我国设施农业碳排放核算及碳减排路径_尹岩.pdf

应用生态学报 Chinese Journal of Applied Ecology ISSN 1001 9332 CN 21 1253 Q 应用生态学报 网络首发论文 题目 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 作者 尹岩 郗凤明 邴龙飞 王娇月 李杰颖 杜立宇 刘丽 DOI 10 13287 j 1001 9332 202111 019 网络首发日期 2021 08 18 引用格式 尹岩 郗凤明 邴龙飞 王娇月 李杰颖 杜立宇 刘丽 我国设施农业碳 排放核算及碳减排路径 应用生态学报 https doi org 10 13287 j 1001 9332 202111 019 网络首发 在编辑部工作流程中 稿件从录用到出版要经历录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿等阶 段 录用定稿指内容已经确定 且通过同行评议 主编终审同意刊用的稿件 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式 包括网络呈现版式 排版后的稿件 可暂不确定出版年 卷 期和页码 整期汇编定稿指出 版年 卷 期 页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件 录用定稿网络首发稿件内容必须符合 出 版管理条例 和 期刊出版管理规定 的有关规定 学术研究成果具有创新性 科学性和先进性 符合编 辑部对刊文的录用要求 不存在学术不端行为及其他侵权行为 稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑 出版的技术标准 正确使用和统一规范语言文字 符号 数字 外文字母 法定计量单位及地图标注等 为确保录用定稿网络首发的严肃性 录用定稿一经发布 不得修改论文题目 作者 机构名称和学术内容 只可基于编辑规范进行少量文字的修改 出版确认 纸质期刊编辑部通过与 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有限公司签约 在 中国 学术期刊 网络版 出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版 以单篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿 因为 中国学术期刊 网络版 是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版 应用生态学报 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 1 尹 岩 1 郗凤明 1 邴龙飞 1 王娇月 1 李杰颖 2 杜立宇 3 刘 丽 4 1 中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016 2 抚顺矿业集团有限责任公司生态环境中心 辽宁抚顺 113008 3 沈阳农业大学土地 与环境学院 沈阳 110866 4 沈阳环境科学研究院 沈阳 110167 通信作者 E mail xifengming 摘要 设施农业作为典型的农业生产管理模式 其特有的生产环境条件和高度集约利用的特点 会对农业碳循环产生 影响 本研究以设施农业生产管理过程中的农膜投入 能源消耗 农药化肥投入 气肥施用 设施土壤五大温室气体 排放源为核算对象 对 2018 年我国 31 个省份连栋温室 日光温室 塑料大棚 3 种设施农业的碳排放量和排放强度进 行估算 结果表明 我国设施农业碳排放总量为 21038 17 万 t CO2e 塑料大棚 日光温室 连栋温室 3 种类型设施农 业碳排放量分别占 60 2 37 4 和 2 4 设施农业碳排放以土壤温室气体排放 农膜投入和农用品投入碳排放为 主 连栋温室单 位面积碳排放量显著低于日光温室和塑料大棚 科技资金配置率和设施农业规模是对设施农业碳排放 影响最大的两个因素 基于此 本研究从提高设施农业的科技投入 物质消耗利用率 设施面积利用率 3 个角度提出 碳减排路径 关键词 排放强度 对数平均迪氏指数模型 科技投入 物质消耗 连栋温室 DOI 10 13287 j 1001 9332 202111 019 Accounting and reduction path of facility agriculture carbon emission in China YIN Yan1 XI Feng ming1 BING Long fei1 WANG Jiao yue1 LI Jie ying2 DU Li yu3 LIU Li4 1Institute of Applied Ecology Chinese Academy of Sciences Shenyang 110016 China 2Center of Ecology and Environment Fushun Mining Group Co Ltd Fushun 113008 Liaoning China 3Department of Land and Environment Shenyang Agricultural University Shenyang 110866 China 4Shenyang Academy of Environmental Sciences Shenyang 110167 China Abstract Facility agriculture a typical agricultural production management mode could impact agricultural carbon cycle due to its unique production environmental conditions and highly intensive utilization This study took the five main sources of agricultural film investment energy consumption pesticide and fertilizer application CO2 fertilizer application and facility soil as accounting objects to estimate the carbon emissions and emission intensity of the three facility agriculture continu ous greenhouse solar greenhouse and plastic greenhouse in 31 provinces in 2018 The results showed that the total carbon emission of facility agriculture in China was 210 3817 million t CO2e in which the three facility agriculture types of plastic greenhouse solar greenhouse and continuous greenhouse accounted for 60 2 37 4 and 2 4 respectively Carbon emission of facility agriculture was mainly on soil greenhouse gas agricultural film and supplies investment Carbon emissio n per unit area of continuous greenhouses was significantly lower than that of solar and plastic greenhouses The scientific capital allocation rate and facility agriculture scale were the two main factors influencing the carbon emission in facility agriculture Based on the results we presented the carbon emission reduction path from the three perspectives of improving the scientific investment material consumption utilization rate and facility area utilization rate of facility agriculture Key words emission intensity LMDI model science and technology input material consumption connecting greenhouse 基金项目 本文由福州市生态系统价值核算科研服务项目 350100 HH CS 2019001 辽宁省博士科研启动基金指导计划项 目 20170520302 沈阳市社会科 学课题重点课题 SYSK2020 35 01 国家自然科学基金项目 41977290 中国科学院青年创新促进会 优秀会员项目 Y202050 和中国科学院青年创新促进会会员项目 2020201 资助 作者简介 尹 岩 女 1986年生 博士研究生 助理研究员 主要从事农业环境与生态领域研究 E mail yinyan Fund This work was supported by the Scientific Research Service Project of Fuzhou City Ecosystem Value Accounting 350100 HH CS 2019001 the Doctoral Start up Foundation of Liaoning Province 20170520302 the Key Project of Shenyang Social Science SYSK2020 35 01 the National Natural Science Foundation of China 41977290 the Excellent Member Project of Youth Innovation Promotion Association Chinese Academy of Sciences Y202050 and the Member Project of Youth Innovation Promotion Association Chinese Academy of Sciences 2020201 网络首发时间 网络首发地址 2021 08 18 09 57 28 2 应用生态学报 温室气体排放是影响全 球气候变化 威胁自然环境和经济发展的重要因素 1 农业 生产 活动作为 重要的温室气体人为排放源 2 4 其温室气体排放量达全球总排放量的 10 12 2 5 6 我国农业生产 活动产生的温室气体排放比例为 16 17 7 8 高于很多国家 6 我国承诺降低温室气体排放强度 单位 GDP 二氧化碳排放量 9 到 2030 年实现温室气体排放量达峰 碳达峰 到 2060 年实 现温室气体净零排放 碳中和 因此 在 巨大的温室气体减排任务下 我国迫切需要提高资源 利用率 发展低碳农业 7 分 析我 国不同省份低碳农业发展政策时发现 控制农业生产活动中的碳排 放是低碳农业发展的重中之重 10 许多学者在探索农业温室气体排放问题时 以联合国政府间气候变化专门委员会 IPCC 制定 的 2006 年国家温室气体清单指南 11 为依据 通过能值测算 12 实地监测 13 16 模型模拟 17 等方 式对农业温室气体排放量进行估算 研究表明 土壤 役畜肠道发酵 秸秆燃烧 水稻种植 役畜粪 便管理是农业温室气体的五大排放源 排放量占比分别为 38 32 12 11 和 7 14 分析农 业温室 气体排放的驱动 因素发现 增施化肥 促进灌溉 集约化管理等促进了温室气体排放 17 免 耕 秸秆还田等保护性耕作管理措施抑制了温室气体排放 12 对比美国 加拿大 新西兰农业温室气 体排放量时发现 农业生产管理模式显著影响农业碳排放 18 19 全球设施农业面积超过 460 万 hm2 主要分布在亚洲 非洲 欧洲等地 20 21 我国是全球设施农 业面积最大的国家 2018 年我国设施农业总面积为 189 万 hm2 22 设施 农业 是一种 典型的农业 生产 管理 模式 因 其特有的 生产 环境条件和高度集约利用 等特点 会对农业碳循环产生影响 23 24 诸多学 者从不同角度围绕露天农业 指基于旱地 水田 水浇地的种植业 其特点是依赖自然环境 受天气 影响大 碳排放问题进行了积极探索 然而 目前关于设施农业碳排放的研究成果并不多见 仅有的 研究成果一方面主要针对设施农业成本收益问题展开研究 另一方面 主要针对设施农业生产管理过 程中的关键参数进行模拟优化 与露天农业相比 因蓄热增温防寒 遮阳降温防雨产生的农用品投入 和能源消耗所引起的温室气体排放还未被 定量核算 基于此 本研究以省域为基本统计单元 以设施 农业生产管理过程中的农膜投 入 能源消耗 农药化肥投入 气肥施用 设施土壤五大温室气体排放 源为核 算对象 对 2018 年我国连栋温室 日光温室 塑料大棚 3 种设施农业的碳排放量和排放强度 进行估算 详细分析碳排放量和排放强度的空间分布特征以及影响碳排放的主导因素 并提出面向碳 中和的碳减排路径 1 研究地区与研究方法 1 1 研究区概况 改革开放以来 我国设施 农业 得到快速发展 20 世纪 80 年代 以塑料拱棚为主的设施生产迅速 发展 使 设施作物 周年供应状况得到明显改善 20 世纪 90 年代以来 大力推广的节能日光温室和遮 阳棚生产技术 攻克了北方地区 冬春季和南方地区夏秋季 两个淡季 的生产技术难题 使得全国广 大地区实现了周年生产 设施 农业 技术的发展 不仅解决了 作物 周年均衡供应的问题 也在促进农民 增收和高效利用农业资源等方面做出了历史性贡献 我国设施 农业 主要集中在东北地区和黄淮海地 区 其中 江苏 省设施 农业 面积约占全国的 17 9 其次是 山东 约占 15 3 辽宁 河北 陕西 3 省设施 农业 面积也较大 约占全国的 5 0 9 5 设施农业生产管理模式与露天农业大不相同 需要 对设施环 境进行调控 营造适宜作物生长的环境条件 主要是对光照 温度 湿度和气体的人为调 控 我国设施农业生产区域布局和基本情况 如表 1所示 尹岩等 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 3 表 1 我国设施农业生产区域布局与基本情况 Table 1 Regional layout and basic information of facilities agriculture production in China 区域 Region 地理位置 Geographical position 设施类型 Facilities type 主要措施 Main measure 供应期 Supply period 东北温带区 Northeast temperate zone 辽宁中北部 吉林 黑龙江中南 部 内蒙古东部 以日光温室为 主 兼顾塑料 大中棚 冬季蓄热增温 和保温防寒 塑料大中棚 5月中旬至 7月下旬 9月中旬至 10 月中下旬 日光温室 9月至翌年 7月 东北 温带亚区 2月下旬至 7月下旬 9月上旬 至 12 月上旬 东北冷温带亚区 3月中旬至 11 月下旬 东北寒温带亚区 黄淮海与环渤海暖温区 Huang Huai Hai and Circum Bohai Sea warm zone 辽 宁东 部 辽宁 西 部 辽宁 南部 北京 天津 内蒙古赤峰和乌兰察 布地区 山西 河北 山东 河 南 安徽中北部 江苏中北部 以日光温室为 主 塑料大中 棚为辅 冬季蓄热增温 和保温防寒 日光温室 9月至翌年 7月 塑料大中棚 4 6 月 9 11 月 西北温带干旱及青藏高 寒区 Northwest temperate arid zone and Qinghai Tibet alpine zone 新疆 甘肃 宁夏 陕西 青海 西藏 内蒙古中西部 以日光温室为 主 塑料大中 棚为辅 冬季蓄热增温 和保温防寒 日光温室 9月至翌年 7月 塑料大中 棚 3 6 月 9 11 月 长江流域亚热带多雨区 Subtropical and rainy zone in Yangtze River basin 四川 重庆 云南北部 贵州 湖 北 湖南 江西 上海 浙江 江 苏南部 安徽南部 福建北部 以塑料大中棚 为主 冬春季保温栽 培 夏季遮阳 降温避雨栽培 10 月中旬至翌年 8月 华南热带多雨区 Tropical and rainy zone in South China 福建中北部 广东 广西 海南 云南中南部 以塑料大中 棚 防雨棚 防虫网并举 遮阳降温防雨 10 月中旬至 翌年 8月 1 2 设施农业碳排放核算 设施农业生产过程中会消耗大量的农用品 和能源 从而带来温室气体排放 本研究 选取农膜 化 肥 农药等农用品 投入 灌溉电力 农机燃油 供暖 降温 电力等能源消耗 气肥施用和 设施 土壤温 室气体排放作为设施农业碳排放源 对其进行定量核算 1 2 1 农用塑料薄膜投入碳排放核算 设施农业生产过程中投入的农用塑料薄膜主要为地膜和棚膜两类 农用塑料薄膜在生产和运输过 程中均会造成温室气体排放 其中 对设施农业棚膜投入量估算主要依据 日光温室建设标准 NYJ T 07 2005 25 日光温室和塑料大棚结构与性能要求 JB 10594 2006 26 和 连栋温 室建设标准 NYJ T 06 2005 27 核算公式如下 Ef Amf Asm ff 式中 Ef为设施农业农膜投入碳排放量 t CO2e Amf为 设施农业 地膜 年投入量 t Asm为设 施农业 棚膜 年投入 量 t ff为农用塑料薄膜碳排放系数 取值为 18 99 t CO2 t 1 28 1 2 2 农药化肥投入碳排放核算 设施农业生产过程中投入的农药和化肥 其在生产和运输过程中均会 造成温室气体排放 本研究 对此部分碳排放进行核算 算式如下 Ei Afer ffer Ache fche 式中 Ei为设施农业农药化肥投入碳排放量 t CO2 e Afer Ache分别为 设施农业 化肥 农药 投 入 量 GJ ffer 和 fche 分别为 化肥 农药的碳排放系数 取值分别为 0 11 t CO2 GJ 1 29 30 0 10 t CO2 GJ 1 31 1 2 3 能源消耗碳排放核算 设施农业生产过程中灌溉和降温 南方 供暖 北方 会消耗电力能源 同时农业机械也 会消 耗燃油能源 能源在消耗过程中会造成温室气体排放 本研究对此部分碳排放进行核 算 算式如下 Ee Ael Ahp fel Ame fme 式中 Ee为设施农业 能源消耗 碳排放量 t CO2e Ael为 设施农业 灌溉电力 消耗 量 kWh Ahp 为设施农业降温 供暖电力 消耗 量 kWh Ame 为设施农业 机械 燃油消 耗量 TJ fel 和 fme 分别 为 电力和燃油消耗碳排放系数 取值分别为 0 36 kg CO2 k Wh 1 31 74 10 t CO2 TJ 1 11 1 2 4 气肥施用碳排放核算 设施农业生产过程中常用化学反应法向设施内增施 CO2 以促进作物光合作用 由于设施每天定 期需要通风换气 因此 设施内没有参与光合反应的 CO2会释放到大气中 是重要的设施农业温室气 4 应用生态学报 体排放源 本研究对此部分碳排放进行核算 算式如下 ECO2fer CO2 S hr 0 5 ConCO2fer ConCO2air 10 式中 ECO2fer为设施农业气肥施用碳排放量 t CO2e CO2为 CO2气态密度 kg m 3 S 为设 施 面积 hm2 hr为设施 脊高 m ConCO2fer和 ConCO2air分别为 施气肥后温 室内 CO2浓度 和 大气 CO2平均浓度 1 2 5 设施土壤碳排放核算 设施土壤因耕作管理 化肥施用 有机碳矿化等原因会释放温室气体 本研究对此部分碳排放进 行核算 算式如下 Esoil fsoil CO2 44 S day 24 3600 10 8 Af N S fsoil N2O wN2O 44 14 式中 Esoil为设施土壤碳排放量 t CO2e fsoil CO2为设施土壤 CO2通量 mol m 2 s 1 day 为 设施农业 供应期天数 d Af N为 设施农业 氮肥施用量 t N hm 2 fsoil N2O为 设施土壤 N2O排放 系数 wN2O为 N2O转换为百年尺度上相对全球 增温潜势 CO2 N 2O 1 1 3 设施农业碳排放驱动因素分析 为进一步分析影响碳排放的主导因素 并提出面向碳中和的碳减排路径 本研究基于对数平均迪 氏指数 logarithmic mean Divisia index LMDI 模型 选择碳排放效率 碳排放量与产量之比 投入产出比 产量与物耗投入之比 科技资金配置率 物耗投入与科技人员数量之比 设施农业 规 模 科技人员数量与设施农业面积之比 作为设施农业碳排放的驱动因素 深入分析各驱 动因素对 我国设施农业碳排放的影响程度 本研究基于前人研究成果 构建设施农业碳排放驱动因素分析模 型 32 Ec Ice Rio Atf LP Al Ec Ec Yc Yc Im Im At At Al Al 式中 Ec 为设施农业碳排放量 Ice 为设施农业碳排放效率 Rio 为设施农业 产出投入比 Atf 为设 施农 业 科技资金配置率 LP为设施农业规模 Al为设施农业 面积 Yc为设施农业 总产出 Im为设施农 业 物耗投入 At为 科技人员数量 1 4 数据来源与处理 本 研究数据来源于 中国设施农业信息网 22 日光温室建设标准 NYJ T 07 2005 25 日光温室和塑料大棚结构与性能要求 JB 10594 2006 26 连栋温室建设标准 NYJ T 06 2005 27 农业用聚乙烯吹塑棚膜 GB T 4455 2019 33 全国设施蔬菜重点区域发展规划 2015 2020 年 34 中国统计年鉴 35 中国能源统计年鉴 36 中国农村统计年 鉴 37 中国科技统计年度数据 38 利用 Excel 软件对核算结果进行数据处理 借助 ArcGIS 软件绘 制碳排放空间变化图 2 结果 与 分析 2 1 设施农业碳排放的空间变化特征 由 图 1 可以看出 2018 年 我国设施农业碳排放总量为 21038 17 万 t CO2e 总体呈东北高 西 南低的格局 其中 江苏 山东 辽宁排放量最高 分别占全国碳排放总量的 17 2 14 9 和 10 2 广西 西藏 海南是碳排放量最小的省份 分别占全国碳排放总量的 0 02 0 15 和 0 17 尹岩等 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 5 图 1 我国 31 个省份 不同类型设施农业碳排放量 的 空间分布 Fig 1 Spatial distribution of agricultural carbon emission in different types of facilities from 31 provinces in China t CO2e CG 连栋温室 Continuous greenhouse SG 日光温室 Solar greenhouse PG 塑料大棚 Plastic greenhouse AFI 农膜投入 Agricultural film investment EC 能源消耗 Energy consumption PFA 农用品投入 Pesticide and fertilizer application AFA 气肥施用 Air fertilizer application FS 设施土壤 Facility soil 该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS 2020 4619 号的标准地图制作 底图无修改 The map was based on the standard map with the drawing review No GS 2020 4619 downloaded from the standard map service website of the State Bureau of Surveying Mapping and Geographic Information and the base map was not modified 下同 The same below 从设施农业类型来看 碳排放量 顺序为 塑料大棚 日光温室 连栋温室 3 种类型设施农业碳排 放量分别为 12664 84 7874 95 和 498 38 万 t CO2e 从空间分布来看 我国北方以日光温室碳排放为 主 南方以塑料大棚碳排放为主 辽宁 山东 河北 日光温室碳排放 量最高 分别占全国碳排放总量 的 21 0 20 3 和 11 0 江苏 山东 湖 北 塑料大棚碳排放量最高 分别占全国碳排放总量的 24 3 11 8 和 7 7 连栋温室主要集中在 江苏 内蒙古 山东 其碳排放量分别占全国碳排放总 量的 37 0 11 4 和 8 5 2 2 设施农业不同类型碳排放贡献特征 分析 我国设施农业 不同类型碳排放的贡献发现 土壤碳排放 农膜使用 农用品投入 能源消 耗 气肥施用碳排放平均占比分别为 55 2 24 7 17 6 1 6 0 9 土壤碳排放 农膜 使用 农用品 投入 碳 排放是我国设施农业的主要碳排放源 连栋温室不同碳排放源的排放量 顺序为 土壤碳排 放 农用品投 入 能源消耗 农膜 投入 气肥施用 其中 土壤碳排放是主要的碳排放源 占比 76 9 81 7 农用品投入碳排放占比次之 达 13 9 16 6 日光温室不同碳排放的排放量 顺序为 土壤碳排放 农用品投入 农膜 投入 能源消耗 气肥施用 其中 土壤碳排放占比 49 3 55 1 农用品投入和农膜 投入 碳排放占比分别为 22 4 25 2 和 19 9 23 3 塑料大棚不同碳排放的排放 量 顺序为 土壤碳排放 农膜 投入 农用品投 入 能源消耗 气肥施用 其中 土壤碳排放占比 39 2 62 7 农膜 投入 和 农 用品投入碳排放占比分别为 22 4 38 0 和 12 2 19 9 6 应用生态学报 2 3 设施农业碳排放强度特征 与碳排放量空间分布有所不同的是 我国设施农业碳排放强度总体呈现西南高 东北低的趋势 图 2 高排放强度的省份主要集中分布在贵州 重庆 湖北 湖南 排放强度高达 121 t CO2 e hm 2 排放强度最低的省份是黑龙江 排放强度低至 76 t CO2e hm 2 各类设施农业碳排放强度 顺序 为 日光温室 塑料大棚 连栋温 室 日光温室 连栋温室和塑料大棚 3 种设施农业碳排放强度均呈现 长江流域偏高 东北 地区偏低的趋势 对比各类碳排放源的排放强度发现 连栋温室和日光温室的土 壤碳排放强度和气肥施用碳排放强度显著高于塑料大棚 日光温室和塑料大棚的农膜 投入 碳排放度显 著高于连栋温室 能源消耗碳排放强度显著低于连栋温室 日光温室农用品投入碳排放强度显著高于 连栋温室和塑料大棚 图 2 我国 31 个省份 不同类型设施农业碳排放强度 的 空间分布 Fig 2 Spatial distribution of carbon emission intensity in different types of facilities from 31 provinces in China t CO2e hm 2 2 4 设施农业碳排放的驱动因素 本研究基于 LMDI 模型 32 对设施农业碳排放的驱动因素进行乘法分解和加法分解 旨在深入探讨 影响设施农业碳排放的因素 由图 3 可以看出 我国设施农业产出投入比 设施农业面积和科技资金 配置率均呈降低趋势 降低幅度顺序为产出投入比 设施农业面积 科技资金配置率 这 3 个因素对 于设施农业碳排放的贡献呈负驱动作用 其 中 科技资金配置率负驱动作用最大 贡献了 1842 万 t CO2e 设施农业面 积负驱动作用 次之 贡献了 1749 万 t CO2e 产出投入比负驱动作用最小 仅贡献 57万 t CO2e 相比之下 设施农业碳排放效率和设施农业规模是呈升高趋势的 设施农业规模的升高 幅度大于碳排放效率 这两个因素对设施农业碳排放的贡献呈正驱动作用 碳排放效率贡献了 48 万 t CO2e 设施农业规模的贡献远高于碳排放效率 为 1899万 t CO2e 尹岩等 我国设施农业碳排放核算及碳减排路径 7 图 3 设施农业碳排放 驱动因素分解结果 Fig 3 Decomposition results of drive factors to carbon emissions a 乘法分解方法 Multiplicative decomposition method b 加法分解方法 Additive decomposition method Ice 碳排放效率 Carbon emission efficiency Rio 产出投入比 Output input ratio Atf 科技资金配置率 Scientific capital allocation rate Lp 设施农业规模 Facility agriculture scale Al 设施农业面积 Facility agriculture area 3 讨 论 目前 关于农业碳排放量的估算主要集中在 1 化肥 农药 农膜等农用品在生产和运输过程 中产生的碳排放 28 30 31 2 因耕作 灌溉 施肥等管理措施造成的役畜肠道发酵和粪便管理碳排 放 39 农机燃油燃烧产生的碳排放 30 31 土壤有机质矿化分解产生的碳排放 40 41 水田淹水厌氧发 酵产生的甲烷排放 42 43 灌溉电力消耗产生的碳排放 31 以及因氮肥施用土壤排放氮氧化物 44 45 等 3 秸秆焚烧过程产生的碳排放 46 本研究在确定设施农业核算框架体系时 考虑到设施农业以蔬菜 种植为主 因此没有将水田淹水厌氧发酵甲烷排放和秸秆焚烧碳排放纳入核算体系 同时农业设施中 少有役畜投入 故对役畜肠道发酵和粪便管理碳排放亦不纳入核算体系 对比已有农业碳排放核算结果与本研究关于设施农业碳排放核算结果时发现 农业能源消耗产生 的碳排放在 0 98 2 71 t CO2e hm 2 28 31 本研究能源消耗碳排放 在 1 76 2 42 t CO2e hm 2 分析原因时 发现灌溉电力是农业 能源消耗碳排放的主要源头 灌溉 方式的不同显著影响了能源消耗碳排放量 47 同时设施农业因需要供暖 降温也会消耗一部分电力 造成额外的能源消耗碳排放 此外 本研究亦 发现 设施土壤碳排放是 5 种碳排放源中排放强度最大的 可以达到 49 75 t CO2e hm 2 这是因为设 施土壤高温 持续大量的施肥等均会促进设施土壤有机碳分解矿化 从而表现出设施土壤有机碳矿化 率明显高于农田 48 深入分析设施农业碳排放驱动因素时发现 对设 施农业碳排放影响最大的两个因素是科技资金配 置率和设施农业规模 也就是说提高设施 农业的科技投入 物质消耗利用率 设施面积利用率是有效 降低设施农业碳排放的关键路 径 1 提高设施农业科技投入 研究表明 滴管方式可以有效降低生 长期土壤碳排放 且降低灌溉能耗 49 保护性耕作在有效保持作物产量的同时可以显著降低温室气体 排放 将光伏发电技术应用在设施农业中 可以大大减少对化石能源的需求 达到节能减排的效果 因此 以改善耕作管理措施为目标的科技投入十分必要 2 提高物质消耗利用率 设施农业化肥施 用量可达 3000 12000 kg hm 2 已超出施肥理论量的 50 70 显著提高了农用品投 入碳排放 同 时 棚膜作为设施农业重要的一种农膜投入类型 更是提高了农膜投入碳排放 因此 应 推广秸秆还 田和测土配方施肥 根据不同作物类型 按需施肥 减少肥料生产碳排放和因施肥产生的土壤碳排 放 并提高棚膜质量 延长棚膜使用寿命 减少棚膜更换频率 有效降低棚膜投入碳排放 3 提高 设施面积利用率 本研究发现 连栋温室碳排放强度为 91 72 t CO2e hm 2 低于日光温室和塑料大 棚 因此 推广连栋温室和连栋单层膜温室 可以 有效降低 温室内运行能耗 减少气肥施用量 减少 因土地破碎化造成的农机高能耗 8 应用生态学报 4 结 论 本研究核算了 2018 年我国 31 个省份设施农业温室气体排放量 结果表明 我国设施农业碳排放 总量为 21038 17 万 t CO2e 塑料大棚 日光温室 连栋温室 3 种类型设施农业碳排放量分别为 12664 84 7874 95 和 498 38 万 t CO2e 设施农业各碳排放源排放量由高到低依次为土壤碳排放 55 2 农膜使用 24 7 农用品投入 17 6 能源消耗 1 6 气肥施用 0 9 连栋温室碳排放强 度 91 72 t CO2e hm 2 低于日光温室 136 37 t CO2e hm 2 和塑料大棚 100 32 t CO2e hm 2 此外 科技资金配置率和设施农业规模是影响设施农业碳排放最大的两个驱动因素 责任编辑 杨 弘 参考文献 1 IPCC Climate Change 2013 The Physical Science Basis Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Cambridge UK Cambridge University Press 2013 2 Frank S Beach R Havlik P et al Structural change as a key component for agricultural non CO2 mitigation efforts Nature Communications 2018 9 doi 10 1038 s41467 018 03489 1 3 Linquist BA Adviento Borbe MA Pittelkow CM et al Fertilizer management practices and greenhouse gas emissions from rice systems A quantitative review and analysis Field Crops Research 2012 135 10 21 4 Ren F Zhang X Liu J et al A synthetic analysis of greenhouse gas emissions from manure amended agricultural soils in China Scientific Reports 2017 7 doi 10 1038 s41598 017 07793 6 5 Sachs J Remans R Smukler S et al Monitoring the world s agriculture Nature 2010 466 558 560 6 Huang X Xu X Wang Q et al Assessment of agricultural carbon emissions and their spatiotemporal changes in China 1997 2016 International Journal of Environm