2008～2017 年中国地级市化肥施用碳足迹的时空演变格局

2021-03-17田沛佩卢宏玮军1中国科学院地理科学与资源研究所北京100101华北电力大学可再生能源学院北京1006武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉4007

中国环境科学 2021年2期

田沛佩,卢宏玮,李丹,殷闯,夏军1, (1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101；.华北电力大学可再生能源学院,北京 1006；.武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 4007)

人为温室气体排放是导致全球气候变化的重要原因之一[1-2],而农业生产是全球第二大温室气体(GHG)排放源[3],占人为温室气体排放总量的21%～25%[4]和非CO2温室气体(N2O 和CH4)排放的56%[5].化肥生产和施用是温室气体排放的重要部分,我国从20 世纪70 年代开始大力推动化肥工业和农业施肥[6-7],至2015 年全国化肥施用量达到6.02×107t(折纯量),较1978 年增加581%[8].具体来看,我国化肥消费量在2008 年以后依然快速增长,至2015 年达到峰值.从化肥施用量和播种面积来看,我国单位面积化肥施用负荷在不断提高.2015 年,国家提出化肥施用零增长行动[8],自此化肥施用量开始下降,至2017 年降至5.86×104t,降幅为2.7%,说明化肥施用零增长行动政策效果初显.单独来看,氮肥年用量为2.2×107t/a,在2013 年达到峰值后持续下降,至2017 年较峰值下降7.3%;磷肥年用量为8×106t/a,2017 年较2008 年仅增加2.2%;钾肥施用量在2015 年达到峰值.化肥的大量施用对农作物增产起到了关键作用,但其伴生的环境污染和温室气体排放同样影响深远.因此,探明我国化肥碳排放特征及规律对发展低碳高效农业,保护生态环境具有重要意义.

碳足迹是目前国内外普遍认可的一种用于衡量产品或服务碳排放水平的指标.目前,国内外学者对我国化肥施用进行了一系列研究.例如,潘晓东等[9]分析了中国地级市化肥施用量的时空变化特征,发现2000～2015 年我国化肥施用量超标的地级市变多,区域变广,粮食重心和化肥施用量的移动轨迹出现明显差异;陈舜等[10]推算了符合中国目前情况的各种氮,磷和钾肥制造过程中的温室气体排放系数,并指出大部分排放系数为欧美平均水平的2 倍左右;Zhang 等[11]基于全生命周期分析量化了中国氮肥施用的碳足迹,得出中国每生产和施用1t 氮肥会排放13.5t 当量的CO2,且从1980 年至2010 年由氮肥生产和施用引起的碳排放增加了2 倍.这些研究对认识我国化肥的碳排放具有重要价值.

本文在已有研究基础上,从全生命周期思想出发,对我国氮,磷和钾肥生产,运输和施用过程的温室气体排放进行准确量化.在研究尺度上,基于更小尺度空间样本单元数据进行分析和研究,从时空角度定量探究我国2008～2017 年地市尺度的化肥施用碳足迹,以期为我国低碳高效农业发展提供科学依据.

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区域及数据来源

以中国大陆为研究区域,涉及全国334 个地级行政单元(不包括港澳台地区).基于数据的有效性和可获取性,选取2008～2017 年为研究时段.涉及的数据主要为地市级氮,磷和钾肥施用量(折纯量),耕地面积等,数据来源为我国历年地市的统计年鉴[12].部分缺失数据用省级数据按耕地面积插值替代,缺失地市(集中于内蒙,福建,广州和青海)数据占比13.6%.

1.2 研究系统边界

本研究基于生命周期思想,研究系统边界设定为主要化肥(氮,磷和钾)从生产到施用全过程所造成的直接或间接温室气体排放,包括[13]:①化肥生产和运输过程的排放;②氮肥施用造成的土壤N2O 排放[14];③氮肥施用所增加的土壤固碳量[15].其中①和②为正排放.③为负排放.

1.3 化肥施用碳足迹计算

化肥施用碳足迹的计算参考Lu 等[16], Zhang等[17], Liu 等[13]研究成果和《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》[15].具体计算过程如下:

式中:CF 为化肥施用的碳足迹(t CO2eq);GEFij分别为氮,磷和钾肥生产和运输的排放;GENi为氮肥施用造成的土壤N2O 排放;GESi为氮肥施用所增加的土壤固碳量.

氮,磷和钾肥生产和运输的排放为:

式中:EFpj分别为氮,磷和钾肥生产排放系数;EFt为化肥运输排放系数;FAij分别为氮,磷和钾肥的施用量(折纯量).

氮肥施用所造成的土壤N2O 排放为:

式中:EFn为氮施用N2O 排放系数;298 为N2O 100 年增温潜力[18];44/28 为N 与N2O 的转换系数.

表1 中国化肥施用排放因子Table 1 Emission factors for fertilizer production and application

氮肥施用所增加的土壤碳固存为:

式中:

式中:A 为耕地面积;a 和b 为斜率和截距,根据Lu等[16]的研究选取.

单位面积的化肥施用温室气体排放(FCF:t CO2eq/hm2)为:

本研究中化肥施用碳排放系数见表1,其中中国农区的划分基于Chen 等[19]的研究成果.

2 结果与讨论

2.1 我国化肥施用碳足迹的总体特征

图1 显示了2008～2017 年中国化肥碳足迹构成.由图可见,2008～2017 年间呈单峰形变化,前期缓慢增加并在2013 年达到峰值(253.9Tg CO2eq),之后持续下降,至2017 年碳足迹降至227.7Tg CO2eq,较峰值下降10.3%.对化肥碳足迹贡献最多的是氮肥生产和运输的温室气体排放(GEF-N:57%),其次是施用造成的土壤N2O 排放(GEN-N:21%);磷和钾肥的施用(GEF-P 和GEF-K)共贡献了约7%的温室气体排放,氮肥施用所增加的土壤碳固存(GES-N)减少了约16%的温室气体排放.总的来看,虽然2008～2017年磷肥和钾肥的用量达到1400万t/a(氮肥施用量的70%),但是大部分化肥施用温室气体排放来自于氮肥施用,且整个10 年间碳足迹构成无明显变化(图1).

图2 显示我国2015 年化肥施用碳足迹的空间特征.采用自然间断点分级法对碳足迹进行分类,碳足迹越大说明该地区化肥施用碳排放越高.总的来看,2015 年全国大部分地市化肥施用温室气体排放均处于中低水平(0～80 万t CO2eq)(图2a),长江以南地市的化肥施用碳排放普遍较低,青藏地区的碳足迹更是低于5 万t CO2eq.化肥施用碳足迹较高的地区主要分布在河南,河北,黑龙江和吉林等粮食主产区.氮肥施用碳足迹的时空分布特征与总碳足迹基本一致,说明化肥施用的温室气体排放主要由氮肥贡献;磷肥施用碳足迹区域差异巨大,大部分处于低水平或高水平(0～0.02 或＞0.08Tg CO2eq)而处于中间水平的地市较少,且高水平区域与氮肥施用碳足迹高水平区域基本一致;钾肥施用碳足迹较高的地区主要位于黑河腾冲线以南,东南沿海地区因为钾肥施用的碳排放相对较高.

图1 2008～2017 年中国化肥施用碳足迹构成Fig.1 Composition of the carbon footprint of the fertilizer application from 2008 to 2017

由表2 可知2008～2017 年我国化肥施用碳足迹的地市数量变化.大部分地市排放量位于0.2～0.4Tg CO2eq 之间且近十年间变化不大(约110 个左右),但碳排放高水平和低水平地市以2013 年为转折点出现显著负相关.具体来说,2008～2013 年化肥施用碳排放量较低的地市数量缓慢减少,由2008 年的62 个降至2013 年的58 个,减少的地市多位于青藏地区;而化肥施用碳排放量较高的地市数量缓慢上升,由2008 年的26 个增至2013 年的35 个,增加的地市多位于北方地区.2013～2017年化肥施用碳排放低水平的地市数量持续上升,而化肥施用碳排放高水平的地市数量则持续下降.总的来说,2013 年是我国化肥施用碳排放的转折年,之后化肥施用碳排放低水平的地市数量开始逐渐增加,而高水平的地市数量相应减少.

图2 2015 年中国化肥施用碳足迹Fig.2 The carbon footprint of the fertilizer application in 2015

表2 2008～2017 年不同化肥施用碳足迹水平下的地级市数量Table 2 The number of prefecture-level regions with different carbon footprints of fertilizer application in China from 2008 to 2017

2.2 我国化肥施用碳足迹负荷的时空特征

由图3 可以看出,全国大部分地市化肥施用碳足迹负荷均处于中低水平(0～4t CO2eq/hm2)(图3a),特别是南方和青藏地区.化肥施用碳足迹负荷较高的地区主要分布在我国的粮食主产区(华北平原,东北平原和长江中下游平原).全国化肥施用碳足迹总负荷为1.97t CO2eq/hm2,其中氮,磷和钾肥碳足迹负荷分别为1.79t CO2eq/hm2,0.15t CO2eq/hm2和0.03t CO2eq/hm2,占比91%,7.6%和1.4%.根据国际通用的年化肥施用安全上限225kg/hm2[20]和我国通用的氮,磷和钾施用比例11:4:3 计算,我国碳足迹负荷应不高于1.22t CO2eq/hm2,而上述计算得出的实际负荷已经高于国际水平50%以上.有253 个地市的实际负荷过高,主要位于华北平原,东北平原和长江中下游平原;负荷较小的地区(＜ 1.22t CO2eq/hm2)共有80 个,主要位于青藏高原和西北地区内蒙古一线.对比分析2015 年化肥施用碳足迹和碳足迹负荷可以看出,负荷高的地市与足迹高水平的地市基本一致,二者的时空分布特征(图2和图3)趋同,说明我国化肥施用碳足迹负荷的增加是碳足迹增加的重要原因[21].

图3 2015 年中国化肥施用碳足迹负荷Fig.3 The farm carbon footprint of the fertilizer application in 2015

2.3 2008～2017 年我国地市级化肥施用碳足迹的变化

由图4 可知,我国化肥施用碳足迹已从2008 年的238.9Tg CO2eq 降至2017 年的227.7Tg CO2eq.十年间化肥施用碳足迹呈下降趋势的地市共216 个,占全国地级行政区的64.8%.其中,95 个地市温室气体减排超过1 万 t CO2eq/a,占全国地级行政区的28.5%,主要分布在陕西,河北,河南,湖南和广东等省.2008～2017年一直保持增长的地市有121个,其中48 个地市的温室气体排放量增加超过 1 万 t CO2eq/a,占全国地级行政区的14.4%,主要位于新疆,云南,黑龙江和吉林省.2013 年之前共有152 个地市(主要集中在青藏和内蒙地区)碳足迹呈下降趋势,超过一半的地市呈上升趋势,新疆部分地区的温室气体排放增量甚至超过15 万 t CO2eq/a.2013 年之后全国氮肥施用量开始减少,化肥施用碳足迹明显下降,呈下降趋势的地市增至216 个,占全国地级行政区的79.6%.这一时期全国化肥施用碳足迹下降范围明显增大,华北和东北平原大部分地区温室气体排放以超过1 万t CO2eq/a 的速度下降.具体而言,氮肥施用碳足迹与碳足迹负荷于2013 年之后呈现下降趋势,磷肥与钾肥施用碳足迹与碳足迹负荷于2015 以后开始下降,化肥施用碳足迹与碳足迹负荷的变化呈现相对同步趋势.但是,仍有33 个地市的化肥施用碳足迹依然保持增长,主要位于新疆,云南和黑龙江等地,说明在这些区域仍需进一步优化化肥施用模式,提高施肥效率.

2.4 讨论

化肥的合理施用对于保障我国粮食安全至关重要,而当前依然存在的过度施用已经造成了严重的环境污染和大量温室气体排放[22].在碳足迹构成方面,我国化肥施用的碳足迹主要由氮肥施用驱动(占90%以上),2015 年氮肥施用碳足迹负荷为1.79t CO2eq/hm2,比国际平均水平高出50%以上.Ju 等[23]对水稻,小麦和玉米农田系统的研究表明我国当前采用的农业氮肥施用方法(550～600kg N/hm2)并不能显著增加作物产量,但会导致严重的环境污染.减少氮肥施用量,优化施肥技术,控制氮肥流失是降低温室气体排放的重要途径.在化肥生产和施用的各个阶段,生产运输过程的温室气体排放占比达60%以上.事实上,由于我国氮肥生产的设施和技术较为落后,产生了大量温室气体排放[11,24].优化能源生产过程,提高从大气中制备氨的效率能大大减少化肥制造过程带来的温室气体排放.

图4 2008～2017 年中国化肥施用碳足迹变化Fig.4 Variation in carbon footprint of the fertilizer application from 2008 to 2017

针对化肥施用伴生的环境问题,我国政府出台了《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》[25],指出要加快转变施肥方式,减少不合理化肥投入,走高产高效,优质环保,可持续发展之路.鉴于此,本文探究了2008～2017 年中国地级市化肥施用碳足迹的时空演变格局,绘制了我国化肥施用温室气体排放空间分布图.但本文也存在大量的不确定性,主要来源于以下几方面: 1)数据的不确定性,本文的主要数据来源为我国地市发布的统计年鉴,但是由于我国不同区域经济发展和地方政府管理水平差异巨大,该数据的可靠新和准确性难以验证; 2)计算方法的不确定性,本文基于生命周期思想探究我国化肥施用碳足迹的时空格局,主要考虑了化肥的生产,运输和施用三大主要过程,在研究范围的确定上存在不确定性;3)排放因子的不确定性,文中排放因子主要来源于前人研究成果,受制于数据和研究方法局限性,部分因子存在分辨率不足,时效性降低等问题,如化肥运输排放因子采用全国平均排放因子,在空间分辨率上有待改善.此外,本文尚未深入分析单位产量化肥施用温室气体排放,也未对化肥施用碳足迹与粮食产量进行耦合研究.未来还需对我国化肥施用温室气体排放开展多尺度,多时段综合分析.