水稻碳足迹评估方法研究及碳足迹计算器开发

刘晓珂，黄红星*，韩威威

(1.广东省农业科学院 农业经济与农村发展研究所，广东 广州 510640；2.农业部 华南都市农业重点实验室,广东 广州 510640)

气候变化是当前人类社会面临最为严峻的全球环境问题之一。随着全球气候变暖趋势的不断加剧，其根源之一——温室气体(Greenhouse Gases，GHG)排放引起了学术界的广泛关注。为了缓解气候变化，减少GHG排放，推广低碳排放技术，自2008年起，一些国家不约而同地推出碳市场机制，将商品在生产过程中的温室气体排放量以“碳标签”标示出来，一方面促进消费者低碳消费，另一方面也是应对发达国家利用碳排放设置贸易壁垒的有效手段[1]。目前，全球有1000多家企业将“低碳”作为其供应链的必需条件，部分企业要求供应商必须提供碳标签。中国是进出口大国，产品进出口在国际贸易中占有相当份额，因此，开展产品碳足迹研究对以后应对“低碳”贸易壁垒有重要意义。

碳标签制定的前提是获取商品生产过程中的全部温室气体排放，目前一般采用“碳足迹”来定量评估。“碳足迹”是指企业机构、活动、产品或个人通过交通运输、食品生产和消费以及生产过程等引起的温室气体排放的总和，用二氧化碳当量来表示[2]。农业作为与自然环境关系最为密切的产业，农业源在全球温室气体排放中扮演着重要角色。稻田是中国最重要的农业生态系统，联合国粮食及农业组织(FAO)研究表明，2014年中国(不包括台湾省)农业温室气体排放量为7.07×105kt Ce，其中水稻种植排放1.13×105kt Ce，约占15.98%[3]。水稻生产全过程包括从播种到收获、贮存、包装、销售都涉及碳排放。Gian等[4]应用生命周期评价法(LCA)，评估了稻米从稻田生产到市场销售整个产业链的碳足迹，为了解意大利水稻生态分布提供了一个有效工具。邱丽等[5]以黑龙江水稻供应链为例，分析了水稻供应链温室气体排放量。曹黎明等[6]基于PAS2050规范和生命周期评价法对上海市水稻种植进行了碳足迹评估。可见目前国内外的水稻碳足迹研究多集中于水稻种植过程中的碳排放或水稻生产全产业链的碳足迹评估，鲜有利用信息化工具对水稻生产加工过程碳足迹核算的研究报道。

因此，本文基于LCA方法建立了一套适用于水稻生产加工过程的碳足迹评价模型，并在此基础上开发了一款碳足迹计算器，以方便评估水稻生产加工过程的碳排放水平，推进水稻市场碳标签的实施，提高我国稻米的国际竞争力，同时也有助于指导政府部门有效地开展低碳减排工作。

1 评价方法的研究

1.1 评价方法的选择

目前，产品碳足迹标准应用最广的有国际标准ISO 14067和英国的PAS 2050技术规范。作为产品碳足迹评价的国际通行标准，两个标准一脉相承，在产品碳足迹量化技术上基本保持一致，但ISO 14067标准可以实现全球范围的碳足迹数据的比较[7]。为便于与国际接轨，本研究参照ISO 14067标准并结合生命周期评价法(LCA)对水稻生产的碳足迹进行计算。LCA评价是指一个产品系统的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的评价，它是评估产品整个生命周期中，从原材料采集、产品生产、加工以及产品使用后的处理对环境影响的方法。

1.2 系统边界的确定

基于“从摇篮到坟墓”视角的农业源温室气体排放，本研究的系统边界定义为水稻整个生命周期中温室气体的排放，包括稻谷种植、运输、加工等过程中的温室气体排放，即水稻从种植到大米成品整个过程中的温室气体排放(图1)。鉴于本文主要探讨水稻碳标签的研究尺度，产品运输销售及产品的最终回收利用不包括在内。

2 水稻碳足迹的计算方法

2.1 种植过程

在本研究中，水稻种植过程中的温室气体的排放包括直接排放和间接排放，其中直接排放指氮肥施用产生的N2O排放、稻田排放的CH4、秸秆燃烧排放的N2O、CH4、CO2；间接排放指生产农药、化肥等和灌溉能耗产生的碳排。根据ISO 14067标准，土壤中碳变化不在本研究的范围内。

(1)根据《2006年IPCC温室气体清单指南》中水稻种植中CH4排放估算公式，将日排放因子乘以水稻种植期和收获面积，估算CH4排放量，公式如下：

(1)

其中，CF1为水稻甲烷排放折算碳当量，S表示农户水稻种植面积，单位为hm2；D表示水稻种植期，单位为d；δCH4表示水稻单位种植面积的日CH4日排放系数,单位为kg/(hm2·d)；25表示CH4的温室效应值；12/44表示CO2分子中C元素的含量。

δCH4=EFc×SFw×SPp×SFo×SFs,r

(2)

其中，EFc表示不含有机添加物的持续性灌水稻田的基准排放因子，以水稻种植前180 d内未灌水的田地以及种植期内无有机添加物的连续水灌田的基准排放因子作为起点，EFc的IPCC缺省值为1.30 kg CH4/(hm2·d)。SFw为种植期不同水分状况的换算系数，水分状况为旱地、灌溉和深水，其换算系数分别为0、0.78、0.27。SPp为种植季前不同水分状况的换算系数，种植前水分状况分为季前180 d内不灌水、季前超过180 d不灌水和季前灌水，其换算系数分别为1.00、0.68、1.90。

SFo为有机添加物类型和数量变化的换算系数：

(3)

式(3)中Rn为第n种有机添加物的使用比例；Cn为第n种有机添加物的转化系数，有机添加物的类型有种植前不久秸秆还田、种植前很久秸秆还田、堆肥、农场施肥、绿肥，其转换系数分别为1.00、0.29、0.05、0.14、0.50。

SFs,r为土壤类型、水稻品种等的换算系数，目前仅在少数国家可以获取不同土壤类型和水稻品种的排放数据，因此该换算系数默认为1。

图1 水稻供应链及碳足迹边界界定

(2)氮肥施用导致的N2O排放量的计算公式为：

(4)

其中，CF2为氮肥施用所产生的N2O排放的碳当量；FN表示水稻生产过程中氮肥的使用量(折纯量)；δN表示氮肥施用引起的农田N2O中N的排放系数，为0.8956 kg C/kg；44/28表示N2O分子式中N分子的含量；298表示N2O的温室效应值[8]。

(3)农业投入造成的间接温室气体排放量计算公式为：

(5)

其中，CF3为农业投入(包括生产、能源等)产生的温室气体总和；Ti表示各种生产资料的投入量或能源的消耗量；δi表示生产资料或能源所对应的碳排放系数(表1)。

表1 农用物资投入主要碳源及碳排放系数

(4)秸秆焚烧过程中释放的温室气体计算公式为：

(6)

其中，CF4为秸秆焚烧过程中温室气体排放量；P表示秸秆资源量，δj为单位质量的水稻秸秆燃烧产生的j种温室气体的排放因子。秸秆焚烧产生的N2O、CH4、CO2的排放因子分别为2.84、0.72、1162.15 g/kg[9]。

2.2 运输过程

运输过程中温室气体排放主要指稻谷运输至大米加工厂的过程中释放的温室气体。运输过程中释放的温室气体计算公式为：

CF5=∑∑N·L·Mm·λi

(7)

其中，CF6为大米运输阶段温室气体排放量；N表示运输量；L为运输距离；Mm为采用m种运输工具；λi表示第i种气体的排放因子(表2)。

表2 不同的运输方式温室气体排放因子[10]g/(t·km)

2.3 加工过程

加工过程中释放的温室气体计算公式为：

(8)

其中，CF5为稻谷加工过程中的温室气体排放量；Wk表示k过程中的机械耗电量；β为电力碳排放因子，电力消耗的CO2当量排放因子为11.4218 t CO2/(10 MW·h)[11]。

基于水稻碳排放边界的确定，设计水稻碳足迹计算模型为：

CFt=CF1+CF2+CF3+CF4+CF5+CF6

(9)

3 碳足迹计算器的研发

研究开发了水稻碳足迹计算器，该计算器向用户提供了水稻生产过程碳排放量的评估服务功能，主要包括：数据管理模块、水稻碳排放计算器模块、综合管理模块等。其中，水稻碳排放计算器是依据水稻碳足迹计算方法建立起来的面向公共服务的Web门户程序，主要技术特点有以下几个方面。

3.1 基于J2EE的MVC架构模式

在水稻碳足迹计算器平台架构中(图2)，采用MVC架构模式将软件平台分成5个层次，在门户层定义水稻碳排放计算器模块，这是通过客户端与最终用户对接的层次。通过接收用户的指令或者数据输入，提交给服务层做运算处理，同时负责将服务层的处理结果反馈给用户。由于门户层不处理复杂的业务逻辑，服务层不处理复杂的视图展示等操作，从而解决系统的数据与显示分离的问题，进而提升水稻碳排放计算器模块的拓展性。

3.2 采用HTML5标准

由W3C推荐出来的HTML5是趋于主流的网络统一标准，研究采用了HTML5能够赋予水稻碳排放计算器模块的网页更加丰富的标签、微数据与微格式等方面的支持，构建的Web服务程序拥有更短的启动时间，更快的联网速度。构建的HTML5数据与应用接入开放接口，使外部应用可以从客户端与内部的数据直接相连，前后台数据即时更新，提高可用性和改进用户使用体验。客户端只要一个简单的浏览器引擎就可以支持多设备、跨平台运行，应用非常轻量级，传播速度很快。

3.3 应用jQuery运算逻辑控制

依据水稻碳足迹计算方法，水稻碳排放计算器要在不同条件下进行因子系数的分类组合计算，如图3所示，本研究应用轻量级js库jQuery进行Web程序的AJAX交互，使HTML页面保持代码和HTML内容分离，以实现页面的快速局部更新。在传统的编程过程中，要实现水稻碳排放计算器中的功能按钮处理程序需要链接到一个新的页面，而在jQuery框架中，仅为水稻碳排放计算器的每一类功能按钮绑定一个click事件，当用户点击某个按钮时，就会触发相对应的click事件来完成页面数据更新。因此，即使用户在水稻碳排放计算器中选择几乎所有的因子系数组合，也不需要访问服务器，从而大大简化水稻碳足迹的计算过程，并提高了服务器的计算效率。

图2 水稻碳足迹计算器平台架构设计

图3 水稻碳排放计算器界面设计

4 计算器应用

以广东省惠州市某大米生产企业为例，该企业自建水稻生产基地2000余hm2。以公司自有基地为研究对象，通过实地调研和座谈，了解该公司基地水稻的生产方式。据调查，公司生产的油粘米产品由位于汕尾市海丰县基地生产，在惠州进行加工，稻谷运输距离约138 km，采用中型卡车运输。油粘米种植期120 d，产量400 kg/667 m2。种植过程中，平均每667 m2农药使用量合计0.3 kg，施用氮肥18.5 kg、磷肥4.9 kg、钾肥7.2 kg。稻田种植前灌水，灌溉方式为淹灌，收割后秸秆全量还田。加工过程中晾晒为人工晾晒，不计碳排放，清洗、脱壳、碾米、分级、色选、抛光、包装平均每吨耗电量为26.63 kW·h。

将相关数据和种植方式选项输入计算器，得到某公司每千克油粘米的碳足迹是319.96 g Ce。其中，生产阶段碳排放量为309.03 g Ce，占全部碳排量的96.58%；运输阶段碳排放量为2.63 g Ce，占全部碳排放量的0.83%；加工阶段碳排放量为8.30 g Ce，占全部碳排放量的2.59%。从结果中可以看出，生产阶段是碳排放的主要阶段，特别是稻田碳排放，在碳减排方面需要重点关注[12]。

5 结语

本文在水稻生产碳足迹评估模型构建的基础上，尝试开发了一个简便易行的水稻碳排放计算器，该计算器能够快速计算出水稻产品的碳足迹，为推行产品碳标签的实施提供了一个便捷工具。另外，基于碳排放计算器，可以对水稻生产碳排放的相关问题进行深度分析，发现水稻生产加工过程中碳排放的主要环节，为水稻生产的碳减排措施制定提供一定的数据参考。