研究區域農作物化肥施用的碳排放趨勢演進規律與減排潛力對于合理制定農業碳減排政策具有重要意義。文章基于“全國農產品成本收益資料匯編”、“中國統計年鑒”和農業部“小麥、玉米、水稻三大糧食作物區域大配方與施肥建議”中各地區的三大糧食作物產量、化肥投入類型及其數量等數據，采用碳排放系數法，測算并分析2005-2013 年中國三大糧食作物化肥施用碳排放時空演變與碳減排潛力。最后，結合實地調查，本文提出應在糧食作物化肥施用碳減排潛力大的區域，通過政策激勵和市場化運作，提高測土配方施肥技術推廣的效應。
1 、引言
農業碳排放僅占中國溫室氣體排放總量的16%~17%，但其所擁有的減排潛力以及由此帶來的正外部效應卻不應低估。農業碳排放源有農業投入品使用、農業能源耗費、農業廢棄物處理、稻田甲烷排放、土壤氧化亞氮的直接排放、動物尤其是反芻動物養殖帶來的碳排放。世界糧農組織（FAO）的相關研究表明，傳統集約農業中75% 的二氧化碳（CO2）來自化肥、飼料及燃料。黃祖輝等采用分層投入產出—生命周期評價法研究浙江省農業系統碳足跡，發現隱含在農用能源和農業工業投入品生產過程中的碳排放不容忽視，化肥（氮肥）生產、運輸、施用過程中引致的碳排放在整個農業系統碳排放中所占比重最大。史磊剛等在系統評價了華北平原冬小麥-夏玉米兩熟種植模式的碳足跡，發現在其碳足跡構成中的化肥、電能、柴油、種子和農藥分別占總量的61.76%、25.03%、7.44%、4.75%和1.02%，氮肥使用量和電能消耗量均與碳足跡呈正相關。王才軍等研究表明，近15 年，重慶農業生產中化肥使用導致的碳排放在整個農業投入的碳排放中始終占據絕對大的比重。堯波等的研究表明，江西省農業碳排放總量從2000 年的230.85 萬 t 增長到2010 年的290.51 萬 t，不同年份農業碳排放均主要源于化肥施用與農業機械使用。張廣勝等分析了中國農業碳排放總量、結構和效率的變動特征，結果表明，氮肥在化肥中的比重與農業碳排放強度呈長期穩定的正向關系，且其影響程度明顯高于其他的變量因素。
鑒于化肥施用對農業碳排放的影響，農業碳減排應在控制氮肥施用和降低能源消耗上采取措施，在控制氮肥施用方面，可考慮以測土配方施肥技術的推廣應用為核心，繼續推廣氮肥減施、精準施肥、水肥一體化和緩釋肥、長效肥、硝化抑制劑等減排技術和新型肥料。實際上，中國從2005年就開始推廣該技術，農業部發布了一系列測土配方施肥技術推廣通知和扶持政策，如“測土配方施肥技術規范（2011 年修訂版）”和“小麥、玉米、水稻三大糧食作物區域大配方與施肥建議（以下簡稱三大糧食作物施肥建議）”。然而，從圖 1可以看出：1993-2013 年，中國糧食作物播種面積基本維持在11000 萬hm2 左右，糧食種植的化肥施用量增速是糧食產量增速的2.29 倍，單位產出的化肥投入邊際效益以年均1.75% 的速度降低。那么，多年的測土配方施肥技術推廣是否顯著降低了中國各地區三大糧食作物化肥施用的單位產品碳排放量？各地區三大糧食作物科學施肥的碳減排潛力還有多大？這些問題都非常值得學界研究。
國內多數農業碳排放研究或單獨考慮國家層面，或國家、省級行政區域兼顧，對中國農業碳排放現狀、時空特征的把握也隨著研究的深入而不斷趨于準確。但是，在進行區域比較時，集中于單純的農業碳排放絕對量（如總量、強度）比較，雖可操作性強，卻易受農業生產規模或農作物復種指數的影響。目前，反映農業碳排放效率的指標有農業碳排放強度和農業碳排放密度，其中農業碳排放強度指平均每萬元農業GDP 所產生的碳排放量，農業碳排放密度指平均每公頃播種面積上所產生的碳排放量。以上這些指標難以比較中國各地區農作物化肥施用的單位產品碳排放量的差異。為此，本文提出核算分析中國三大糧食作物化肥施用的單位產品碳排放量時空演變，并以科學施肥為標準進一步測算中國各地區三大糧食作物化肥施用的碳減排潛力，為中國進一步推廣測土配方施肥技術提供參考依據。
2、 研究方法及數據來源
2.1 糧食作物化肥施用的單位產品碳排放量測算方法
本文采用排放系數法，在參考李波等學者的碳排放公式構建方法基礎上，本文構建了糧食作物實際化肥施用單位產品碳排放量測算公式（1）：
EAijh =(Nijh·Cn +Pijh·Cp +Kijh·Ck)/Yijh （1）
式中EAijh 為第i 年j 地區每公斤h 類糧食作物實際化肥施用的碳排放量（kgCE/kg）；Nijh 、Pijh和Kijh 分別為第i 年j 地區h 類糧食作物種植的每畝氮、磷和鉀化肥實際折純施用數量；Cn 、Cp 和Ck 分別為氮、磷和鉀化肥的碳排放系數；Yijh 為第i 年j 地區h 類糧食作物的平均畝產量。
2.2 糧食作物化肥施用的碳減排潛力測算方法
碳減排潛力測算分兩步實現：
第一步測算出2013 年實際畝產量的各地區各類糧食作物科學施肥的單位產品碳排放量，測算方法見公式（2）：
EGjh =(NGjh·Cn +PGjh·Cp +KGjh·Ck)/YGjh （2）
式中EGjh 為科學施肥情形下，j 地區每公斤h 類糧食作物化肥施肥的碳排放量（kgCE/kg）；NGjh、PGjh 和KGjh 分別為科學施肥情形下，第j 地區h 類糧食種植的每畝氮、磷和鉀肥建議施肥量；YGjh 為j 地區h 類糧食為科學施肥情形下的區間畝產量平均值。
第二步，依據科學施肥單位產品碳排放量相對實際施肥單位產品碳排放量的減少量，以及各地區各類糧食的總產量，測算各地區各類糧食作物化肥施用的碳減排潛力，測算方法見公式（3）：
PEjh =Tjh(EAjh -EGjh) （3）
式中PEjh 為科學施肥情形下，第j 地區h 類糧食種植化肥施用的碳減排潛力（萬tCE）；Tjh 為2013 年第j 地區h 類糧食作物的總產量，EAjh 為2013 年j 地區每公斤h 類糧食作物實際化肥施用的碳排放量。基于三大糧食作物施肥建議的施肥標準，如果地區相關糧食作物化肥施用的碳減排潛力結果如果為負數，則應用該地區的作物區域配方與施肥建議或農業部的“2015 年春季主要作物科學施肥技術指導意見”的施肥標準進行測算，由于只有個別省份發布了省級三大糧食作物區域配方與施肥建議，對于沒有省級建議的，該地區相關糧食作物化肥施用的碳減排潛力以零計算。
2.3 數據來源及處理
本文的所有數據來源為：
（1）氮磷鉀肥碳排放因子。其中，氮、磷和鉀化肥制造過程的碳排放系數借鑒陳舜等最近完成的中國氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數估算。關于氮肥施用的N2O 排放，IPCC 已設定N 應用的排放因子為0.0125 kgN2O-N/kgN；胡小康等研究氮肥管理對夏玉米土壤CH4和N2O 排放影響的結果表明：氮肥施用量300 kgN/hm2、250 kgN/hm2 和185 kgN/hm2 情況下N2O-N 排放導致的溫室效應分別為1621.29 kgCO2/hm2、1095.82 kgCO2/hm2 和786.72 kgCO2/hm2。農田N 應用包括氮肥和有機肥施用，因此，胡小康等的研究結果更適合中國三大糧食作物種植氮肥施用的N2O 排放，取其研究的平均值，氮肥施用釋放N2O 導致的碳排放因子為1.276 kgCE/kg。最終，各種化肥的碳排放系數確定為：氮肥3.392 kgCE/kg（2.116 + 1.276），磷肥0.636 kgCE/kg，鉀肥0.180 kgCE/kg。
（2）2005-2013 年中國各地區三大糧食作物的每畝產量和每畝的化肥投入種類及數量來源于《全國農產品成本收益資料匯編（2006-2014）》。
（3）2005-2013 年中國各地區三大糧食作物的總產量數據來源于《中國統計年鑒（2006-2014）》。
（4）依據化肥折純量計算參考，本文將復混肥中的磷酸二銨、三元復合肥和混配肥折算成氮、磷、鉀肥（折算系數見表 1）。
（5）科學施肥情形下，各地區三種糧食作物種植的每畝氮磷鉀建議施肥數量來源于農業部辦公廳印發的三大糧食作物施肥建議或者部分省份公開的“作物配方肥配方推薦與施肥指導意見”，其中，玉米分為東北春玉米區、華北夏玉米區、西北春玉米區和西南玉米區，小麥分為東北春麥區、西北麥區、華北冬麥區、長江中下游冬麥區和西南麥區，水稻分為東北單季稻區、長江流域單雙季稻區、江南華南單雙季稻區、西南高原山地單季稻區和其它稻區。各省份與對應的種植區如表 2所示。
3 、結果與分析
3.1 中國三大糧食作物化肥施用的單位產品碳排放量時空演變
3.1.1 2005-2013 年中國玉米化肥施用的單位產品碳排放量時空演變
如圖 2 所示：① 四大玉米區化肥施用的平均單位產品碳排放量，東北春玉米區的最小，西南玉米區的最大；② 單位產品碳排放量小于0.09 kgCE的區域從2005 年的黑龍江、吉林和新疆演變為2013 年的黑龍江、河北、河南和山西，單位產品碳排放量大于0.15 kgCE的區域從2005 年的江蘇、云南、廣西、湖北、安徽、陜西和寧夏演變為2013 年的貴州、云南、廣西和湖北；③ 東北春玉米區化肥施用的單位產品碳排放量，黑龍江和吉林上升明顯，吉林增長近20%，遼寧經歷了波浪式演變，最終比2005 稍有下降；④ 華北夏玉米區化肥施用的單位產品碳排放量，所有地區的均有下降，江蘇和安徽下降明顯，但其碳排放量還是過高；⑤ 西北春玉米區化肥施用的單位產品碳排放量，寧夏、甘肅和山西有較大下降，且山西的碳排放量達到黑龍江的水平，新疆有所上升；⑥ 西南玉米區化肥施用的單位產品碳排放量，除四川和重慶，其它地區的碳排放量均過高，而貴州波動幅度大，2013 年成為全國碳排放量最大的省份，四川經歷了波浪式演變，最終成為西南玉米區碳排放量最小的地區。
3.1.2 2005-2013 年中國小麥化肥施用的單位產品碳排放量時空演變
如圖 3 所示：① 單位產品碳排放量小于0.12 kgCE 的區域從2005 年的黑龍江和河南演變為2013 年的黑龍江、湖北、四川和安徽，單位產品碳排放量大于0.18 kgCE 的區域從2005 年的寧夏、內蒙古和陜西演變為2013 年的內蒙古、寧夏、山西和云南；② 所有麥區中單位產品碳排放量下降明顯的區域是寧夏、陜西和湖北，上升明顯的區域是云南和河南；③ 2013 年，單位產品碳排放量最高地區內蒙古（0.238 kgCE）是最低地區黑龍江（0.088 kgCE）的2.7 倍；④ 2013 年，河南、山東、四川和安徽的單位產品碳排放量趨同，在0.12 kgCE 附近；⑤ 2013 年，西北麥區，陜西、甘肅和新疆的單位產品碳排放量基本趨同（在0.16kgCE 附近），寧夏和山西趨同（在0.185 kgCE 附近），單位產品碳排放量過高。
3.1.3 2005-2013 年中國水稻化肥施用的單位產品碳排放量時空演變
如圖 4 所示：① 單位產品碳排放量小于0.08 kgCE 的區域從2005 年的黑龍江、吉林和重慶演變為2013 年的黑龍江、重慶和陜西，單位產品碳排放量大于0.11kgCE 的區域從2005 年的山東、江蘇、河南、遼寧、內蒙古、海南、廣東、浙江、寧夏和廣西10 個地區演變為2013年的江蘇、山東、海南、寧夏和廣西5個地區；② 單位產品碳排放量下降明顯的區域是遼寧、山東、江蘇、浙江、陜西和湖南，上升明顯的區域是吉林、廣西和云南；③ 單位產品碳排放量的變動區間，東北單季稻區由“0.068~0.123 kgCE”降到“0.057~0.097 kgCE”，長江流域單雙季稻區由“0.080~0.177 kgCE”降到“0.077~0.120 kgCE”，江南和華南單雙季稻區由“0.099~0.129 kgCE”降到“0.088~0.114 kgCE”，西南高原山地單季稻和其它稻區基本處于“0.082~0.124 kgCE”；④ 單位產品碳排放量波動幅度較大的區域是內蒙古、遼寧、江西、海南和貴州。
3.2 中國三大糧食作物化肥施用的碳減排潛力測算
首先，在三大糧食作物施肥建議中，查找產量水平能夠達到2013 年各地區糧食作物實際畝產量的施肥建議和推薦配方，基于公式（2）計算科學施肥情形下各地區糧食作物化肥施用的單位產品碳排放量。然后，基于公式（3）計算科學施肥情形下中國各地區糧食作物化肥施用的總碳減排潛力。
3.2.1 中國玉米、小麥化肥施用的碳減排潛力
如圖 5a 所示：① 每公斤玉米化肥施用碳減排潛力大的地區，有貴州、廣西、云南、湖北、陜西和江蘇；② 2013 年，每公斤玉米化肥實際施用的碳排放量與科學配方施肥指導下化肥施用的碳排放量接近的地區，有河南、河北和山西；③ 全國玉米化肥施用碳減排潛力大的區域有黑龍江、遼寧、吉林、山東、內蒙古、陜西、云南和貴州，其碳減排潛力總和占全國玉米化肥施用碳減排潛力總量（約574 萬 tCE）的75.57%。
如圖 5b 所示：① 每公斤小麥化肥施用碳減排潛力大的地區，有內蒙古、云南、山西、陜西、寧夏、甘肅、新疆、江蘇、河北和四川；② 2013 年，每公斤小麥化肥實際施用的碳排放量與科學配方施肥指導下化肥施用的碳排放量接近的地區僅有湖北；③ 全國小麥種植區碳減排潛力大的區域有河北、江蘇、山東和河南，其碳減排潛力總和占全國小麥化肥施用碳減排潛力總量（約475 萬 t CE）的61.33%。
3.2.2 中國水稻化肥施用的碳減排潛力
（1）中國早稻化肥施用的碳減排潛力。如圖 6a 所示：① 每公斤早稻化肥施用碳減排潛力大的地區，有廣西、安徽和廣東；② 2013 年，每公斤早稻化肥實際施用的碳排放量與科學配方施肥指導下化肥施用的碳排放量接近的地區有江西，不過，除廣西、安徽和廣東以外的地區差距比較小，反映了早稻化肥施用基本合理；③ 全國早稻種植區碳減排潛力大的區域有廣西、廣東和湖南，其總和占全國早稻化肥施用碳減排潛力總量（約47 萬 t CE）的82.57%。
（2）中國中稻化肥施用的碳減排潛力。如圖 6b 所示：① 每公斤中稻化肥施用的碳減排潛力大的地區，有江蘇、湖南和云南；② 2013 年，每公斤中稻化肥實際施用的碳排放量與科學配方施肥指導下化肥施用的碳排放量接近的地區有湖北、重慶、四川和陜西；③ 全國中稻種植區碳減排潛力大的區域有江蘇、安徽、湖南和云南，其總和占全國中稻化肥施用碳減排潛力總量（約103 萬 t CE）的78.60%；④ 福建地區中稻種植的化肥施用產出率很高，單位產品化肥施用的碳排放量優于農業部區域大配方下的碳排放量。
（3）中國晚稻化肥施用的碳減排潛力。如圖 6c 所示：① 每公斤晚稻化肥施用碳減排潛力大的地區，有海南、廣西和廣東；② 2013 年，每公斤晚稻化肥實際施用的碳排放量與科學配方施肥指導下化肥施用的碳排放量接近的地區有湖南、湖北和浙江；③ 全國晚稻種植區碳減排潛力大的區域有廣西、廣東和海南，其總和占全國晚稻化肥施用碳減排潛力總量（約56 萬 t CE）的69.85%。
4 、結論與討論
4.1 結論
本文的測算結果表明：
（1）中國歷時9 年的測土配方施肥技術推廣，對部分區域三大糧食作物種植化肥施用的單位產品碳排放量下降有一定作用：① 寧夏、甘肅、山西、江蘇和安徽的玉米；② 寧夏、陜西和湖北的小麥；③ 遼寧、山東、江蘇、浙江、陜西和湖南的水稻。
（2）2013 年不少地區三大糧食作物種植化肥施用的單位產品碳排放量與科學施肥情形下的排放還有一定差距：① 貴州、廣西、云南、湖北、陜西和江蘇的玉米；② 內蒙古、云南、山西、陜西、寧夏、甘肅、新疆、江蘇、河北和四川的小麥；③ 廣西、安徽和廣東的早稻，江蘇、湖南和云南的中稻，海南、廣西和廣東的晚稻。
（3）2005-2013 年，也出現了不少地區三大糧食作物種植化肥施用的單位產品碳排放量異常上升的情況：① 黑龍江、吉林和貴州的玉米；② 云南和河南的小麥；③ 吉林、廣西和云南的水稻。
（4）理論上中國三大糧食作物化肥施用碳減排潛力大的區域為：① 黑龍江、遼寧、吉林、山東、內蒙古、陜西、云南和貴州的玉米；② 河北、江蘇、山東和河南的小麥；③ 廣西、廣東、安徽、湖南和云南的水稻。這些碳減排潛力較大的區域，將是未來中國在三大糧食作物種植中深入推廣測土配方施肥技術的區域選擇依據。
4.2 討論
（1）依據“中國統計年鑒2014 年”中歷年來農用化肥施用量的事實數據，從中國三大糧食作物化肥施用的碳減排潛力測算結果來看，從某種程度上反映了中國推行的一系列測土配方施肥技術推廣政策的節肥減排效果不明顯。Cannell、European Climate Change Programme和Freibauer 的研究表明：農業實際碳減排潛力遠遠低于技術碳減排潛力，實際減排除受到生化原理和價格影響外，還受到制度、教育、社會和政治等多因素約束。
（2）結合作者組織的對全國部分地區農戶、土肥站和湘潭地區化肥生產企業的調查，以及分析相關文獻，發現：① 中國測土配方施肥技術推廣的面太廣，重點不明確，導致政府補貼力度小，且補貼對象錯位，補貼經費幾乎都給了各級農業局，難以激勵測土配方施肥技術推廣試點企業、肥料經銷商和農民；② 測土配方施肥技術推廣存在市場瓶頸，因測土配方肥的工藝復雜、配方多、用量少和需定點做包裝袋而導致肥料成本上升，農民對測土配方肥的效果心中也存有疑問和不想更新種植技術而不輕易使用測土配方肥；③ 基層推廣體制不健全，由于體制、經費等原因導致基層技術服務人員的工作積極性不強，影響測土配方施肥技術的推廣普及。
（3）本文建議對當前測土配方施肥技術推廣機制進行創新，集中資源，以三大糧食作物化肥施用碳減排潛力大的區域作為測土配方施肥技術推廣的重點，由政府制定并執行科學的政策制度，鼓勵化肥生產企業主動與重點區域三種糧食作物農民專業合作社對接，減少中間環節，最終通過市場化運作持續提高測土配方施肥技術推廣的效應。
作者單位：湖南科技大學商學院/兩型社會與生態文明協同創新中心
中國鄉村發現網轉自：《資源科學》2016 年第 3 期
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