张千禧 ,曹 智 ,王介勇
(1.中国科学院地理科学与资源研究所/中国科学院区域可持续发展分析与模拟重点实验室 北京 100101;2.中国科学院大学资源与环境学院 北京 100049)
二氧化碳、甲烷等温室气体排放导致全球气候变化、极端气候事件频发,严重威胁全球可持续发展[1]。我国是世界第一大碳排放国,2020 年我国提出力争于2030 年前达到峰值,2060 年前实现碳中和,为应对全球变暖贡献中国力量。2022 年10 月,党的二十大再次强调生态优先、节约集约、绿色低碳的发展理念,明确提出推动形成绿色低碳的生产方式和生活方式的发展要求。
乡村占我国国土面积的94%以上,具备生产、生活、生态等多种功能,兼有碳源、碳汇两类属性[2-3]。乡村以农业为本,农业碳排放约占全球碳排放总量的30%[4];在我国,乡村振兴战略的提出加快了农业现代化进程和乡村居民消费结构转型,乡村农业生产和居民生活所需的能源消费增加,乡村碳排放呈加速增长态势[5-6]。乡村亦被视为重要碳汇,WRI (World Resources Institute,世界资源研究所)报告指出农业是唯一可能在短期内转化为净碳汇的国民经济部门,农作物和土壤微生物的呼吸作用可以吸收大气二氧化碳,若通过改善农业生产技术和作物种植模式等途径使农业碳汇年均增长4‰,2035年全球变暖态势即可扭转[7-8]。推进乡村减排固碳,是助力实现双碳目标的重要途径和乡村高质量发展的关键环节。
乡村碳效应包括乡村碳排放效应和乡村碳汇效应[9]。乡村碳排放效应源于农业生产活动和居民生活能源消费两方面,由于缺少统一的核算标准,采用不同计算范围、方法、指标等测算得到的乡村碳排放总量差异较大;以2008 年的测算结果为例,采用能值转换法、排放参数法、农田碳排放综合核算法等不同方法,乡村碳排放计算结果差别可达7568 万t[10-14]。乡村生活碳排放包括直接碳排放和间接碳排放,直接碳排放指电力、煤炭等能源商品消费所造成的碳排放,通常使用碳排放系数法核算;间接碳排放指居民衣食住行等行动造成的碳排放,多使用投入产出模型分析[15-16]。当前,以对比城乡居民生活碳排放差异及其变化特征为重点的研究相对丰富,单独聚焦乡村生活碳排放的研究较少。快速城镇化进程中,城乡居民生活直接碳排放差距缩小,但间接碳排放差距扩大[17-19]。如果同时考虑直接和间接碳排放,使用生命周期法和排放系数法计算得出的乡村生活碳排放变化趋势相反[20-21]。
碳汇指从大气中消除碳量的过程,乡村碳汇效应主要依靠农业生产过程中的农作物固碳和农田土壤固碳[9,22]。省域尺度尤其农业大省的乡村碳汇研究关注度较高,而从宏观层面反映全国乡村碳汇情况的研究尚不充分。王喜等[23]、邢燕燕等[24]、吕斯涵等[25]分别测算了河南、陕西、山东等省份的农业碳汇;就全国而言,近几十年来我国乡村农业碳汇具有波动式增长的特征[26-27]。陈罗烨等[28]、杨果等[29]同时考虑了农业生产碳排放和农业碳汇,但未将居民生活碳排放纳入核算范畴,其研究结果仍不能全面反映我国乡村碳效应现状。
综上所述,现有的乡村碳效应研究大都单独讨论乡村农业生产碳排放、居民生活碳排放或乡村农业碳汇,鲜有研究将乡村生产、生活碳排放与乡村碳汇置于同一框架中进行分析。此外,采取不同计算方法、指标等得出的乡村碳效应核算结果差异较大,仍未达成一致结论。同时,多数乡村碳效应研究在中小尺度进行,基于宏观视角揭示我国乡村碳效应现状的研究较为欠缺。
鉴于此,本文首先基于乡村地域系统理论构建涵盖乡村农业生产碳排放、居民生活碳排放、农业碳汇的乡村碳循环体系,定性分析乡村人口、土地、产业与乡村碳效应间的相互作用机制。其次,汇总现有的乡村碳排放和乡村农业碳汇定量研究结果,使用Meta 分析方法评价结果的差异性,并合并得到综合效应量。最后,归纳乡村碳效应的主要影响因素及其影响机制,整合乡村减排增汇措施,提出“双碳”目标导向下的乡村治理建议。研究可以从系统视角定量认知乡村地域碳效应,对乡村地区探索低碳发展模式、制定低碳发展策略具有科学参考。
乡村地域系统是在特定乡村范围内,由人文、经济、资源、环境相互作用构成的、具有一定结构、功能、区际联系的复杂开放系统,为系统分析乡村碳效应提供理论视角[30]。依据核心要素的差异,乡村地域系统可划分为农业系统、村庄系统、乡域系统、城镇系统等子系统,各子系统通过物质、能量、信息的交换产生紧密联系,成为相互依存的有机整体[31]。
农业系统内,牲畜养殖和作物种植等农业生产活动最为活跃[32]。动物体内的瘤胃微生物发酵作用和动物粪便处理均会产生CH4,乡村牲畜养殖造成的碳排放全球占比近15%,是碳排放的主要来源之一[33]。作物种植过程中化肥、农药、农膜的生产与使用,农业机械燃油和农田灌溉耗电,翻耕导致的农田土壤暴露与侵蚀会使乡村农业碳排放增加[32];同时,农作物光合作用和农田土壤中固碳自养微生物的同化作用能将大气CO2转化为有机碳,将其固定在植物体和土壤内[34]。
村庄系统、乡域系统和城镇系统是人类衣、食、住、行等生活活动的集中地[15]。直接消耗炭、电力、天然气等化石能源的乡村居民行为包括烹饪、供暖、交通等,间接造成碳排放的活动以食品、服装、文娱产品等商品为主[35]。与城市相比,乡村居民生活直接碳排放核算通常不包括清洁卫生活动[20]。
碳循环是碳元素借助自然过程和人类活动在大气和土壤碳库中不断交换的过程[35]。由上文可知,在乡村地域系统内,作物种植、家畜养殖和居民生活碳排放是大气碳库的主要来源;伴随作物生长,大气碳库中CO2以有机碳的形式被固定在农田土壤和植物体内,并在进行新一轮翻耕、灌溉等耕作活动后再次进入大气碳库,碳元素在各乡村子系统间不断循环,形成乡村碳循环体系(图1),该体系可作为梳理、综述现有乡村碳效应研究的基本框架。
图1 乡村碳循环体系Fig.1 Rural carbon cycle system
Meta 分析方法是对具有相似主题的实证研究结果进行定量合并的文献分析方法。对某特定主题研究而言,各项独立研究的权重等于该研究样本量与全部同主题研究总样本量的比值,各项研究结果的加权平均值即为该主题定量研究结果的合并值[36]。与传统的叙述性文献综述相比,Meta 分析能有效减少综述者主观偏好对研究结论的影响,提高综述结论的真实性和准确性[37]。本文使用Stata 17.0 软件进行Meta 分析与制图。
本文遵循文献检索-文献筛选-数据提取-结果分析的基本思路,通过中国知网数据库,利用“乡村碳排放” “农业碳排放” “乡村生活碳排放” “城乡居民生活碳排放” “农业碳汇” “乡村碳汇”等多个关键词检索文献,并遵循如下标准进行筛选: 1)研究性质是定量的实证研究,并以列表形式给出了具体核算结果;2)研究区为中国,研究尺度为全国尺度;3)各研究核算的温室气体均包括CO2、CH4和NO2;4)生活碳排放核算需包括直接和间接碳排放。最终,乡村农业生产碳排放、居民生活碳排放和乡村农业碳汇各有16 篇、5 篇和6 篇文献纳入Meta 分析范畴(表1)。
表1 中国乡村碳排放与碳汇相关文献的筛选结果Table 1 Screening results of literatures concerning rural carbon emission and carbon sink in China
乡村农业生产碳排放核算的界定形式可概括为两类: 1)仅核算种植业生产中化肥、农药、农膜、翻耕、农地灌溉和农机利用造成的碳排放;2)以第1 类为基础,同时核算禽畜养殖过程中禽畜肠道发酵和粪便管理造成的碳排放。依据Meta 分析方法对各类定量研究结果进行合并。结果表明,1995-2020年我国年均乡村农业生产碳排放总量约53 552.13万t CO2(若无特殊说明,下文中碳排放均指CO2量)(图2),已超美国农业碳排放峰值(WRI 报告显示,美国于2007 年实现碳达峰,当年农业碳排放总量约47 820 万t)。OECD (Organization for Economic Cooperation and Development,经济合作与发展组织)数据显示1949 年以来我国年均碳排放总量约516 479万t,由此可知农业(指本文核算的种植业与养殖业)碳排放占我国年均碳排放总量的10.37%。
图2 中国乡村农业生产和居民生活碳排放核算结果汇总Fig.2 Summary of the carbon emission accounting results of rural agricultural production and residential living in China
1993-2020 年我国种植业(狭义农业)年均碳排放总量为8128.14 万t,不同研究核算结果的差异可达3888.07 万t (图2);1995-2018 年养殖业年均碳排放总量为18 286.55 万t,是种植业的2.25 倍,不同研究核算结果的差异为31 011.72 万t,约是种植业的8 倍(图2)。参考国家统计局公开数据和现有研究成果[38-39],我国种植业和养殖业碳排放强度(单位产值排放的CO2)分别为0.15 t(CO2)·(万元)-1和0.88 t(CO2)·(万 元)-1,碳 减 排 成 本 分 别 为557.18 元·t-1和1352.80 元·t-1,意味碳排放量每减少1 万t,种植业和养殖业总产值分别减少6.67 亿元和1.14 亿元,减排成本各增加0.06 亿元和0.14 亿元,碳减排贡献率(即碳减排量在全国碳排放总量中的占比)仅0.0002%,而农业经济增长贡献率的降幅分别是其42.5 倍和8.00 倍。
禽畜养殖总产值低于种植业,但单位产值碳排放量更多,减排效果相同时减排成本更高,因此,为兼顾生态和经济效益,应将减少禽畜养殖碳排放作为乡村农业生产碳减排的重点。如果仅考虑动物肠道发酵和粪便管理两类养殖业碳排放源,动物肠道发酵年均碳排放占养殖业碳排放的67.40%,为5428.82 万t,约为粪便管理碳排放的2 倍(图3)。牛羊等反刍动物贡献了肠道发酵碳排放的66.71%,即养殖业碳排放的44.96%[40-41],减少牛羊养殖能有效减少肠道发酵碳排放。
图3 中国养殖业(1995—2013 年)与种植业(2003—2019 年)碳排放变化情况Fig.3 Carbon emission changes in breeding industry(1995-2013) and planting industry (2003-2019) in China
种植业中,化肥是最主要的碳排放源,年均碳排放为4864.83 万t,占种植业碳排放的58.23%,其次是农机(14.17%)、农膜(13.65%)和农药(9.64%)(图3)。如果考虑化肥的生产、运输、包装及使用全过程中的碳排放,氮肥是单位施用量碳排放最多的化肥类型,少施1 t 氮肥能减排9.526 t CO2(表2),相当于节电9555 kWh (《中国能源统计年鉴2005》规定1 kWh=0.4 kg 标准煤;国家发改委能源研究所规定1 kg 标准煤=2.493 kg CO2),可用于生产27 t 大米(国家电网报计算得到粮食生产耗电约为0.36 kWh·kg-1)。如果氮肥施用总量不变,其利用效率每提高1%,可节约37.5 万t 原煤或2500 万m3天然气[45]。减少化肥尤其氮肥施用量、提高利用率是种植业碳减排的重点内容。
表2 化肥碳排放系数 t(CE)·t-1Table 2 Fertilizers carbon emission factors
乡村居民生活年均碳排放总量约230 000 万t,约是乡村农业生产碳排放的4 倍,约占乡村碳排放总量的80% (图2);其中,为生产居民衣食住行所需商品和服务而造成的间接碳排放约占65%,年均碳排放量约150 000 万t,电力等商品性能源消费造成的直接碳排放仅约占35% (图2)。快速城镇化进程中,乡村居民的生活水平和需求不断变化,使乡村间接碳排放构成更为复杂,不同研究核算结果间的差异可达457 517.47 万t (图2),乡村生活碳排放主要来源/影响因素识别成为该主题研究的重点内容[15-20]。
乡村生活碳排放影响因素可归纳为经济增长、技术进步、能源结构调整、产业结构调整、城镇化5 类。城镇化进程中,人口由乡到城流动,意味着经济社会发展水平不断提高,乡村建设与生活需求多样化,对能源的需求增加。乡村人口总数每减少1%,乡村生活碳排放将增加3.98% (合9154 万t CO2,现有的技术水平下,消除这部分新增温室气体至少需9 亿美元[46],约61 亿元(依据国家外汇管理局公布的2022 年人民币与美元平均汇率折算) (表3)。能源结构调整显著影响乡村碳排放,将1%煤炭消费占比替换为生物质能,将使乡村生活减排3624.8 万 t CO2(表3),约节电3636 kWh。技术进步和产业结构调整有利于乡村碳减排,能源利用效率和第一产业产值占比每增加1%,乡村生活碳排放分别减少2.12%和1.99% (表3)。经济增长是乡村碳减排的主要阻碍因素,乡村人均收入每增加1%,乡村生活碳排放量增加0.43% (表3)。
表3 乡村居民生活碳排放的影响因素及其作用效果Table 3 Influencing factors and their effects of rural residential living carbon emission
乡村生活碳排放的主要贡献者为住房(45.32%)、交通(20.45%)和烹饪(19.62%)[52];直接碳排放中煤炭的贡献量最大,尤其在传统工业城市,其占比接近80%(散煤76%,蜂窝煤2%),其次是电(10%)和液化气(5%)[53]。以生物质能替代煤炭,降低交通和住房活动的碳排放强度将有利于减少乡村生活碳排放。有学者指出,在当前应对气候变化的政策下,2050 年我国乡村生活碳排放量为104 亿t,且未出现下降趋势;若提出乡村生活专门性减排政策,实现低碳生产、消费、交易,则乡村生活碳排放将于2046 年达峰,峰值为17 亿t[54-55]。
由乡村碳汇核算研究合并结果可知,1990-2022年间我国年均乡村净碳汇为50 025.82 万t (图4),相当于节约了7.36 亿 t 标准煤,123 亿元固碳成本。不同的乡村碳汇研究虽然计算所得数值差异较大(差值可达33 148.51 万t),但反映的变化趋势相同,长时间尺度下我国乡村碳汇呈增长态势(图5)。2004 年起我国围绕农业现代化建设、农业发展方式转型、扶助农民增收等目标持续发力,刺激农民生产积极性,粮食作物产量持续增长,2003 年后乡村碳汇大幅增加(图5)。
图4 中国乡村碳汇核算结果汇总Fig.4 Summary of the accounting results of rural carbon sink in China
图5 中国乡村净碳汇核算及其变化研究结果对比Fig.5 Comparison of various studies on rural net carbon sink accounting and its changes in China
我国是农业大国,农作物固碳是乡村碳汇的重要组成部分,三大主要粮食作物中,水稻(Oryzasativa)固碳能力最强[4.32 t(C)·hm-2],每公顷水稻年均固定15.83 t 大气CO2;其次为玉米[Zea mays,3.98 t(C)·hm-2],年均固定14.58 t 大气CO2;小麦固碳能力最弱,每公顷小麦年均固定13.28 t 大气CO2(表4)。在考虑粮食作物生态效益的同时不应忽视其经济效益,每公顷玉米的年均固碳量为水稻的92%,投入成本仅为水稻的64%,意味着若均抵消1 万t 大气CO2,与水稻相比种植玉米可节约5 万元生产成本。
表4 中国主要粮食作物年均碳汇量及碳投入价值Table 4 Average annual carbon sink and carbon input value of major grain crops in China
除作物自身的固碳能力外,农田管理是影响乡村碳汇能力的重要方面。保护性耕作指能够增加土壤碳汇、减少水土流失并提高作物产量的耕作方式,是农田管理固碳的主要途径[58]。国际层面,若采取保护性耕作措施,我国农田固碳速率为941 kg(C)·hm-2·a-1,超过世界平均水平34.43%[59]。然而,该固碳水平与发达国家相比仍有差距,仅为美国的66.50% (表5);北美保护性耕作农田面积全球占比60%,是我国保护性耕作农田面积全球占比的10 倍,充分发挥保护性耕作的固碳潜力,需适度扩大保护性耕作农田规模[59]。
表5 不同估算条件下的乡村农田土壤碳汇潜力(中国、美国与全球)Table 5 Soil carbon sink potential of rural farmland under different assessment conditions (China,USA and world)
国内层面,保护性耕作措施类型可归纳为秸秆还田模式(改变地表覆被)、耕作模式(改变物理性质)和施肥模式(改变生化性质) 3 类。实施秸秆还田措施的农田平均固碳速率最低,为700.97 kg(C)·hm-2·a-1,但粉碎翻压还田后农田土壤固碳速率仍达1740 kg(C)·hm-2·a-1(表6)。我国地域面积广阔,各自然地理区域的土壤类型和作物熟制不同,相同耕作措施的实施效果区域差异显著。南方地区水稻土免耕水稻-小麦轮作农田土壤固碳速率为2333.71 kg(C)·hm-2·a-1,华北地区砂壤土免耕一熟制玉米固碳速率是其6.17%,仅为144 kg(C)·hm-2·a-1(表6);在西北地区,深松可使农田土壤固碳速率达到1048.9 kg(C)·hm-2·a-1,约为翻耕农田固碳速率的14 倍(表6)。若混施有机肥化肥,华中地区两熟制稻田土壤固碳率可达3120 kg(C)·hm-2·a-1(表6),是单施化肥最高值的2 倍;东北地区混施有机肥化肥后,其农田土壤固碳率[489 kg(C)·hm-2·a-1]约为单施化肥的21 倍(表6)。
表6 不同农田管理措施下农田土壤固碳率的区域差异Table 6 Regional differences in soil carbon sequestration rate under various farmland management measures in China
农业系统中,作物种植所需的化肥施用及家畜养殖是碳减排的重点领域,若同步实现秸秆炭化、沼气化利用,秸秆燃烧每年有28.13 t 碳减排空间。在实现秸秆全量利用的基础上,对其进行氨化处理并加入营养添加剂用于饲养家畜,将家畜粪便直接排入水压式沼气池或进行堆肥处理可有效减少牲畜养殖过程中的碳排放。
村庄、乡域和城镇子系统内,居民生活碳减排潜力大,区域经济发展水平、城镇化水平和经济规模每扩大1%,新增CO2排放量分别为3718.88 万 t、1897.23 万 t、959.81 万 t;推动农业科技进步,提高农业对外开放度是减少碳排放,充分发挥居民生活碳减排潜力的重要途径。截至2020 年,我国农业科技支出379.65 亿元[91],增加10 亿元农业科技支出可减少2%的乡村农业生产碳排放(图2,表7);扩大农产品进口渠道,使进口农产品在粮食总产量中的占比提高1%,减少307.4 万 t 碳排放量(表7)。
乡村碳汇效应主要表现为作物生长和农田土壤固碳,碳汇效果与农田管理模式密切相关。此外,乡村环境治理水平每提高2%,碳排放量减少975.96 万t,相当于农业碳排放总量的2% (表7)。若每公顷农田施用15 t 生物炭,每年每公顷农田可减排1.30 t CO2,同时固碳0.25 t (表7)。采用测土配方培肥法后每公顷农田固碳量可达0.62 t,间歇灌溉和氮肥减量施用可使每公顷农田分别减少2854.5 kg、1034 kg碳排放,固碳2526.6 kg、570 kg (表7)。
乡村是一个复杂开放系统,兼有生产、生活、生态等多种功能,具备碳源、碳汇双重属性,宏观把握我国乡村碳效应现状,实现乡村减排增汇,是助力 “双碳”目标与乡村振兴的关键。本文基于人地关系地域系统理论,系统构建乡村碳循环体系,使用Meta 分析方法综述乡村碳效应定量研究成果,主要结论如下:
1)乡村农业生产碳排放占乡村碳排放总量的20%,农业(种植业与养殖业)碳排放占我国年均碳排放总量的10.37%;其中,作物种植和禽畜养殖碳排放分别占30%和70%,58.23%的种植业碳排放来源于化肥施用,67.40%的养殖业碳排放来源于动物肠道发酵。氮肥施用量每减少1 t,可节约9555 kWh 电,可用于生产27 t 大米;氮肥利用效率每提高1%,可节约37.5 万t 原煤;牛羊养殖数量每减少1%,养殖业碳排放可减少4.48%。
2)乡村居民生活碳排放约占乡村碳排放总量的80%,约65%的生活碳排放来源于间接碳排放,住房建设占间接碳排放的45.32%。与农业生产活动相比,居民生活碳减排潜力更大,燃煤占直接碳排放的约80%,若将1%煤炭消费替换为生物质能,乡村生活将减排3624.8 万 tCO2,相当于节电3635.7 kWh。如果提出乡村生活专门性减排政策,形成低碳化乡村生产、消费、交易模式,乡村生活碳排放有望于2046 年达峰。
3) 1990-2022 年,我国乡村净碳汇呈增长态势,乡村年均净碳汇50 025.82 万t,相当于节约7.36 亿 t标准煤,123 亿元固碳成本。玉米的固碳能力和碳投入成本均适中,是兼顾生态和经济效益的主要粮食作物。当前我国农田保护性耕作的固碳潜力尚未得到充分发挥,我国农田固碳速率仅为美国的66.50%。若充分利用新兴技术将乡村环境治理水平提高2%,乡村农业碳排放可减少2%。
种植业碳减排需增加专项环保技术研发投资,提高氮肥使用效率,研制、推广新型长效肥料和抑制剂。养殖业碳减排应以牧区为重点区域,可使用青贮玉米秸秆饲养家畜,使用舔砖或营养添加剂提高消化质量。构建作物秸秆-禽畜饲料-能源供应的物质能量循环系统,实现种养一体化,修建沼气池对动物粪便进行发酵,产生沼气(可以直接燃烧的清洁能源),减少进入大气碳库的温室气体。
居民生活的碳减排潜力大于农业生产。采取创新机制、技术升级等方式,宣传、引导、培养乡村居民低碳生活习惯,推进乡村碳减排。特别要充分发挥信息化时代5G、大数据、人工智能等数字技术的突出优势,构建乡村数字化能源系统建设,精准判断能源供需情况,模拟零碳发展情景,结合区域自然和经济社会发展特征给出节能减排增汇方案。农业生产碳排放占比远低于居民生活碳排放,为保障农业经济发展和粮食安全,投入农业碳减排的技术人才、财政补贴等需适度。
1)制定统一、详细、科学的乡村碳排放清单。将乡村作物种植投入的化肥、农药、农膜等要素,禽畜生长过程中的肠道发酵与粪便排放,居民衣、食、住、行活动及贯穿生产、生活活动的化石能源消费等均列为乡村碳排放源;乡村碳汇效应需首先考虑保护性耕作措施类型,据此核算乡村作物碳汇和农田土壤碳汇。纳入核算范畴的温室气体包括CO2、N2O、CH4,统一使用碳排放系数法核算乡村农业生产碳排放和居民生活直接碳排放,使用投入产出法核算居民生活间接碳排放。
2)分区确定各碳排放源的碳排放系数。在实地观测过程中充分发挥物联网、云计算等新兴技术的优势,分别针对东北、华东、华北、华中、华南、西南、西北等7 个自然地理区域,确定不同温室气体、农作物与禽畜品种、种养方式的碳排放系数,及各保护性耕作措施在不同区域的固碳效果,使乡村碳效应核算结果更具针对性。
3)综合考虑区域自然和经济社会发展特征出台乡村减排增汇方案。例如: 西北牧区干旱少雨,气候条件较为恶劣,畜牧业是乡村主要产业,经济发展相对缓慢。在引进科技人才,发展好氧堆肥、低碳沼气发酵粪污处理等减排技术的同时,推动粗放养殖转变为生态家庭牧场养殖,实现乡村碳减排与经济发展的双赢。东部农耕区气候温暖湿润,经济发达,乡村居民生活水平较高,规模化、机械化种植增加了村民收入,亦增加了乡村碳排放。亟需实现稻田节水灌溉、秸秆颗粒燃料生产、绿肥种植等技术的规模化应用,定期检查报废高碳排、重污染的老旧农机,推广低碳种植设备;同时创新机制倡导和激励乡村居民践行低碳生活理念。