山东省农业碳排放特征、影响因素及达峰分析

刘 杨, 刘鸿斌

(1.山东省济南生态环境监测中心 济南 250101; 2.山东省鲁商建筑设计有限公司 济南 250100)

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021: 自然科学基础》指出, 人类活动导致的温室气体排放是造成气候变暖的主要驱动因素, 极端高温、极端降水、干旱洪水等因人类活动而加剧。2021年国民经济和社会发展“十四五”规划明确提出落实2030年应对气候变化国家自主贡献目标, 制定2030年前碳排放达峰行动方案。农业碳排放是全球温室气体排放的第二大来源, 贡献了全球范围内约14%的人为温室气体排放量和58%的非人为CO排放。我国农业碳排放量占温室气体碳排放总量的17%, 且排放水平以年均5%的速度增长。“十四五”全国农业绿色发展规划明确提出增强农业农村领域减排固碳的要求, 控制农业碳排放水平对我国落实减排承诺、增强适应气候变化能力、实现“双碳”目标具有重要意义。近年来国内学者在农业碳排放测算、影响因素分析等方面作了大量研究, 吴昊玥等基于GB-USSBM 模型测算2000-2019年中国30省(市、自治区)的农业碳排量, 结果表明中国农业碳排放效率均值为0.778, 具有较大减排潜力, 中国农业碳排放效率全局Moran’s I显著大于0 (P＜0.01), 空间杜宾模型结果显示农业碳排放效率具有显著的正向溢出效应。杨滨键等测算了山东省种植业碳排放量、碳汇量、碳排放强度以及碳排放边际减排成本, 运用DEAMalmquist 模型测算了种植业低碳绩效水平, 结果表明2000-2018年山东省种植业碳排放总量和碳汇总量年均增幅分别为0.26%和1.74%, 而碳排放强度和减排成本年均降低6.12%和2.10%。低碳绩效指数增长较慢,年均增长速度为3.00%, 其主要驱动来源于技术进步。张丽琼等测算1997-2018年中国31个省区农业碳排放量发现, 农业碳排放量总体呈现波动上升趋势, 农业碳排放强度不断下降; 农业碳排放量总体上表现出东中部高、西部低的空间分布格局, 而碳排放强度的空间布局则相反; 大部分省区的农业碳排放呈现增长态势, 农业碳排放分布状态稳定性高; 中国农业碳排放与农业经济发展之间多处于弱脱钩和强脱钩状态。伍国勇等利用2001-2018年中国省级面板数据分析了中国农业碳排放强度动态演进, 表明中国农业碳排放强度整体相对差异具有明显的波动演进趋势, 中国农业碳补偿率存在显著的空间正相关, 着力推进农业提质增效并加强区域间协调合作能早日实现中国农业碳达峰和碳中和目标。蒋添诚等测算2012-2018年湖北省农业碳排放强度及Tapio脱钩弹性, 结果表明2012年以来湖北省农业碳排放强度呈下降趋势,2015-2018年为强脱钩阶段, 并提出了农业碳减排的建议。李阳等运用清单方法核算了中国各省(直辖市、自治区)农业源非二氧化碳温室气体排放,整体呈上升趋势。高情景和中情景下中国农业非CO温室气体排放量整体呈上升趋势, 到2050年仍未达峰; 2018-2050年低情景下温室气体排放量整体呈下降趋势, 已于2018年达峰。朱通雅测算了2010-2019年长江经济带农业碳排放量呈先缓慢增长后快速下降趋势, 农业经济发展对农业碳排放起极大的促进作用, 而农业生产效率、劳动力规模和生产结构对农业碳排放有较为明显的抑制作用。

山东省作为我国的农业大省, 是全国重要的农产品生产基地, 其耕地面积占全国总耕地面积的6.17%, 位居全国第3, 农业增加值长期稳居第一位,且农产品进出口总值长期位居全国第一。随着农业的快速发展和农业现代化水平的提高, 化肥、农药等物资的投入不断增加, 农业环境污染问题突出,导致大量温室气体排放, 严重影响碳达峰目标的实现。合理并准确估算山东省农业碳排放量, 对制定有效的农业减排措施具有重要意义, 也可为评估农业碳减排措施成效及农业碳达峰提供依据。而针对山东省农业碳排放量进行测算同时开展排放量预测的研究尚少见报道。本文通过测算山东省2000-2020年主要农业生产活动碳排放量, 分析其排放特征及影响因素, 预测2021-2045年山东省农业碳排放量,提出有针对性的减排建议, 以期为农业碳减排及碳达峰提供理论基础。

1 研究方法与数据来源

1.1 农业碳排放测算

1.1.1 种植业碳排放

主要有农业物资投入产生的碳排放(化肥、农药、农用薄膜、农用柴油及农业灌溉)、农田土壤利用排放CH和NO等温室气体产生的碳排放。种植业碳排放源、碳排放系数及参考来源见表1。根据IPCC第五次评估报告结果, CH和NO转化为CO的100年增温潜势系数分别为28和265。

表1 种植业碳排放源、碳排放系数及参考来源Table 1 Carbon sources, carbon emission coefficients and reference sources for planting industry

1.1.2 畜禽养殖碳排放

根据IPCC评估报告及相关研究, 畜禽养殖碳排放主要来自反刍动物肠道发酵所产生的CH和粪便管理产生的CH和NO。畜禽养殖各碳源排放系数见表2。

表2 畜禽养殖碳排放源、CH4和N2O排放系数[19-20]Table 2 Carbon sources, CH4 and N2O emission coefficients for livestock and poultry farming[19-20]

1.2 农业碳排放强度及碳排放结构

选取农业碳排放强度作为衡量农业碳排放水平的指标, 由地区农业碳排放量与该地区农业生产总值之比得到, 即C=C/GDP, 其中C为t时期农业碳排放强度, C为t时期农业碳排放量, GDP为t时期农牧业生产总值。

碳排放结构指各源类排放量占农业碳排放总量的比重, 即R=C/C, 其中C为i种源类碳排放量, C为农业碳排放总量。

1.3 农业碳排放影响因素及分解模型

在定量测算农业碳排放量的基础上, 对其影响因素进行系统分解, 把握各因素对碳排放的影响效应, 是制定农业碳减排对策的重要依据。Kaya碳排放恒等式用数学方法建立起人类社会活动产生的碳排放与经济、政策和人口等因素的联系, 根据恒等式基本形式并借鉴已有研究, 将碳排放量做如下变形:

式中: C为农业碳排放量, 单位为万t; GDP为农牧业GDP; GDP为农牧渔林业GDP; P为地区总人口;P为农村总人口。C表示农业生产效率, A表示农业产业结构, I表示地区产业结构, E表示地区经济发展水平, U表示城镇化水平。

采用LMDI加和分解方式对上式进行进一步分解, 以量化各因素对碳排放的影响大小, 具体为:

式中: t表 示时期(t=1, 2, 3,···, n), 0表 示基期, ΔC、ΔA、ΔI、ΔE、ΔU、ΔP分别表示农业生产效率、农业产业结构、地区产业结构、地区经济发展水平、城镇化水平和农村人口对农业碳排放在基期到t时间的变化量的贡献值, 单位为万t。将研究时段逐年贡献值相加即为相应影响因素的累计贡献值。

1.4 农业碳排放量预测

灰色预测模型GM(1, 1)是基于历史资料, 对时间序列数据进行大小预测的模型, 能够得到一条具有指数增长规律的上升形状数列, 基本思想是用原始数据组成原始序列(0), 经累加生成法生成序列(1), 它可以弱化原始数据的随机性, 使其呈现出较为明显的特征规律。对生成变换后的序列(1)建立1阶微分方程模型即GM(1, 1)模型。它具有所需样本少、不需要计算统计特征量等优点, 是处理小样本预测问题的有效工具。鉴于此, 本文引入灰色预测模型GM(1, 1)模拟2021-2045年山东省农业碳排放量情况。模型处理步骤为:

4)采用残差检验、后验差检验、关联度检验等检验模型精度, 并对2021-2045年碳排放量进行预测。

1.5 数据来源及处理

本文所需的原始数据主要来自于《山东省统计年鉴》和《山东省农村统计年鉴》, 化肥、农药、农膜及农用柴油均为当年用量, 其中化肥为折纯量;灌溉面积为有效灌溉面积; 畜禽养殖量数据处理时,出栏率小于1的牛、羊年均饲养量采用上年与本年出栏量均值, 出栏率大于1的猪和家禽年均饲养量采用(当年出栏量×平均生命周期)/365, 猪和家禽的平均生命周期分别为200 d和55 d。农业总产值以2000年为不变价, 将其他年份进行折算, 以剔除价格因素干扰。

2 结果与分析

2.1 山东省农业碳排放特征

2.1.1 碳排放时序特征

2000-2020年山东省农业碳排放量测算结果及各源排放量占排放总量比例见表3及表4。2000-2020年山东省农业碳排放总量呈现先增长后波动下降的趋势。2000年碳排放量为1558.9万t, 2001-2006年逐年上升, 至2006年达最大值1871.4万t, 比2000年增加20.0%,年均增长3.3%; 2007-2020年波动下降, 至2020年达最小值1583.4万t, 比2000年增加1.6%。山东省农业碳排放量变化趋势与国家农业政策紧密相关, 2002年提出“多予、少取、放活”的指导思想, 2004年提出“两减免, 三补贴”的财税政策, 2005年提出加大对种粮农民的直接补贴力度,2006年全面取消在我国沿袭2600多年的传统农业税, 一系列的政策提高了农民种粮积极性, 农业生产资料投入逐年增加, 农业生产水平及机械化程度得到较大提高。但由于当时农民低碳意识较为淡薄,农业碳排放量随农资投入的增加而增加, 农资投入碳排放量在2007年达最大值。伴随着种植业的发展, 粮食产量增长、农村人口稳定、农村经济持续发展, 为畜禽养殖业提供了食物保障、劳动力保障和销售市场, 2000-2006年山东省猪、牛、羊、家禽养殖规模逐年上升, 碳排放量也相应增加, 2006年畜禽养殖碳排放量达最大值, 同年农业碳排放总量也达最大值。2007年中国共产党第十七次全国代表大会强调了资源节约、生态环境保护的重要性;2008年中央一号文件也明确指出要通过降低生产成本实现增收, 大力发展节约型农业, 促进秸秆等副产品和生活废弃物资源化利用, 提高农业生产效益;2014年的中央一号文件提出“发展生态友好型农业”,2015年开始实施“到2020年化肥使用量零增长行动”和“到2020年农药使用量零增长行动”, 自2007年起山东省农业碳排放量总体逐年下降。

表3 2000—2020年山东省农业碳排放量情况Table 3 Agricultural carbon emissions in Shandong Province from 2000 to 2020

表4 2000—2020年山东省农业碳排放源排放量占比情况Table 4 Ratios of different agricultural carbon sources emissions to total amount in Shandong Province from 2000 to 2020

山东省农业碳排放强度呈逐年下降趋势, 由2000年的0.821 t·万元下降至2020年的0.205 t·万元, 下降75.1%,年均降幅3.8%, 与曹俐等的研究结果一致。碳排放量及碳排放强度变化趋势均表明山东省农业可持续发展政策成效显著, 农业增长方式正由粗放型向低碳节约型的绿色农业转变。

分析山东省农业碳排放结构(表4)可知, 2000-2020年农资投入碳排放量占农业碳排放总量平均比例为49.6%, 畜禽养殖排放量平均占比为38.6%, 农田土壤利用排放量平均占比为11.9%。农资投入排放量占比近五成, 其中化肥施用占23.1%, 在各源类中排放量最大, 与黄锐等的研究结果一致。从年际变化看, 2013年后农资投入碳排放量占比呈波动下降趋势, 也验证了山东省农业增长方式正在转变中。随着人民生活水平的提高, 对畜禽养殖业产品需求增加, 养殖规模不断扩大, 2020年畜禽养殖业生产总值比2000年增长3.3倍, 碳排放量占比也呈上升趋势, 其中羊、猪养殖碳排放量较高。山东省作为我国粮食主产区和蔬菜种植大省, 农田土壤利用碳排放源中冬小麦、玉米和蔬菜碳排放量占比较大,2017年蔬菜种植碳排放量占比较2016年下降22.2%,与2017年前后山东省出现低温、冷冻、洪涝、干旱等极端天气, 对蔬菜种植规模造成较大影响有关。

2.1.2 碳排放区域特征

2000-2020年山东省各地市累计农业碳排放总量如图1所示。2019年起济南市与莱芜市合并, 为保证数据可比性, 将2000-2018年原济南市与原莱芜市数据合并统计。结果显示, 菏泽、潍坊累计农业碳排放量超过4000万t, 分别为4821.6万t、4252.3万t。德州、临沂、济宁累计农业碳排放量为3300万～3700万t, 烟台、青岛、济南、聊城为2100万～3000万t, 威海、日照、东营、枣庄、滨州、泰安为1000万～2000万t, 淄博为883.7万t。

图1 2000—2020年山东省各地市累计碳排放量及平均碳排放强度Fig.1 Total agricultural carbon emissions and average carbon emission intensity in cities of Shandong Province from 2000 to 2020

农业碳排放强度不受资源总量基数的影响, 可直观反映地区间低碳农业发展水平差异。2000-2020年山东省各地市平均碳排放强度范围0.326～0.738 t·万元。其中淄博、烟台、济南、青岛4市低于0.400 t·万元, 泰安、潍坊、枣庄、济宁、威海、临沂、滨州和聊城介于0.400～0.500 t·万元之间, 德州和日照介于0.500～0.600 t·万元之间, 菏泽和东营大于0.600 t·万元。山东省2000-2020年平均碳排放强度为0.427 t·万元, 淄博、烟台、济南、青岛、泰安5市碳排放强度低于全省平均, 其他11市高于全省平均。

总体来看以农业生产为主、粮食作物种植面积占比大的地市碳排放量大、碳排放强度高, 经济作物种植面积占比大、经济较发达和工业相对发达城市农业碳排放强度低。菏泽碳排放强度为0.738 t·万元, 比全省平均高72.8%, 比其他地市平均值高63.0%, 菏泽市畜禽养殖碳排放量占比最大, 农业高投入、高污染、不可持续发展问题突出。

从农业碳排放结构上看, 16地市农资投入、农田土壤利用、畜禽养殖碳排放量平均占比范围分别为34.8%～75.9%、7.0%～13.6%、17.1%～54.6%, 农资投入占比最大的地市有潍坊、临沂、聊城、青岛、烟台、枣庄、日照、威海和淄博, 畜禽养殖碳排放量占比最大的地市有菏泽、济宁、德州、济南、泰安、滨州和东营。各地市农田土壤利用碳排放量占比均最小。

2000-2020年山东省各地市农业碳排放量及碳排放强度如表5和表6。2000-2006年各地市碳排放量总体呈上升趋势, 济南、青岛、淄博、潍坊、济宁、威海、日照、聊城和烟台9市在2006年左右出现峰值; 临沂、东营、德州、滨州、菏泽、泰安和枣庄持续波动上升, 至2012-2015年出现峰值, 然后波动变化。各地市碳排放强度均明显下降, 2020年碳排放强度比2000年下降65.0%～82.3%, 与山东省碳排放强度变化趋势一致。

表5 2000—2020年山东省各地市逐年农业碳排放量及其变异系数Table 5 Agricultural carbon emissions and coefficients of variation in cities of Shandong Province from 2000 to 2020

表6 2000—2020年山东省各地市逐年农业碳排放强度及其变异系数Table 6 Agricultural carbon emission intensities and coefficients of variation in cities of Shandong Province from 2000 to 2020

变异系数(CV)可以反映数据的离散程度, CV越小, 表示数据离散程度越小, 反之表示数据离散程度越大。2000-2020年山东省各地市农业碳排放量年变异系数范围48.5%～52.8%, 碳排放强度年变异系数范围17.9%～35.7%, 表明各地市农业碳排放量及碳排放强度均呈现一定的空间非均衡性。从年际变化看, 碳排放量及碳排放强度的变异系数均有增加趋势, 且碳排放强度变异系数增加幅度高于碳排放量,表明2000-2020年山东省各地市农业发展水平持续不平衡, 碳排放地区差异和演变趋势表现出一定的差异且有扩大趋势, 农业生产效率高、绿色低碳农业较发达的地市碳排放量降幅大、农业生产总值增加快, 碳排放强度下降幅度大。各地市的农业可持续发展水平差异越来越明显。

2.2 山东省农业碳排放影响因素分析

山东省全省及16地市农业碳排放影响因素分解结果见表7和表8。从表7可以看出, 与基期相比,2001-2020年山东省农业碳排放量累积增加4075.8万t。农业生产效率、农业产业结构因素、地区产业结构因素及劳动力规模因素对农业碳减排起到一定作用。农业生产效率提升是农业碳减排的最主要影响因素, 与基期相比农业生产效率提升累计实现26 515.2万t减排, 如其他影响因素保持不变, 可使碳排放年均递减1325.8万t。农业产业结构优化、地区产业结构调整及劳动力规模因素对减排也起到一定作用, 如其他影响因素保持不变, 分别可产生年均递减量52.7万t、612.9万t和250.8万t。山东省种植业和畜牲业生产总值占农业生产总值的比例由2000年的82.8%下降至2020年的76.0%, 相对低碳的林业、渔业生产总值占比提升, 三产比例由2000年的14.9∶49.6∶35.5调整为2020年的7.2∶39.8∶53.0, 农村人口占比由2000年的73.2%下降至2020年的49.6%, 一系列变化都表明山东省不断推进农业产业结构和地区产业结构调整、优化种植业资源配置、发展低碳农业、提升城镇化水平, 且减排成效显著。

表7 2001—2020年山东省碳排放的影响因素Table 7 Driving factors decomposition of agricultural carbon emission in Shandong Province from 2001 to 2020

地区经济发展水平和城镇化率因素为农业碳排放量增加的主要因素, 与基期相比分别累计增加碳排放量41 822.4万t、7096.4万t, 表明山东省农业发展仍处于“库兹涅茨曲线”拐点左侧, 碳排放与经济发展未完全脱钩, 今后一段时间内经济发展仍将是山东省农业碳排放量增加的主要因素, 碳减排工作仍需要进一步加强。

从表8可以看出, 16地市农业碳排放量与基期相比, 仅青岛和日照分别累计减排181.9万t和14.3万t, 其他地市碳排放量累计增加26.1万～1598.4万t。与全省影响因素作用一致, 各地市农业生产效率、农业产业结构、地区产业结构、劳动力因素对碳减排起到一定作用, 地区经济发展水平及城镇化因素促使农业碳排放量增加。 但农业产业结构对不同地市碳减排贡献差距较大, 威海和日照农业产业结构因素促进减排量仅为4.9万t, 菏泽仅为0.9万t。分析威海、日照、菏泽3市2020年养殖业GDP比2000年分别增长3.4倍、4.5倍、4.5倍, 在16地市中增长倍数较高, 高于济南和潍坊的2.0倍、青岛的1.4倍、聊城和淄博的2.0倍, 而2020年种植业GDP仅比2000年增长1.6倍、1.7倍、1.9倍。3市的畜禽养殖规模扩大导致碳排放量增加, 亟需优化农业产业结构, 实现结构性降碳。

表8 2000—2020年山东省各地市碳排放的影响因素Table 8 Driving factors decomposition of agricultural carbon emission in each city of Shandong Province from 2000 to 2020

2.3 碳排放量预测及达峰分析

以山东省及16地市2000-2020年农业碳排放量为依据, 构建灰色预测模型GM(1, 1)预测2021-2045年农业碳排放量, 考虑到篇幅限制, 仅列出2025年、2030年及2045年预测值(表9)。根据预测结果, 山东省农业碳排放量在2020年后持续下降,在2030年前已达到峰值, 这与付帮杰的研究结论一致。16地市中枣庄、东营等7个地市农业碳排放量在2020年后仍有上升趋势, 但年均上升幅度持续下降。济南、青岛等其他9个地市碳排放量呈逐年下降趋势, 在2030年前均已达到峰值。可见, 山东省控制农业碳排放要因地制宜, 根据各地市不同情况制定相应的减排目标, 以确保各地市2030年均能实现达峰, 并最终实现中和目标。

表9 2025年、2030年和2045年山东省及16地市农业碳排放量预测值Table 9 Forecasted agricultural carbon emissions in Shandong Province and 16 cities in 2025, 2030 and 2045 ×104 t

3 结论与建议

3.1 结论

通过测算山东省2000-2020年农业碳排放量及碳排放强度, 分析其时空变化规律、碳排放结构, 并对其影响因素进行总结, 预测了山东省农业碳排放量变化趋势, 得到结论如下:

2020年山东省农业碳排放量为1583.4万t, 农业碳排放强度为0.205 t·万元, 2000-2020年山东省逐年农业碳排放量呈先增长后波动下降的趋势, 农业碳排放强度呈持续下降趋势, 山东省农业正由粗放型向低碳节约型的绿色农业转变。农资投入是最大的农业碳源, 其排放量占农业碳排放总量的近五成, 其次是畜禽养殖, 农田土壤利用碳排放量占比最小。农资投入中化肥施用排放量最高。山东省16地市农业碳排放量及碳排放强度均呈现一定的空间非均衡性, 以农业生产为主、粮食作物种植面积占比大的地市碳排放量大、碳排放强度高, 经济作物种植面积占比大、经济较发达和工业相对发达城市农业碳排放强度低, 且区域差异呈现扩大趋势, 各地市的农业可持续发展水平差异越来越明显。

山东省农业生产效率、农业产业结构、地区产业结构及劳动力规模对农业碳减排起到一定作用,地区经济发展水平和城镇化率是导致农业碳排放量增加的主要因素。预测结果表明维持现在农业发展趋势和相应碳排放水平的基础上, 山东省农业碳排放量在2030年前已达到峰值, 济南、青岛等9市农业碳排放量在2030年前已达峰, 枣庄、东营等7地市未达峰, 山东省农业碳排放要实现2030年达到峰值, 减排任重道远。

3.2 建议

为有效控制农业碳排放总量, 进一步降低农业排放强度, 争取早日实现“双碳”目标, 考虑到山东省农业碳排放空间非均衡性, 各地政府应立足本土实际情况, 制定差异化的低碳农业发展政策。

第一, 大力发展各种集约型循环农业、低碳农业, 提升农资利用效率以减少农资投入碳排放量。农资投入碳排放量占山东省农业碳排放的47%～51%, 是最大的排放源。为实现碳减排, 要在保证粮食产量的前提下, 采取措施控制农资投入, 如积极推广有机肥及新型化肥施用方式, 实行测土配方施肥和平衡施肥, 推广新型肥料如长效肥、缓释肥以提升作物对肥料的利用效率, 从而减少化肥用量; 培育抗旱、抗病作物品种, 提高作物的水分利用效率和抗虫害的能力; 推广病虫害绿色防控技术, 减少灌溉和农药施用碳排放等。

第二, 积极调整农业内部产业结构, 促进产业减排, 扩大碳库以增加农业固碳。威海、日照、菏泽3市农业产业结构因素碳减排量明显小于其他地市,应进一步优化调整, 大力发展具有区域优势的林业、生态农业旅游产业, 加强林业的固碳能力; 充分发挥海洋资源优势, 大力发展碳汇渔业, 以实现农业的最优发展。调整种植业内部结构, 在保证基本粮食需求前提下增加经济作物种植面积, 提高农业综合生产能力, 并通过优选作物种类、提高种植技术以增加植物生产力和固碳能力。

第三, 提升畜禽养殖业低碳发展水平。畜禽养殖业碳排放量占山东省农业碳排放量的35%～41%,具有一定的减排空间。各地市可依照市场情况合理调整畜牧业结构, 优化牲畜品种, 提升饲喂技术的科学化和牲畜粪便处理的先进化水平, 以减少碳排放量。

第四, 加强宣传培训, 提升农民低碳发展意识。充分利用各种渠道和方式广泛宣传低碳农业, 提升农民对低碳农产品的安全性和优越性的认识, 让低碳生产和低碳生活成为农民共识, 促进农业生产方式转变和农业碳减排。开展技能培训, 提升农民掌握先进生产技术的水平, 提高农业生产效率, 促进碳减排。

第五, 加强农业碳排放统计与核算, 完善农业碳排放监测与计量体系, 建立农业碳排放数据信息系统和农业碳排放核算方法体系, 试点农业碳排放年度报告制度。

本文测算碳排放量时排放系数主要应用了现有成果, 难以体现出山东省差异化, 仅将主要排放源纳入研究, 未考虑如秸秆、有机肥还田对土壤温室气体排放的影响, 在预测部分选取了简单易操作的模型, 这些还有待进一步探究。本文的因素分析和预测结果可为相关研究提供一定的理论方向。