农业碳排放时序特征及达峰分析——以海南省18市县为例

霍礼鑫张雨帆柯佑鹏过建春王佳楠

(1.海南大学管理学院，海南 海口 570228；2.海南师范大学，海南 海口 571158)

进入21世纪以来CO2、CH4等温室气体的大量排放导致全球气候变暖，导致全球极端气候灾害事件频繁发生[1]。因此，减少温室气体排放、发展低碳经济已达成国际共识[2]。中国作为主要的碳排放国家之一，在第七十五届联合国大会上提出力求于2030年前达到碳达峰，2060年前实现碳中和[3]。当前，农业是全球温室气体的第2大碳排放源，农业碳排放的研究对于解决环境问题意义重大[4]。目前，国内外学者对农业碳排放的测算方法较多，主要包括IPCC测算法、碳排放系数法等方法。张广胜等[6]利用生命周期法评估法测度了1985—2011年中国农业碳排放总量。Borgen[5]使用IPCC法对挪威农田和草地的温室气体碳排放进行研究。杨果等[7]利用投入产出法进行我国农业碳排放的测算。Guo等[8]基于碳排放系数法对吉林省农业碳排放量进行测算。近年来，学者也开始关注农业碳排放预测，利用不同方法预测碳排放。邱子健等[2]利用STIRPAT模型，根据设定的基准情景和低碳情景对江苏省未来农业碳排放趋势进行预测分析。胡剑波等[9]基于神经网络模型研究预测中国工业碳排放量将于2026年达到峰值。赵爱文等[10]较早将灰色预测模型应用于中国碳排放问题并通过对中国碳排放进行短期预测证实灰色GM(1，1)模型的预测较为精准。Li等[11]利用GM(1，1)模型预测2020年山东省碳排放将增长到2015年的20%左右。通过梳理文献可以发现，现有文献还存在2方面问题：鲜有研究涉及到农业碳排放预测层面，虽然有不少学者的研究涉及到碳排放的预测，但是碳排放预测研究主要集中于国家层面或局限于工业领域，关于农业领域碳排放预测的文献较少；研究人员主要从山东、黑龙江等农业大省进行研究或是着眼于全国角度分析，有关海南省热带地区农业碳排放的相关研究较少。

本文以海南省为主要研究地区，从种植业碳排放、禽畜业碳排放2个方面共10个碳源，构建农业碳排放计算架构并测算海南省及18个市县2011—2021年主要农业生产活动碳排放量，分析其碳排放的时序特征，利用灰色预测模型预测2021—2035年海南省及各市县农业碳排放量，提出有针对性的农业碳减排建议。

1 方法与数据来源

1.1 指标体系构建

从农业碳排放的指标体系构建来看，农业碳排放主要有3个来源：农用物资直接投入产生的碳排放，具体包括化肥、农药、柴油、农膜直接利用产生的碳排放、土地翻耕导致有机质损失所产生的碳排放以及农业灌溉所耗费的能源燃料产生的碳排放[6]；水稻成熟过程中所释放的甲烷等温室气体[8]；禽畜业养殖期间所产生的碳排放，包括粪便以及肠道发酵系统所产生的温室气体排放。相较于其他省份，海南省水稻所产生的碳排放量所占比重不高，所以将农用物资所产生的碳排放和水稻种植过程中产生的碳排放归为种植业碳排放。本文结合海南的实际情况从种植业碳排放、禽畜业碳排放2个方面构建农业碳排放的计算架构。

1.2 研究方法

本文利用政府间气候变化委员会(IPCC)第五次评估报告发布的碳排放系数法参考美国橡树岭国家实验室和省级温室气体排放清单的测算指标系数，测算海南省及各市县农业碳排放量并进行分析，采用灰色预测模型GM(1，1)预测海南省及各市县农业碳排放量趋势。

海南省农业碳排放量测算公式：

T=∑Ti=∑Fi×αi

(1)

式中，T为农业碳排放总量；Ti为农业活动中各源农业碳排放；Fi为农业碳排放活动量；αi为各源类农业碳排放系数。本文通过借鉴自然科学研究成果并结合海南省实际情况选取2个方面的主要碳排放源：种植业碳排放、禽畜业碳排放。2020年主要农作物秸秆综合利用率达85%以上，2022年实现秸秆直接还田20万hm2，秸秆综合利用率稳定在86%以上，减排空间有限，故未将秸秆焚烧产生的碳排放纳入计算中。本文中农业碳排放主要包含种植业活动产生的碳排放和禽畜养殖业活动产生的碳排放。

农田资源投入碳排放源系数及参考来源见表1所示。根据政府间气候变化委员会(IPCC)第五次评估报告结果显示CH4和N2O转化为CO2的增温潜势系数分别为21和310。

表1 种植业碳排放源与系数

禽畜养殖中的碳排放主要来自于禽畜肠道发酵中产生的甲烷以及禽畜粪便中产生的甲烷和氧化亚氮，本文根据政府间气候变化委员会(IPCC)第五次评估报告、省级温室气体排放清单以及相关文献[12]，选取的禽畜养殖中各碳源排放系数见表2。

表2 禽畜业碳排放源与系数

1.3 灰色预测模型

灰色预测模型GM(1，1)是基于原始数列逐步上升或者下降的规律，对原始数列在应用过程中累加生成序列以减少原始数列的随机性，使其呈现出较为明显的特征规律的模型。因此，本文选择适应于小样本量且确信度较高的灰色预测模型GM(1，1)来预测海南省及各市县未来的农业碳排放量，利用计算得到的2011—2021年海南省农业碳排放量，构建原始数列，对海南省2021—2030年农业碳排放量进行趋势预测。具体步骤如下。

将海南省2011—2021年农业碳排放量作为原始数列，计算原始数列x(0)的级比：

(2)

建立碳排放量的微分方程：

(3)

式中，(x)(1)(t)为累加数列，利用最小二乘法求解灰参数a和μ：

(4)

其中，

(5)

yn=[x(0)(2)，x(0)(3)，…，x(0)(n)]T

(6)

将灰参数a和μ代入时间函数可得：

(7)

相应的碳排放量预测值即为：

t=1，2，3，…，n-1

(8)

运用关联度检验、残差检验、后验差检验等检验模型GM(1，1)的精度，并对2022—2035年海南省碳排放量进行预测。

1.4 数据来源

本文海南省农业碳排放的数据均来源于《海南省统计年鉴》，氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、农用机械总动力、农药均为当年量；翻耕面积为耕地总面积；灌溉面积为单位有效灌溉面积；水稻面积为海南省热带稻田早稻晚稻面积；禽畜出栏量均采用当年出栏量，年内肥猪和年内家禽平均生命周期为200d和55d。本文研究地区选取海南省主要18市县，由于三沙市的特殊性故本文并未将三沙市纳入本文研究范围。

2 结果与分析

2.1 海南省农业碳排放时序特征

基于《海南省统计年鉴》的海南省农业碳排放的相关数据，利用碳排放系数法得到的2011—2021年海南省农业碳排放量测算结果及各碳源所占比例如表3所示。

表3 2011—2021年海南省农业碳排放量情况

由表3可知，2021年农业碳排放量为397.67万t，比2011年下降了14.45%，平均每年下降1.445%。其中，2021年种植业碳排放总量为266.43万t，占比66.99%，2021年畜禽业碳排放总量为131.24万t，占比33.01%。2011—2021年海南省农业碳排放总量呈现先上升再下降的2个阶段。第1阶段，海南省农业碳排放量从2011年的464.83万t到2013年的528.67万t，并于2013年达到顶峰，年均增长率为6.65%。并且2011—2012年的增长速度较快，同比增长11.03%，随后1年增长速度较慢，每年同比增长率约为2.43%。第2阶段，海南省农业碳排放量呈现出逐步下降走势，农业碳排放量从2014年的514.39万t下降到2021年的397.67万t，年均下降率为3.43%。

2.2 海南省各市县农业碳排放时序特征

基于《海南省统计年鉴》的海南省各市县农业碳排放的相关数据，利用碳排放系数法得到的2011—2021年海南省农业碳排放量分布图以及各市县碳排放测算结果如图1～3所示。

图1 2011年海南省18市县农业碳排放分布图

图2 2021年海南省18市县农业碳排放分布图

图3 2011—2021年海南省各市县农业碳排放量占比图

从研究数据来看，海口、琼海、澄迈、儋州、文昌、乐东2011—2021年农业碳排放总量超过300万t，为沿海地区。大多数市县的农业碳排放总量在100万～300万t。五指山、保亭2011—2021年农业碳排放总量小于100万t，，均为内陆地区。可以看出，海南省农业碳排放总量呈现四周沿海地区高，中部内陆地区低的分布规律，且从2011—2021年海南省农业碳排放总体呈现不断减少的趋势。从2011—2021年海南省各市县农业碳排放量占比分布趋势来看，农业碳排放量呈下降趋势的有11个，具体为海口、五指山、文昌、临高、琼中、陵水、昌江、儋州、屯昌、三亚、琼海。其中下降得最快的是琼中县，年均下降幅度为15.85%。琼中地处海南中部核心保护区，农村土地面积仅占全县土地面积的13.4%，近年来琼中大力发展旅游业、热带高效农业，农业碳排放量也呈现明显下降趋势。海南省共有7个市(县)农业碳排放总量呈现上升趋势，具体为万宁、定安、澄迈、东方、保亭、白沙、乐东。其中，只有乐东农业碳排放总量表现为快速上升，上升幅度超过1%，年均增长2.27%。乐东县农业发展迅速，化学和农药的施用量逐年升高，尽管乐东县已出台相应的减排政策，但是效果并不显著。总的来看，海南省四周沿海地区的农业碳排放量多数呈现上升趋势，中部地区的农业碳排放量多数呈现下降趋势。

2.3 碳排放预测及达峰分析

经由灰度预测模型GM(1，1)运算得到2021—2035年海南省和17个市县的农业碳排放量预测值。其中，琼中由于碳排放有效样本量占比过小，且琼中森林覆盖率达到88.81%，已于2013年完成碳达峰，故没有预测琼中未来10年的碳排放数据，海南省其余各市县的农业碳排放预测如表4所示。

表4 海南省及各市县农业碳排放量预测值

2022—2035年海南省农业碳排放预测值不断走低。其中，2022—2035年海南省农业碳排放量平均值为319.55，远低于2011—2021年农业碳排放量的平均值，根据预测结果海南省农业碳排放量在2021年后持续下降，在2030年前已达到峰值。这是由于海南自建立自由贸易港以来，大力发展低碳农业，保护绿色环境使得海南省拥有优越的生态环境。并且海南省于2021年7月提出要多措并举做“减法”，不断探索“降碳减排”之路。在2022年8月印发《海南省碳达峰实施方案》。从预测结果来看海口、三亚、陵水、白沙、昌江、澄迈、五指山、万宁、屯昌、保亭、临高、文昌、琼海、乐东14个市(县)农业碳排放量呈现逐年下降的趋势，在2035年前均已达到峰值，但是定安、儋州、东方3个市(县)农业碳排放量呈现逐年上升趋势，并未达到峰值。可见，海南省控制农业碳排放要因地制宜，根据各市县不同情况制定相应的减排政策，以确保各市县在2035年前能实现碳达峰，并最终实现碳中和的目标。

3 政策建议

为有效控制农业碳排放总量，进一步减少海南省农业碳排放，争取早日实现“双碳”目标，考虑到海南省各市县农业碳排放的非均衡性，各地政府应根据本地实际情况，制定精准适用的低碳农业发展政策。

3.1 大力发展热带绿色农业，减少种植业碳排放

立足于海南省各市县的实际情况，针对海南粮食主产区、冬季瓜菜种植区等重点区域，不断推进海南省农业“增效减施”“降碳减排”，加快有机肥替代化肥、秸秆还田、生物农药等新技术的推广；以海南粮食和重要农产品生产所需农机为重点，推行节能减排行动，加大对节水灌溉、精准施药、侧深施肥、免耕播种等绿色农业新机具的宣传与推广力度；以海南水稻主产区为重点，与南繁等科研机构合作推广高产优质的水稻减少甲烷产生。

3.2 提升畜禽养殖业低碳发展水平

畜禽养殖业碳排放量占海南省农业碳排放量的33.01%，针对海南省禽畜业具有一定的减排空间。以海南畜禽规模养殖场为重点，积极推行禽畜企业安装粪污处理设备并对禽畜粪污综合利用率达标的养殖场给予一定的优惠政策；大力推广反刍动物肠道甲烷减排技术，尤其是生猪养殖业，通过选用高品质饲料、调节禽畜口粮结构、来减少反刍动物碳排放，减少畜禽养殖业碳排放量。

3.3 根据农业碳排放区域差异分区制定节能减排政策

结合农业碳排放量四周沿海地区高，中部内陆地区低，并且呈现上升趋势的分布规律，确定重点减排区域。对于四周沿海地区以及定安、儋州、东方3个预测于2035年前未达到碳达峰的市县给予高度的重视，进行点对点，制定个性化的农业低碳发展政策，实现海南省各市县联动发展。