新疆棉花种植对低碳发展阻力分析*
2013-12-14喻晓玲陈铭军郭志慧
喻晓玲,陈铭军,郭志慧
(1.塔里木大学经济与管理学院,新疆阿拉尔市 843300;2.正大集团岳阳有限公司,湖南岳阳 414000)
经济快速发展的同时碳排放量也在相应的迅速增加,碳排放量的迅速增加导致全球变暖问题目前已成为各国经济可持续发展过程中共同面临的一个重大问题。基于此,国内外相关学者纷纷展开了多视角研究,研究点主要集中在气候变化问题、CO2排放与经济发展的关系、降低碳排放的政策工具等方面。Nordhaus[1])从经济学的角度出发,根据温室气体排放对气候变化影响的科学知识,预测出CO2排放成倍增加时美国各行业总收入将会损失50.3亿美元;Grossman和Krueger[2]提出产业结构的演进使得环境库兹涅兹曲线呈倒U型;Panayoutou[3]以发达和发展中国家为研究对象,通过对二氧化硫引起的环境退化进行实证分析发现在低收入水平和高收入水平国家,政策和制度对环境所起的作用分别为减少环境退化和加速环境改进;王铮[4]以能源消费量为依据,将碳排放因素进行分解,核算了1995~2006年各省的碳排放量,并提出了针对各省具体情况的可行性建议;张建[5],运用CGE模型分析了碳税和碳排放交易对我国各行业的综合影响,发现合理的碳交易机制可以在一定程度上缓解间接碳税对中国能源行业的影响,并且溯往原则作为碳排放权配额分配方式更符合中国的经济现状。值得关注的是刘占成[6]在中国区域碳排放研究中着重指出西部地区作为我国下一轮经济发展最重要的增长点,目前其人均碳排放量和碳排放强度均高于相同发展阶段的其他地区,如不尽快转变其发展模式,将会使未来的节能减排形势异常严峻,中国的低碳经济之路仍旧任重而道远周莉[7]探讨了新疆能源消耗、碳排放与经济增长的关系,发现以传统能源为主的新疆经济的单位GDP碳排放量和人均碳排放量都高于全国平均水平,并且新疆碳排放与能源消耗和经济增长之间均存在正的协整关系,这意味着新疆面临着节能减排的艰巨任务[2]。
农业生产与气候变化的耦合关系十分明显。据统计,农业生态系统对温室气体排放的贡献比例约为1/15~1/5[3],是陆地生态系统碳释放的最大潜在因素。该文以新疆这一农业大区为研究对象,以低碳发展阻力为切入点,以耕作面积较高的棉花为典型,通过综合计算对比近10年棉花种植过程中的不同来源的碳吸收量和不同途径的碳排放量变化来讨论新疆棉花种植的整体低碳阻力大小及各碳源对棉花种植低碳阻力的大小。这对于制定有效的政策措施和实施具有针对性的技术改进措施,促进新疆尽快实现低碳农业发展目标具有重要的现实意义。该文所说的低碳阻力指的是在经济发展低碳排量要求下,碳吸收量与碳排放量的差距与种植面积的比值,若比值越大表明低碳阻力越小,若比值越小表明低碳阻力越大。其具体公式为:
其中,Q表示低碳阻力,Cd表示碳吸收量,Et表示碳排放量,Am表示种植面积。
1 新疆棉花种植概况
1.1 新疆棉花种植的天然优势
新疆位于73°40'~96°23'E,34°25'~49°10'N,总面积约1.664 8 亿 hm2,约占国土总面积的 1/6,其中农用地面积占新疆总面积的38%,一直以来是我国的农业大区。
新疆优越的自然条件为棉花的大面积种植提供了保障,使其成为我国的三大棉区之一。该文以2012年新疆统计年鉴和中国统计年鉴的数据为依据进行具体分析:首先,从气候条件来看,新疆干旱少雨,年平均降水量在170mm左右,免除了棉花生长过程中的涝灾危险[4]。日照充足,年平均日照时数达2 790~3 100个小时,昼夜温差大,热量大,有利于皮棉产量的增加和品质的提高。
其次,从土地资源来看,新疆适合棉花种植的土地面积广阔,农用地面积在全国排名第三,棉花种植面积在全国排名第一,约占新疆耕地面积的33%。此外,新疆未开发利用的土地面积达60%左右,其中有很大一部分土地适合棉花的种植,这就为新疆棉花播种面积的进一步扩大提供了充足的后备土地资源。
再次,从水资源来看,2011年新疆水资源总量在全国排名第八,地表水资源总量在全国排名第八,地下水资源总量在全国排名第四,丰富的水资源为新疆棉田的灌溉提供了充足的水源。此外,天山积雪融化的冰川水也是新疆棉田灌溉的一个重要水源。
1.2 新疆棉花种植情况
新疆作为全国三大产棉区之一,不管是在棉花种植面积还是棉花产量上占全国的比重都很大。这里以2000~2011年的相关数据为依据进行详细分析,结果如图1和图2所示:
图1 2000~2011年新疆与全国棉花种植面积对比
如图1所示,2011年新疆棉花种植面积较2000年增加了50%,期间出现了两次下降现象,即2002年较2001年略有下降,2009年较2008年略有下降,最大值出现在2008年。2011年新疆棉花种植面积占全国的比重较2000年增加了27%,期间此比值出现了下降与上升交替变化的现象,最大值出现在2011年。另外,2000~2011年新疆棉花种植面积和占全国的比重状况基本上呈同向变化的正相关关系。
如图2所示:2011年新疆棉花产量较2000年增加了93%,期间出现了一次下降现象,即2009和2010年自2008年后逐渐下降,最大值出现在2008年。2011年新疆棉花产量占全国的比重比2000年增加了25%,期间此比值出现了下降与上升交替变化的现象,最大值出现在2011年。另外,2000~2011年新疆棉花产量和占全国的比重状况基本上呈同向变化的正相关关系。
图2 2000~2011年新疆与全国棉花产量对比
1.3 新疆棉花种植成本收益情况
新疆棉花生产遍及全疆14个地州市、160个县 (市)、团场,约有50%的农户 (其中70%以上为少数民族)从事棉花生产,棉花收入占农户家庭现金收入的比重高达57%,棉花产值占全疆种植业总产值的65%。由于部分年份数据不全,文章选取2004~2011年的数据来分析新疆棉花种植的成本和收益状况,具体情况如图3所示:
图3 2004~2011年新疆棉花种植成本收益情况
如图3所示,2004~2011年新疆棉花种植总成本、生产成本和土地成本都是呈直线上升的状态,但是总成本和生产成本变化以2008年为界明显的分为两个阶段。2008年之前新疆棉花种植的总成本和生产成本呈快速上升态势,年增幅较大;2008年之后新疆棉花种植的总成本和生产成本呈缓慢上升态势,年增幅不太明显。2004~2011年新疆棉花种植的土地成本除2011年略有下降外,其他年份年呈直线上升状态,但是整条直线比较平缓,年增长幅度不大。
2004~2011年新疆棉花种植净利润变化极不稳定,整体上表现为下降与上升交替变化,8年间出现了两个低谷和两个高峰。2005年较2004年新疆棉花种植利润急速下降,2005~2007年新疆棉花种植利润突然急速上升,2008年受金融危机的影响,新疆棉花种植利润较2007年急速下降,2008年之后利润开始急速上升,到2009年后转为缓慢上升。
无论从棉花种植的成本来看还是从棉花种植的收益来看,2009~2011年这3年间棉花种植已经出现了饱和现象,今后要想实现大的利润突破比较困难,然而种植的成本也不会再有大幅度的增加,所以短时间内鉴于较稳定的成本和较高的收益情况,新疆还会适度加大棉花的种植面积。
1.4 新疆棉花种植对生态环境的影响
新疆棉花的大规模种植在为棉农带来丰厚经济利益的同时也给当地的生态环境带来了严重的负面影响。这主要表现为新疆荒漠化进程的加快,土壤肥力的下降、生物多样性的减少和气温的升高[5]。
首先,棉花的大面积种植需要大量的灌溉用水。2011年新疆第一产业有效灌溉用水量为495.95亿m3,其中棉花灌溉用水量占39.7%。新疆大颗粒沙质土壤的特性使得土壤的保水能力特别差,加上新疆气候干燥、热量大,使得水分蒸发量比较大,导致新疆棉田的灌溉实际用水量高于其他地区,河流上游的农业灌溉用水量的加大直接导致下游的水资源减少,许多生态林因缺水而旱死,丧失了防风固沙的功能,河流下游沙尘天气次数增多,新疆的土层较薄,在沙尘天气的吹动下,较薄的土壤随风飘动,沙尘的不断积累最终会导致沙漠面积的增加。
其次,棉花的大面积种植需要使用大量的农膜、农药和化肥。2011年新疆化肥施用总量为183.79万t,棉田化肥施用量占38.4%。农膜处理不净会阻碍农田水分的深层次渗透,增加土壤盐碱化的概率,农膜残留物覆盖于地表也会影响土壤的透气性,不利于土壤正常呼吸,土壤中的微生物活动环境也遭到破坏,从而降低了土壤的肥力。大量农药化肥撒在地表,会被土壤吸收后导致严重的土壤污染,病菌增多,虫灾泛滥,棉花大面积死亡,最终形成“病土”,土壤肥力恢复困难。
再次,棉花的大面积种植剥夺了其他作物的生存机会。在每一年耕地面积有限的情况下,棉花种植面积的增加势必使得其他农作物种植面积减少。导致农田生态系统单一,许多微生物和动物因不适合在棉地生存繁殖而大量死亡,而这些微生物和动物的天敌也会因缺乏食物而死亡,这样就使得本地生物多样性减少。同时,棉花在传花授粉过程中改变了当地棉花及相关植物的基因,造成棉花和其他植物的物种减少。
最后,规模面积棉花在生长过程中会呼出大量的二氧化碳。秸秆的焚烧会增加二氧化碳的排放,土壤对农膜、农药、化肥的吸收过程中会释放大量的二氧化碳,农用机械的使用和灌溉过程中电能及石化燃料的消耗都会增加二氧化碳等排放量,不同碳源碳排放量的增加都会致使大气温度升高,地区气候变暖,天气变化异常,不利于农作物的生长和人类的工业活动。
2 新疆棉花种植过程中碳吸收和碳排放估算
2.1 新疆棉花种植过程中的碳吸收量估算
大部分学者认为棉花种植过程中对碳的吸收量主要来源于两个方面:一个是棉花在生长发育过程中光合作用吸收的碳量,这是棉花种植过程中碳吸收的主要方面。而光合作用过程吸收的碳也包含了棉花凋落物和秸秆中的碳,实际上这除去了棉花光合作用呼吸过程中释放的碳。二是人为投入的碳,如向棉田施用的有机肥等,由于数量少且数据难以统计,因而不予考虑。
土壤作为碳库影响着整个系统的碳收支平衡,但由于2010年以前土壤方面的相关数据处于空白,使用2011年1年的土壤数据又没有太大的实际意义,考虑到短期内土壤有机碳变化不大,故该文忽略了土壤条件变化对棉花种植过程中的碳收支的影响。
棉花生态系统碳吸收量估算方法参考李克让的方法[6],具体估算如下:
己知棉花经济产量为Yw,棉花的生物产量为Dw,棉花经济系数为Hi,三者关系为:
棉花生长过程中碳吸收量用Cd来表示,具体的计算公式为:
式 (2)中,Cf为棉花合成1g有机物所吸收的碳。棉花作为经济作物它的 Hi和 Cf分别为0.1、0.45[4]。计算结果如图 4 所示。
如图4所示,新疆棉花种植过程每年的总碳吸收量从2000年的655.2万t上升到了2011年的1 303.97万t,上升了近一倍,2008年总碳吸收量达到顶峰。主要原因是:2000~2011年新疆棉花种植面积增加了近50%,2008年新疆棉花种植面积达到最大值。这期间的总碳吸收量分为四个阶段:2000到2007年,总碳吸收量呈上升状态,其中2005~2007年的上升态势比较迅猛;2007到2008年总碳吸收量保持不变;2008到2010年总碳吸收量呈下降态势,其中2008~2009年的下降速度较猛烈;2010年到2011年总碳吸收量迅速上升。
图4 2000~2011年新疆棉花种植过程中总碳吸收量和单位公顷碳吸收量
2011年新疆棉花单位公顷碳吸收量较2000年大约增加了16%,但是整体变化状况波动不明显,这一现象与现有农业技术水平有限有关。期间出现了4次下滑现象,其中2000~2001年和2009~2010年的下滑较明显,2002~2003年和2006~2007年的下滑不明显,其他年份均呈缓慢的上升状态。此外,最大值出现在2009年。
该文在只考虑新疆棉花生物产量的前提下,参照李克让的棉花碳吸收量计算方法,由棉花生物产量乘以棉花经济系数得到棉花经济产量,最终通过棉花经济产量与碳吸收量的关系转换得出整体上棉花总碳吸收量和单位公顷碳吸收量均呈上升趋势,但是前者上升趋势显著,而后者上升趋势不明显。
2.2 新疆棉花种植过程中的碳排放量估算
根据West To全碳分析原理[7],由于棉花种植过程中施用的化肥、农药及农膜,在其生产过程要消耗燃料并释放大量的碳,而这些碳都将归属于棉花种植过程中碳排放的主要方面,且这些数据比较好找,所以该文用化肥碳排放、农药碳排放、农膜碳排放、棉花农用机械使用及操作碳排放和棉田灌溉碳排放的总和来表示棉花种植过程中的碳排放总量,如图5所示。
图5 棉花种植过程中碳排放来源
依据上文对碳排放来源的论述,设化肥使用带来的碳排放量为Ef、农药使用带来的碳排放量为Ey、农膜使用带来的碳排放量为En、棉花农用械使用及操作带来碳排放量为Em和棉田灌溉带来的碳排放量为Ei,则棉花生态系统总的碳排放为:
式 (3)中具体参数及计算过程见下文。
2.2.1 农膜、农药、化肥生产带来的碳排放
根据石河子2011棉花成本收益调查和新疆科技信息服务网的数据显示[8],1990年棉花每667m2施化肥8.83kg,2003年棉花每667m2施化肥17.43kg,2010年棉花每667m2施化肥26.9kg,2011年棉花每667m2施化肥31.86kg。而化肥每667m2使用量的增加,导致棉花种植过程需要投入更多的能源。这也意味着,随着棉花种植对化学肥料和能源的依赖,由此带来的碳排放量也将会更多。
从新疆棉花种植对化肥、农药、农膜使用量逐年增加的趋势表明,生产化肥、农药、农膜所需要消耗能源也在增加,而这些能源消耗主要在生产、运输和施用中所消耗的化石燃料和电,电最终来源于化石燃料。由于化石燃料的燃烧要释放碳。故采用如下公式:
式 (4)、(5)、(6)中,Ef、Ey、En分别为棉田化肥、农药、农膜生产带来的碳排放,A、Ay、An为系数,这里使用美国橡树岭国家实验室得出的化肥碳排放平均值0.038,农药碳排放系数4.9341,农膜碳排放系数4.75。实际上在棉花种植过程中影响碳排放量因素还涉及化肥、农药、农膜的种类及使用后的处理等,又由于该文只做简单估算,故不考虑主要因素以外其他因素的影响。
根据《新中国农业60年》统计资料中棉花种植过程中农膜、农药和化肥使用量结合上述3个公式可以估算出新疆2000~2011年来棉花种植过程中的农膜、农药和化肥使用带来的碳排放量。
图6 2000~2011年新疆棉花种植过程中农膜碳排放量
图7 2000~2011年新疆棉花种植过程中农药碳排放量
图8 2000~2011年新疆棉花种植过程中化肥碳排放量
如图6所示,除了2002年新疆棉花种植过程中农膜碳排放量较2001年略微下降外,其他年份都呈增长的态势,截止2011年农膜碳排放量增加了1.3倍。
如图7所示,2011年新疆棉花种植过程中农药碳排放量较2000年增加了65%,具体变化状况分为6个阶段:2001~2000年处于上升状态;2001~2003年处于逐渐下滑状态;2003~2007年处于快速上升状态;2008年与2007年保持一样的水平,这两年达到最大值;2009年较2008年来讲处于急速下滑状态;2009~2011年回转为快速上升状态。
如图8所示,2011年新疆棉花种植过程中化肥碳排放量较2000年增加了1.6倍,具体变化状况分为5个阶段:2001年较2000年处于上升状态;2002年较2001年处于下滑状态;2002到2008年处于逐渐上升的状态,其中2007~2008年的上升速度最明显;2009年较2008年处于急速下滑的状态;2009~2011年转为快速上升状态。
2.2.2 棉花农用机械使用及操作带来的碳排放
根据新疆实际情况,在棉花种植过程中,棉花农用机械使用过程以化石燃料为动力,使用时间跟棉花种植面积成正比。用公式表示如下:
公式 (7)中,Em为棉花农用机械使用带来的碳排放量,Am为新疆棉花种植面积,Wm为新疆棉花农用机械总动力 (万kW),这里参照West To的转换系数,其中B=16.47kgCha-1,C=0.18kgCkw-1。
根据2001~2011年的《新疆统计年鉴》中棉花农用机械总动力和棉花种植面积的数据及新疆维吾尔自治区2011年国民经济和社会发展统计公报公布的相关数据,结合上述公式估算出新疆2000~2011年来棉花种植过程中的农用机械的使用及操作带来的碳排放量。
图9 2000~2011年新疆棉花种植过程中农用机械碳排放量
如图9所示,2011年新疆棉花种植过程中农用机械碳排放量较2000年增加了76.5%,具体变化情况分为5个阶段:2001年较2000年处于上升状态;2002年较2001年处于下滑状态;2002~2007年处于上升状态,其中2002~2006年上升缓慢,2007年较2006年处于急速上升状态;2007~2009年处于下滑状态;2009~2011年处于上升状态。2007年出现最大值。
2.2.3 棉花灌溉过程带来的碳排放
因为灌溉过程消耗的有些是电能,有些是化石燃料。所以灌溉过程带来的碳排放量可用下式表示:
式 (8)中,Ei为灌溉过程碳的排放量,Ai为棉花种植灌溉面积,D为转换系数,这里参照West To的转换系数,D=266.48kgCha-1,根据2001~2011年的《新疆统计年鉴》中棉花有效灌溉面积的数据及新疆维吾尔自治区2011年国民经济和社会发展统计公报公布的相关数据,结合上述公式估算出新疆2000~2011年来棉花灌溉过程中的碳排放量。
如图10所示,2011年新疆棉花灌溉过程中的碳排放量较2000年增加了36%,期间的具体变化情况分为5个阶段:2001年较2000年处于上升状态;2002年较2001年处于下滑状态;2002~2007年处于上升状态,其中2005~2007年上升速度较快;2007~2009年处于急速下滑状态;2009~2011年处于上升状态,其中2011年上升速度比较猛烈。2007年出现了最大值。
图10 2000~2011年新疆棉花灌溉过程的碳排放量
2.2.4 棉花种植总碳释放估算
通过对前面各个途径碳排放量的估算,可以得出新疆棉花种植总碳排放量。
图11 2000~2011年新疆棉花种植过程总碳排放量
如图11所示,2011年新疆棉花种植过程的总碳排放量较2000年增加了78.4%,期间上升与下降状态交替变化;2001年较2000年处于上升状态;2002年较2001年处于下滑状态;2002~2008年处于逐渐上升状态;2009年较2008年处于略微下滑状态;2009~2011年转为逐年上升状态。2011年出现了最大值。此外,对比图6~图11可以发现,棉花总碳排放量与各个途径碳排放量的变化趋势线基本一致,而且与化肥的碳排放量趋势线的相似程度最高。
2.3 新疆棉花种植低碳阻力状况
通过上面碳吸收与排放量的估算,可以得出新疆棉花种植每公顷净碳吸收量,计算公式为:
其中,Am为新疆棉花种植面积,经计算得出最终的结果。
在棉花种植过程中各个碳源的碳排放贡献率大小排序分别为:农膜碳排放灌溉碳排放农药碳排放农用机械碳排放化肥碳排放。结合图12和前文的分析可以看出,新疆棉花碳吸收量远远高于碳排放量,说明新疆棉花具有很强的碳储存功能。但是棉花单位公顷净碳吸收量变化趋势线整体上比较平缓,且在2009年出现了最大值,说明新疆棉花净碳吸收量基本上达到了饱和状态。所以,随着新疆棉花种植过程中不同途径碳排放量的不断增加,棉花种植面临着越来越大的低碳阻力。
图12 2000~2011年新疆棉花单位公顷净碳吸收量
3 新疆棉花种植减少低碳阻力的对策
降低低碳阻力关键在于减少碳排放量,针对各个碳源对棉花低碳阻力的大小状况,提出了以下3点可行性措施。
3.1 加强宣传教育,引导农户正确使用农膜、农药和化肥
政府要通过广告、海报、广播等多种途径大力宣传农膜、农药和化肥的使用方法,组织农户参加培训活动,提高农户对不合理使用农膜、农药和化肥带来的不良后果的认识程度,鼓励农户自觉正确使用农膜、农药和化肥。农业技术人员要加强对农户使用农膜、农药和化肥的指导,减少操作过程中的不规范现象。
(1)农膜使用管理方法。政府要制定严格的农膜残留量标准,采取罚款的方式制裁超标的农户[9];支持新型可降解农膜的研发和推广,减少农膜的残留量和对土壤的污染;及时揭膜,缩短农膜在棉田的停留时间,提高农膜回收利用率;寻找农膜替代品,从源头上解决农膜大量使用带来的碳排放量与日俱增问题。
(2)农药使用管理方法。完善《农药管理条例》,减少农药销售者扰乱市场秩序的不正当行为和使用者的违规操作行为,提高农药的配置效率;政府要组建不同层级的专业农药管理队伍,加强对药品质量的检测,减少市场中不合格的农药;加大对低碳生物农药研发的资金、技术、人员支持力度,鼓励科研机构进行科技攻关,提高低碳生物农药的利用率;环保部门要经常对棉田的生态环境进行检测,及时公布环境危害程度及对棉花生产和人体危害程度的数据,提高农户环保的自觉性;推广使用功能全面、操作简便的农药施用机器,减少农民施用药量出错的机率;积极研究病虫害综合防治技术,减少农药的使用量[10]。
(3)化肥使用管理办法。举行有机肥的使用效果和使用方法专题讲座,提高农民对有机肥效果和使用方法的认知程度,在农民中推广有机肥的使用力度,减少化肥使用量;加强计算机施肥技术的研发和转化力度,提高精准施肥水平;加强各种农业技术服务组织对农民使用化肥的时间、用量和用后处理方面的指导,减少化肥使用不当造成碳排放量高于正常水平的恶果[11]。
3.2 改造农用机械,改进节能技术
加大农机部件的改装力度,安装节能部件;完善节能农机购买、使用补贴政策,引导经销商经营绿色节能农机,鼓励农民使用绿色节能农机;加大农机技术研发资金投入和人才投入力度,完善农机功能,推广复试作业机械,减少农机的作业环节;建设政府支持、企业参与、经销商合作、农机技术服务组织推广的一体化新型农机技术服务体系,加强农民在农机使用中的指导,减少违规操作造成不必要的高碳排;完善农机具维修保养服务组织,延长农机使用时间,提高农机的利用率,减少农机的重复购买现象;调整农机装备结构,合理配置大中小型农机具使用的比例,解决好农机动力与配套机具的配置问题,降低能源的浪费;及时更新报废的农机,给予报废农机农户适当的经济补贴,减少农户的经济损失,提高农户报废农机的自觉性;加强对农机使用人员的技术培训,规范其作业行为,提高农机减排能力[12]。
3.3 加快节水灌溉建设
节水灌溉具有重要的节能功效,因此要加快节水灌溉建设的步伐,减少不合理灌溉所造成的高耗能和高碳排现象[13]。
完善配额的节水灌溉法律法规,增强节约农业用水的法律约束力。以市场为导向,制定合理的用水总量标准,对超量用水现象进行不同程度的惩罚;健全节水灌溉激励机制,鼓励节约用水的农民,提高农民节约用水的主动性;加大农业节水灌溉基础设施的投入力度,以政府投资为主,鼓励农民和社会投资,建设长久耐用的节水灌溉基础设施;增强节水灌溉技术的研发和推广力度,如针对土壤的特性选择合理的灌溉方式和灌溉时间,减少大水漫灌现象,推广间歇灌溉、深水灌溉和滴灌模式;创新农业节水管理方式,以保护农民利益为前提,协调好政府、灌溉管理单位和农民三者之间的关系。
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