典型农区乡镇的农业碳排放测算及达峰研究：以湖南省东安县为例

张陶新，李岩

(湖南工业大学 城市与环境学院，湖南 株洲，412007)

全球碳排放量的17%～32%来自农业[1]。我国是农业大国，以农业生产为主的农区，尤其是湖南、江苏等十多个省份是承载着粮食生产和农产品保护功能的“典型农区”，是我国农业碳排放2030年达峰攻坚战的主力军[2]。农业温室气体以非二氧化碳为主，农业碳排放量增减变动的地区差异较大。但从我国整体来看，随着绿色低碳发展，农药化肥施用量逐渐减少，畜禽粪便、秸秆和废弃物综合利用率稳步提升，全国农业碳排放于2015年开始逐步减少[3-4]，并且农业碳排放与农业经济之间也存在着长期稳定的环境库茨涅茨曲线(EKC)关系[4]，一些典型农区农业碳排放拐点出现在2010年到2016年之间[3]。当前的研究主要着眼于国家、省城等宏观区域尺度，而且集中在影响因素及减排措施等方面，对县域以下尺度的农业碳排放的研究较少。目前全国各地正在制订碳达峰行动计划，碳达峰的所有有效行动都将落实到基层单位，乡镇作为基本的小尺度区域单元，必将在农业碳排放实现达峰过程中起到关键作用。本文以湖南省东安县各乡镇作为典型农区乡镇的代表，通过分析其历年农业活动和化石能源消费水平数据，测算出其2012—2018年的农业碳排放，探讨乡镇农业碳排放与农业产值之间的关系，并研究东安县各乡镇农业碳排放峰值到达时间，为农区政府制订碳排放达峰行动计划提供决策依据。

1 研究区域概况

东安县地处湖南省的西南部，下辖白牙市镇、大庙口镇(含大庙口林场)、紫溪市镇、石期市镇、横塘镇、水岭乡、井头圩镇、川岩乡、端桥铺镇、鹿马桥镇(含黄泥洞林场)、芦洪市镇、新圩江镇、花桥镇、大盛镇、南桥镇等15个农业乡镇，农产品品种多、规模大，是我国重要的商品粮基地，也是我国的典型农区。据2013—2019年的《东安统计年鉴》，全县2018年农业产值比2013年增长3.84%(本文农业产值均以2010年的不变价表示)；2018年全县化肥施用总量约7.06万t(按实物量计算)，农作物化肥平均每公顷施用量是国际公认安全上限225 kg的3.24倍；2018年农药使用量为718 t，比2012年下降了1.65倍。

2 农业碳排放核算方法、数据及其来源

采用全生命周期方法,从农田、农业生产活动、畜牧业养殖、农业化石能源消费等几个方面测算各乡镇每年的农业碳排放量。由于各乡镇农用地与其他类型土地之间的转换较少而且缺乏数据，本文没有考虑这部分排放。

2.1 农田产生的排放

农田排放包括稻田水稻种植产生的甲烷排放C11和氧化亚氮排放C12。

C11=∑Ei×Si×WCH4×103

(1)

C12=∑Fi×Di×WN2O×103

(2)

式(1)中：Ei为分类型稻田甲烷排放因子[5]；Si为对应于该排放因子的水稻播种面积，hm2；下标i表示稻田类型；WCH4=25为甲烷的全球变暖潜能值。式(2)中：Fi为分类型作物氧化亚氮排放因子[6]；Di为对应于该排放因子的作物播种面积，hm2；下标i表示其他作物类型；WN2O=310为氧化亚氮的全球变暖潜能值。

2.2 农业活动引起的排放

农业活动排放包括秸秆还田和粪肥、化肥使用所产生的直接排放和间接排放。由于缺乏乡镇粪肥方面的数据，而且这部分碳排放量占比小，因此本文没有考虑粪肥排放。

2.2.1 秸秆还田和化肥施用引起的排放

秸秆还田氮N秸秆采用如下计算公式：

(3)

式中：Z表示作物籽粒产量;R,G,J分别表示经济系数、根冠比、根或秸秆含氮率，参数详见文献[5]；H表示秸秆还田率，主要农作物的秸秆还田率见表1。

表1 主要农作物参数

由于各乡镇没有具体的氮肥数据，综合考虑尿素、硫酸铵和硫酸氢铵含氮量，将氮肥含氮量取为45%，综合考虑常用复合肥的含氮量，将复合肥含氮量取为17%。

化肥氮N化肥的估算公式：

N化肥=氮肥×45%+复合肥×17%

(4)

秸秆还田和化肥引起的氧化亚氮的二氧化碳当量C21采用如下计算公式：

C21=(N秸秆+N化肥)×0.010 9×WN2O

(5)

式(5)中：省级温室气体清单编制指南推荐的氧化亚氮排放因子为0.010 9 kg N2O-N/ kg N输入量。

2.2.2 大气氮沉降引起的间接排放

大气氮主要来源于农用地氮输入(化肥和秸秆还田)的NH3和NOX挥发，氮输入的挥发率采用推荐值10%[5]，排放因子采用推荐值0.01[5]。此外，还有畜禽粪便的NH3和NOX挥发，由于这部分大气氮数据缺失，本文没有计算。

C22=(N秸秆+N化肥)×10%×0.01×WN2O

(6)

2.2.3 淋溶径流引起的间接排放

农田氮淋溶和径流引起的氧化亚氮间接排放量C23采用式(7)计算。氮淋溶和径流损失的氮量占农用地总氮输入量及排放因子分别采用推荐值20%和0.007 5[5]。

C23=(N秸秆+N化肥)×20%×0.007 5×WN2O

(7)

2.3 畜牧养殖产生的排放

畜牧养殖主要包括肉牛、役用牛、奶牛、山羊、猪、马、家禽、兔等的养殖，畜牧养殖的排放包括动物肠道发酵产生的CH4及其粪便管理产生的CH4和N2O。

2.3.1 动物肠道发酵产生的排放

动物肠道发酵产生的甲烷排放的二氧化碳当量计算公式如下：

C31=∑ECH4,i×Ai×WCH4×10-3

(8)

式中:ECH4,i为第i种动物的甲烷排放因子[5]；Ai为第i种动物的数量，头/只。

2.3.2 动物粪便管理产生的排放

动物粪便管理产生的甲烷排放C32和氧化亚氮排放C33计算公式如下：

C32=∑FCH4,i×Ai×WCH4×10-3

(9)

C33=∑EN2O,i×Ai×WN2O×10-3

(10)

式中:FCH4,i为第i种动物粪便管理甲烷排放因子[5]；EN2O,i为第i种动物粪便管理氧化亚氮排放因子[5]。

公式(1)～(10)由文献[5]整理得到。

2.4 农业能源消费产生的排放

柴油使用产生的排放C41和化肥、农药、农膜生产阶段消费化石能源产生的排放C42计算公式如下：

C41=Gc×D×44/12

(11)

C42=(GF×a+GY×b+GM×c)×44/12

(12)

式(11)和(12)中：GC表示柴油使用量，t；D表示柴油所对应的碳排放系数[7]；GF为化肥施用量，t，这里是按实物计算量；GY表示农药的使用量，t；GM表示农用塑料薄膜使用量，t；a，b与c分别表示化肥、农药、农膜所对应的碳排放系数[7]。

农业灌溉过程消费电力及其他化石能源产生的排放C43计算公式如下：

C43=li×t×44/12

(13)

式中：li为灌溉面积，hm2;t=266.48 kg C·hm-2，为转换系数。

公式(11)～(13)来源于文献[7]。

2.5 其他数据及其来源

各乡镇历年的各种农作物的播种面积和产量，牲畜、家禽等产品的存栏情况以及人口和农业产值均来自历年《东安统计年鉴》。化肥、农药、农膜、柴油等农业生产条件数据都是根据历年《东安统计年鉴》整理得到。

2.6 实际碳排放总量

根据2012—2018年东安县各乡镇农田、农业活动、畜牧业养殖、农业能源消费等4方面的活动数据，按照公式C=C11+C12+C21+C22+C23+C31+C32+C33+C41+C42+C43计算得到各乡镇实际碳排放总量C。

3 乡镇农业碳排放达峰分析

基于对2012—2018年东安县各乡镇农业碳排放的测算，下面进一步探讨乡镇农业碳排放随农业发展而变化的规律，并对各乡镇碳排放达峰进行深入分析。

3.1 农业碳排放与农业产值关系模型

目前国内多采用EKC模型解释碳排放和经济产出之间的变化关系[8]：

(14)

式中：Cit和Yit分别为区域i在t年的碳排放和经济产出；μit为随机扰动项。

3.1.1 稳健性检验

采用EViews 9.0软件对2012—2018年东安县15个乡镇农业碳排放总量(T)、农业产值(V)、农业产值的平方(V2)的面板数据分别进行Levin, Lin & Chu的t统计量检验，并对单个乡镇的相应变量时间序列数据进行ADF-Fisher和PPFisher的χ2检验，检验结果表明，在0.000 5的显著性水平上，面板数据和单个乡镇的T，V和V2数据的一阶差分都不存在单位根；进一步的面板数据协整检验也表明，在0.000 1的水平上，T，V和V2是协整的，说明数据具有稳健性。

3.1.2 变量之间的因果关系检验

使用EViews 9.0软件，对T，V和V2之间的Granger因果关系进行检验，检验结果表明在0.001的显著性水平上，T，V和V2相互之间具有因果关系。

3.1.3 乡镇农业碳排放库兹涅茨曲线的存在性验证

由于东安县各乡镇存在资源禀赋上的差异，各乡镇碳排放也存在着结构上的差异。因此，在模型(14)中加入固定效应，验证东安县乡镇的农业碳排放的长期均衡关系：

(15)

利用前文所得的样本数据，采用EViews 9.0软件进行回归分析，回归结果如下：

(16)

3.2 基准情景下乡镇碳排放达峰分析

从EKC模型(16)得到东安县农业碳排放与农业产值之间存在长期稳定的倒U型关系，平均说来，乡镇农业碳排放拐点所对应的农业产值为1.98亿元，在这一拐点后，乡镇农业碳排放量将随着农业产值的上升而下降。

利用灰色预测模型GM(1,1)对农业碳排放量进行预测，对数据资料要求较低，能够分析预测样本量小和信息贫乏的不确定性系统的未来发展变化趋势。本文采用GM(1,1)模型探讨东安县各乡镇农业未来的变化发展趋势，基于东安县各乡镇2015—2018年的农业产值，通过MATLAB软件求解GM模型，对东安县各乡镇2019—2045年的农业产值进行预测。从GM模型的检验结果来看，各乡镇的平均相对误差小于1.5%、后验差比值C小于0.4、小误差概率P值均为1，模拟预测精度较好。

根据农业产值预测结果并结合模型(16)，得到东安县各乡镇农业碳排放随时间而变化的发展趋势(见图1～3)。由图1～3可知：除了芦洪市镇、南桥镇的碳排放在2030年前不能到达峰值外，其余13个乡镇农业碳排放在2030年前已经到达峰值。

图1 东安县5个高碳排放乡镇农业碳排放变化发展趋势Fig.1 Trends of agricultural carbon emissions in 5 high-carbon townships

图2 东安县5个中碳排放乡镇农业碳排放变化发展趋势Fig.2 Trends of agricultural carbon emissions in 5 moderate emission townships

图3 东安县5个低碳排放乡镇农业碳排放变化发展趋势Fig.3 Trends of agricultural carbon emissions in 5 low-carbon townships

3.3 未达峰乡镇的碳排放2030年达峰方案

针对碳排放不能在2030年前完成达峰排放的乡镇提两种方案。

方案一：加快农业发展速度

根据东安县各乡镇农业产值数据，通过计算芦洪市镇、南桥镇与东安县全县总体的人均碳排放、人均农业产值、亩均农业产值3个指标数据，可以得出，2012—2018年芦洪市镇和南桥镇的3个指标每年都远低于全县平均水平。因此，与其他乡镇相比，芦洪市镇和南桥镇的农业发展速度还有很大的提升空间。从芦洪市镇和南桥镇农业产值每年比上一年的增长情况来看，芦洪市镇2015年比2014年增长4.36%，2016年比2015年增长10.3%。南桥镇2016年比2015年增长3.81%，2017年比2016年增长5.02%。因此，本文设定3种情景讨论未达峰乡镇的碳排放达峰时间。

基准情景是农业按照2015—2018年的模式发展，情景1和情景2分别假设了2019—2045年农业产值的年均增长率见表2。

表2 农业产值年平均增长率(%)的情景设定

根据情景设定的数值，利用公式 (16)进行计算的结果表明：3种情景下，如果芦洪市镇和南桥镇能够提高农业产值，年均增长率提高约2.46个百分点，则都可以在2030年实现碳排放达峰目标。如果农业发展速度进一步加快，则碳排放达峰目标可以在2030年以前实现。

方案二：实施绿色低碳发展，降低碳排放峰值

芦洪市镇和南桥镇2012—2018年每年农作物平均每公顷化肥施用量是国际公认安全上限225 kg的3倍多，而且2018年比2012年增长了3.13%，化肥生产和施用所产生的碳排放量在农业碳排放总量中的占比较高。因此，芦洪市镇和南桥镇实施绿色低碳发展关键是减少化肥施用量。2019年芦洪市镇和南桥镇开始按照国家《到2020年化肥使用量零增长行动方案》实现化肥使用量零增长，这两镇的碳排放峰值都分别提前到2019年和2026年达标，从而实现农业碳排放在2030年以前达峰排放的目标。

4 结论

本文以东安县所辖乡镇为例，测算了各乡镇2012—2018年每年的碳排放数据。通过对15个乡镇2012—2018年的面板数据进行分析，表明了乡镇农业碳排放存在长期稳定的均衡关系，建立了固定效应变截距的EKC模型，借助EKC模型分析了各乡镇农业碳排放拐点到达时的农业产值。根据东安县各乡镇2012—2018年的农业产值，通过灰色预测模型对各乡镇2019—2045年的农业产值进行预测，并结合EKC模型，得到了东安县各乡镇农业碳排放随时间变化的发展趋势。

1)东安县乡镇农业碳排放存在长期稳定的倒U型关系，平均来说，东安县乡镇农业碳排放在农业产值为1.98亿元时将到达拐点。虽然各乡镇自发碳排放峰值各不相同，但86.7%的乡镇的碳排放能够在2030年以前达到峰值。

2)按照2015年以来的农业发展模式来看，东安县农业碳排放未实现达峰的芦洪市镇和南桥镇，可以通过加快农业发展速度、实施低碳发展战略减少化肥施用量等途径，在2030年以前使碳排放到达拐点，实现达峰目标。

根据以上结论，本文得出以下几点政策启示：

1)现阶段东安县农业碳排放整体呈现下降趋势，但是仍有乡镇面临无法在2030年前实现碳排放达峰的局面。因此，应切实落实国家《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，大力减少不合理化肥投入，降低化肥施用量，增加有机肥资源利用。政府也应加强管理，推广配方肥、增施有机肥、恢复发展冬闲田绿肥等。

2)增加农业科技投入，大力研发、推广绿色生态农业技术。一是加强技术研发，重点开展农作物高产高效施肥技术研究。二是推动肥料产业转型升级，加快示范推广高效新型肥料，不断提高肥料利用率。三是推进科学施肥，按照土壤养分状况和作物需肥规律，分区域、分作物制定科学施肥指导手册。

3)立足于未达峰乡镇的资源条件，充分调动农民的主动性、积极性，因地制宜地加快农业发展。