广西南宁市县域化肥施用碳足迹及其减排潜力

叶宗达，田 蕙，甘 昉，袁建龙，刘 灿，王 璐

(1.广西壮族自治区自然资源生态修复中心，南宁 530029；2.华南农业大学资源环境学院，广州 510642)

【研究意义】农业碳足迹与碳减排是当前“双碳”背景下碳排放研究的主要内容之一[1-2]。化肥碳排放是农业碳排放中的重要组成部分[3]，自20世纪70年代我国开始大力推行施用化肥以来[4]，截至2019年底，我国化肥施用量达5403.6万t(折纯量)，因此越来越多的学者开始关注化肥碳排放问题。广西是农业大省，粮食作物和经济作物播种面积较大，对化肥的需求也较大，随着化肥投入的不断增加，粮食的增产效益开始降低[5]，同时因过量化肥投入而产生的农业面源污染对农业可持续发展的桎梏性也日益凸显[6]。因此，研究广西南宁市县域的化肥碳足迹和碳减排潜力，对广西乃至全国制定差别化农业低碳政策具有重要意义。【前人研究进展】Vermeulen等[7]研究表明，19%～29%的温室气体排放量由粮食生产系统产生，其中80%～86%是农业生产过程所造成。世界粮农组织研究表明，在传统集约农业中有75%的二氧化碳来自化肥、饲料及燃料[8]。自2015年农业农村部制定并发布《化肥使用量零增长行动方案》以来，我国的化肥使用量呈明显下降趋势，其中2019年较2015年减少约10.28%。近年来国内外学者已开展不同空间尺度化肥施用、碳排放及碳减排潜力研究。其中，在国家层面，Wu等[9]基于生命周期碳足迹方法定量评估我国7种化肥的碳排放；Zhang等[10]分析发现，1980—2010年我国的氮肥碳排放增加了2倍；邓俊杰[11]运用2005—2013年三大粮食作物化肥施用情况的面板数据，分析了我国三大粮食作物区域碳氮排放的时空特征及在测土配方施肥技术条件下的碳氮减排潜力；张灿强等[12]在测土配方施肥数据的基础上，系统测算小麦、玉米和水稻三大粮食作物化肥投入的削减潜力。在区域和省级层面，Zhang等[13]通过实验观测方法研究我国南方旱地在连续施肥数十年后农田生态系统中的二氧化碳水平和碳平衡特征；Solinas等[14]运用碳足迹和社会碳成本方法定量评估5种施肥模式，以研究地中海地区不同施肥模式下温室气体的变化情况；张小有等[15]以江西省规模农户化肥使用量调研数据分析了化肥施用与碳减排间的关系；陈晓芳[16]采用生命周期理论对安徽省不同作物化肥施用能耗和碳排放进行了评价；王才军等[17]从农业投入角度测算化肥、农膜、农药、用电量及农用柴油的碳排放，结果发现农业生产中化肥施用导致的碳排放在整个农业投入碳排放中占据绝对支配地位。经济社会发展的基本单元是县域空间，而不同县域空间的经济社会发展程度和自然资源禀赋具有明显差异，农业碳排放具有多样性和复杂性，因此对小尺度的化肥碳足迹和碳减排潜力研究已成为当今研究的热点[18]。以上研究结果丰富了区域化肥碳足迹和碳减排研究的内容，为进一步深入开展县域尺度化肥碳排放研究提供了重要的思路和方法。【本研究切入点】至今，关于化肥碳足迹和碳减排潜力的研究主要从国家和区域尺度开展，鲜见针对县域尺度化肥碳足迹和碳减排潜力研究的报道。广西已开展测土配方施肥多年，急需对其化肥碳足迹的降低程度及区域内化肥碳减排潜力进行深入探究。【拟解决的关键问题】以广西南宁市县域(武鸣区、隆安县、马山县、上林县、宾阳县和横州市)为例，基于生命周期理论，参考化肥碳足迹计算模型和碳减排潜力模型定量分析其2005—2019年的化肥碳足迹和碳减排潜力，以期为广西及全国农业碳减排提供科学依据和可行路径。

1 材料与方法

1.1 研究区域及数据来源

以广西南宁市武鸣区、隆安县、马山县、上林县、宾阳县和横州市为研究区域(图1)，采集2005—2019年各县(市、区)的氮、磷、钾施用量(折纯量)及年末耕地面积、粮食产量等统计。数据主要来源于《中国农村统计年鉴》、《广西统计年鉴》和《南宁市统计年鉴》等。粮食作物的单位面积氮、磷、钾建议施用量来源于农业农村部印发的“小麦、玉米、水稻三大粮食作物区域大配方与施肥建议”。

图1 广西南宁市县域化肥碳足迹和碳减排潜力研究范围与区域

1.2 研究方法

1.2.1 化肥碳足迹计算方法 化肥碳足迹主要参考前人的研究方法[19-21]进行计算。基于生命周期理论，化肥碳足迹包括化肥(氮、磷、钾)在生产、运输、施用全过程直接或间接产生的温室气体排放，其中生产和运输阶段包括氮、磷、钾肥生产和运输过程的排放，施用阶段包括氮肥施用产生的N2O排放和氮肥施用所增加的土壤固碳量。生产、运输过程和N2O的排放为正排放，土壤固碳量为负排放。

CFij=GEFij+GENij+GESi

(1)

GEFij=∑[(EFpj+EFt)FAij]

(2)

GENij=∑[EFn×FAij×298×(44/28)]

(3)

GESij=∑[(a×FAij/A+b)×A×(44/12)×10-3]

(4)

F(CFij,GEFij,GENij)=(CFij,GEFij,GENij)/A

(5)

式中：CFij为第i年j地区的化肥碳足迹，主要以CO2排放当量(t CO2eq)表示在化肥施用过程中排放的温室气体总排放量，GEFij为第i年j地区氮、磷、钾肥生产和运输过程产生的碳排放，GENij为第i年j地区氮肥施用产生的土壤N2O排放，GESij为第i年j地区氮肥施用所增加的土壤固碳量；EFpj为氮、磷、钾肥生产排放系数，EFt为化肥运输过程排放系数，FAij为第i年j地区的氮、磷、钾肥施用量(折纯量)，参考Zhang等[22]、Chen等[23]的方法，确定氮肥的生产排放系数为8.000 t CO2eq/t，磷肥的生产排放系数为2.332 t CO2eq/t，钾肥的生产排放系数为0.66 t CO2eq/t，化肥的运输排放系数为0.027 t CO2eq/t；EFn为氮肥施用产生N2O的排放系数，298为N2O 100年的增温潜力，44/28是N与N2O的转换系数，氮肥施用产生N2O的排放系数为0.00483 t N2O-N/t；A为耕地面积，a和b分别为斜率和截距，参考Lu等[19]的方法，斜率取值1.5339，截距取值-266.7，44/12是二氧化碳与碳的转换系数；FCFij为第i年j地区化肥碳足迹强度(单位面积的化肥施用温室气体排放)，FGEFij为第i年j地区氮、磷、钾肥生产和运输碳足迹强度，FGENij为第i年j地区氮肥施用碳足迹强度。

1.2.2 化肥施用碳减排潜力测算方法 主要测算实际施肥情况下单位产品碳排放量EA、科学施肥情况下单位产品碳排放量EG和化肥施用的碳减排潜力PE。

EAj=(NAj×Cn+PAj×Cp+KAj×Ck)/Sj

(6)

EGj=(NGj×Cn+PGj×Cp+KGj×Ck)/Wj

(7)

PEj=Tj(EAj-EGj)

(8)

式中：EAj为实际施肥情况下j地区粮食作物化肥施用碳排放量，单位为t CO2eq，NAj为实际每667 m2氮肥施用量，PAj为实际每667 m2磷肥施用量，KAj为实际每667 m2钾肥施用量，氮、磷、钾肥施用量以折纯量计，Cn、Cp和Ck分别为氮、磷、钾肥的碳排放系数，Sj为j地区粮食作物实际每667 m2产量；EGj为科学施肥情况下j地区粮食作物化肥施用碳排放量，单位为t CO2eq，NGj为每667 m2氮肥建议施用量，PGj为每667 m2磷肥建议施用量，KGj为每667 m2钾肥建议施用量，Wj为j地区科学施肥情况下粮食作物每667 m2产量；PEj为科学施肥情况下j地区的碳减排潜力(在计算科学施肥情况单位产品碳排放量前提下，与实际施肥单位产品碳排放对比的减少量)，Tj为2019年j地区的粮食产量，EAj为j地区实际化肥施用碳排放量，EGj为j地区科学施肥情况下碳排放量，如果PEj>0，表明该地区存在减排潜力，如果PEj<0，表明该地区的化肥施用技术优于农业部给出的测土配方施肥参考值。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2013进行整理。基于各县域氮、磷、钾肥施用量(折纯量)数据，结合生命周期理论，参考化肥碳足迹计算方法，在Excel 2013中计算出氮、磷、钾肥生产和运输过程的碳排放、氮肥施用过程产生的N2O排放和氮肥施用的土壤碳固存等化肥从生产到施用全过程所造成的直接或间接碳排放。基于年末耕地面积在Excel 2013中计算出碳足迹强度，并结合ArcGIS自然断点法进行广西南宁市县域化肥碳足迹和碳负荷空间格局分析。参考农业农村部三大粮食作物施肥建议中广西的水稻和玉米建议施肥量，在Excel 2013中计算出化肥施用碳减排潜力。

2 结果与分析

2.1 广西南宁市县域的化肥施用碳足迹特征

2.1.1 化肥碳足迹总体变化趋势及构成 从图2可看出，广西南宁市县域15年间的化肥碳足迹呈单峰变化，平均为51.15×104t CO2eq，其中，2005年的化肥碳足迹最低，为41.52×104t CO2eq，2017年的化肥碳足迹达峰值，为74.54×104t CO2eq；与2005年相比，2019年广西南宁市县域的化肥碳足迹有所增加，增幅为48.60%，而与2017年相比，2019年化肥碳足迹降至61.70×104t CO2eq，下降17.23%。说明广西南宁市县域自2018年起已实现化肥使用量零增长目标，并开始实现化肥使用量负增长。

图2 2005—2019年广西南宁市县域的化肥碳足迹变化趋势

由表1可知，2005—2017年间对化肥碳足迹总量贡献最多的是氮肥生产和运输产生的温室气体排放(平均约为55.63×104t CO2eq)，其次是氮肥施用所造成的土壤N2O排放(平均约为15.67×104t CO2eq)，磷肥生产和运输产生的温室气体排放平均约为6.80×104t CO2eq，钾肥生产和运输产生的温室气体排放平均约为4.15×104t CO2eq，氮肥施用所增加的土壤碳固存平均减少31.11×104t CO2eq；在化肥碳足迹总量中，氮肥平均碳足迹(氮肥生产和运输过程碳排放、氮肥施用过程N2O排放、氮肥施用的土壤碳固存之和)为40.20×104t CO2eq，氮肥使用产生的碳排放约占总量的81.00%，而磷肥平均碳足迹为6.80×104t CO2eq，钾肥平均碳足迹为4.15×104t CO2eq。说明广西南宁市县域的大部分化肥施用温室气体排放来自氮肥施用，氮肥的使用是化肥碳足迹增加的最主要原因。

表1 2005—2019年广西南宁市县域的化肥碳足迹构成

2.1.2 各县(市、区)化肥碳足迹变化趋势 以ArcGIS自然断点法对化肥、氮肥生产和运输、磷肥生产和运输、钾肥生产和运输、氮肥施用及土壤碳固存碳足迹进行分类，结果见图3(囿于篇幅限制，在此只展示2019年的情况)。2019年广西南宁市县域的化肥碳排放普遍较低，平均为10.28×104t CO2eq，其中，化肥碳足迹较高的地区主要分布在武鸣区(31.48×104t CO2eq)、隆安县(9.26×104t CO2eq)和宾阳县(9.82×104t CO2eq)；氮肥生产和运输碳足迹、氮肥施用N2O排放与化肥碳足迹的分布区域基本一致，说明氮肥对温室气体排放的贡献最大；磷肥和钾肥生产运输碳足迹最大的区域主要分布在武鸣区，与氮肥生产和运输碳足迹高水平区域一致；就土壤碳固存而言，武鸣区、横州市和宾阳县的土壤碳固存较大，分别为-8.43×104、-8.01×104和-7.08×104t CO2eq。总体而言，武鸣区的化肥碳足迹最高，但土壤碳固存最大的区域也是武鸣区。

图3 2019年广西南宁市县域的化肥碳足迹

2.2 广西南宁市县域化肥碳足迹负荷的变化特征

根据1.2.1中碳足迹强度计算公式计算出化肥、氮、磷、钾肥生产和运输及氮肥施用的碳足迹强度，从而得到各指标在空间上的变化规律。根据计算结果，广西南宁市县域的平均化肥碳足迹强度(1.72 t CO2eq/hm2)高于我国碳足迹负荷上限[21](1.22 t CO2eq/hm2)，其中，化肥碳足迹强度较高的区域为武鸣区(3.64 t CO2eq/hm2)和隆安县(2.83 t CO2eq/hm2)，而马山县、上林县和横州市的化肥碳足迹强度(分别为0.64、1.09和0.73 t CO2eq/hm2)处于中低水平(图4)。对比2.1化肥施用碳足迹可知，广西南宁市县域的化肥施用碳足迹与碳足迹强度在空间上分布趋于一致，说明广西南宁市县域尺度化肥碳足迹的增加是由碳足迹强度增加所致。

图4 2019年广西南宁市县域的化肥碳足迹强度

2.3 广西南宁市县域的化肥碳减排潜力

根据农业农村部发布的“小麦、玉米、水稻三大粮食作物区域大配方与施肥建议”，查找广西南宁市的施肥建议和推荐配方，基于1.2.2中单位产品碳排放量计算公式计算出在科学施肥建议条件下广西南宁市各县(市、区)粮食作物化肥施用的单位产品碳排放量，最后基于1.2.2中碳减排潜力计算公式计算出实际化肥碳减排潜力。由表2可知，在科学施肥条件下，广西南宁市各县(市、区)的单位产品碳排放量均为0.356 t CO2eq，而在实际施肥情况下，武鸣区、隆安县和宾阳县的单位产品碳排放量较高，分别为0.970、0.637和0.392 t CO2eq；化肥碳减排潜力最高的是武鸣区，为20.21×104t CO2eq，其次为隆安县和宾阳县，化肥碳减排潜力分别为4.49×104和1.25×104t CO2eq，而马山县、上林县和横州市粮食种植的实际施肥水平基本达到农业农村部测土配方施肥技术给出的建议，无化肥碳减排潜力，即广西南宁市县域的化肥碳减排潜力总计为25.95×104t CO2eq。可见，广西南宁市县域的化肥碳减排潜力较大。

表2 2019年广西南宁市县域的化肥碳减排潜力

3 讨 论

本研究结果表明，广西南宁市马山县、上林县和横州市的化肥碳足迹处于中低水平，化肥碳减排潜力较低，但南宁市总体的碳减排潜力仍然较大，从某种程度上可反映广西的测土配方施肥技术还有较大推广空间；从化肥碳足迹构成方面来看，近几年来南宁市县域氮肥使用产生的碳排放约占总量的81.00%，与田沛佩等[21]研究结果基本一致；化肥施用碳足迹强度的增加是碳足迹增加的重要原因，与陈同斌等[24]研究结果一致；从化肥施用整个生命周期来看，氮肥生产和运输产生的温室气体排放占比最高，原因是目前我国的氮肥生产技术和生产成本与国外存在较大差距，且这种差距在小企业中更突出[25]，因此，我国未来可针对化肥生产源头优化其生产过程，以减少化肥生产过程带来的温室气体排放。虽然2019年广西南宁市县域的化肥碳排放普遍较低(平均为10.28×104t CO2eq)，但化肥碳足迹较高地区主要分布在武鸣区、隆安县和宾阳县，磷肥和钾肥生产运输碳足迹最大的区域主要分布在武鸣区，与氮肥生产和运输碳足迹高水平区域一致，而土壤碳固存最大的区域也是武鸣区，说明武鸣区在农业生产过程中缺乏对经济作物施肥的指导，碳减排推广体系不健全，对施肥建议卡的应用存在瓶颈问题[26]，未来应继续加大测土配方施肥技术研究与推广应用力度。

对比农业农村部的配方与施肥建议，广西南宁市县域的化肥使用量可减少25.95×104t CO2eq，减排潜力最大的县(市、区)为武鸣区(20.21×104t CO2eq)。广西南宁市武鸣区是全国的农业大区，2020年的三产结构为40.3∶23.1∶36.6，第一产业占据主要地位[27]，其化肥施用强度较大，其中2019年化肥施用强度为1.93 t/hm2，高于其他县(市、区)，也远高于全国平均水平的0.47 t/hm2。黄晶晶等[28]研究表明，广西南宁市武鸣区的氮肥利用率为30%～40%、钾肥利用率为30%～60%，磷肥的利用率相比氮肥和钾肥更低，一般为10%～25%[29]，说明武鸣区农户存在施用化肥过量问题，施用的大量化肥未被农作物吸收利用。随着武鸣区不断落实《化肥使用量零增长行动实施方案》和《南宁市武鸣区化肥减量增效示范项目实施方案》，近两年来其化肥碳足迹已开始呈下降趋势。展进涛和徐钰娇[30]研究认为，环境规制政策对农业绿色全要素和粮食安全均产生正向影响，构建“环境规制组合”体系是促进农业绿色生产率增长的关键。武鸣区制定的一系列政策措施将有效推动区域碳减排，未来还应继续研究环境规制对农业碳减排的影响机制、作用效果和贡献程度，以及如何建立基于碳排放约束的农业碳减排优化调控方案和路径。

王珧等[31]研究认为，为更好地促进我国粮食主产区农业碳减排,政府应强化农技推广和投入,依靠农业技术进步实现碳减排。从化肥碳减排潜力方面来看，Freibauer[32]等、米松华[33]研究显示，化肥碳减排潜力不仅受生化原理和化肥价格影响，还受到诸如制度、观念、教育、技术推广和政策等的影响。本研究中，总体上广西南宁市县域的碳减排潜力(25.95×104t CO2eq)较大，就化肥施用整个生命周期而言，对化肥碳足迹总量贡献最多的是氮肥生产和运输产生的温室气体排放。因此，在农业绿色发展的要求下，建议广西农业碳减排实施以下路径：其一是推进化肥减量化，以有机肥替代化肥，积极引进缓释肥料新品种，并在试验示范的基础上进行推广，从源头减少碳排放；其二是构建农业生产与信息监管平台，掌握肥料、农药、农膜、土壤类型、质地、地形、种子形式、种植密度、耕作方式、施肥情况和气象条件等基础信息，提升生产精准化和智慧化水平，以实现农业生产过程低碳和高效化。

4 结 论

广西南宁市县域的化肥碳足迹在2005—2019年间呈单峰变化，大部分化肥施用温室气体排放来源于氮肥施用。其中，2005—2017年化肥碳足迹缓慢增长，2017年达峰值，在2017年后持续下降；化肥施用碳足迹强度的增加是碳足迹增加的重要原因；总体上广西南宁市县域的碳减排潜力较大。