河北省农作物生产投入品碳排放变化特征*

山 楠, 肖广敏, 串丽敏，孙秀君

河北省农作物生产投入品碳排放变化特征*

山 楠1, 肖广敏2, 串丽敏3**，孙秀君1

（1.唐山学院新材料与化学工程学院，唐山 063000；
2. 河北省农林科学院农业资源环境研究所/河北省肥料技术创新中心，石家庄050051；
3. 北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所，北京100097）

基于2010-2018年河北省农资投入、农作物产量、耕地面积和农作物播种面积等统计数据，计算河北省农作物生产投入品碳排放，分析河北省农作物生产投入品碳排放的动态变化和不同投入品碳排放所占比例，为农业生产节能减排，实现低碳农业提供理论依据。结果表明，2010-2018年河北省农作物生产投入品碳排放以2015年为转折点，呈现先上升后下降的趋势。研究期内河北省农作物生产碳排放总量、单位产量碳排放量和单位耕地面积碳排放量分别为2219万～2674万tCO2eq、0.21～0.30tCO2eq·t−1和3.40～4.10tCO2eq·hm−2。2018年河北省农作物生产碳排放总量、单位产量碳排放量和单位耕地面积碳排放量最低，分别比最高值降低17.0%、30.0%和17.0%。化肥、农药、农膜、柴油和灌溉用电9a平均碳排放量占比分别为38.6%、2.1%、11.5%、34.7%和13.1%。化肥和柴油是最主要的农业碳排放源，占比均在30%以上。农作物生产投入品碳排放的动态变化受国家政策影响效果明显，农作物生产碳排放应该坚持以国家政策引导为主，通过成熟的农业管理制度，加强农业技术培训和推广应用先进的栽培技术等措施，减少农业源碳排放，以促进农业绿色发展。

农作物生产；
农资投入；
碳排放；
碳强度

绿色革命使农业生产发生了翻天覆地的变化，自绿色革命以来世界粮食产量翻了一番，但是化肥总投入增加了近4倍[1]，其他农资的投入量也快速增长。农资的高额投入是作物产量提高的重要因素。据统计，近20a来中国农药、农用柴油和农膜的使用量分别增加了136.2%、124.6%和271.1%[2]。这种高投入的农业生产模式在增加作物产量的同时也带来了严重的环境问题。农业生产使用的农资产品（化肥、农药、农膜）生产和运输过程，播种、收割、耕地机械化作业、化石燃料的燃烧过程，灌溉消耗的电力的生产过程均会大量排放温室气体[3−4]。温室气体排放是导致气候变化的重要因素之一[5]。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告指出，全球农业源温室气体排放占人类活动总排放量的1/4[6]，全球每年仅氮肥使用导致的二氧化碳当量（CO2eq）排放就高达30亿t[7]。中国是农业大国，农业源温室气体排放是中国温室气体排放的第2大来源[8]。CO2当量是衡量温室效应的关键指标，对农业系统中CO2排放当量进行定量计算，可以了解农业碳排放组成，明确不同碳排放源在农业生态系统碳排放中所占比例。农业源碳排放研究也成为人们关注的热点。

目前国内有很多学者对农业系统的碳排放进行了计算，但是相关研究大多是采用IPCC提供的碳排放系数, 或者国外学者提出的碳排放系数[9−11]。然而这些系数是根据西方国家的数据计算得出，而中国的工业和农业生产水平都与西方国家存在较大差异。相比于西方国家的能源结构，中国农资的生产主要消耗煤炭资源，其转换系数通常较低，这意味着在中国生产同等质量的农资产品比西方国家排放更多的CO2，也意味着中国的碳排放系数普遍高于西方国家。因此，在计算中国农业生产的碳排放时直接套用国外的碳排放系数，往往低估了中国实际的农业生产碳排放量[12]。在开展农业碳排放研究时，选择合适的碳排放系数并充分考虑每个环节的碳排放，对减少碳排放损失，推动低碳农业的发展具有重大意义。目前国内学者针对农业生产碳排放的研究主要考虑农资产品（化肥、农药、农膜）生产运输和能源消耗（燃油、电力）产生的碳排放[13−14]，而针对农作物从播种到收获整个农业生产过程所需的化肥、农药、柴油、农膜和灌溉用电，其生产、运输和使用过程中农作物生产投入品碳排放产生的温室气体的系统研究较为缺乏。

河北省是农业大省，是京津冀一体化协同发展的重要组成部分，为当地尤其是天津和北京的居民生活提供大量农产品和保障国家粮食安全的同时，由于农业机械的大量使用以及农用化学品的大量投入，所带来的温室效应和农业面源污染等环境问题不容忽视。随着国家农业生产向绿色转型，河北省的农作物生产碳减排面临严峻形势，而目前针对这一地区农作物生产的碳排放还缺乏深入研究。因此，为促进河北省农业的绿色低碳发展，亟需摸清河北省近年来农作物生产投入品碳排放动态变化特征。本研究依托《河北农村统计年鉴》的数据，计算了2010−2018年河北省农作物生产投入品碳排放，定量分析农作物生产投入品碳排放随时间的动态变化特征，探讨农作物生产投入品碳排放的主要来源与影响因素，以期为河北省农业碳中和研究和绿色发展提供理论依据。

1.1 数据及其来源

2010−2018年河北省历年化肥用量、农药用量、农膜用量、农用柴油量以及有效灌溉面积、耕地面积、播种面积和作物产量等数据主要来源于相应年份的《河北农村统计年鉴》。统计的农作物包括河北省常见的粮食作物（谷物、薯类和豆类），油料作物（花生、油菜籽、芝麻、向日葵、胡麻），棉花，蔬菜和水果（香蕉、苹果、梨、葡萄、红枣、柿子、西瓜、草莓和甜瓜）。

1.2 指标计算

1.2.1 碳排放量

农作物生产投入品碳排放指作物从播种到收获整个农业生产过程中化肥、农药、柴油、农膜和灌溉用电的生产、运输、使用过程中产生的温室气体的总和[15]。碳排放总量（Carbon Emission，CE）的计算式为

式中，CE为农业生产投入品碳排放总量，以CO2当量计（万t CO2eq）；
ei为物质投入类型i的碳排放量；
Ti为第i种碳源的使用量；
Emission Factor(EFi)为第i种碳源的碳排放系数。各类碳源的碳排放系数见表1。

表1 农作物生产过程中各种投入品的碳排放系数[16−17]

1.2.2 碳排放强度

碳排放强度指单位产量碳排放和单位耕地面积的碳排放，计算式为

CEy=CE/ TY （2）

CEc=CE / TC （3）

式中，CEy指单位产量的碳排放；
TY指总农作物产量；
CEc指单位耕地面积的碳排放；
TC指总耕地面积。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2016对数据进行统计分析与作图。

2.1 农作物生产投入的变化特征

2.1.1 生产投入品

据《河北农村统计年鉴》统计（图1），全省2010−2015年化肥使用量呈现逐渐增加的趋势，化肥用量从322.9万t增加到335.5万t，增长了3.9%，随后开始下降。2018年化肥用量为312.4万t，比2015年下降了6.9%。2010−2015年柴油用量在279.2万～298.5万t波动，2016年开始显著降低，2018年柴油用量为217.6万t，比2010年最高用量下降了27.1%。有效灌溉面积2010−2018年变化幅度较小(1.2%～4.4%)。2015−2016年农药用量在8.2万～8.7万t波动，2017年开始显著降低。2018年农药用量为6.1万t，比2013年最高用量下降了29.9%。2010−2016年农膜用量逐渐增加，从11.9万t增加到13.9万t，增长了16.8%，随后开始下降。2018年农膜用量为11.0万t，比2016年下降了20.9%。

图1 2010−2018年河北省农业投入品用量和有效灌溉面积

与2010年相比，2018年化肥用量仅降低了3.5%，但是肥料组成结构变化较大。由图2可见，2010−2018年氮肥和磷肥的使用量均在逐渐减少，且与2017年相比，2018年分别显著减少了18.4%和45.2%。钾肥的用量在2010−2015年逐渐增加，从26.8万t增加到28.1万t，增加了4.9%，自2016年钾肥用量开始减少，2018年用量为24.0万t，比2015年减少了14.6%。2010−2018年单元素肥料使用量明显降低，而复合肥的使用量则持续增加，从95.6万t增加到150.0万t，增加了56.9%。复合肥使用量占化肥使用量比例从2010年的29.6%增加到2018年的48.0%，平均每年增加2.3%（6.0万t）。

图2 2010−2018年河北省化肥施用量

2.1.2 种植结构

对2010−2018年河北省主要农作物的播种和种植面积进行统计发现，2010−2018年河北省农作物种植结构也发生了较大变化。由图3可见，粮食作物作为最主要的农作物，播种面积占农作物总面积的70%以上，2010−2016年粮食作物播种面积逐年增加，2016年比2010年增加了5.4%，但随后开始降低。2018年粮食作物播种面积与2016年最高值相比降低了3.7%。2010−2018年蔬菜播种面积呈增加趋势，并在2012年超过果树种植面积成为第二大农作物。与2010年相比，2018年蔬菜播种面积增加了13.6%。油料作物、棉花和果园种植面积则呈现减少的趋势，与2010年相比，2018年分别减少了14.2%、55.0%和34.7%。

图3 2010−2018年河北省不同农作物种植面积

2.1.3 产量和耕地面积

对比2010−2018年河北省农作物产量和耕地面积变化发现（图4），2010−2017年全省农作物产量逐年增加，从8981.0万t增至10469.0万t，增加了16.6%。但与2017年相比，2018年农作物产量基本保持不变（降低0.2%）；
2010−2018年耕地面积维持在较稳定水平，始终保持在650万hm2之上，变化幅度较小（0.1%～0.7%）。

图4 2010−2018年河北省耕地面积及农作物产量

2.2 农作物生产投入碳排放量的变化特征

2.2.1 不同来源碳排放量

通过农作物生产投入品用量和碳排放系数，计算不同投入品碳排放量及碳排放总量（表2）。对比2010−2018年河北省农作物投入碳排放总量发现，2010−2015年农作物生产投入品碳排放总量在2605万～2674万tCO2eq，但变化幅度较小（0.3%～2.2%），2016年开始碳排放总量显著降低，与最高值相比，2018年碳排放总量减少了17.0%。农业生产投入品碳排放量的变化趋势与用量的变化趋势一致。化肥、农药、柴油和农膜最高碳排放量分别为1011万、57万、991万和315万tCO2eq，最低均出现在2018年，分别为874万、40万、722万和250万tCO2eq，分别降低了13.6%、29.8%、27.1%和20.6%。化肥碳排放主要由氮、磷、钾肥和复合肥的碳排放相加得到，氮肥和复合肥是施用较多的两种化肥，在2010−2018年氮肥和复合肥的碳排放占化肥碳排放的65%～76%和17%～30%，磷肥和钾肥占比均低于5%。2010−2018年不同种类化肥碳排放量变化趋势与用量变化趋势一致。

2.2.2 不同来源碳排放量占比

分析不同来源碳排放所占比例可知（图5），化肥和柴油是最主要的碳排放源，2010−2018年所占比例分别高达37.5%～41.0%和30.1%～36.6%，农药所占比例最低仅为1.8%～2.2%。农膜和灌溉用电所占比例分别为10.2%～13.0%和12.1%～15.0%，化肥、农药、农膜、柴油和灌溉用电9a平均占比分别为38.6%、2.1%、11.5%、34.7%和13.1%。

2.3 农作物生产投入碳排放强度的变化特征

根据2010−2018年农作物生产过程中各种投入品的碳排放量折算结果，与同期农作物产量和耕地面积之比，计算每年的单位产量碳排放和单位耕地面积碳排放强度，结果见表3。由表可见，单位产量碳排放强度以2010年最高，为0.30tCO2eq·t−1，随后逐年下降，年均降幅达到4.3%，至2018年单位产量碳排放强度下降了30.0%。从单位耕地面积排放强度看，9a间在3.40～4.10tCO2eq·hm−2范围波动，以2014年和2015最高，2018年最低，最低年比最高年低16.8 %。

表2 2010−2018年河北省不同来源碳排放量(104tCO2 eq)

图5 2010−2018年河北省农作物生产不同来源碳排放所占比例

总体上看，单位产量碳排放的减少幅度高于单位耕地面积碳排放强度，单位产量碳排放呈现逐年降低的趋势，主要是由于在碳排放逐渐降低的情况下产量逐渐升高，从而使生产单位产量的农作物排放的碳逐渐减少。而单位耕地面积碳排放的变化与单位产量碳排放的变化具有相同的趋势，2010−2015年变化幅度较小（0.4%～2.6%），从2016年开始显著降低，其中2018年单位耕地面积碳排放最低，比2015年的最高值低17.1%。

表3 2010−2018年河北省农作物生产投入品碳排放强度

3.1 讨论

3.1.1 影响河北省农资投入及种植结构的因素

农资投入在2015年之前均呈逐渐增长的趋势，自2015年之后各项投入都从增长趋势转变为下降趋势，这一变化趋势主要是受到政府政策影响[18]。2015年中国同众多国家共同签订了《巴黎协定》，作为发展中国家，中国在碳减排方面需要承担更多的义务[19]。河北省也根据国家战略制定了具有地方特点的相关农业政策，提出在全省推进测土配方施肥，实现化肥施用量零增长；
推广应用高效低毒低残留农药和生物农药，实现农药施用量零增长；
推广使用标准地膜，建立地膜回收再利用体系；
推广使用高效节能农机设备，淘汰高耗能、高排放农机设备。正是“十三五”期间一系列节能减排政策的推出使农资投入在2015年后产生明显的转变。

种植结构的改变则是受到政府政策、市场需求等多方面的影响[20]。《河北省地下水超采综合治理试点调整农业种植结构和农艺节水项目实施方案》提出，将在地下水严重超采区适当减少依靠地下水灌溉的冬小麦种植面积，改常规的冬小麦−夏玉米一年两熟制为种植其他农作物的一年一熟制。这一政策的实施使河北省粮食作物的播种面积自2016年开始逐渐降低。蔬菜产量的持续增长来源于北京地区对蔬菜的需求不断增长，利用距离北京较近的地理优势，河北省大力发展蔬菜种植产业，成为北京市场蔬菜最大的供应基地，为北京地区解决了“菜篮子”问题[21]。棉花、油料作物和果园播种种植面积的不断下降则是由相同的原因造成的。与其他粮食作物在栽培、收获等环节逐步推行机械化相比，这几种作物生产的机械化水平较低，生产过程中需要大量的劳动力。随着工业化、城镇化的快速发展，农村外出务工人员增多，农村劳动力大量转移，农业劳动力呈现结构性紧缺，同时由于农业生产资料价格上涨，大大增加了生产成本，降低了农民种植的积极性[22−25]。

3.1.2 影响河北省农作物生产投入品碳排放的因素

碳排放的变化主要受到农资投入量和农资投入种类变化的影响[26−27]。2010−2015年河北省各项农资投入均呈现增加的趋势，2015年之后随着国家一系列相关政策的出台，农业投入品的使用量开始显著降低，这也使河北省碳排放量从增加趋势变为减少趋势。与最高用量相比化肥、农药、农膜和柴油的用量分别降低了6.9%、29.9%、20.9%和27.1%，碳排放量分别降低了13.6%、29.8%、20.6%和27.1%。与2014年相比，2018年化肥的使用量虽然仅降低6.9%，但是碳排放量降低了13.6%。这是因为单质肥料，尤其是氮肥的使用量大大减少，复合肥使用量增加，导致化肥的使用量减少幅度较小。由于复合肥的碳排放系数（1.77kgCO2eq·kg−1）远低于单质氮肥的碳排放系数（4.96kgCO2eq·kg−1），所以当大量使用复合肥替代单质氮肥时，会显著降低碳排放量。

有研究表明，1993−2007年中国农田碳排放量和单位面积碳排放量分别增加了27.5%和19.8%，但单位产量的碳排放量反而降低了5.0%[15]。而针对河北地区的研究也表现出同样的变化规律。王占彪等[17]研究发现，1993−2012年河北省单位面积碳排放量增加了25.8%，而单位产量的碳排放量减少了28.8%。造成这一现象的主要原因是在作物产量和农业碳排放量增加的同时，耕地面积未发生明显变化，作物产量的增加幅度大于碳排放的增幅。本研究发现，2010−2015年河北省碳排放量呈增长趋势，自2016年开始碳排放量逐年降低，与最高年相比，2018年降低幅度高达17.0%。2010−2018年在碳排放量由增加到减少变化的同时，作物产量年均增长2%，耕地面积维持平衡，造成了单位面积碳排放量先增加后减少，而单位产量的碳排放量持续减少。Cheng等针对中国的研究和王占彪等针对华北平原的研究结果均表明灌溉用电产生的碳排放是第二大碳排放源[15,17]，与本研究得出柴油是河北农业生产碳排放的第二大碳排放源的结果有所差异。这种差异主要是由于碳排放系数选择不同造成的，本研究采用的柴油排放系数为3.32kgCO2eq·kg−1，其数值远高于其他研究的柴油碳排放系数(0.72～0.89kgCO2eq·kg−1)。而在氮肥和农田碳排放系数的选择上，本研究选择的系数也高于其研究的数值。本研究结果表明未来农业源碳减排重点应放在化肥和农机的高效利用上，通过改进化肥生产工艺，减少化肥使用量和提高农机作业效率，开发清洁能源农机具，减少化肥和柴油产生的碳排放。

种植结构的变化也影响着河北省农作物生产碳排放。种植不同农作物由于其施肥量、农药施用量、灌溉量等栽培管理措施不同，碳排放也会产生较大差异，已有研究表明种植蔬菜和果树的单位面积碳排放高于种植粮食作物[28]。但是由于缺乏河北省农作物的农资投入数据，目前无法单独计算不同农作物的碳排放量。另有研究表明，农作物生产碳排放还与农户的年龄、务农年限、年均农业收入比例、耕地面积、土地质量、是否参加农业技术培训以及农田管理措施、农业经济发展水平、农业技术进步水平等因素密切相关[29−32]。

3.1.3 碳排放估算研究存在的不足

本研究所采用的农资投入、农作物产量和耕地面积等数据均来源于统计年鉴中的数据，但是统计年鉴中农资投入没有针对不同作物进行区分，而不同作物的碳效率差异较大[33]。计算单位面积碳排放量和单位产量碳排放量时，将所有作物一起进行计算会造成结果模糊化，无法准确发现不同作物种类各自的排放规律。按照不同作物类型进行分类计算对于进一步细化碳排放研究具有重要意义。另外，统计年鉴中有些农用物资并非全部用于种植业作物生产，如有些氮肥可能用于畜牧业的饲料氨化，有些柴油可能用于渔业的抽水泵等，这对作物生产碳排放的计算可能会造成影响，但从河北省实际情况来看这部分农资投入所占比例较小。因此，本研究以统计年鉴中的投入代表作物生产中的投入，但如果研究地区畜牧业则应注意进行合理调整，并且不同作物的碳排放量也有差异。但由于目前缺乏具体作物的农资投入数据，无法针对不同农作物计算碳排放。因河北省粮食作物生产所占比例较大，超过70%，所以种植结构对河北省目前的农作物生产碳排放影响较小，但是随着蔬菜种植面积的不断增大，未来可能会对碳排放的变化造成影响。今后研究中如有条件，可以计算区分作物计算农田碳排放，这样更有利于准确描述碳排放规律。

3.2 结论

（1）2010−2018年河北省农作物生产投入品碳排放变化以2015年为转折点，呈现先上升后下降的趋势。2018年河北省农作物生产投入品碳排放总量、单位产量碳排放和单位耕地面积碳排放分别为2219万tCO2eq、0.21tCO2eq·t−1和3.40tCO2eq·hm−2，比研究期内最高值分别下降了17.0%、30.0%和17.0%。

（2）化肥、农药、农膜、柴油和灌溉用电碳排放9a平均占比分别为38.6%、2.1%、11.5%、34.7%和13.1%。化肥和柴油是农作物生产投入品中最主要的碳排放源，占比均在30%以上。农作物生产投入品用量和化肥投入结构的变化显著影响了碳排放量，减少农作物生产投入品用量或减少单质氮肥投入，增加复合肥的投入可以有效降低碳排放。

（3）国家政策影响着农资投入和种植结构的改变，农资投入量和农资投入种类变化、种植结构的变化均对农业生产碳排放产生影响。农作物生产碳排放应坚持以国家政策引导为主，通过执行成熟的农业管理制度，加强农业技术培训以及推广应用先进的栽培技术等措施，减少农作物生产投入品碳排放，以促进农业绿色发展。

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Dynamics Change of Carbon Emission from Crops Production Inputs in Hebei Province

SHAN Nan1, XIAO Guang-min2, CHUAN Li-min3, SUN Xiu-jun1

(1. School of New Materials and Chemical Engineering, Tangshan University, Tangshan 063000, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science/Hebei Fertilizer Technology Innovation Center, Shijiazhuang 050051; 3. Institute of Data Science and Agricultural Economics, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097)

Carbon emission from crop production is one of the important sources of greenhouse gas emission in China, and it is a hot issue on agricultural ecological environment in recent years. Based on the statistical data of agricultural production input, crop yield, cultivated land area and crop sowing area in Hebei province from 2010 to 2018, this paper studied the dynamic changes of carbon emission of crop production inputs, and analyzed the proportion of carbon emission for each different crop production inputs, so as to provide a theoretical basis for energy conservation and emission reduction in agricultural production, and in the end to realize the low-carbon agriculture. The results showed that from 2010 to 2018, the carbon emission from crop production in Hebei province took 2015 as the turning point, showing a trend of increasing first and then decreasing. From 2010 to 2018, the total carbon emissions from crop production, carbon emissions per unit yield and carbon emissions per unit cultivated land area in Hebei province were 22.19×104−26.74×104tCO2eq, 0.21−0.30tCO2eq·t−1and 3.40−4.10tCO2eq·ha−1, respectively. The total carbon emission of crop production, carbon emission per unit yield and carbon emission per unit cultivated land area in 2018 were the lowest, decreasing by 17.0%, 30.0% and 17.0% respectively compared with the highest value. The 9-year average carbon emission of chemical fertilizer, pesticide, agricultural film, diesel fueland irrigation electricity accounted for 38.6%, 2.1%, 11.5%, 34.7% and 13.1%, respectively. Chemical fertilizer and diesel fuel were the main sources of agricultural carbon emission, accounting for more than 30%. The dynamic change of carbon emission of crop production inputs was obviously affected by the national policies. It is suggested that the carbon emissions from agricultural production should be guided by national policies, and measures such as formulating mature agricultural management system, strengthening agricultural technology training and promoting the application of advanced cultivation techniques should be taken to reduce the carbon emissions from agricultural sources, so as to promote the green development of agriculture.

Crop production; Agricultural production input; Carbon emission; Carbon emission intensity

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.02.002

山楠,肖广敏,串丽敏,等.河北省农作物生产投入品碳排放变化特征[J].中国农业气象,2023,44(2):96-105

收稿日期：2021−11−17

国家重点研发计划（2016YFD0200103）；
北京市农林科学院创新能力建设专项（KJCX20200403；
KJCX20200203；
KJCX201913）；
唐山学院博创基金（1401903）；
河北省农林科学院科技创新专项（2022KJCXZX-ZHS-9）

通讯作者：串丽敏，副研究员，研究方向为农业资源高效利用，E-mail: xiaochuan200506@126.com

山楠，E-mail：shannan@tsc.edu.cn

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