豫南烟区农户烟草生产碳足迹调查分析

2024-04-10刘剑君李建华张富生王龙飞阎海涛赵浩宾遆晋松

烟草科技 2024年3期

关键词：产值足迹烟叶

郑煜，刘剑君，李建华，张富生，王龙飞，阎海涛，赵浩宾*，，遆晋松

1. 河南农业大学烟草学院，郑州市郑东新区平安大道218 号 450046

2. 河南省烟草公司，郑州市郑东新区商务外环路15 号 450018

3. 河南省烟草公司许昌市公司，河南省许昌市湖滨路43 号 461000

4. 河南省烟草公司平顶山市公司，河南省平顶山市建设路西段 467002

人类活动产生的温室气体排放引发的气候变暖是全球面临的严峻环境挑战之一，2015 年《巴黎协定》制定了“将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2 ℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5 ℃以内”的目标［1-2］。中国是温室气体排放大国之一，在第75届联合国大会上，中国向世界做出庄严承诺：力争于2030 年前达到碳达峰，2060 年前实现碳中和［3］。因此，减排是中国各行业亟待解决的问题。农业源温室气体排放约占我国温室气体排放总量的17%，且其排放量以5%的速度逐年增长［4］。研究表明，我国农业碳排放总量较高地区均为农业大省，其中河南省农业碳排放量居全国首位［5］。播种面积大、农资消耗品使用率低、技术和工具落后等是农业碳排放量居高不下的原因［6］。因此，量化农业生产过程的温室气体排放对我国低碳农业构建和农业可持续发展具有重要意义。

碳足迹最早来源于生态足迹范畴，其定义是某项活动在其进行过程中直接或者间接产生的二氧化碳排放总量，或是某产品在其完整寿命周期内产生的二氧化碳排放总量［7］。因此，碳足迹可用来衡量生产中各环节温室气体排放量，可以在此基础上制定针对性的减排措施。近几十年来，碳足迹在农业领域被广泛运用。陈中督等［8］利用生命周期法对长江下游稻麦轮作系统碳足迹进行研究，结果表明氮肥施用量和柴油消耗量分别与稻麦轮作系统碳足迹显著正相关，种植规模与稻麦轮作系统碳足迹显著负相关，节肥、节水技术以及规模化种植是降低长江下游地区稻麦轮作碳排放的聚焦方向。Huang等［9］用生命周期法研究2004—2018年中国棉花生产碳足迹时空变化，结果显示黄河流域和中国西北内陆棉区的温室气体排放分别呈现出49.30 和243.84 kg CO2-eq·hm-2的年均增长，而长江流域棉花种植区的碳足迹呈现出34.68 kg CO2-eq·hm-2的年均下降。Sefeedpari 等［10］研究评估了伊朗小麦生产中输入和输出的能量平衡以及单位面积温室气体排放量。目前，相关学者已完成我国小麦、玉米、水稻等粮食作物的碳足迹核算［11-13］，而对经济作物的碳足迹研究较少，尤其是我国烟草农业生产碳排放特征仍不明确，低碳烟草农业构建途径仍在探索中。

河南是我国烟叶主产区之一，2020 年烟叶产量达21 万t，约占当年全国烟叶总产量的9.8%［14］。研究河南烟草生产碳足迹可在一定程度上明确我国烟草农业生产碳排放特点，对指导烟草农业生产减排具有重要参考意义。本研究中基于实地农户调研数据，定量分析豫南烟区烟草生产系统碳排放和碳足迹，拟合分析肥料碳足迹、氮肥碳足迹与单位面积产值关系，单位面积产量与不同功能单位碳足迹关系，评估河南省烟草生产减排潜力，旨在为低碳烟草农业生产提供理论支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

调研数据来源于2019—2020年豫南烟区农户生产数据。在南阳烟叶主产区选取3 个乡镇（裴营乡、高集镇、赵集镇），每个乡镇选取3 个村（裴营乡军杨村、七坦村、花园村；高集镇代岗村、李庄村、杨营村；赵集镇堤南高村、西岭村、大赵村），每个村选取10～20个烟叶种植户进行面对面访谈式调研。调研数据包括：烟叶移栽面积、肥料种类及用量、农药种类及用量、地膜用量、人工工时、烘烤耗煤量、烘烤耗电量、农机耗油量、灌溉用电量、干烟叶产量和干烟叶均价等。将烟农所述信息填入调查问卷，最后获得116 份问卷，其中有效问卷数107 份。调研结束后半年，随机抽取10%的调研农户以电话访谈的形式进行二次调研，两次问卷相关系数为0.942，表明重测信度良好，稳定性较高。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 碳排放计算

碳排放系统边界包括烟草从移栽到烘烤完成的整个过程中所有农化投入、人工投入、运输、生产农化产品、烘烤燃煤以及农田土壤产生的N2O 排放的总和如图1 所示。不同投入品的碳排放参数如表1所示，农田N2O 排放转化为CO2当量，所有碳排放均用CO2排放量表示。

表1 不同投入品的碳排放参数Tab.1 Carbon emission parameters of different inputs

图1 烟草生产系统碳足迹边界Fig.1 Carbon footprint boundary of tobacco production system

式中：GHGemissions是农作物生产过程全部碳排放量；n表示生产过程各项投入的数量；AIi表示第i种投入；EFi表示第i种投入的排放参数；GHGN2O表示农田土壤产生的N2O 排放；FN表示生产中纯氮的投入量；δN为农田N2O 直接排放系数；44/28 为N2O 与N2相对分子质量的比；298 为N2O 转换为100 a 尺度上的相对全球增温潜势［15］。碳排放统一使用CO2当量表示。

1.2.2 碳足迹计算

CFs为单位播种面积的作物生产碳足迹，CFy为单位产量的作物生产碳足迹，CFv为单位产值的作物生产碳足迹。

式中：TA为播种面积，hm2；TY为作物产量，kg/hm2；TV为作物产值，¥/hm2［22］。

1.3 数据处理

采用Excel 2016统计数据，采用SPSS 26分析数据，采用Origin Pro 2022绘图。

2 结果与分析

2.1 调研农户特征分析

如表2 所示，调查地农户农业决策者年龄偏大，介于40～74 岁之间，平均年龄53.04 岁。烟农以男性为主，占比超过80%。烟农整体文化水平偏低，小学学历占比78.50%，初中和文盲分别占17.76%、3.74%。家庭总人口4～8 人，平均5.68 人，从事烟叶种植人数占家庭总人数的平均比例为60.00%。种植面积介于0.33～13.00 hm2，户均种植面积2.85 hm2。烟叶种植收入占烟农家庭总收入的40%～100%，平均79.00%。烟农对农业碳排放认知不足，仅有14.00%农户农业决策者听说过低碳农业。

2.2 生产资料投入统计

如表3 所示，各调研农户间肥料施用量在750～1 590 kg·hm-2间不等，平均肥料投入量为1 143.64 kg·hm-2，施肥种类包括烟草专用复混肥、52%硫酸钾肥、硝酸钾肥和芝麻饼肥等，其中氮肥折纯施用量40.13～104.60 kg·hm-2，平均71.94 kg·hm-2。农药施用种类包括枯草芽孢杆菌可湿性粉剂、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐和苦参碱等，平均投入量为12.99 kg·hm-2。农膜均为聚乙烯薄膜，平均农膜用量33.70 kg·hm-2。农机包括移栽机和整地起垄施肥机，平均柴油耗费量为113.05 kg·hm-2。平均总用电量为1 665.95 kW·h·hm-2，其中平均灌溉用电176.22 kW·h·hm-2，平均烘烤用电1 489.73 kW·h·hm-2。烘烤用煤3 000.00～7 857.14 kg·hm-2，平均5 363.02 kg·hm-2。平均人工投入200.96 p·d-1·hm-2。

2.3 烟草生产系统碳足迹

豫南烟区烟草生产系统碳足迹如图2 所示。单位面积碳足迹8 634.26～17 101.53 kg CO2-eq·hm-2，平均12 630.03 kg CO2-eq·hm-2；单位产量碳足迹4.04～11.63 kg CO2-eq·kg-1，平均为6.62 kg CO2-eq·kg-1；单位产值碳足迹0.13～0.37 kg CO2-eq·¥-1，平均0.21 kg CO2-eq·¥-1。

图2 烟草生产系统碳足迹Fig.2 Carbon footprint of tobacco production system

2.4 烟草生产系统碳足迹构成

豫南烟区烟草生产系统碳足迹构成如图3所示。氮肥施用造成的农田土壤N2O 排放为336.89 kg CO2-eq·hm-2，占比2.7%；肥料碳足迹为504.49 kg CO2-eq·hm-2，占比4.0%；农药碳足迹为182.29 kg CO2-eq·hm-2，占比1.4%；农机耗用柴油碳足迹为100.11 kg CO2-eq·hm-2，占比0.8%；用电碳足迹为2 049.10 kg CO2-eq·hm-2，占比16.2%，其中烘烤用电1 832.36 kg CO2-eq·hm-2，占比14.5%，灌溉用电216.74 kg CO2-eq·hm-2，占比1.7%；烘烤用煤碳足迹为8 518.62 kg CO2-eq·hm-2，占比67.4%；劳动力人工碳足迹为172.82 kg CO2-eq·hm-2，占比1.4%；农膜碳足迹为765.69 kg CO2-eq·hm-2，占比6.1%。

图3 烟草生产系统碳足迹构成Fig.3 Composition of carbon footprint of tobacco production system

2.5 单位面积烟叶产值与肥料碳足迹、氮肥碳足迹的关系

豫南烟区单位面积烟叶产值与肥料碳足迹和氮肥碳足迹的关系如图4 所示。单位面积烟叶产值随着肥料碳足迹和氮肥碳足迹的增加，均呈现先升高后降低的趋势。肥料碳足迹和氮肥碳足迹分别为501.57 和107.22 kg CO2-eq·hm-2时，对应单位面积烟叶产值为最高值，对应的肥料和氮肥施用量分别为511.26 和70.26 kg·hm-2。部分农户烟草生产系统肥料碳足迹和氮肥碳足迹均存在高碳排放、低产值的情况。图4a 表明，51.40%的农户肥料碳足迹超过501.57 kg CO2-eq·hm-2，其中28.04%的农户肥料碳足迹超过该数值的同时，烟叶单位面积产值低于峰值62 052.59¥·hm-2。图4b 表明，49.53%的农户氮肥碳足迹超过107.22 kg CO2-eq·hm-2，其中28.04%的农户氮肥碳足迹超过该数值的同时，烟叶单位面积产值低于峰值61 868.20¥·hm-2。综上，基于烟叶单位面积高产值，28.04%的农户肥料碳足迹和氮肥碳足迹均过高。

图4 单位面积烟叶产值与肥料碳足迹、氮肥碳足迹的关系Fig.4 Relationship between tobacco output value per unit area and carbon footprint of fertilizers and nitrogen fertilizer

2.6 单位面积烟叶产量与碳足迹的关系

如图5 所示，随着单位面积烟叶产量增加，豫南烟区烟叶单位面积碳足迹、单位产值碳足迹呈现先减小后增加的趋势。图5a 表明，烟叶单位面积产量为1.90 t·hm-2时，对应单位面积碳足迹最低，为12 293.02 kg CO2-eq·hm-2；33.64%的农户烟叶单位面积产量低于1.90 t·hm-2，其中20.56%的农户烟叶单位面积产量低于该数值的同时，烟叶单位面积碳足迹高于最低值。图5b 表明，烟叶单位面积产量为1.96 t·hm-2时，对应单位产值碳足迹最低，为0.20 kg CO2-eq·¥-1；40.19%的农户烟叶单位面积产量低于1.96 t·hm-2，其中23.36%的农户烟叶单位面积产量低于该数值的同时，烟叶单位产值碳足迹高于最低值。因此，部分农户烟草生产系统单位面积碳足迹和单位产值碳足迹均存在高碳排放低产量的情况。图5c 表明，烟叶单位面积产量与单位产量碳足迹之间存在显著的负相关性，烟叶单位面积产量每增加1.00 t·hm-2，其单位产量碳足迹降低4.18 kg CO2-eq·kg-1（R2=0.5822）。

图5 单位面积烟叶产量与单位面积碳足迹、单位产值碳足迹、单位产量碳足迹的关系Fig.5 Relationship between tobacco yield per unit area and carbon footprints per unit area,per unit output value, and per unit yield

3 讨论

3.1 烟草生产系统碳足迹评价

我国作物生产平均单位面积碳足迹为2 860 kg CO2-eq·hm-2［20］，主要粮食作物水稻、小麦和玉米单位面积碳足迹分别为9 159、2 786和3 934 kg CO2-eq·hm-2［23］。本研究中烟草生产单位面积碳足迹为12 630.03 kg CO2-eq·hm-2，远高于水稻、小麦、玉米等主要粮食作物，也远超我国作物生产平均单位面积碳足迹。其原因可能是与其他收获后可直接售卖的作物相比，烟草在售卖前需以烘烤的方式进行初加工来保证烟叶的品质，而烘烤环节碳足迹就占烟草生产碳足迹的80%以上。如果仅核算烟草农作环节碳足迹，烟草单位面积碳足迹则低于水稻、小麦、玉米等粮食作物。华北平原主要经济作物棉花、花生单位产值碳足迹分别为0.22、0.16 kg CO2-eq·¥-1［24］，烟草生产单位产值碳足迹为0.21 kg CO2-eq·¥-1，介于华北平原棉花和花生之间。花生、棉花平均产值分别为785.07、2 078.20 元/667 m2［25］，而烟叶平均产值则高达4 029.00 元/667 m2，远高于花生和棉花。因此，烟草生产系统表现出明显的高单位面积碳足迹和低单位产值碳足迹的特征。

3.2 烟草生产系统减排途径

烟草作为我国主要经济作物，主要产物为叶片，需经历打顶抹杈、多次采收、剔除脚叶等，导致其生物量低。在人为不投入碳的情况下，烟田系统为“微碳汇”［26］，因此减少生产过程的温室气体排放是烟草生产减排的重点。

研究表明，农作物碳排放占比由高到低依次为肥料投入、农膜和农田N2O 排放，而农药、柴油等所占比重较小［27］。烟草生产碳排放的主要贡献源有烘烤用煤、烘烤用电、农膜和肥料等，其中烘烤阶段碳排放贡献占比81.9%。热泵烤房每炕烟耗电约1 033.67 kW·h，经核算每炕烟比燃煤烤房碳排放减少约400.39 kg CO2-eq·hm-2；生物质烤房氮氧化物排放量比燃煤烤房低80%以上［28］。因此，推广清洁能源烤房，并将烟草秸秆作为生物质燃料和生物炭原材料间接还田，可以有效降低由于燃煤烘烤产生的碳排放［29］，对构建低碳烟草农业至关重要。

科学的田间管理和种植方式也可以有效地减少农户生产环节的碳足迹。例如，采取保护性耕作方式，用深松代替翻耕或旋耕，可以减少土壤温室气体排放，增加土壤固碳量［30］；不同种植模式农田系统碳汇量不同，比如稻麦轮作系统净碳汇高于单季稻［31］，采用合理轮作模式能够增加净碳汇［32-33］；覆膜是我国烟叶主产区广泛沿用的种植模式［34］，但其造成的高碳排放和白色污染也值得关注，合理有效地回收利用农膜也可以减少烟草生产碳足迹。因此，在保证烟叶产量和质量稳定的前提下，指导农户改善高碳排放生产模式，减少各生产环节碳排放，是未来绿色烟草农业的发展方向。

3.3 研究局限性

基于农户调研数据核算豫南烟区烟叶农户生产碳足迹，计算过程考虑了烟草生产过程最主要的9种农资投入以及农田土壤N2O 排放，实现了统一标准下较为全面的衡量与比较。烟草生长阶段和烘烤阶段在烟草全生命周期碳足迹中占比达到85%以上，育苗阶段和工业加工阶段总占比不到13%［35］。因此，本研究中的系统边界内并不包含育苗阶段和工业加工阶段，着重关注烟叶农户生产烟叶产生的碳足迹。核算烟叶农户生产碳足迹，可细化生产环节减排潜力，进而探究烟草生产减排途径。另外，由于配施有机肥减排特征仍不明确，有学者认为配施有机肥可增强农田土壤碳汇功能［36］，也有学者认为有机肥施用导致土壤微生物呼吸排放CO2增加［37］，因此研究中未作分析。在未来的研究中，应增加田间试验，量化烟田温室气体排放量，进一步提高研究结果的可靠性。