，农业在减排的同时，还能降低对水体、土壤的潜在威胁。因此，发展低碳农业实属必要。但是，农业在某种意义上又是“生存排放”，要维护国家粮食安全，就必然要加大投入，其碳排放总量上肯定是上升，农业的低碳只能在一定程度上提倡。另外，就我国实际情况来看，众多地区的水资源短缺、土壤酸化、富营养化、重金属污染问题似乎更严重、更突出。因此，农业不仅仅要考虑低碳问题，而且要注意综合协调，真正实现生产发展和环境友好双赢的最终目标。

4 结论

1)经验表明，农业清洁生产是发展低碳农业的重要路径。

2)发展清洁农业必须建立合理的生态补偿机制，从而促进农业的可持续发展。

3)农业生产在考虑低碳的同时，还需注重其他生态指标，实现生产和环境的共赢。

1 王效科，李长生.温室气体排放与中国粮食生产.生态环境，2003，12，(4):379～383

2 EPA.2009.Inventory of U.S.Greenhouse Gas Emissions and Sinks:1990 ～ 2007.2009.26 ～35

3 Brent Kim，Roni Neff.Measurement and communication of greenhouse gas emissions from U.S.food consumption via carbon calculators.Ecological Economics.2009(69):186 ～196

4 Brentrup F，Kuster J，Lammel J，et al.Environmental impact assessment of agricultural production systems using the life cycle assessment(LCA)methodology the application to N fertilizer use in winter wheat production system.Europ Agronomy，2004，20:265～279

5 Rebitzer G，Ekvall T，Frischknecht R，et al.Life cycle assessment Part 1:Framework，goal and scope definition，inventory analysis，and applications.Environment International，2004，30:701 ～720

6 梁龙，陈源泉，高旺盛.我国农业生命周期评价框架探索及其应用——以河北栾城冬小麦为例.中国人口·资源与环境，2009，19，(5):154～160

7 胡致远.车用生物柴油生命周期评价及多目标优化.上海:同济大学.2006，(6):21～39

8 潘自强，马忠海，李旭彤.我国煤电链和核电链对健康、环境和气候影响的比较.辐射防护，2001，21，(3):129～145

9 狄向华，聂祚仁，左铁镛.中国火力发电燃料消耗的生命周期排放清单.中国环境科学，2005，25，(5):632～635

10 中国电力编辑委员会.2006.2006中国电力年鉴.北京:中国电力出版社，35～38

11 潘志勇，吴文良，刘光栋，等.不同秸秆还田模式与氮肥施用量对土壤N2O排放量的影响.土壤肥料，2004，(5):6～8

12 刘光栋.区域农业生态系统价值评估及其应用-以山东桓台为例.北京:中国农业大学出版社.2004:73～75

13 包永红:华北高产粮区农田生态系统综合效益评价-以山东省桓台县为例.北京:中国农业大学出版社.2008:93～96

14 杨志谦，王维敏.秸秆还田后碳、氮在土壤中的积累与释放.土壤通报，2002，30，(2):43～46

15 潘志勇，吴文良，刘光栋，等.不同秸秆还田模式和施氮量对农田CO2排放的影响.土壤肥料，2006，(1):14～17

16 尹昌斌，唐华俊，周颖.循环农业内涵、发展途径与政策建议.中国农业资源与区划，2006，27，(1):4～8