资源科学 ›› 2018, Vol. 40 ›› Issue (9): 1800-1811.doi: 10.18402/resci.2018.09.10
收稿日期:
2017-10-17
修回日期:
2018-07-12
出版日期:
2018-09-20
发布日期:
2018-09-14
作者简介:
作者简介:王钰乔,女,河北唐山人,硕士生,主要研究方向为农田生态。E-mail:
基金资助:
Yuqiao WANG(), Chao PU, Xin ZHAO, Xing WANG, Shengli LIU, Hailin ZHANG(
)
Received:
2017-10-17
Revised:
2018-07-12
Online:
2018-09-20
Published:
2018-09-14
摘要:
气候变化是当今国际研究的热点问题,小麦、玉米是中国主要粮食作物,分析小麦、玉米生产碳足迹的时空动态和中国相关农业政策对小麦、玉米生产的温室气体减排的引导效果对于合理应对气候变化具有重要的意义。本研究基于生命周期评价法(LCA)对2005—2015年中国小麦、玉米生产碳足迹进行了核算,并在此基础上,根据种植业结构及化肥、农药调整政策模拟分析了不同玉米种植面积和不同单位面积化肥及农药施用量等4种情景下2020年小麦、玉米生产的温室气体排放和单位面积碳足迹。研究结果显示:2005—2015年小麦、玉米生产的单位面积碳足迹和温室气体排放量均呈现出显著增加的趋势 (P < 0.05);模拟分析结果表明:通过缩减种植面积,优化化肥、农药投入能够有效降低小麦、玉米生产的碳足迹,实现(168.89~ 560.07)亿kg CO2-eq的减排潜力。因此建议构建科学施肥技术体系,提高农资投入品的利用效率,以实现中国的温室气体减排目标。
王钰乔, 濮超, 赵鑫, 王兴, 刘胜利, 张海林. 中国小麦、玉米碳足迹历史动态及未来趋势[J]. 资源科学, 2018, 40(9): 1800-1811.
Yuqiao WANG, Chao PU, Xin ZHAO, Xing WANG, Shengli LIU, Hailin ZHANG. Historical dynamics and future trends of carbon footprint of wheat and maize in China[J]. Resources Science, 2018, 40(9): 1800-1811.
表1
小麦、玉米生产排放清单及转换因子"
农资投入 | 排放参数 | 参数来源 | |
---|---|---|---|
种子 | 小麦 | 0.58 kg CO2-eq /kg | ecoinvent 2.2[ |
玉米 | 1.93 (kg CO2-eq /kg | ecoinvent 2.2 | |
柴油 | 0.89 kg CO2-eq /kg | CLCD 0.7[ | |
化肥 | 复合肥 | 1.77 kg CO2-eq /kg | CLCD 0.7 |
氮肥 | 1.53 kg CO2-eq /kg | CLCD 0.7 | |
磷肥 | 1.63 kg CO2-eq /kg | CLCD 0.7 | |
钾肥 | 0.65 kg CO2-eq /kg | CLCD 0.7 | |
农药 | 杀虫剂 | 16.61 kg CO2-eq /kg | ecoinvent 2.2 |
杀菌剂 | 10.57 kg CO2-eq /kg | ecoinvent 2.2 | |
除草剂 | 10.15 kg CO2-eq /kg | ecoinvent 2.2 | |
农膜 | 22.72 kg CO2-eq /kg | ecoinvent 2.2 | |
灌溉耗电 | 中国西北 | 0.97 kg CO2-eq /3.6MJ | CLCD 0.7 |
中国北方 | 1.23 kg CO2-eq /3.6MJ | CLCD 0.7 | |
中国南方 | 0.82 kg CO2-eq /3.6MJ | CLCD 0.7 | |
柴油燃烧 | 4.10 kg CO2-eq /kg | CLCD 0.7 |
表2
不同情景下小麦、玉米播种面积及化肥、农药投入情况"
情景 | 小麦 | 玉米 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
播种面积/(万hm2) | 化肥/(kg/hm2) | 农药/(kg/hm2) | 播种面积/(万hm2) | 化肥/(kg/hm2) | 农药/(kg/hm2) | ||
S1 | 2 337.77 | 365.18 | 27.41 | 3 333.33 | 328.05 | 24.79 | |
S2 | 2 337.77 | 385.46 | 28.93 | 3 333.33 | 346.28 | 26.16 | |
S3 | 2 337.77 | 405.75 | 30.45 | 3 333.33 | 364.50 | 27.54 | |
S4 | 2 337.77 | 405.75 | 30.45 | 3 771.42 | 364.50 | 27.54 |
表3
2020年中国小麦、玉米生产温室气体排放量模拟结果"
参数意义 | 小麦模型预估结果 | 玉米模型预估结果 |
---|---|---|
Y1柴油使用产生的温室气体排放量/万kg CO2-eq | Y1=23.35X1+7 096.09 (R2=0.90; P<0.01) | Y1=31.78X1+16 432.45 (R2=0.37; P<0.01) |
A 年份(取1, 2, 3……) | ||
B 玉米播种面积占粮食作物播种面积比例 | ||
C 小麦播种面积占粮食作物播种面积比例 | ||
X1 农用机械总动力/万kW | X1=C(3 254.75A + 46 113.15) (R2=0.99; P<0.01) | X1=B(3 925.9 A+52 238.41) (R2=0.99; P<0.01) |
Y2 灌溉耗电产生的温室气体排放量/万kg CO2-eq | Y2=112.40X2- 4 778.82 (R2=0.41; P<0.01) | Y2= 810.34X2 - 53 4628.3 (R2=0.35; P<0.01) |
X2 灌溉面积/万hm2 | X2=C(0.060 A+2.55) (R2=0.99; P<0.01) | X2=B(96.71A+4 432.84); (R2=0.99; P<0.01) |
Y3 种子使用的温室气体排放量/万kg CO2-eq | Y3=116.66X3+3 405.76 (R2=0.92; P<0.01) | Y3=78.14X3+8 903.29 (R2=0.89; P<0.01) |
X3作物播种面积/万hm2 |
[1] | IPCC. Climate Change 2013:The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel On Climate Change[R].New York: Cambridge University Press, 2014. |
[2] | Schmidhuber J, Tubiello F N.Global food security under climate change[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2007, 104(50): 19703-19708. |
[3] | 齐晔, 李惠民, 王晓. 农业与中国的低碳发展战略[J]. 中国农业科学, 2012, 45(1): 1-6. |
[Qi Y, Li H M, Wang X.Agriculture and low-carbon development strategy in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(1): 1-6. ] | |
[4] | 中华人民共和国农业部. 全国种植业结构调整规划(2016-2020年)[EB/OL]. (2016-04-28)[2017-06-30]. . |
[Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China 2016. National Structural Adjustment Plan for Plant Industry (2016-2020) [EB/OL]. (2016-04-28)[2017-06-30]. . ] | |
[5] | 中华人民共和国农业部. 到2020年化肥使用量零增长行动方案 [EB/OL]. (2015-03-18)[2017-06-30]. . |
[Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China. Pregame of Fertilizer Usage Zero Growth by 2020[EB/OL]. (2015-03-18)[2017-06-30]. . ] | |
[6] | 中华人民共和国农业部. 到2020年农药使用量零增长行动方案 [EB/OL]. (2015-03-18)[2017-06-30]. . |
[Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China. Pregame of Pesticide Usage Zero Growth by 2020 [EB/OL]. (2015-03-18)[2017-06-30]. . ] | |
[7] | 刘巽浩, 徐文修, 李增嘉, 等. 农田生态系统碳足迹法: 误区、改进与应用-兼析中国集约农作碳效率[J]. 中国农业资源与区划, 2013, 34(6): 1-11. |
[Liu X H, Xu W X, Li Z J, et al. The missteps, improvement and application of carbon footprint methodology in farmland ecosystems with the case study of analyzing the carbon efficiency of China’s intensive farming[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2013, 34(6): 1-11. ] | |
[8] | 石敏俊, 王妍, 张卓颖, 等. 中国各省区碳足迹与碳排放空间转移[J]. 地理学报, 2012, 67(10): 1327-1338. |
[Shi M J, Wang Y, Zhang Z Y, et al. Regional carbon footprint and interregional transfer of carbon emissions in China[J]. Acta Geographica Sinica, 2012, 67(10): 1327-1338. ] | |
[9] | Wackernagel M.Ecological Footprints and Appropriated Carrying Capacity: A Tool for Planning toward Sustainability[D]. Vancouver: The University of British Columbia, 1994. |
[10] | Lal R.Carbon emission from farm operations[J]. Environmental International, 2004, 30(7): 981-990. |
[11] | 王兴, 赵鑫, 王钰乔, 等. 中国水稻生产的碳足迹分析[J]. 资源科学, 2017, 39(4): 713-722. |
[Wang X, Zhao X, Wang Y Q, et al. Assessment of the carbon footprint of rice production in China[J]. Resources Science, 2017, 39(4): 713-722. ] | |
[12] | Xue J F, Pu C, Liu S L, et al. Carbon and nitrogen footprint of double rice production in southern China[J]. Ecological Indicators, 2016, 64: 249-257. |
[13] | Gan Y T, Liang C, Chai Q, et al. Improving farming practices reduces the carbon footprint of spring wheat production[J]. Nature Communications, 2014, doi: 10. 1038/ncomms6012. |
[14] | 中华人民共和国国家统计局. 中国统计年鉴2005-2015[M]. 北京: 中国统计出版社, 2005-2015. |
[National bureau of statistics of China. China Statistical Yearbook[M]. Beijing: China Statistics Press, 2005-2015. ] | |
[15] | 国家发展和改革委员会价格司. 全国农产品成本资料收益汇编2005-2015[M]. 北京: 中国统计出版社, 2005-2015. |
[The Prices Division of National Development and Reform Commission. Data Compilation of the National Agricultural Costs and Returns[M]. Beijing: China Statistics Press, 2005-2015. ] | |
[16] | International Organization for Standardization (ISO).ISO/TS14067: 2013:Greenhouse Gases-Carbon Footprint of Products-Requirements and Guidelines for Quantification and Communication [EB/OL]. (2013-05-01)[2017-06-30]. . |
[17] | 田云, 张俊飚, 尹朝静, 等. 中国农业碳排放分布动态与趋势演进-基于31个省(市、区)2002-2011年的面板数据分析[J]. 中国人口·资源与环境, 2014, 24(7): 91-98. |
[Tian Y, Zhang J B, Yin C J, et al. Distributional dynamics and trend evolution of China’s agriculture carbon emissions-an analysis on panel data of 31 provinces from 2002 to 2011[J]. China Population, Resources and Environment, 2014, 24(7): 91-98. ] | |
[18] | IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change2006: Synthesis Report[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. |
[19] | 国家发展和改革委应对气候变化司. 低碳发展及省级温室气体清单培训教材[R]. 北京: 国家发展和改革委应对气候变化司, 2013. |
[National Development and Reform Commission on Climate Change.Low-Carbon Development and Provincial Greenhouse Gas Inventory Training Materials[R]. Beijing: National Development and Reform Commission on Climate Change, 2013. ] | |
[20] | Ecoinvent Database [EB/OL]. (2011-05-11)[2016-06-30]. . |
[21] | 刘夏璐, 王洪涛, 陈建, 等. 中国生命周期参考数据库的的建立方法与基础模型[J]. 环境科学学报, 2010, 30(10): 2136-2144. |
[Liu X L, Wang H T, Chen J, et al. Method and basic model for development of Chinese reference life cycle database of fundamental industries[J]. Acta Scientiae Circumstantiate, 2010, 30(10): 2136-2144. ] | |
[22] | Xu X M, Lan Y.Spatial and temporal patterns of carbon footprints of grain crops in China[J]. Journal of Cleaner Production, 2017, 146: 218-227. |
[23] | 刘钦普. 中国化肥施用强度及环境安全阈值时空变化[J]. 农业工程学报, 2017, 33(6): 214-221. |
[Liu Q P.Spatio-temporal changes of fertilization intensity and environmental safety threshold in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(6): 214-221. ] | |
[24] | Cheng K, Yan M, Nayak D, et al. Carbon footprint of crop production in China: an analysis of National Statistics data[J]. The Journal of Agricultural Science, 2014, 153(3): 422-431. |
[25] | Ali S A, Tedone L, Verdini L, et al. Effect of different crop management systems on rainfed durum wheat greenhouse gas emissions and carbon footprint under Mediterranean conditions[J]. Journal of Cleaner Production, 2017, 140(2): 608-621. |
[26] | Wang Z B, Zhang H L, Lu X H, et al. Lowering carbon footprint of winter wheat by improving management practices in North China Plain[J]. Journal of Cleaner Production, 2015, 112: 149-157. |
[27] | 王兴, 薛建福, 王钰乔, 等. 我国西部地区种植业碳收支分析[J]. 中国农业科技导报, 2016, 18(3): 104-111. |
[Wang X, Xue J F, Wang Y Q, et al. Evaluation on carbon balance of crop production in western China[J]. Journal of Agriculture Science and Technology, 2016, 18(3): 104-111. ] | |
[28] | 段智源, 李玉娥, 万运帆, 等. 不同氮肥处理春玉米温室气体的排放[J]. 农业工程学报, 2014, 30(24): 216-224. |
[Duan Z Y, Li Y, Wan Y F, et al. Emission of greenhouse gases for spring maize on different fertilizer treatments[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(24): 216-224. ] | |
[29] | Cui Z L, Wang G L, Yue S C, et al. Closing the N-use efficiency gap to achieve food and environmental security[J]. Environ Science and Technology, 2014, 48(10): 5780-5787. |
[30] | 张玉铭, 胡春胜, 张佳宝, 等. 农田土壤主要温室气体(CO2、CH4、N2O)的源/汇强度及其温室效应研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2011, 19(4): 966-975. |
[Zhang Y M, Hu C S, Zhang J B, et al. Research advances on source/sink in densities and greenhouse effects of CO2, CH4 and N2O in agricultural soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(4): 966-975. ] | |
[31] | 顾乐民. 基于最小一乘准则的中国粮食产量与影响因素的相关性分析[J]. 农业工程学报, 2013, 29(11): 1-10. |
[Gu L M.Relative analysis of China’s grain yield and influence factors based on criterion of least absolute deviation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(11): 1-10. ] | |
[32] | 史磊刚, 范士超, 孔凡磊, 等. 华北平原主要作物生产的碳效率研究初报[J]. 作物学报, 2011, 37(8): 1485-1490. |
[Shi L G, Fan S C, Kong F L, et al. Preliminary study on the carbon efficiency of main crops production in North China Plain[J]. Acta Agronomica Sinica, 2011, 37(8): 1485-1490. ] | |
[33] | Yan M, Cheng K, Luo T, et al. Carbon footprint of grain crop production in China-based on farm survey data[J]. Journal of Cleaner Production, 2015, 104: 130-138. |
[34] | Yao Z S, Yan G X, Zheng X H,et al. Straw return reduces yield-scaled N2O plus NO emissions from annual winter wheat-based cropping systems in the North China Plain[J]. Science of the Total Environment. 2017, 590-591: 147-185. |
[1] | 王倩, 余劲. 玉米价格下跌对华北平原农地流转的影响[J]. 资源科学, 2020, 42(9): 1668-1679. |
[2] | 栾健,韩一军. 干旱灾害与农田灌溉对小麦生产技术效率的影响[J]. 资源科学, 2019, 41(8): 1387-1439. |
[3] | 常清, 王靖, 余卫东, 张宁, 李孟蔚, 李文科, 黄明霞. 河南小麦-玉米轮作系统热量利用率时空分布[J]. 资源科学, 2019, 41(6): 1176-1187. |
[4] | 王珊珊, 张寒, 杨红强. 中国人造板行业的生命周期碳足迹和能源耗用评估[J]. 资源科学, 2019, 41(3): 521-531. |
[5] | 曲朦,赵凯,周升强. 耕地流转对小麦生产效率的影响——基于农户生计分化的调节效应分析[J]. 资源科学, 2019, 41(10): 1911-1922. |
[6] | 巫振富,赵彦锋,程道全,陈杰. 河南省夏玉米产量空间分布特征及其影响因素[J]. 资源科学, 2019, 41(10): 1935-1948. |
[7] | 刘哲, 昝糈莉, 刘玮, 刘帝佑, 李绍明, 张晓东, 朱德海. 农业气象台站玉米生育期的填补及对比分析[J]. 资源科学, 2019, 41(1): 176-184. |
[8] | 李俐, 孔庆玲, 王鹏新, 王蕾, 荀兰. 基于时间序列Sentinel-1A数据的玉米种植面积监测研究[J]. 资源科学, 2018, 40(8): 1608-1621. |
[9] | 张永强, 蒲晨曦, 王珧, 王荣, 彭有幸. 化肥投入效率测度及归因——来自20个玉米生产省份的面板证据[J]. 资源科学, 2018, 40(7): 1333-1343. |
[10] | 侯艺璇, 赵华甫, 吴克宁, 李凯. 基于BP神经网络的作物Cd含量预测及安全种植分区[J]. 资源科学, 2018, 40(12): 2414-2424. |
[11] | 王蕾, 王鹏新, 李俐, 荀兰, 孔庆玲. 河北省中部平原玉米长势遥感综合监测[J]. 资源科学, 2018, 40(10): 2099-2109. |
[12] | 张荣荣, 宁晓菊, 秦耀辰, 赵凯娜, 李永贺. 1980年以来河南省主要粮食作物产量对气候变化的敏感性分析[J]. 资源科学, 2018, 40(1): 137-149. |
[13] | 曹永强, 李维佳, 赵博雅. 气候变化下辽西北春玉米生育期需水量研究[J]. 资源科学, 2018, 40(1): 150-160. |
[14] | 黄亿, 王靖, 赫迪, 唐建昭. 气候变暖下西南春玉米生长季不利气象条件的时空演变[J]. 资源科学, 2017, 39(9): 1753-1764. |
[15] | 贾琳, 夏英. 农户粮食生产规模效率及其影响因素分析——基于黑、豫、川三省玉米种植户的调查数据[J]. 资源科学, 2017, 39(5): 924-933. |
|