黑龙江省水稻生产碳足迹分析

刘建君 陈红

摘要：【目的】明确水稻生产碳足迹的构成及其影响因素，为推进黑龙江省水稻产业低碳绿色发展及农作物生产节能减排提供参考和建议。【方法】基于黑龙江省2005～2016年水稻播种面积、产量和农资投入等相关统计数据，利用生命周期评价法（LCA）、方差分析及Pearson相关性分析法，将2005～2010年和2011～2016年两个时期的水稻生产碳足迹清单作对比，并测算评价黑龙江省水稻生产碳足迹构成及影响因素。【结果】2005～2016年黑龙江省水稻生产单位面積碳足迹（CFs）平均为1895.38±254.86 kg·Ce/ha，碳足迹变化波动较大，生产1 kg水稻的碳成本（CFp）平均为0.28±0.04 kg·Ce，碳效率（CE）平均为3.61±0.46 kg/（kg·Ce）。不同阶段间进行比较，黑龙江省2005～2010年的水稻生产碳足迹平均值显著低于2011～2016年（P<0.05，下同）。在水稻生产碳足迹的构成中，灌溉用电所占比例最大，约36%，其次依次为化肥>农膜>柴油>水稻种子>农药；同时，灌溉用电量与水稻生产CFs呈显著正相关。【建议】提高水资源利用效率、合理提高化肥利用率、大力推广农机节油技术等是实现黑龙江省经济与环境协调发展、节能减排的必由之路。

关键词： 气候变化；水稻生产；碳足迹；黑龙江省

中图分类号： S181.6 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）08-1667-07

0 引言

【研究意义】气候变化及其对农作物生产和农业可持续发展的影响是21世纪全球面临的巨大挑战之一。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，农业生产活动产生的温室气体占全球温室气体排放总量的14%。我国是世界上一个重要的农业大国，农作物生产过程中碳排放对气候变化的影响不容忽视。我国政府高度重视应对气候变化的工作，并在国内积极推进低碳发展，“十三五”规划《纲要》提出，在“十三五”期间将单位GDP的二氧化碳排放下降18%作为减排目标。由于农作物在农业生产过程中的重要性，因此，研究我国农作物生产过程中二氧化碳的排放量并制定相应政策，对于推动低碳经济发展具有十分重要的意义。碳足迹是指某项产品或某种活动在其生命周期中产生直接或间接的温室气体排放总量，其提供了一个全面衡量人类活动与生产对全球变暖影响的方法。因此，研究水稻生产碳足迹对实现农业低碳发展模式的形成具有重要意义。【前人研究进展】近年来，国内外学者逐渐开始从碳足迹视角研究农业生产的碳排放量。一方面是研究一个地域或地区整体的农业碳足迹，如Nelson等（2009）研究了美国的农业碳足迹；Dubey和Lal（2009）测算美国俄亥俄州和印度旁普邦的农业碳足迹值，并对两地农业生产的可持续性发展进行对比分析；黄祖辉和米松华（2011）、陈勇等（2013）、赵婷（2013）、柯水发等（2014）分别测算出我国浙江省、甘肃省、西南地区及黑龙江省的农业碳足迹值，并对其结果特征进行分析。另一方面是研究一个地区农作物的生产碳足迹，如Pathak等（2010）研究发现印度不同农产品的生产碳足迹差异明显，水稻生产碳足迹值约是小麦的10.2倍；史磊刚等（2011）对冬小麦—夏玉米种植模式下的碳足迹结构及其影响因素等进行研究，结果发现化肥中氮肥施用量和电能消耗量均与碳足迹呈正相关；Cheng等（2011）利用统计数据测算得出1993～2007年我国农作物生产的单位面积碳足迹约0.78±0.08 t·Ce/（ha·yr），单位产量碳足迹约0.11±0.01 t·Ce/（ha·yr）；徐小明（2011）利用实验室测试、模型模拟及遥感解译等方法测算得出吉林省西部地区的水稻生产碳足迹值为1.3303 t·Ce/t；曾宪芳等（2012）基于实地调查数据研究宁夏的农作物生产碳足迹值，其中水稻碳足迹为1487.56±164.59 kg·Ce/ha；Xu等（2013）对比研究广东省、湖南省、黑龙江省、四川省和江苏省的水稻生产碳足迹，其中黑龙江省平均水稻碳足迹为1889.97 kg·Ce/t；曹黎明等（2014）利用生命周期评价理论测算评估得出上海市水稻生产碳足迹为1.2321 t·Ce/t，且得出水稻生产过程中的首要碳排放源为稻田温室气体（主要为CH4），其次为化肥施用等引起的碳排放；王占彪等（2015）重点研究华北平原农作物生产碳足迹的动态、分布与构成，结果得出单位播种面积碳足迹和单位耕地面积碳足迹逐渐递增，而单位产量碳足迹和单位产值碳足迹逐渐递减；黄晓敏等（2016）测算并分析东北三省水稻、玉米和大豆3种农作物生产碳足迹的差异，水稻生产单位面积碳足迹最高，玉米第二，且化肥占碳足迹构成比例最高，灌溉耗电量次之；王兴等（2017）计算了我国20个省级行政区的水稻碳足迹，结果显示我国水稻生产单位面积碳足迹呈逐年上升趋势，单位产量碳足迹则呈下降趋势，各省份水稻生产条件不同使其水稻碳足迹相差明显，其中黑龙江省年均单位面积碳足迹最低为4305.87 kg×Ce/ha；刘宇峰等（2017）研究得出1993～2013年我国农作物单位播种面积与单位耕地面积碳足迹均呈增加趋势，而单位产量与单位产值碳足迹呈下降趋势。【本研究切入点】以往的研究主要侧重于不同农作物间碳足迹测算结果的对比分析或不同省份间农作物碳足迹的对比分析，由于水稻在我国粮食作物中地位十分突出，本研究是以水稻单一农作物为研究对象。【拟解决的关键问题】根据黑龙江省2005～2016年相关统计年鉴数据、农资排放参数等数据，测算分析黑龙江省水稻生产过程的碳足迹、碳成本和碳效率等，对比不同时期的水稻生产碳足迹，并对水稻生产碳足迹的构成及其影响因素进行分析，为农作物种植、生产过程中实现节能减排提出建议，为更好地推进黑龙江省水稻产业低碳、绿色发展提供参考。

1 数据来源与研究方法

1. 1 碳足迹计算方法

黑龙江省是我国最大的粳稻主产区，其粳稻归属于中稻或一季晚稻。本研究中水稻碳足迹的研究边界指从粳稻播种开始至收获结束一个完整的生命周期过程中，水稻生产过程中各项投入所产生的温室气体排放。需测算的碳足迹包含直接碳足迹和间接碳足迹，其中，直接碳足迹排放包括田地温室气体的直接排放，间接碳足迹排放包括水稻生产过程中各项农资投入所引起的间接排放。农资具体包括化肥、农药、灌溉用电、柴油、农膜和水稻种子等。由于田地可靠数据获取的局限性，仅研究间接碳足迹排放。本研究利用生命周期评价法（LCA）对水稻生产过程中的间接碳足迹值进行测算研究，则单位播种面积的碳足迹[简称单位面积碳足迹（CFs），kg·Ce/ha]的计算公式为：

式中，AIi表示第i种农资产品的投入量（kg/ha或kW·h/ha），EFi为第i种农资投入排放系数[kg·Ce/kg或kg·Ce/（kW·h）]。本研究的温室气体排放均用CO2排放当量表示。由于农业碳足迹的研究还不够成熟，目前国内数据库中有很多排放系数还不是很全面，故排放参数的选择以国内数据库为主，以国外数据库为辅。排放系数主要从eBalance的中国本地化生命周期数据库（CLCD）获得， 其中CLCD库是国内唯一、最完整、公开获取的中国本地化生命周期数据库。剩余部分排放参数则从ecoinvent数据库中获得。水稻生产过程中农资投入的排放系数如表1所示。碳成本指单位产量水平的碳足迹（CFP，kg·Ce/kg），其计算公式为CFp=CFs/P，式中，P为某种作物的单位面积产量（kg/ha）。碳效率（CE）是指单位碳排放投入的农作物的产量，其计算公式为CE=P/CFs。

1. 2 数据来源

黑龙江省2005～2016年水稻播种面积及产量数据从《中国农村统计年鉴》中获取。水稻农资投入具体包括10项，即化肥（氮肥、钾肥、复合肥）、农药（除草剂、杀虫剂、杀菌剂）、灌溉用电、柴油、农膜、水稻种子，其中化肥、农膜及水稻种子投入量等数据从《全国农产品成本收益资料汇编》中获取。黑龙江省2005～2016年水稻的农药和灌溉用电投入等数据的获取，首先通过《中国物价年鉴》《中国农村统计年鉴》及黑龙江省物价局官网查阅其投入总价格及每种农资的价格，然后再转化为投入量；除草剂、杀虫剂、杀菌剂用量参考魏民等（2014）的研究结果：柴油用量从《全国农产品成本收益资料汇编》获取并参考Xu等（2013）的研究结果。

1. 3 统计分析

利用Excel 2010对黑龙江省水稻碳足迹进行相关测算，并对不同时期（2005～2010年和2011～2016年）水稻碳足迹及其构成进行方差分析；利用SPSS 20.0对水稻生产过程中各种农资投入量与单位生产面积碳足迹进行Pearson相关性检验分析。

2 结果与分析

2. 1 黑龙江省水稻生产碳足迹变化分析

2. 1. 1 水稻生产CFs与单位面积产量变化 经测算，黑龙江省2005～2016年水稻生产的平均CFs为1895.38±254.86 kg·Ce/ha，总体波动较大，呈下降趋势（图1）。具体表现为：黑龙江省水稻生产CFs从2005年的2091.78 kg·Ce/ha下降至2007年的最低值1457.74 kg·Ce/ha，下降了30%左右；而后经历一个骤然上升后又缓慢平稳上升的过程，于2012年达最高点（2323.26 kg·Ce/ha）后骤然下降，而后缓慢上升，2016年黑龙江省水稻生产CFs为1835.8 kg·Ce/ha，低于2005年的水平。

根据黑龙江省2005～2016年水稻播种面积与产量数据，可测算出历年水稻单位面积产量，其经历了一个先下降再缓慢上升最后趋于平稳的过程（图1）。具体表现为：水稻单位面积产量由2005年的6795.73 kg/ha降至2006年的最低點6261.36 kg/ha，而后又缓慢上升至2012年最高点（7072.77 kg/ha），最后在2013～2016年趋于平稳。经计算可得出，2005～2016年单位面积平均产量约7000.00 kg/ha。从图1可看出，黑龙江省历年水稻单位面积产量与水稻单产量趋势线不同，二者无明显关系。

2. 1. 2 水稻生产碳成本 2005～2016年黑龙江省水稻生产碳成本平均值为0.28±0.04 kg·Ce/kg，整体波动较不平稳（图2）。具体表现为：水稻生产碳成本从2005年的0.31 kg·Ce/kg连续下降至2007年的最低值（0.23 kg·Ce/kg），然后又开始上升，并在2008年达最高值（0.34 kg·Ce/kg），最后在经历一个总体下降的趋势后，从2013年开始缓慢上升，2016年达0.26 kg·Ce/kg。对比图1和图2发现，2005～2016年黑龙江省碳成本变化趋势和CFs变化趋势大致相同。

2. 1. 3 水稻生产碳效率 黑龙江省2005～2016年水稻生产碳效率平均值为3.61±0.46 kg/（kg·Ce），历年碳效率值变化较明显。从图2可知，水稻生产碳效率总体呈先升高后下降再升高最后平稳下降的波动变化趋势，其中2007和2008年分别达到碳效率的最高值[4.32 kg/（kg·Ce）]与最低值[2.94 kg/（kg·Ce）]。对比发现，黑龙江省水稻碳成本变化趋势与碳效率变化趋势相反。

2. 2 黑龙江省不同时期水稻生产碳足迹动态分析

通过对比分析黑龙江省2005～2010年和2011～2016年两个时期水稻生产CFs变化情况对其碳排放进行研究分析。如表2所示，对比两个时期水稻生产CFs的变化，2011～2016年与2005～2010年黑龙江省水稻生产CFs平均值相比，由1874.66 kg·Ce/ha增加至1916.10 kg·Ce/ha，增加了41.44 kg·Ce/ha（P<0.05，下同），但变化幅度略有下降。其中，2005～2010年灌溉用电、农膜和水稻种子产生的CFs显著高于2011～2016年，而化肥、农药和柴油的CFs显著低于2011～2016年。2011～2016年化肥、农药、水稻种子、农膜产生的CFs变化幅度较2005～2010年期间CFs变化相比略有下降；水稻灌溉产生的CFs变化幅度则呈现相反的趋势；农机柴油产生的CFs在两个时期几乎波动幅度相同。

2. 3 黑龙江省水稻碳足迹构成及其影响因素分析

从表3和图3可看出，2005～2016年黑龙江省水稻生产CFs平均为1895.38±254.86 kg·Ce/ha。具体表现为：对水稻进行灌溉用电产生的CFs平均值为676.89±273.05 kg·Ce/ha，占水稻生产CFs总量的35.7%；施用化肥产生的CFs约367.45±17.96 kg·Ce/ha，占水稻生产CFs总量的19.4%，其中，施用氮肥产生的CFs为123.38±14.86 kg·Ce/ha，约占化肥CFs的33.6%，施用钾肥产生的CFs为22.91±6.08 kg·Ce/ha，约占化肥CFs的6.2%，施用复合肥产生的CFs为221.16±20.39 kg·Ce/ha，约占化肥CFs的60.2%；农膜使用产生的CFs为309.84±45.13 kg·Ce/ha，约占水稻生产CFs总量的16.3%；水稻播种到收获过程中，机械作业消耗柴油量产生的CFs约为291.38±132.24 kg·Ce/ha，约占水稻生产CFs总量的15.4%。水稻种子和农药产生的CFs分别为136.41±6.18和113.41±18.47 kg·Ce/ha，比例接近，分别占水稻生产CFs总量的7.2%和6.0%。从图3可更加直观看出，根据各农资投入占水稻生产CFs总量比重排序为灌溉用电>化肥>农膜>柴油>水稻种子>农药。

基于黑龙省水稻生产CFs的结构分析，分别对水稻生产过程中各种农资投入量与CFs的相关性进行检验，结果发现水稻灌溉用电与CFs的相关系数为0.851，二者极显著相关（P<0.01，下同）。由于在水稻生产CFs构成中灌溉用电消耗量贡献最大，可认为灌溉用电和CFs存在一定因果关系。通过散点图（图4）也可看出，水稻生产过程中灌溉用电量与CFs呈极显著正相关，二者的趋势线性方程为：y=0.977x+1357.617，其含义为水稻种植每公顷多消耗1 kW·h用电，则水稻生产CFs增加0.977 kg·Ce/ha。

3 讨论

随着我国水稻播种面积和总产量的逐年增加，水稻生产过程中农资的投入量也随之增大，使部分地区环境承载力日益趋近极限。研究农业碳足迹尤其是农作物生产碳排放的相关问题，对于促进低碳绿色发展具有一定的积极作用。本研究结果表明，2005～2016年黑龙江省水稻单位面积产量经历了一个先下降再缓慢上升的过程，呈现逐年增长的趋势；不同年份黑龙江省水稻生产CFs波动幅度较大，因此水稻在生产投入方面具有较大的节能减排潜力。但水稻碳足迹与水稻单产并无明显关系，故不可通过减少水稻单位面积种植量来减少碳足迹。另外，减少水稻生产CFs可降低水稻生产碳成本，提高水稻生产碳效率。2005～2010年黑龙江省水稻生产CFs显著低于2011～2016年，但变化幅度略有下降，表明近年来黑龙江省水稻碳排放呈增加趋势，因此，降低水稻生产碳足迹迫在眉睫。其中，前期化肥、农药和柴油使用产生的碳足迹显著低于后期，而前期灌溉用电量、农膜、水稻种子使用时产生的CFs显著高于后期。在碳足迹构成中，水稻灌溉用电过程中产生的CFs占水稻生产CFs的比例最高，其中，水稻生产过程中灌溉用电、化肥、农膜、柴油、水稻种子和农药分别占水稻生产CFs的35.7%、19.4%、16.3%、15.4%、7.2%和6.0%。通过对各农资投入量与水稻生产CFs进行相关性检验分析，结果发现只有灌溉用电与水稻生产CFs存在极显著正相关。说明降低灌溉用电量，合理施用化肥，减少农膜使用等方式是降低水稻生产碳足迹的关键。

本研究结果与黄晓敏等（2016）测算的水稻碳足迹有一定差异，但其趋势大致相同，且本研究得出水稻灌溉用量产生的CFs占总量比例最高，使用柴油也占有很大一部分比例。黄晓敏等（2016）研究测算的2004～2013年东北三省水稻生产CFs平均为2463±56 kg·Ce/ha，其中，黑龙江省为东北三省中最低，约为2049.6±67 kg·Ce/ha；并得到化肥在CFs构成中贡献最大，柴油在碳足跡构成中贡献很小，可忽略不计。研究结果存在差异，其主要原因有以下3点：（1）国家统计年鉴上对黑龙江省水稻生产过程中柴油的使用量与花费并无确切数据，在黄晓敏等（2016）、王兴等（2017）的研究中默认水稻生产过程中柴油的投入量很小；（2）黑龙江省历年农业用电的价格无法在统计年鉴上找到；（3）水稻生产过程中的农资排放系数选取的差异。以上原因造成各研究测算出黑龙江省水稻生产CFs各不相同。本研究首先通过参考Xu等（2013）中柴油使用量的数据，并结合历年水稻机械作业费计算相应柴油费用的比例，得出柴油费用以折算出柴油使用量，又在黑龙江省物价局官网及国家发展改革委员会对东北电网电价调整政策的通知中查找到黑龙江省历年精确的农业生产用电价格，最后参考比较众多文献，选取适合黑龙江省的水稻生产农资投入排放系数，得出结果更贴近于水稻生产碳排放的实际情况。尽管如此，数据的精度仍缺乏相应准度，若想更精确地获得可靠数据，需要进行省内全面抽样调研；且本研究测算水稻生产碳足迹时只测算了间接碳足迹，由于黑龙江省水稻生育期内稻田CH4、N2O等排放数据获取的困难，故没有测算直接碳足迹，在以后的研究中值得进一步完善讨论。

4 建议

4. 1 提高水资源利用效率，减少电能消耗量

黑龙江省水稻节能减排潜力巨大，水稻灌溉用电与水稻生产CFs存在极显著正相关且在碳足迹的构成中水稻灌溉用电所占比例最高，因此，可通过提高水资源利用率来降低灌溉用电量以减少碳足迹。具体来说，在黑龙江省传统的水稻种植模式中，需要对水稻进行插秧、育秧等诸多环节，不仅耗费大量的人力和物力，还会消耗大量电能引发碳排放。黑龙江省农民应引入不经育秧和移栽而直接将种子播于大田的直播稻种植模式，既可以节约水资源，还可以减少灌溉用电量；政府应该加强节水灌溉技术的推广力度，让农户们广泛使用节水灌溉技术；黑龙江省水稻科研工作者还应该在保证水稻高产和优质的条件下，培育研发节水、抗旱的水稻品种。

4. 2 合理提高化肥利用率，减少化肥投入量

在黑龙江省水稻生产过程中，化肥对水稻碳足迹比例贡献很大，所以合理高效施用化肥、提高化肥利用率在一定程度上可减少化肥投入量以降低水稻生产碳足迹。目前，黑龙江省部分农民仍按照传统经验施肥，具有很大的不确定性和随机性，不仅会浪费部分化肥，难以实现最大产量，还会在生产过程中产生大量的碳足迹。因此，黑龙江省农民应该注重基肥与追肥相结合施用，降低基肥施用比例，提高追肥施用次数；应根据水稻生长需肥规律和土壤土质，合理调整化肥施用比例，通过提高化肥利用率以减少化肥使用量，达到减少水稻生产碳足迹的目的。

4. 3 大力推广农机节油技术，减少柴油使用量

在黑龙江省水稻生产过程中，柴油消耗量大，占水稻生产碳足迹总量比例较高。因此，政府应向农民大力推广农机节油技术，最大程度地减少柴油使用量，以减少水稻碳排放；随着经济的飞速发展，农业机械化水平不断提高对于农业可持续发展有着至关重要的作用，农机节油技术的大力有效推广具有节约资源、低碳环保等特点。具体来说，政府可通过对使用农机节油技术的农户进行一定补贴，提高农户使用农机节油技术的积极性，达到减少柴油使用量、节约耗油成本，降低碳足迹的目的。

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（責任编辑 邓慧灵）