江苏省粮食生产碳排放时序特征及脱钩弹性分析

蒋 岩， 韦陈华， 董振杰， 汪 源， 赵 灿， 霍中洋

(江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学，江苏扬州 225009)

全球气候变暖是当前世界亟待解决的严峻问题，气候变暖导致的海平面升高、冰川融化、极端天气频发等危害严重威胁人类生存和社会持续发展。人类活动造成的温室气体排放是引起全球变暖的主要根源。自1750年工业革命后，全球经济腾飞发展，温室气体排放量也随之急剧上升，使得全球平均气温升高1 ℃左右，引起全球气候剧变。为此，学者呼吁改变传统以牺牲环境换取经济发展的方式，尽可能减少高碳能源消耗，大力发展低碳经济，寻求环境友好的经济发展方式。我国为应对气候变化，在2003年提出“低碳经济”概念之初便将节能减排与生态环境保护作为经济发展的主要任务，在《巴黎协定》通过前便向世界做出减排承诺。从“十一五”起，我国通过顶层设计严格管控碳排放，落实一系列政策和方案践行和落实我国的减排承诺。在2020年9月的第七十五届联合国大会，国家主席习近平提出“2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”这一重大战略目标，充分体现了大国领袖卓越的战略眼光，彰显了我国在全球气候变化问题上的责任担当。

当前碳排放的估算方法主要有排放因子法、质量平衡法、实测法和模型法。其中，排放因子法应用最为广泛，该方法主要根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的《2006年国家温室气体清单编制指南报告》获取排放因子，我国也编写完成《省级温室气体清单编制指南》。农田、森林、草地等生态系统的光合作用实现碳汇，而农业生产活动也是仅次于工业活动的碳排放源。农业活动以粮食生产为主，维持口粮自给自足是我国立国之本，关系着国运民生，如何平衡粮食产出和农业生产碳排放之间的矛盾成为我国农业发展面临的挑战。周思宇等研究发现，与1979年相比，我国东北三省2015年农作物生产碳排放强度降低了1.54 t/hm，但排放总量提高了22%，主要与土地管理方式及农用品投入有关。侯颖等衡量了农田人为活动所产生的碳排放，结果发现自然湿地改造成农田后，碳排放总量从-15.38 t升高至6.54 t，田间种植和化肥投入是主要的碳来源。严圣吉等进一步指出，甲烷(CH)、氧化亚氮(NO)是作物生产中主要的碳排放产物，分别占排放总量的23%和15%。邱子健等研究了江苏省农业碳排放时序特征，结果发现种植业的排放量远高于畜牧业，约占75%。上述研究都表明我国农业生产活动碳排放构成复杂，时序变化大，合理估算和分析这些变化有利于更好地实现碳减排。

作为粮食生产大省，江苏省在全国3.39%的耕地上产出了5.58%的粮食。为了更好地评估江苏省粮食生产碳排放现状，本研究通过排放因子法估算了江苏省粮食生产碳排放当量，分析2000—2020年碳排放的时序特征和排放结构变化，并分析了粮食生产碳排放和总产值间的脱钩关系，以期为江苏省实现碳达峰和早达峰提供量化参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 粮食生产碳排放估算

参考前人研究，选取粮食生产中6个碳源：化肥、农药、农膜、农用柴油、土地翻耕和水稻种植，建立粮食生产碳排放估算框架，各碳源的碳排放系数和数据来源见表1，估算模型如下：

(1)

式中：为碳排放量；为第种排放源的碳排放量；为第种排放源的活动水平；为第种排放源的碳排放系数。水稻种植主要产生甲烷(CH)，将其按IPCC评估报告中百年尺度CO增温潜势的28倍换算成CO来计算碳排放系数。

表1 粮食生产碳排放源和排放系数

为衡量江苏省2000—2020年生产单位粮食所带来的碳排放量，引入单位粮食碳排放量概念，公式如下：

=。

(2)

式中：为单位粮食碳排放量；为粮食生产碳排放量；为粮食产量。

1.2 Tapio脱钩模型

选用Tapio脱钩模型来度量粮食生产碳排放量与产值变化间的关系，可分为负脱钩、脱钩和连接3种类型，脱钩状态的划分依据为0.8和1.2，细分的8种具体状态见表2。

脱钩弹性系数公式如下：

=(Δ)(Δ)。

(3)

式中：为脱钩弹性；为粮食生产碳排放量；Δ为粮食生产碳排放的增量；为粮食总产值；Δ为粮食总产值的增量。

表2 Tapio脱钩弹性类别

1.3 数据来源

本研究中，粮食产量、化肥、农药、农膜、农用柴油、土地翻耕和水稻种植面积等数据均来自历年《江苏省统计年鉴》。其中，化肥使用量为折纯量，粮食产量为包括谷物、杂粮、薯类和豆类等在内的原粮。土地翻耕面积用农作物总播种面积代替(不包含水稻种植面积)。粮食总产值包括谷物、杂粮、薯类和豆类。采用GDP可比价，以2000年作为价格基期计算粮食总产值。

2 江苏省粮食生产碳排放时序特征和脱钩弹性分析

2.1 粮食生产时序特征分析

江苏省是粮食生产、流通和消费大省，优越的自然资源条件使江苏产粮优势明显。由图1可知，2000—2020年江苏省粮食产量呈现先降后升的趋势，在2003年取得最低值2 471.85万t。在粮食安全受到威胁时，江苏省通过政策调控、助农补贴和技术指导等手段确保粮食生产能力回升，并在2020年达到峰值3 729.06万t，较2000年提高了20.04%。年间增长为当年较前年粮食产量增长率，在2001—2003年逐年降低，分别降低5.30%、1.19%和14.97%。在2004年触底反弹，增长14.45%，在2009年后维持平稳增加的趋势，平均年间增长率为1.34%。环比增速为当年较2000年粮食产量增长率，2001—2006年粮食产量均低于2000年，其中2003年较2000年低20.43%，严重威胁省内粮食安全。2007年后粮食产量开始高于2000年，粮食安全问题逐渐解决。现阶段，省内粮食产量增长基本匹配人口增长，实现自给自足，但仍需重视粮食生产，缓解我国粮食自给压力。

2.2 碳排放时序特征分析

2.2.1 总碳排放当量 根据式(1)估算出江苏省2000—2020年粮食生产碳排放当量，2000—2020年江苏省粮食生产碳排放总体呈现先降后升再缓慢降低的趋势(图2、表3)。在2003年达到最低值，为782.50万t。在2010—2014年维持在890万t左右的水平，然后逐步降低。从年度增长来看，江苏省碳排放在2001年、2003年、2004年和2005年波动较大，分别为-3.91%、-3.15%、6.73%和3.38%，2005年后波动区间为-1.76%～1.59%，2000—2020年的年间增长率平均为-0.04%。从环比增长来看，2001—2004年碳排放低于2000年，分别低3.91%、4.63%、7.63%和1.42%。2005—2018年碳排放高于2000年，平均高3.82%。2019年和2020年江苏省粮食生产碳排放总量分别为840.88万和837.00万t，分别较2000年的847.15万t降低0.74%和1.20%。

2.2.2 单位粮食碳排放量 与2000年相比，江苏省粮食产量增长20.04%，而碳排放总量降低1.20%，说明随着粮食生产方式和栽培手段的创新，单位粮食生产所带来的碳排放当量大幅降低。为了衡量这一变化，引入单位粮食碳排放量，为粮食产量与碳排放总量的比值(表3)。2000年生产1 t粮食带来的碳排放量为0.272 7 t，2001—2008年的单位粮食碳排放量均高于2000年，最高值为2003年的0.316 6 t/t。2008年后单位粮食碳排放量逐步降低，2020年生产1 t粮食带来的碳排放量仅为0.224 5 t，较2000年降低了17.69%。

2.2.3 生产要素碳排放当量 由表3可知，从粮食生产要素碳排放量来看，碳排放以化肥投入和水稻种植为主，土地翻耕产生的碳排放当量最少。2020年，化肥、农药、农膜、农用柴油、土地翻耕和水稻种植的碳排放当量分别为251.44万、32.42万、55.16万、94.34万、10.01万、393.63万t，同比2000年分别增长了-16.31%、-28.20%、71.73%、42.88%、3.30%、-0.03%。从20年变化来看，化肥和农药碳排放当量整体逐年下降，农膜、农用柴油和土地翻耕整体逐年上升。水稻种植碳排放当量呈先降后升的趋势，2005年后稳定在390.31万～403.17 万t间，波动较小。在碳排放总量波动较大的2001年、2003年、2004年和2005年，水稻种植带来的碳排放当量年间增长分别为-8.77%、-7.12%、14.77%和4.56%。这说明水稻种植面积的变化是上述年份碳排放总量波动的主要原因。

表3 江苏省2000—2020年粮食生产碳排放情况

2.3 碳排放结构时序特征分析

图3为不同碳排放源带来的碳排放当量占当年粮食生产碳排放当量的比值，反映江苏省粮食生产碳排放结构在20年内的变化。2020年碳排放源按占比大小依次为水稻种植、化肥、农用柴油、农膜、农药和土地翻耕，分别占47.03%、30.04%、11.27%、6.59%、3.87%和1.20%。从20年内结构变化来看，水稻种植的碳排放占比先降后增，在2003年最低，占比为42.04%，在2004—2015年稳定在45%左右，2015—2020年逐步上升。综合碳排放总量和水稻种植碳排放当量来看，该阶段上升的主要原因与碳排放总量的降幅大于水稻种植碳排放的降幅有关。化肥投入的碳排放量占比先增后降低，2003年达到峰值， 为38.42%。 2004年后逐步降低，从36.12%降低至2020年的30.04%。农药投入的碳排放占比呈降低趋势，从2000年的5.33%降低至2020年的3.87%，这主要和江苏省减肥减药政策和栽培技术优化有关。轻简高效施肥模式和新型缓控释肥提高了肥料的利用率，生物防治部分替代了化学防治，从而实现减肥减药、稳产减排。农用柴油投入的碳排放占比在2000—2007年保持在8%左右，2008年后逐年上升，从2008年的8.35%上升至2020年的11.27%，这和江苏省较高的农业生产机械化率有关。农膜带来的碳排放占比呈升高趋势，从2000年的3.79%上升至2020年的6.59%。农膜有着增温保湿的作用，促发芽和幼苗生长，通常用在作物生长初期，江苏省薄膜育秧、地膜覆盖等栽培农艺的推广普及提高了省内农膜使用量，从而使得农膜碳排放占比升高。值得注意的是，2009年后农膜投入的碳排放占比开始超过农药投入的碳排放占比，成为粮食生产碳排放第4位碳排放源。

2.4 脱钩弹性分析

根据公式(3)研究江苏省粮食生产碳排放脱钩弹性(表4)。江苏省2000—2020年粮食生产总产值持续增长，经济增长波动范围为0.006 6～0.072 7。粮食生产碳排放变化方面，2001—2003年呈负增长，2004—2011年呈正增长，2012年呈负增长，2013年呈正增长，2014—2020年呈负增长。脱钩弹性特征为扩张连接、弱脱钩和强脱钩， 其中除2004年和2005年外均呈脱钩状态。强脱钩代表经济正增长，而碳排放负增长。综合前文来看，2001—2003年的强脱钩主要和粮食生产能力下调有关，严重威胁了粮食安全，是一种舍本逐末的强脱钩状态。扩张连接表明碳排放量与经济增长比例基本相当，呈线性关系(弹性系数在0.8～1.2)。2004年和2005年，粮食生产的反弹增长使碳排放带来的环境压力正增长，从而达到扩张连接的状态。2006—2011年保持弱脱钩状态，碳排放量虽有增长，但涨幅不及经济增长，且该阶段粮食产量持续增长，说明江苏省内惠农政策和栽培农艺推广初现成效，粮食生产碳排放调控态势良好。2011年后开始向强脱钩过渡，在维持粮食稳定增长的前提下，粮食生产碳排放量开始出现下降趋势。在2014年由弱脱钩转变为强脱钩后，2015—2020年连续6年强脱钩，且与2001—2003年相比，强脱钩的代价并非粮食产量降低，而是政策支持、技术推广、生产调控和低碳理念等所带来的理想型降低，有助于维持粮食安全，符合国家战略发展需求。

表4 江苏省2000—2020年粮食生产碳排放弹性结果

3 结论与建议

3.1 结论

本研究从粮食生产农用品投入、土地翻耕和水稻种植角度，根据碳排放因子法估算了2000—2020年江苏省粮食生产碳排放情况，分析了20年内江苏省粮食产量、碳排放量和结构的时序特征，并根据Tapio脱钩模型分析了粮食生产碳排放和总产值间的变化关系，主要结论如下。

(1)江苏省粮食产量在2003年后触底反弹，随后平稳增加。2020年粮食产量水平为3 729.06万t，较2000年的3 106.63万t提高了20.04%。同年总碳排放量为837.00万t，较2000年的847.15万t降低了1.20%，单位粮食碳排放量从0.272 7 t/t降低至0.224 5 t/t，降低了17.69%。江苏省粮食生产碳排放量主要来源为水稻种植和化肥投入，2020年碳排放量分别为393.63万和251.44万t。化肥和农药的碳排放量逐年降低，而农膜、农用柴油和土地翻耕的碳排放量逐年提高，水稻种植带来的碳排放量在2005年后维持平稳。这些结果表明近些年江苏省轻简化绿色生产和栽培技术推广成效显著，农业逐步走向低碳化。

(2)从排放结构来看，水稻种植的碳排放占比最高，平均在45%左右。化肥、农药的碳排放占比从最高值38.42%和5.90%降低至2020年的30.04%和3.87%，减肥减药成效明显。农膜、农用柴油和土地翻耕的碳排放占比分别从最低值3.79%、7.79%和0.98%提高至2020年的6.59%、11.27%和1.20%，农膜的碳排放占比自2009年后超过农药。这些结果说明江苏省碳排放结构时序变化较大，后续政策制定应继续保持减肥减药原则，引导农膜使用标准化，通过栽培技术优化水稻种植碳排放。

(3)江苏省2000—2020年碳排放脱钩弹性指数分布在-3.038 7～0.947 3，呈现出扩张连接、强脱钩和弱脱钩3种状态。2001—2003年的强脱钩主要与粮食产量的下降有关，是一种舍本逐末的脱钩状态。2004年和2005年因粮食生产的反弹增长呈现扩张连接状态，随后维持较长时间的弱脱钩状态。自2014年转变为强脱钩后，2015—2020年连续6年呈强脱钩状态，且粮食产量稳定上升，是由多方面努力实现的理想型脱钩状态。

3.2 建议

根据本研究结果，兼顾粮食安全、绿色低碳生产和种植业经济效益考虑，从政策引导、栽培农艺和碳排交易等角度提出如下建议。

3.2.1 加强顶层布局，制度引导减排 为推行绿色低碳的种植模式，促进农业可持续发展，我国在化肥农药投入、畜禽粪便管理及农业废弃物循环利用方面先后出台了一系列政策法规。正如本研究发现的，化肥和农药投入所带来的碳排放逐年降低。但粮食生产涉及多生产要素的投入，本研究发现的农膜和农用柴油的碳排放量逐年上升，需加以警惕。应进一步细化碳减排政策，针对区域重点碳排放源有针对性地控排、减排。政府应加强顶层布局，通过颁布法律法规、建立粮食低碳生产技术标准、碳减排考核制度等干预和引导种植户低碳生产。

3.2.2 优化栽培农艺，技术推动减排 农业是立国之本，粮食生产关系国运民生，保障粮食自给自足有重要的战略价值。技术创新是平衡粮食产出和粮食生产碳减排的主要途径。粮食生产中肥料、农药等生产要素的投入，旋耕、灌溉方式等措施都会影响碳排放。在栽培措施上，用免耕或少耕替代深耕，用间歇性节水灌溉替代传统灌溉方式都能降低碳排放。复种经济作物，推广间套作，适度优化种植结构也可显著降低温室气体排放。此外，水稻种植过程中，通过秸秆还田、侧深施肥、绿肥固碳、选用低排放水稻品种和高效肥料产品等手段都能实现减碳增汇。

3.2.3 发展碳排交易，机制促进减排 碳排放交易是将温室气体排放权作为商品进行买卖，是平衡区域温室气体排放供需的市场机制。目前我国有7个试点碳市场，控排产业需按配额排放，超额需购买额外配额，从而控制排放总额不变，按需交易配额。农业兼顾碳排和碳汇，应考虑将农业种植所产生的碳汇纳入工业碳交易市场，通过工业反哺农业。此外，发展农业碳市场还有助于鼓励农户低碳生产，通过售卖碳排放配额、政府补贴等手段，激励种植户低碳种植，减肥减药，促进粮食生产碳减排。