新疆生产建设兵团农牧业温室气体排放的脱钩与驱动效应分析

楚天舒 赖世宣 黄译萱 马红红 吴湘琳 蒲胜海 李晓红

(1.中国农业大学 资源与环境学院,北京 100193;2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业农村部西北绿洲农业环境重点实验室,乌鲁木齐 830091;3.中国农业大学 工学院,北京 100083;4.中国农业大学 经济管理学院,北京 100083)

政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第6轮评估报告[1]指出,气候变化及其引起的极端气象事件频率和强度的增加,已经对陆地生态系统产生了负面影响。2010—2019年人为温室气体净排放量持续增加,2019年达到590亿t(以CO2计,全文同)。其中,农牧业温室气体排放量占总量的23%,是重要的排放源之一。因此,探究农牧业温室气体减排路径与策略,已成为当前国内外科研人员高度关注的议题。

在农牧业温室气体核算方面,Chen等[2]针对中国的16种主要作物进行研究发现,2001—2018年净温室气体排放增长的91.9%来源于施肥和灌溉,并进行情景分析指出,减少活性氮的损失是减少农业温室气体排放最有效的策略。在中国北方大型猪场,每1 kg生猪的温室气体排放量为3.39 kg,其中饲料生产、粪便管理、农场能源消耗和肠道甲烷的贡献分别为55%、28%、13%和4%[3]。从空间分布看,畜牧业高温室气体排放区位于青藏高原东南部地区,而高碳汇区位于青藏高原的东南部、西南和中部地区[4]。在温室气体评价方面,1994—2013年上海在农业经济发展与农业排放增长的脱钩较弱,脱钩指数为-0.01～0.29[5]。从省域尺度看,1997—2014年中国东部省份农业温室气体排放和农业总产值主要处于强脱钩状态[6]。Huang等[7]运用LMDI分解法分析发现,农业生产效率、农业产业结构和劳动力等因素对江西省农业温室气体排放有负面作用,而农业经济发展和城市化水平等因素则有正向作用。由此可见,脱钩分析与驱动效应分析能有助于探究不同地区农业温室气体排放特征。而如何定量评估农业机械化、水利化等对农业绿色低碳发展推动效果,系统解析作用机制,成为当前急需解决的课题。

新疆生产建设兵团作为中国农业节水灌溉示范基地、农业机械化示范推广基地和现代农业示范基地,农牧产品产量高,生产水平先进,引领西北地区农牧业发展。本研究拟以新疆生产建设兵团农牧业生产系统为研究对象,核算农牧业温室气体净排放量;采用Tapio脱钩分析法评估温室气体净排放量与产值、产量的关联程度;运用LMDI分解法探究生产机械化、水利现代化、畜禽良种化等对温室气体净排放量的驱动效应,以期为区域农牧业绿色低碳发展提供参考资料。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

新疆生产建设兵团位于我国新疆维吾尔自治区,地处欧亚大陆中部(73°40′ E～96°23′ E,34°25′ N～49°10′ N),气候属温带大陆性气候。辖区土地面积701.7万hm2,其中,耕地面积128.8万hm2,园地15.1万hm2,草地171.9万hm2。2020年,新疆生产建设兵团第一产业增加值673.8亿元,占生产总值的23.2%。农作物播种面积141.5万hm2,粮食、棉花、油料、甜菜和蔬菜占比分别为18.4%、61.1%、4.2%、1.2%和4.6%。粮食、棉花、油料、甜菜和蔬菜产量分别为214.4万、213.4万、23.9万、146.9万和481.3万t。种植业耕种收综合机械化率为95.2%。猪牛羊年末存栏量分别为229.6万、52.6万和366.3万只,肉类、禽蛋和牛奶产量分别为48.8万、15.1万和73.8万t。新疆建设兵团农牧业生产系统设定以农作物种植和畜禽养殖全过程为基础;其中,种植业涵盖农作物的耕整地、种植、田间管理、收获等各个阶段,养殖业涵盖畜典型生产模式下动物饲养、粪污处理等各个环节(图1)。

图1 新疆生产建设兵团农牧业生产系统示意图Fig.1 Diagram of agriculture and animal husbandry production system in Xinjiang Production and Construction Corps (XPCC)

1.2 农牧业温室气体净排放核算方法

本研究按照IPCC温室气体核算指南[8],结合新疆生产建设兵团作物种植与畜禽养殖的生产过程,从农业温室气体排放、畜牧业温室气体排放和土壤固碳3方面,整理出核算方法和公式。

1.2.1农业温室气体排放核算方法

新疆生产建设兵团农业生产系统的温室气体排放主要分为主要物资碳排放、稻田CH4排放、农田土壤N2O排放和秸秆焚烧碳排放4部分。本研究整理2011—2020年新疆生产建设兵团农业相关数据,带入式(1)计算得到农业生产系统的温室气体排放量。

(1)

式中:Cp为农业生产系统的温室气体排放量,kg,全文温室气体排放量均以CO2计;Pinput为主要物资碳排放量,kg;Ppaddy-CH4为稻田CH4排放量,kg;PN2O为农田土壤N2O排放量,kg;Pstraw-burning为秸秆焚烧碳排放量,kg;Mi为农业第i种主要物资用量[9];Ei为农业温室气体排放系数,详见表1;Spaddy为水稻种植面积[9],hm2;D为水稻1个生长周期的时间,150 d[10];Rreturn为秸秆还田率,24.07%[11];Nj为第j种途径输入农田土壤的氮量[9],kg,j=1,2,3,4分别表示化肥、有机肥、秸秆还田和土壤矿化;N5为大气干湿沉降进入农田的氮量[12-13],kg;N6为秸秆氮量,kg,由作物产量[9]、草谷比[8]和秸秆含氮量[8]计算获得;Rburn为秸秆焚烧比例,3.22%[11];Rsuff为焚烧因子,玉米、水稻、小麦和其他作物分别为80%、80%、90%和85%[8];i=1,2,…,22。CH4的100 a全球增温潜势[1]为27.9;N和N2O的质量转换系数为44/28;N2O的100 a全球增温潜势为273[1]。

表1 新疆生产建设兵团农业温室气体排放系数Table 1 Greenhouse gas emission (GHG) factors in XPCC agriculture

1.2.2畜牧业温室气体排放核算方法

新疆生产建设兵团畜牧业生产系统的温室气体排放主要分为主要物资排放、畜禽肠道CH4排放、粪便管理过程中CH4排放、粪便管理过程中N2O排放和草地土壤N2O排放5部分。本研究整理2011—2020年新疆生产建设兵团畜牧业相关数据,带入式(2)计算得到畜牧业生产系统的温室气体排放量。

(2)

式中:Ca为畜牧业生产系统的温室气体排放量,kg;Ainput为主要物资排放量,kg;AEN为动物肠道CH4排放量,kg;AMM-CH4为粪便管理过程中CH4排放量,kg;AMM-N2O为粪便管理过程中N2O排放量,kg;AG-N2O为草地土壤N2O排放量,kg;M11为畜牧业用电量[9],kW·h;Ei为畜牧业的温室气体排放系数,详见表2;n为畜禽年养殖量[9],头;W为畜禽生长期间的平均体重,kg/头;Vex为畜禽单位体重的挥发性固体的排泄量[8],kg/kg;Nex为畜禽单位体重的N的排泄量[8],kg/kg;N7为草地土壤矿化产生的氮量,kg;N8为大气干湿沉降进入草地的氮量[12-13],kg。

表2 新疆生产建设兵团畜牧业温室气体排放系数[1]Table 2 GHG emission factors in XPCC animal husbandry

1.2.3土壤固碳核算方法

本研究整理2011—2020年新疆生产建设兵团农业和畜牧业相关数据,带入式(3)计算得到农田和草地土壤有机碳储量变化,作为农田和草地土壤固碳量。

(3)

式中:ΔCOG为农田或草地土壤有机碳储量变化,kg;CSOC,t为第t年农田或草地土壤有机碳储量,kg;CSOC,0为初始年农田或草地土壤有机碳储量,kg;CREF为某种气候、土壤条件下农田或草地参考土壤有机碳储量[8],kg/hm2;FLU为土地利用方式的修正因子[8];FMS为管理方式的修正因子[8];FIN为有机物料输入水平的修正因子[8];S为某种气候、土壤条件下农田或草地面积[26],hm2。

1.2.4温室气体净排放量核算方法

本研究将农业或畜牧业温室气体排放量减去农田或草地土壤有机碳储量变化,得到农业或畜牧业温室气体净排放量,具体计算公式为:

Cn,t=Ct-ΔCOG×44/12

(4)

式中:Cn,t为第t年农业或畜牧业温室气体净排放量,kg;Ct为第t年农业或畜牧业温室气体排放量,kg。二氧化碳和碳的转化系数为44/12。

1.3 Tapio脱钩分析法

为探讨新疆生产建设兵团农牧业生产系统温室气体净排放量与产值、产量之间的关联程度,衡量农牧业经济增长是否以消耗环境为代价,从而引入Tapio脱钩分析法[27],即采用以时间尺度弹性分析方法反映2个变量之间的脱钩状态,按照式(5)计算:

(5)

式中:eV,t为第t年农业或畜牧业温室气体净排放量与产值的脱钩指数,eY,t为第t年农业或畜牧业温室气体净排放量与产量的脱钩指数,脱钩指数的状态划分详见表3;ΔCn,t为第t年比第t-1年农业或畜牧业温室气体净排放量的增长量,kg;Cn,t为第t年农业或畜牧业温室气体净排放量,kg;ΔVt为第t年比第t-1年农业或畜牧业产值的增长量,万元;Vt为第t年农业或畜牧业产值[9],万元;ΔYt为第t年比第t-1的农产品或畜产品产量的增长量,kg;Yt为第t年农产品或畜产品产量,kg;yt为第t年农产品或畜产品实际产量[9],kg;nc为农产品或畜产品蛋白质质量分数[28],%,考虑各类农牧产品差异大,产量无法直接加和,遂将其产品产量换算为蛋白质产量再加和。

表3 脱钩指数的8种状态Table 3 Eight types of decoupling index

1.4 LMDI分解法

为定量揭示新疆生产建设兵团农牧业生产系统的温室气体排放的驱动因素,本研究选用对数平均迪式指数分析法(Logarithmic mean divisia index,LMDI)。LMDI分解法对研究对象进行完全分解而不产生残差,定量识别驱动因素,在农业领域得到了广泛应用[29]。

1.4.1农业温室气体净排放量驱动因素分解

《新疆生产建设兵团国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》[30]中将农牧业绿色发展列为乡村振兴的重要抓手,农业规模化、机械化和水利化是兵团农业高质高效发展的核心目标。为了阐明农业绿色低碳发展与规模化、机械化和水利化的协同机制,本研究依据LMDI分解法将农业温室气体净排放量拆解出种植面积、生产机械化水平、水利现代化水平和机械化与水利化协同程度4个驱动因素,定量评估上述4个因素的驱动效应,找出当前存在的不足之处,明确未来协同发展路径。参照经典公式[29],农业温室气体净排放量的LMDI分解形式可表示为:

(6)

式中:Cp,t为第t年农业温室气体净排放量,kg;Sp,t为第t年农作物种植面积[9],hm2;Sh,t为第t年机械收割面积[9],hm2;Si,t为第t年高新节水灌溉面积[9],hm2;M、P、Q、R为规划化、机械化、机械化与水利化协同、水利化的驱动因子;ΔCp,t为农业温室气体净排放量的变化量,kg;ΔM为种植面积的效应值,kg/hm2;ΔP为生产机械化水平的效应值,%;ΔQ为机械化与水利化协同程度的效应值,%;ΔR为水利现代化水平的效应值,hm2。

1.4.2畜牧业温室气体净排放量驱动因素分解

为了解析畜牧业绿色低碳发展与规模化、良种化和机械化的协同机制,本研究依据LMDI分解法将畜牧业温室气体净排放量拆解出畜禽养殖量、畜禽良种化水平、生产机械化水平和良种化与机械化协同程度4个驱动因素,判断上述4个因素对温室气体净排放量起着促进作用或是抑制作用,明确未来协同发展路径。参照经典公式[29],畜牧业温室气体净排放量的LMDI分解形式可表示为:

(7)

式中:Cl,t为第t年畜牧业温室气体净排放量,kg;Bt为第t年畜禽养殖当量,头(由畜禽养殖量[9]与系数[31]折算成奶牛当量,全文均以奶牛当量计);Bf,t为第t年畜禽良种推广量[9],头;Bc,t为第t年机械剪毛羊量[9],头;T、U、X、Z为规模化、良种化、良种化与机械化协同、机械化的驱动因子;ΔCl,t为畜牧业温室气体净排放量的变化量,kg;ΔT为畜禽养殖量的效应值,kg/头;ΔU为良种化水平的效应值,%;ΔX为良种化与机械化协同程度的效应值,%;ΔZ为生产机械化水平的效应值,头。

2 结果与分析

本研究使用式(1)～(7),以及表1和表2中的相关系数,根据表3的脱钩指数状态判断,对新疆生产建设兵团农牧业温室气体净排放量、脱钩情况和驱动因素进行计算与分析。

2.1 农牧业温室气体净排放量

2011—2020年新疆生产建设兵团农牧业温室气体净排放量均呈现“增长—平稳波动”趋势,农业温室气体净排放量远高于畜牧业。农业方面,2011年农业温室气体净排放量为7.12×109kg,2020年达到1.02×1010kg,增长43.42%。主要物资和农田土壤N2O排放量分别约占农业温室气体总排放量的73.14%和24.97%;其中,氮肥、电力和柴油在主要物资温室气体排放量中分别贡献了34.88%、19.93%和11.98%;农田土壤有机碳储量变化为3.81×108kg(图2(a))。畜牧业方面,2011年畜牧业温室气体净排放量为1.07×109kg,2020年达到1.34×109kg,增长25.55%;其排放主要来源于动物肠道CH4排放,约占67.20%,这也与当地饲养大量反刍动物有关;草地土壤有机碳储量变化为10.60×108kg(图2(b))。

图2 新疆生产建设兵团农牧业温室气体排放量及土壤固碳量Fig.2 GHG emissions and soil carbon sequestration in agriculture and animal husbandry in XPCC

2.2 脱钩分析

产值方面,新疆生产建设兵团农牧业温室气体净排放量与农牧业产值主要处于弱脱钩(图3(a))和强脱钩状态(图3(b));农牧业温室气体净排放量增速小于农牧业产值增速,其中,2019—2020年脱钩指数分别为-0.16和-0.24,这意味着新疆生产建设兵团农牧业走上了经济增长与环境保护协同发展之路。产量方面,农业温室气体净排放量与农产品产量部分年份处于强脱钩和弱脱钩状态,部分年份处于强负脱钩状态(图3(c)),2019—2020年脱钩指数为-0.26;而畜牧业温室气体净排放量与畜牧业产量由连接状态转向弱脱钩和强脱钩状态(图3(d)),2019—2020年脱钩指数为-2.37。总的来说,农牧业温室气体净排放量逐步与农牧产品产量脱钩。

2.3 驱动因素分析

在农业方面,2011—2020年种植面积、生产机械化水平、机械化与水利化协同程度和水利现代化水平的驱动效应总值分别为7.80×108kg/hm2、-14.87×106、-23.93×106和58.25×108hm2(图4)。其中,种植面积、水利现代化水平对农业温室气体净排放量表现为促进作用,而生产机械化水平、机械化与水利化协同程度起着抑制作用。由此可见,随着种植规模化与水利化发展,需投入更多的生产物资,如化肥、农药、地膜、灌溉设施设备、柴油和电力等,这势必会增加农业生产系统的温室气体排放量。而主要作物生产全程机械化发展,农业生产技术效率提高,单位面积投入化肥及地膜等生产物资的量减少[32-33],提高物资利用效率,促进了农业生产系统减排增效。因此,进一步优化灌溉技术与设施设备,加强灌溉工程管理,提升水资源与能源的利用效率[34],逐步将水利现代化对农业温室气体净排放量的促进作用转化抑制作用。

畜牧业方面,2011—2020年畜禽养殖量、良种化水平、良种化与机械化协同程度和生产机械化水平的驱动效应总值分别为-0.96×108kg/头、-2.50×106、-4.55×106和9.73×108头(图5)。其中,畜禽养殖量、良种化水平、良种化与机械化协同程度对畜牧业温室气体净排放量表现为抑制作用。而生产机械化水平的效应值从2018年起由1.23×108头转为-0.53×108头,即从促进作用转向抑制作用。畜牧业机械化前期需购置饲草收获与加工、饲喂、清粪和环境控制等设施设备,这将促进畜牧业生产系统的温室气体排放量。而随着畜牧业机械化水平进一步提升,养殖技术效率的提高,尤其在饲草收获与加工、粪便处理等环节降低损失与环境污染,逐步实现减排增效[35]。总的来说,当前畜牧业规模化、良种化和机械化对温室气体减排具有协同效应。

图5 新疆生产建设兵团畜牧业温室气体净排放量的驱动效应Fig.5 Driving effect of net GHG emissions in animal husbandry in XPCC

3 讨 论

新疆生产建设兵团农牧业温室气体净排放量与产值处于脱钩状态,而逐步与产品产量脱钩(图3)。由此可见,其农牧业生产向着环境友好型方向发展,逐渐不以牺牲环境为代价,但目前还处于发展初期。如何实现农牧业生产与温室气体排放脱钩,是其绿色低碳发展的当前面临的重要问题。具体可以从助力农牧业减排增效和促进农田土壤固氮增汇2方面展开。

1)助力农牧业减排增效方面,应着力推动农牧业机械化高质量发展。

本研究采用LMDI分解法解析农牧业温室气体净排放量的驱动因素发现,机械化对温室气体净排放量起到抑制作用(图4)。机械化生产作用机制是通过提高生产技术效率,科学管控生产的工程工艺与环境,减少生产物资过量投入,提高物资利用效率,降低环境损失,进而实现温室气体减排。当前新疆生产建设兵团已基本实现主要作物生产全程机械化,综合机械化率已超过95%,而畜牧业机械化还处于发展阶段。2021年新疆生产建设兵团发布的《关于促进兵团畜牧业高质量发展的意见》[36]重点指出,落实畜牧业机械补贴政策,完善圈舍、饲喂、挤奶、环境控制、粪污处理和病死畜禽无害化处理的全生产过程设施设备建设。因此,新疆生产建设兵团畜牧业机械化高质量发展可成为畜牧业减排增效的重要途径。建议优先饲草种植、粪污处理等关键环节实现机械化,提高饲草品质与产量,减少粪污环境污染;再逐步促进各环节设施设备与经营规模、养殖工艺相融合,进而实现机械化与绿色低碳协同发展。

2)促进农田土壤固碳增汇方面,应以推广有机无机配施为重点工作。

从新疆生产建设兵团温室气体排放量与结构分析可知,农田土壤有机碳储量变化相对较低(图2)。新疆生产建设兵团耕层土壤有机质含量为13.49 g/kg,按照西北区耕地质量评价指标分级,属于4级;低于西北区有机质平均值15.75 g/kg[37],具有一定的提升潜力。当前农业生产中存在化肥施用量高、有机肥施用量低的问题,不利于土壤有机质提升与培肥地力[38]。因此,在政策方面,建议探索耕地地力保护补贴发放与有机肥施用行为挂钩的有效机制,激励团场职工增施有机肥。在农艺方面,番茄、辣椒和甜瓜等是地区特色优质农产品,有机肥的施用能有效提升果菜商品品质与产量。建议优先面向果菜等特色作物,加大有机无机肥科学配施技术的推广力度,有机肥替代比例可控制在10%～20%。在农机方面,由于有机肥运输成本高与施用不便等生产问题,建议根据不同团场农机需求情况,灵活应用农机购置补贴、机械作业补贴或农机租赁补贴等多种补贴形式,实现有机肥机械化施用,解决“最后一公里”问题。

4 结 论

本研究运用Tapio脱钩分析法和LMDI分解法分析了新疆生产建设兵团农牧业温室气体排放量的脱钩与驱动效应,得到以下结论:

1)2011—2020年新疆生产建设兵团农牧业温室气体净排放量呈现“增长—平稳波动”趋势。2020年农业温室气体净排放量为1.02×1010kg,氮肥、电力和柴油为主要排放源;畜牧业温室气体净排放量为1.34×109kg,动物肠道CH4排放量约占67.20%。

2)新疆生产建设兵团农牧业温室气体净排放量与农牧业产值主要处于弱脱钩和强脱钩状态,2019—2020年脱钩指数分别为-0.16和-0.24。而与农牧产品产量逐步脱钩,脱钩指数分别为-0.26 和-2.37。

3)在农业方面,2011—2020年种植面积、生产机械化水平、机械化与水利化协同程度、水利现代化水平的效应值分别为7.80×108kg/hm2、-14.87×106、-23.93×106和58.25×108hm2。在畜牧业方面,2011—2020年畜禽养殖量、良种化水平、良种化与机械化协同程度、生产机械化水平的效应值分别为-0.96×108kg/头、-2.50×106、-4.55×106和9.73×108头。