中国生态农业学报(中英文)  2019, Vol. 27 Issue (12): 1903-1915  DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.190402
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引用本文 

张若焰, 陈儒, 王秀娟, 姜志德. 现代烟草农业的碳效应核算与分析——以陕西省烟草合作社为例[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(12): 1903-1915. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.190402
ZHANG R Y, CHEN R, WANG X J, JIANG Z D. Carbon effect of modern tobacco agriculture: Based on tobacco cooperatives in Shaanxi Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(12): 1903-1915. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.190402

基金项目

中国烟草总公司陕西公司委托项目(20170619000002)和国家自然科学基金面上项目(71573212)资助

通信作者

张若焰, 主要研究方向为绿色金融、低碳农业。E-mail:ry-Zhang@foxmail.com
陈儒, 主要研究方向为农业资源经济与环境管理。E-mail:R.CHEN@foxmail.com

文章历史

收稿日期:2019-05-29
接受日期:2019-06-24
现代烟草农业的碳效应核算与分析——以陕西省烟草合作社为例*
张若焰, 陈儒, 王秀娟, 姜志德     
西北农林科技大学经济管理学院 杨凌 712100
摘要:通过构建烟草农业碳效应核算体系,运用调研获取的陕西省烟草专业合作社393户烟农数据,对农户在烟草种植各个环节产生的碳排放量、碳汇量、碳效率、碳密度和碳强度等多项综合碳效应指标进行测算与分析,探究陕西省烟草农业碳效应水平,更具针对性地制定减排政策,以促进烟草农业的低碳化发展。研究结果表明:调研区域烟农种植的641.17 hm2烟田总计碳排放量为3 276.27 t,每公顷碳排放量5.11 t。其中农用能源消耗排放量最大,占碳排放总量的68.21%;其次是农资投入环节,占碳排放总量的24.88%;农业废弃物处理、农田管理以及农田耕地土壤N2O排放所产生的碳排放量所占比重较低。各地区每公顷碳排放量由大到小依次为宝鸡、商洛、安康、汉中。调查烟田的总碳汇量为1 361.86 t,每公顷碳汇量2.12 t。通过秸秆还田、免耕、化肥与有机肥合理配施等措施引致的土壤固碳占总碳汇量的81.12%。各地区每公顷碳汇量排序为商洛、宝鸡、汉中、安康。总净碳汇量为-1 914.41 t,每公顷净碳汇量-2.99 t。研究区烟草农业总碳排放量大于碳汇量,呈现负的净碳汇效应。此外,汉中烟草专业合作社通过采取调整管理经营模式、优化农户投入结构、提高农资利用效率、改进烟草农业技术和转变农户耕作方式等措施,使其碳效率、碳强度和碳密度等综合碳效应均呈现为最优,每公顷净碳汇量最大。
关键词烟草生产    专业合作社    综合碳效应    碳排放量    碳汇量    
Carbon effect of modern tobacco agriculture: Based on tobacco cooperatives in Shaanxi Province*
ZHANG Ruoyan, CHEN Ru, WANG Xiujuan, JIANG Zhide     
School of Economics and Management, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
Abstract: Greenhouse gas emission from agriculture activities have an important impact on global warming. As the part of the agriculture system, tobacco agriculture has the obligation to address the climate change in the background of Ecological Civilization Construction and Rural Revitalization. To Explore the carbon effect of tobacco agriculture in Shaanxi Province and formulate effectively emission reduction policies to promote the low-carbon tobacco agriculture development, this paper constructed the comprehensive carbon effect accounting system of the tobacco agricultural, calculated the carbon emission, carbon sink, net carbon sink, and analyzed the carbon efficiency, carbon intensity and other comprehensive carbon effect indexes through all production processes of the 393 farmers who engaged in tobacco agriculture from tobacco professional cooperative in Shaanxi Province. The results showed that:for the total 641.17 hectare tobacco fields in the survey area, the total carbon emission was 3 276.27 t C, and the average carbon emission per hectare 5.11 t C, among which the agricultural energy consumption was the largest emission, and the percentage of total carbon emission was 68.21%. Next was the agricultural material inputs which accounted for 24.88% of the total carbon emissions. The agricultural waste disposal, the farmland management, and the farmland soil's nitrous oxide emission accounted for low proportion of carbon emission. The order of average carbon emission per hectare for each region from large to small was Baoji, Shangluo, Ankang and Hanzhong. The total carbon sink was 1 361.86 t C, the average per hectare of the carbon sink was 2.12 t C. Soil carbon sequestration caused by straw returning, no-tillage, and rational applying the chemical fertilizer and organic fertilization accounted for 81.12% of the total carbon sequestration. The average carbon sequestration per hectare in each region was ranked as Shangluo > Baoji > Hanzhong > Ankang. The total net carbon sink was -1 914.41 t C, and the net carbon sink per hectare was -2.99 t C. The total carbon emission of tobacco agriculture was greater than that of carbon sink, showing negative net carbon sink effect. Therefore, it is important to develop the low-carbon modern tobacco agriculture to promote low-carbon technological progress and explore the clean energy instead of coal in the bulk curing barn for flue-cured tobacco. In addition, by adopting measures such as adjusting management and operation mode, optimizing the input structure of farmers, improving the utilization efficiency of agricultural resources, improving tobacco agricultural technology and changing farming methods, Hanzhong Tobacco Professional Cooperative presented the optimal comprehensive carbon effects such as carbon efficiency, carbon intensity, carbon density, and maximize the net carbon sink per hectare.
Keywords: Tobacco agriculture    Professional cooperatives    Comprehensive carbon effect    Carbon emission    Carbon sink    

农业活动产生的温室气体排放对全球气候变暖具有重要的影响, IPCC(2010年)显示农业碳排放量约占全球人为碳排放量的11%~12%, 且每年以0.9%的速度在不断增长。在当前生态文明建设和乡村振兴不断推动的背景下, 农业生产的低碳化转变已经势在必行[1]。烟草种植是农业生产体系中的重要组成部分, 基于烟草(Nicotiana tabacum)产业的行业特殊性, 农户往往依据计划性的指标分配展开生产经营, 在以往传统生产方式下的烟草种植过程中, 由于农户过分依赖化肥、农药等化学农用品的大量施用, 引致土壤板结、水体污染等诸多农业生态环境问题, 且其传统粗放的生产方式在“量和质”两个方面均制约着烟草农业的转型发展。面临此种境遇, 政府采取了一系列的管控措施加以应对, 试图有序推动烟草农业从传统作业向现代化的逐步转变[2], 诸如政府通过推广控氮增密技术, 减少农户对化肥的过度施用以提高土壤质量和烟叶产量; 开展物理、生物防治替代农药的绿色防控技术试点以提升烟叶品质; 依托合作经济组织优化农户生产投入结构以促进农户增产增收等[3]。基于此可知, 在现代烟草农业发展过程中, 与以往相比其更加关注经济、生态和社会等综合效益的协同提升, 且低碳化的生产经营特征不断凸显, 各项低碳农业技术也均得到一定程度的采用。那么, 当前烟草种植的碳排放、碳汇、碳强度等碳效应处于何种水平?结构如何?哪种生产方式更为低碳?

在现有研究当中, 针对农业碳效应核算的成果主要分为两个方面:一方面部分学者基于自身研究视角, 以整体农业系统作为研究对象, 构建碳效应分析框架和相应的测算体系, 核算农业碳排放量、碳汇量以及综合碳效应等。例如:黄祖辉等[4]采用分层投入产出-生命周期评价法, 构建5个层级指标对农业系统碳足迹进行量化分析, 以此明确农业碳排放数量和结构特征; 田云等[5]基于23类主要碳源和15类主要农作物碳汇, 从宏观农业层面测算中国31省15年间的农业碳排放量、碳汇量与净碳汇量, 对不同省区的农业净碳水平进行对比分析; 陈儒等[6]通过构建农户层面碳效应分析框架和测算体系, 量化分析了农户农业生产项目上的综合碳效应。另一方面, 一些学者针对具体的不同农业产业展开了碳效应的核算和分析, 并对产业碳效应水平做以综合评价, 提出了促进产业低碳发展的意见。例如:王钰乔等[7]采用生命周期评价法对10年间中国小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)主要粮食作物生产的碳足迹进行核算, 并对其生产碳足迹的时空动态与相关政策效果进行了分析; 刘勇等[8]利用碳排放核算和DEA-SBM模型的方法, 对中国12年间水稻(Oryza sativa)主产省份的碳排放效率进行分析与研究; Alam等[9]通过生命周期评估法对孟加拉北部湿地雨育水稻的温室气体排放量进行了估算与分析; 宋博等[10]通过多目标灰靶决策模型对设施蔬菜生产系统碳足迹、生产环节碳排放结构进行测算和分析, 并对比评价北京市不同区域大棚蔬菜和温室蔬菜的碳排放、碳汇量; 师帅等[11]对畜牧业碳排放的OECD核算法、IPCC系数法、生命周期法与投入-产出法进行梳理和对比, 提出了基于生命周期评价法扩展畜牧业碳足迹研究边界的建议; Vergé等[12]采用生命周期的方法, 对不同生产效率下加拿大牛奶制品所产生的碳排放量进行核算; 孔立等[13]运用指数分析法核算了马铃薯(Solanum tuberosum)生产的碳排放量, 并与小麦、玉米的生产碳排放展开对比分析, 得出马铃薯是碳排放效率最高的粮食作物的结论。

由此可知, 尽管现阶段不同农业产业碳效应核算的研究成果已颇为丰硕, 但鲜有学者针对烟草农业展开碳效应的量化分析, 烟叶生产不同于其他农作物, 种植环节具有一定的特殊性, 通过构建符合其自身生产特点的碳效应分析框架, 估算烟草种植相应的碳效应水平, 剖析现代烟草农业的碳效应结构, 这为更具有针对性地制定烟草农业温室气体减排政策提供理论依据。以往关于碳效应核算与分析的研究思路为本文提供了参考和借鉴, 在综合相关研究成果的基础上, 本研究基于烟草种植的微观小农视角, 构建相应的碳效应测算体系, 对参与到陕西省4个地区烟草专业合作社的农户, 展开烟草种植生产环节碳排放、碳汇等碳效应的核算, 并在此基础上, 引入兼顾经济效益和生态效益的碳效率和碳强度等指标, 以此探析不同合作经营管理模式下烟草生产的综合碳效应。

1 烟草农业碳效应核算体系 1.1 关键排放源与汇的界定 1.1.1 农业排放源与汇

京都议定书规定地球大气的6种主要的温室气体中, 农业碳排放方面涉及的农田生态系统温室气体主要是CO2、CH4和N2O[14-15]。农业碳汇方面包括农作物生长周期中的CO2吸收和当期土壤有机碳含量(SOC)的增长[16-18]。根据IPCC评估报告, 1 kg CO2=0.273 kg C; 1 kg CH4=25 kg CO2=6.825 kg C; 1 kg N2O=298 kg CO2=81.354 kg C, 为便于对比农业碳源、碳汇量, 将CO2、CH4、N2O统一换算成标准碳进行计算。

1.1.2 烟草农业碳效应核算的系统边界

本文从微观农户层面借鉴生命周期评价(LCA)的理论思想, 以此核算烟草农业的综合碳效应。烟草种植作业周期从最初冬季深翻土壤开始, 借助农业机械进行深耕, 并辅之以1~2次旋耕, 而后施用底肥; 育苗在特定的苗床上进行, 由合作经济组织统一培育, 现阶段主要以漂浮育苗和湿润育苗为主, 待烟苗成长到一定程度将其移栽至大田; 移栽使用膜下井窖式, 将苗床内的烟苗连同生长需要的泥土一起取出, 将每一颗烟苗分离开, 在整理好的大田土地上起垄, 挖好洞穴按照一定的行距和株距放置烟苗, 控氮增密技术的施行使烟草移栽植株密度为19 500~22 500株∙hm-2, 完成移栽后浇水、覆膜以增温保湿、提高烟株的抗旱防涝能力和烟叶抗菌抗病毒能力; 而后在烟叶的生长过程中, 需要采用适量追肥、及时灌排水、中耕培土、打顶抹岔、防治病虫害等大田管理措施, 以提高烟叶产量和质量; 等到烟叶成长到成熟阶段, 将成熟的烟叶收获, 以三段五步式方法在标准密集烤房对烟叶进行烤制、加工和分级, 作为烟叶成品, 烟叶采烤环节则主要利用统一标准化的烤房进行烘烤、回潮等。

根据烟草农业的种植环节, 将其翻耕到采烤过程产生的直接、间接碳排放归纳为5类[6]:

第1类为农资投入所产生的碳排放, 即在烟草种植中所使用化肥、农药、农膜等隐含生命周期碳排放。其中烟草农业生产中所施用肥料主要有氮肥、磷肥、钾肥、烟草专用肥、粪肥与有机肥等。氮肥种类以硝态氮肥和铵态氮肥为主, 常见为硫酸铵、碳酸氢铵以及硝酸钠, 平均折纯量约为17%;磷肥种类为过磷酸钙、重过磷酸钙、磷矿粉以及钙镁磷肥, 平均折纯量为21%;钾肥主要有硫酸钾和硝酸钾, 平均折纯量为34%;烟草专用肥是省烟草公司根据各地土壤情况进行测土配方并为各地配施提供, 折纯量约为30%, 针对不同地区情况, 其氮磷钾比例也存在差异, 其中宝鸡陇县配施烟草专用肥氮磷钾比例为10:14:16, 商洛洛南配施氮磷钾比例为10:10:25, 汉中南郑配施比例为10:9:23, 安康汉滨配施比例为10:10:25。烟草农业种植过程中所施用的底肥以粪肥为主, 包括绿肥、饼肥、商品有机肥等。烟草农业生产中使用的农药主要分为抑芽剂、杀虫剂、杀菌剂和除草剂4类。

第2类为农业能源投入产生的碳排放, 即农户在烟草生长环节使用农用机械、人工的能源消耗和烟叶烘烤环节的能源使用所产生的碳排放量。烟草农业农用机械使用主要在翻耕、旋耕、起垄、移栽和培土等多个环节, 农用机械需要消耗柴油、汽油等燃料从而引起碳排放。烟草农业生产工序多, 作业要求高, 劳动力用量是水稻、小麦、玉米等大农业的5倍[19], 农忙时期烟草农业需要大量的人工投入从而引起碳排放。烟草采烤环节区别于一般种植业, 根据调研和实地走访, 陕西省烟叶烘烤燃料以煤炭为主, 商洛市洛南县阳光合作社和汉中市南郑县的小南海烟站在清洁生物质燃料烘烤能源方面有一定探索, 但由于原料、技术与成本等多方面问题尚未实现大范围推广和使用, 因此烘烤环节主要计算其煤炭燃烧和耗电所产生碳排放量。

第3类是农田土壤N2O排放, 包括施用化肥、粪肥就地转化N2O的排放、大气沉降氮转化和淋溶净流损失氮转化等。

第4类为农田利用与管理环节产生的碳排放, 即灌溉、翻耕等耕作方式产生的碳排放量。调研地区涉及陕西省4个市、县(区), 其地形、降水量等地理状况存在一定差异, 由于丘陵、山地地区地形具有多样性特点, 烟叶多种植于此, 水资源也相对匮乏, 地形原因导致灌溉难度较大, 农户依据自身经验、地形状况以及水热条件选择适合的灌溉方式从而产生碳排放。

第5类是农业废弃物处理环节产生的碳排放, 即农膜、烟秆焚烧产生的碳排放量。烟草农业碳汇来源主要分为两类:其一是土壤固碳环节, 即合理配施化肥与有机肥、秸秆还田以及免耕等保护性耕作引致当期土壤固碳量的增加值; 其二为植被固碳环节, 即烟草秸秆生物量的碳转化部分。

1.2 烟草农业碳计量的测算体系 1.2.1 碳排放、碳汇与净碳汇

烟草农业碳排放主要从农资投入、农业能源投入、农田土壤N2O排放、农田利用与管理以及农业废弃物处理5个环节加总计算, 烟草农业碳汇包括植株生物量碳转化与烟田土壤固碳量。在此基础上, 将碳汇与碳源之间的差值定义为净碳汇, 用来衡量碳源和碳汇两者之间的差距。具体计算公式为:

$ E = \sum {{E_i}} = \sum {{T_i} \times {\varphi _i}} $ (1)

式中: E为农户在烟草生产5个环节中碳排放的总量; Ei为各种碳排放源的排放量; i为碳排放源类型; Ti为各个碳排放源消耗数量; ${\varphi _i}$为不同碳源的碳排放系数, 烟草生产环节的碳排放系数如表 1所示。

表 1 烟草农业生产环节的碳排放、碳汇系数 Table 1 Carbon emission and carbon sink coefficients of tobacco production
$ {C_{{\rm{crop}}}} = \sum {C \times Y \times \frac{{1 - r}}{H}} $ (2)

式中: ${C_{{\rm{crop}}}}$为烟草农作物植株碳汇总量, C为烟草植株的碳吸收率, Y为烟叶产量, r为烟草植株含水量, H为烟草的经济系数。烟草植株生长时含水量为70%~80%, 取平均植株含水量r=0.75, 烟草的经济系数H=0.55, 碳吸收率C=0.450[5]

${C_{{\rm{soil}}}} = \sum {{A_j}} \times {\theta _j}$ (3)

式中:${C_{{\rm{soil}}}}$为烟田土壤固碳量, j为土地利用方式(免耕、秸秆还田、有机肥化肥配施等), ${A_j}$为土地面积, ${\theta _j}$为不同土地利用方式下土壤平均固碳速率。

${C_{{\rm{net}}}} = {C_{{\rm{sink}}}} - E = {C_{{\rm{crop}}}} + {C_{{\rm{soil}}}} - \sum {{E_i}} $ (4)

式中: ${C_{{\rm{net}}}}$为烟草农业净碳汇量, ${C_{{\rm{sink}}}}$为烟草农业碳汇量。

1.2.2 碳效率、碳强度与碳密度

农业碳效率指投入单位碳所产生的经济产量和经济价值等有效价值量, 主要以经济效率和生态效率来衡量, 分别为经济产值与碳投入量的比值和碳汇量与碳投入量的比值[20], 通过测算碳效率能够有效地分析碳效应为农业发展带来的收益。农业碳强度是指单位农业产值所产生的净碳汇量, 正值代表碳汇强度, 负值代表碳排放强度[6]。农业碳密度是指单位播种面积上产出的碳排放(汇)量, 包括碳排放密度、碳汇密度以及净碳汇密度。其具体计算公式为:

${C_{{\rm{econ - e}}}} = {Y_i} \times \frac{{{P_i}}}{{{E_i}}}$ (5)
${C_{{\rm{eco - e}}}} = \frac{{{C_i}}}{{{E_i}}}$ (6)
${C_{\rm{I}}} = \frac{{{C_i} - {E_i}}}{{{Y_i} \times {P_i}}}$ (7)
${C_{{\rm{(}}\rho {\rm{ - E)}}}} = \frac{{{E_i}}}{{{A_i}}}$ (8)
${C_{{\rm{(}}\rho {\rm{ - C)}}}} = \frac{{{C_i}}}{{{A_i}}}$ (9)
${C_{{\rm{(}}\rho {\rm{ - N)}}}} = \frac{{{C_i} - {E_i}}}{{{A_i}}}$ (10)

式中:${C_{{\rm{econ - e}}}}$表示碳经济效率, Yi为烟草产量, Ei为种植烟叶所产生的碳排放量, Pi为烟叶所出售的价格; ${C_{{\rm{eco - e}}}}$为碳生态效率, Ci表示在烟草种植过程中产生的碳汇量; CI表示碳强度; ${C_{{\rm{(}}\rho {\rm{ - E)}}}}$为碳排放密度; Ai为种植烟草的面积; ${C_{{\rm{(}}\rho {\rm{ - C)}}}}$为碳汇密度; ${C_{{\rm{(}}\rho {\rm{ - N)}}}}$为净碳汇密度。

2 碳效应核算系数与数据来源 2.1 烟草农业碳效应的核算系数

在农资投入环节中, 施用肥料会产生CO2、N2O和CH4等温室气体排放, 美国能源部科学与能源研究橡树岭实验室(ORNL)通过试验测定化肥的碳排放系数为0.89 kg(C)∙kg-1, 但由于烟草农业测土配方的普遍施行, 各区域针对土壤情况配比化肥, 比例上存在一定差异, 统一以一个系数折算不够准确。因此将烟草专用肥按照不同地区氮磷钾比例进行折纯、折算, 再逐一计算氮肥、磷肥、钾肥的碳排放量。本研究结合陈舜等[21]、胡小康等[22]、邓明君等[23]研究成果综合确定氮肥3.392 kg(C)∙kg-1、磷肥0.636 kg(C)∙kg-1、钾肥0.180 kg(C)∙kg-1的碳排放系数。粪肥施用到农田时, 其中的氮会转化为N2O并直接排放到大气中, 此外还会产生CH4的排放。周贝贝等[24]对农田施用粪肥量与其所产生的N2O和CH4排放进行核算, 得到粪肥CO2排放系数为1 913.1 kg(CO2)∙kg-1, 折合为标准碳排放系数为522.28 kg(C)∙kg-1。美国橡树岭国家实验室(ORNL)测定农药碳排放系数为4.934 kg(C)∙kg-1, 农膜使用的碳排放系数为5.18 kg(C)∙kg-1, 本文以此核算烟草农业生产中使用农药、农膜所产生的碳排放量(表 1)。

在能源投入环节中, 农用机械主要统计农户在种植周期内农机燃料的使用费用, 推算出农机燃料耗用量, 再以政府间气候变化专门委员会(IPCC)测定的0.592 1 kg(C)∙kg-1系数计算农机碳排放量。人工耗能主要统计了烟农家庭和雇工用工总人数与总天数的乘积作为烟草用工数, 再根据陈琳等[25]对于蔬菜用工碳排放系数0.25 kg(C)∙d-1, 来核算人工投入量所产生的碳排放。在核算烟草农业烘烤环节碳排放时, 需要逐一计算烘烤用电和煤炭所产生碳排放量再进行加总, 烘烤用电碳排放系数用陈罗烨等[26]核算的0.92 kg(C)∙kWh-1, 烘烤用煤以IPCC测定的煤炭燃烧碳排放系数0.755 9 kg(C)∙kg-1进行核算。在农田土壤N2O排放环节, 烟农从事农业活动、施用肥料、秸秆残留、土地利用、大气沉降等都会产生N2O的排放, 熊正琴等[27]、王智平[28]通过采样测定不同土地类型与种植农作物的土壤N2O排放系数, 烟叶属于旱地经济作物, 抛去其肥料投入产生的N2O直接排放, 土壤本身呼出氧化亚氮排放系数为0.95 kg∙hm-2(表 1)。

在农田利用与管理环中, 采用灌溉面积与段华平等[29]核算出灌溉碳排放系数266.48 kg(C)∙hm-2折算灌溉产生的碳排放量。烟农翻耕、旋耕等耕作行为对土壤有扰动作用, 会增加土壤碳排放量。本研究以烟农进行翻耕的次数和种植烟叶的面积数相乘, 用伍芬琳等[30]核算出的翻耕产生的碳排放系数312.6 kg (C)∙hm-2进行核算。在农业废弃物处理环节, 烟草农业废弃物碳排放主要为烟秆和农膜燃烧所产生的CH4和N2O, 根据中国温室气体清单研究测算农业废弃物焚烧系数为5.15 g(CH4)∙kg-1和0.13 g(N2O)∙kg-1, 本文通过折算标准碳排放确定农膜与秸秆燃烧系数为0.045 4 kg(C)∙kg-1, 以此来核算碳排放量(表 1)。

土壤固碳过程主要是由于枯枝落叶和动植物残体撑起覆盖于地表, 在气候、生物等因素的作用下, 形成有机质含量丰富的腐殖质层, 提升了土壤含碳量, 成为农业重要的碳汇来源[6]。烟草种植过程中合理配施化肥与有机肥、秸秆还田和免耕等都会提升耕地的固碳能力[31-32]。本文参考金琳等[33]分析出不同土地利用方式对土壤碳汇的影响, 化肥与有机肥配施对土壤固碳增加量为1.78 t(C)∙hm-2∙a-1, 免耕对土壤固碳的增加量为0.71 t(C)∙hm-2∙a-1, 秸秆还田对土壤固碳的增加量为0.47 t(C)∙hm-2∙a-1, 以此来核算烟草种植过程中的土壤固碳量。烟草种植过程中, 通过培训和技术推广, 烟农普遍使用配施化肥与有机肥, 部分烟农有免耕和秸秆还田行为, 以增加土壤固碳量。烟草植株在生长周期内的碳吸收量, 即植株通过光合作用形成的净初级生产量[5], 计算方法见式(2) (表 1)。

2.2 数据来源

秦巴山区是中国气候南北分界点, 位于亚热带与暖温带的过渡区, 是烤烟种植最适宜区域之一。宝鸡、商洛、汉中和安康4个地区作为陕西省重要的烤烟种植基地, 年产量稳定在5万t左右, 占陕西省烟叶总量的90%以上。本文依托中国烟草总公司陕西公司委托项目进行入户调研和深度访谈, 覆盖陕西省宝鸡市陇县盛大专业合作社、商洛市洛南县阳光烤烟专业合作社、安康市汉滨区新禾丰烤烟专业合作社以及汉中市南郑县金叶烤烟专业合作社393户入社烟农。访谈提纲主要涉及合作社的组织管理模式、收益分配方式、服务供给体系等几个方面; 问卷调研内容涉及农户的个人家庭特征、烟草农业生产环节、烟草农业投入产出以及农户对合作社的参与程度和满意程度等方面。问卷总计发放400份, 回收有效问卷393份, 问卷回收有效率达98.25%, 涉及16个镇50个村落, 其中宝鸡市陇县盛大专业合作社83份, 商洛市洛南县阳光烤烟专业合作社108份, 安康市汉滨区新禾丰烤烟专业合作社78份, 汉中市南郑县金叶烤烟专业合作社124份。涉及调查区域烟草种植规模总计641.17 hm2, 其中宝鸡市陇县114.13 hm2, 商洛市洛南县135.53 hm2, 安康市汉滨区163.77 hm2, 汉中市南郑县227.74 hm2

3 结果与分析 3.1 陕西省烟草农业生产的碳排放、碳汇与净碳汇

根据前文构建的烟草农业碳计量测算体系, 结合实地调研获取的农户数据, 测算了陕西省烟草农业生产中所产生的碳排放量、碳汇量和净碳汇量(表 2)。从表 2可以看出烟草产生总碳排放量为3 276.27 t C, 其中汉中市南郑县金叶烤烟专业合作社碳排放量最大, 为910.62 t C, 占总碳排放量的27.79%;总碳排放量由大到小依次是汉中、商洛、安康、宝鸡。烟草生产的总碳汇量为1 361.86 t C, 其中汉中市最大, 为494.78 t C, 占总碳汇量的36.33%;总碳汇量由大到小依次为汉中、安康、商洛、宝鸡。烟草生产的总净碳汇量为-1 914.41 t C, 其中净碳汇量最高的是汉中市, 为-415.84 t C; 净碳汇量最低的是商洛市, 为-524.03 t C。陕西省烟草农业净碳汇量均为负值, 表明烟草农业生产环节中碳吸收量小于碳排放量。

表 2 陕西省不同区域典型烟草专业合作社烟草生产碳排放、碳汇及净碳汇量 Table 2 Carbon emission, carbon sink and net carbon sink of tobacco production of typical professional cooperatives in different areas of in Shaanxi Province  

为更好地对比不同区域的碳效应, 本文引入户均碳效应和每公顷单位面积碳效应两个指标。在户均碳效应中, 户均碳排放量为8 336.56 kg C, 其中安康市最大, 为9 950.16 kg C, 高于平均值1 613.61 kg(C)·户-1, 其大小依次为汉中、商洛、安康、宝鸡。户均碳汇量为3 465.29 kg C, 其中安康、汉中高于平均值, 安康产生户均碳汇量最大, 为4 077.25 kg C, 高于均值611.96 kg(C)·户-1, 户均碳汇量依次为安康、汉中、宝鸡、商洛。户均净碳汇量为-4 871.27 kg C, 其中汉中市户均净碳汇量最大, 为-3 353.59 kg C, 户均净碳汇量排序依次为汉中、商洛、安康、宝鸡。

相较户均碳效应而言, 单位面积碳效应能够更加直观地对比不同地区每公顷烟田的碳排放、碳汇、净碳汇水平。调研地区每公顷碳排放量为5 109.83 kg C。其中宝鸡市最大, 为6 715.08 kg C, 高于平均值1605.25 kg(C)·hm-2; 商洛每公顷排放量略高于平均排放量; 汉中市、安康市低于平均每公顷排放量, 汉中每公顷碳排放量最小, 为3 998.51 kg C, 低于平均每公顷排放量1 111.32 kg C; 每公顷碳排放量大小依次为宝鸡、商洛、安康、汉中。单位面积每公顷碳汇量为2 124.02 kg C。其中每公顷碳汇量最高的是商洛市, 为2 206.95 kg C, 高于平均值82.93 kg(C)·hm-2; 宝鸡市和汉中市也都在平均值之上; 最低的为安康市1 941.90 kg C, 低于平均值182.12 kg(C)·hm-2; 每公顷碳汇量排序依次为汉中、商洛、宝鸡、安康。每公顷净碳汇量为-2 985.80 kg C。每公顷净碳汇量最大的汉中为-1 825.96 kg C, 其排序依次为汉中、安康、商洛、宝鸡。

3.2 不同生产环节碳效应分析

表 3图 1可知, 在烟草农业种植中产生碳排放量比重最高的环节是农业能源投入环节, 其产生的碳排放量为2 234.57 t C, 占总碳排放量的68.20%。农业能源投入中最主要为烟叶烘烤所产生的碳排放, 共2 133.85 t C, 占总碳排放量的65.13%;农用机械耗能和人工投入所产生的碳排放分别占总碳排放量的1.53%和1.55%。烟叶烘烤是烟草农业碳排放的主要来源。在烘烤环节中, 烘烤用煤所产生碳排放量为1 599.82 t C, 占总排放量的48.83%, 烘烤用电碳排放占总碳排放量的16.30%, 煤炭仍是烟叶烘烤最主要的能源。在农业能源消耗环节, 不同区域每公顷碳排放量由大到小依次为宝鸡、商洛、安康、汉中。其中商洛市烘烤环节产生碳排放总量最高, 宝鸡市烘烤环节户均和每公顷碳排放量最大, 安康市和汉中市对太阳能、电能、生物质等新能源烤房的开发较多, 在一定程度上减少了烘烤环节的排放量, 宝鸡市合作社部分烟农还未使用标准化烤房, 使烘烤环节碳排放量较大。总体来说, 与其他种植业在农资投入消耗所产生碳排放量最大的研究结论[5-6]相比, 烟草行业具有独特的烘烤环节, 烟叶烘烤煤炭燃烧大幅增加了烟草农业的碳排放量, 致使烟草农业在农业能源投入环节产生较大的碳排放量, 因而积极探索新的烘烤技术, 开发和利用新型能源进行烟叶烘烤, 通过提高燃料的利用效率以降低烘烤环节所产生的碳排放量是烟草农业低碳转型的关键所在。

表 3 陕西省不同区域典型烟草专业合作社烟草农业生产环节碳排放量 Table 3 Carbon emissions from different production links of tobacco agriculture in typical professional cooperatives in different areas of Shaanxi Province  
图 1 烟草农业生产各环节碳排放量占比情况 Fig. 1 Carbon emission proportion from different production links of total carbon emmsions of tobacco agriculture

其次是农资投入环节, 产生碳排放量815.08 t C, 占总碳排放量的24.89%。其中施用化肥所产生的碳排放量为198.25 t C, 占总碳排放量的6.05%;施用有机肥所产生的碳排放量为331.21 t C, 占总碳排放量的10.11%;施用农药所产生的碳排放量为27.45 t C, 占总碳排放量的0.84%;使用农膜所产生的碳排放量为258.17 t C, 占总碳排放量的7.88%。每公顷碳排放量由大到小依次为安康、宝鸡、汉中、商洛。施用粪肥在农资投入环节中产生碳排放量最大, 这与之前学者分析的农户种植活动产生碳排放量主要集中在化肥和农药的施用环节有所不同, 主要原因在于烟草农业中所推行的控氮增密技术、绿色植保蚜茧蜂技术和黄板诱蚜等, 有效减少了农户化肥农药的施用量, 降低了其农资投入环节农药化肥的碳排放量; 同时通过配发有机肥等相关措施, 不同地区应根据实际情况制定适合本地土壤状况的有机肥化肥配比政策, 化肥和有机肥的合理配施能够优化土质、提高土壤肥力、改善土壤结构并增加土壤固碳潜力。施用有机肥较多的是汉中市和安康市。农资投入环节中农膜使用产生的碳排放量也不容忽视, 占总碳排放量的7.88%, 汉中和商洛每公顷农膜所产生的碳排放量相对较低。

农业废弃物处理环节中所产生的碳排放量为128.37 t C, 占碳排放总量的3.92%。其中烟秆燃烧占3.35%, 农膜燃烧占0.57%。汉中秸秆燃烧的总排放量最大, 而商洛市每公顷烟秆燃烧产生碳排放量最大, 宝鸡市户均碳排放量最高, 总体上烟草农业存在烟秆焚烧和回收利用率低等现象。商洛市阳光合作社通过推进烟秆的回收再利用, 将烟秆制作成生物质燃料用以支撑烟叶烘烤环节的能源, 同时降低烟秆燃烧和烘烤两个环节的碳排放量, 但由于存在技术和成本等问题, 使烟秆回收推广范围较小, 还未形成良好的减排效果。目前, 我国已出台禁止焚烧秸秆等政策以促进秸秆还田和再利用, 同时秸秆还田等还会增加土壤固碳量, 进一步达到低碳减排的目的。宝鸡市农膜燃烧所产生的碳排放量较大, 原因在于其农膜的回收再利用率较低, 而其他合作社针对烟草农膜都有相应的回收再利用政策, 提高了农膜的利用率。

农田管理所产生的碳排放量为97.63 t C, 占总碳排放量的2.98%。其中灌溉产生碳排放占2.82%, 翻耕产生碳排放占0.16%。灌溉方面, 安康和汉中灌溉产生碳排放总量较大, 宝鸡市每公顷碳排放量较大。安康、汉中和商洛均属秦巴山区, 气候相较于宝鸡更湿润, 宝鸡灌溉次数较多, 安康和汉中烟叶种植集中于山地, 灌溉难度大, 机械化程度不高, 地形原因是导致其差异的主要因素。农田土壤N2O排放609.11 kg, 占总碳排放量的0.02%, 4地无明显差异。

图 2表 4可知, 在烟草农业碳汇量中, 土壤固碳1 104.73 t C, 占总碳汇量的81.19%。主要在于化肥有机肥配施措施有效增加了土壤碳汇量, 为1 075.18 t C, 占总碳汇量的78.95%;秸秆还田总固碳量为29.41 t C; 免耕总固碳量142 kg。4个合作社土壤固碳量相差不大, 平均每公顷土壤固碳量由大到小依次为汉中、宝鸡、商洛、安康。调研区域烟秆植株固碳257.13 t C, 占总碳汇量的18.88%。汉中市植株固碳总量最大, 这与其种植规模有关, 每公顷植株固碳量排序依次为商洛、宝鸡、汉中、安康。烟草农业低碳化转型要求在减少碳排放的同时增加农业的固碳效应以达到减源增汇的目的。通过以上分析可知, 烟草农业碳汇量的主要来源是土壤固碳, 因此, 改进烟农耕作方式以提升土壤固碳潜力能够有效促进烟草的低碳化发展。

图 2 陕西省不同区域典型烟草专业合作社烟草农业碳汇量 Fig. 2 Carbon sequestration of tobacco production in typical professional cooperatives in different areas of Shaanxi Province 各区域烟草专业合作社名称见表 3。The names of the professional cooperatives of different areas are shown in the table 3.
表 4 陕西省不同区域典型烟草专业合作社烟草农业碳汇量 Table 4 Carbon sequestration of tobacco agriculture of typical professional cooperatives in different areas of Shaanxi Province  
3.3 不同组织管理模式碳效应分析

表 5所示, 从碳效率角度来看, 总体上烟草农业的碳经济效率高于生态效率, 说明农户在种植过程中, 更加注重追求经济效率而生态意识相对薄弱。汉中市的碳效率最高, 其碳经济效率和生态效率均高于其他3个地区; 商洛市紧随其后, 而宝鸡市和安康市相差不大, 安康碳效率略高于宝鸡。因此, 陕西省烟草农业发展需要进一步协调生态效益和经济效益, 在促进农户增产增收的同时强化农户生态意识, 从而有效引导烟草农业的低碳化转变。

表 5 陕西省不同区域典型烟草专业合作社烟草农业综合碳效应 Table 5 Comprehensive carbon effect of tobacco agriculture in typical professional cooperatives in different areas of Shaanxi Province

从碳强度角度来看, 陕西省烟草农业均表现为碳排放, 但碳排放强度数值较小。宝鸡碳排放强度最大; 汉中碳排放强度最小, 虽然碳排放均大于碳汇, 但汉中相对碳强度指标最优, 表明汉中的烟草农业经济效益和生态效益较好、资源利用率较高, 烟草农业发展较为低碳化。

从碳密度角度来看, 宝鸡市和商洛市碳排放密度较高, 平均每公顷排放6 715.08 kg C和6 073.51 kg C, 安康市和汉中市碳排放密度较低; 而碳汇密度中宝鸡和商洛碳汇密度较高, 安康和汉中碳汇密度较低; 陕西省烟草农业均表现为负的净碳汇密度, 从均值来看, 汉中市净碳汇密度最小, 而宝鸡和商洛的净碳汇密度较高。

综合碳效率、碳强度以及碳密度3个指标分析发现, 汉中市郑县金叶烤烟专业合作社碳效率、碳强度和碳密度3个指标均为最优。在4个合作社中, 汉中市烟区主要分布于山地地形, 烟农居住相对分散, 为方便对烟农规范管理而采用网格化管理模式, 将居住较近的烟农分组并设立网格长, 方便对烟农提供管理和服务的同时规范烟农化肥农药施用、秸秆燃烧等行为, 保护性耕作方式较好地降低了烟农在烟草种植中的碳排放量[35], 最终以较少的碳排放量获得了较大的经济效益; 此外在合作社领导下设立烟站, 以烟草公司+烟站+合作社模式开展管理服务工作, 小南海烟站开发的新能源烤房能够对加入合作社的农户形成良好的带动效应; 分红模式中汉中合作社按交易量进行分红而其他3个合作社均按股份进行分红, 按交易量分红的方式能够促进农户的生产积极性并形成良好的激励作用以达到增产增收的目的。商洛市洛南县阳光烤烟专业合作社其碳效率、碳强度以及碳密度略次于汉中, 基本达到了陕西省烟草农业碳效益均值水平, 该合作社积极探索推广低碳技术, 在烟秆回收再利用、生物质燃料烤房等方面采用了较好的技术和方法。宝鸡市陇县盛大专业合作社与安康市汉滨区新禾丰烤烟专业合作社其生态效益和经济效益相比于前两个合作社略低, 仍需要在技术和管理模式上寻求创新以促进烟草农业现代化、低碳化发展。

4 结论

本文通过构建烟草农业碳效应分析体系, 对调研的陕西省烟草专业合作社393户农户在烟草农业种植各个环节产生的碳排放量、碳汇量、碳效率、碳密度以及碳强度等多项碳效应指标进行测算和分析, 得到了以下结论:

1) 陕西省393户烟农种植641.17 hm2烟叶, 总碳排放量为3 276.27 t C, 每公顷碳排放量5.11 t C, 户均碳排放量8.34 t C; 总碳汇量1 361.86 t C, 每公顷碳汇量2.12 t C, 户均碳汇量3.47 t C; 总净碳汇量-1 914.41 t C, 每公顷净碳汇量-2.99 t C, 户均净碳汇量-4.87 t C。陕西省烟草农业总体碳排放量大于碳汇量, 呈现负净碳汇效应的特点, 其中选取平均每公顷碳效应指标对比分析区域之间差异最为恰当。

2) 在碳排放环节中, 烟草农业农用能源消耗排放量最大, 占碳排放总量的68.21%, 烟叶烘烤能源仍以煤炭为主, 煤炭燃烧会导致大量的碳排放产生; 其次是农资投入环节, 占碳排放总量的24.88%, 主要为粪肥和农膜的使用产生的碳排放, 由于控氮增密技术和绿色植保技术在烟草农业上的推广, 使其化肥农药所产生的碳排放量较小; 农业废弃物处理、农田管理以及农田耕地土壤N2O排放所产生的碳排放量所占比重较低。汉中和商洛总碳排放量较大, 每公顷碳排放量由大到小依次为:宝鸡、商洛、安康、汉中。基于此, 在烟草农业低碳化发展中, 要不断积极探索新型能源, 改进烘烤技术, 提高能源利用效率以实现清洁烘烤, 将农用能源消耗中的烘烤燃料作为降低碳排放的主要环节。

3) 在碳汇环节中, 土壤固碳量为1 104.73 t C, 占固碳总量的81.12%, 这主要由于烟草农业的农户培训机制较好, 低碳技术在烟草农业中推行较快, 农户采取保护性耕作技术进行烟草生产, 以提高土壤固碳能力; 4个不同区域的合作社中汉中和安康的固碳量较大, 宝鸡和商洛较小, 每公顷碳汇量商洛、宝鸡、汉中差异不明显, 安康略低, 其排序依次为商洛、宝鸡、汉中、安康。因此要通过培训等各种方式普及保护性耕作技术等, 从而使烟农在烟草农业低碳生产中采取更为低碳的技术和生产方式以降低产生的碳排放量, 增加烟草农业固碳能力, 提高烟草农业净碳汇量。

4) 在综合碳效应方面, 陕西省烟草专业合作社中, 汉中金叶烤烟专业合作社在碳效率、碳强度和碳密度均为最优, 每公顷净碳汇量最大。其管理模式以网格化管理为主设立烟站, 并以烟叶交易量为烟农分红, 能够优化农户投入结构、提高农资利用效率、改进烟草农业技术和农户耕作方式、规范烟农行为、为烟农提供更加全面周到的服务, 以更好地达到烟草农业的碳减排目的, 促进烟草农业现代化进程。因此应充分发挥合作社等新型农业经营主体在农业低碳化转型中的作用, 利用合作社等经营主体的组织模式, 增加对农户的生态环保意识和低碳技术的培训, 施行有效的激励措施鼓励农户低碳行为, 促进农户低碳生产的积极性和创新性, 从点及面以促进烟草农业的低碳化、现代化发展。

本研究将农业碳效应核算体系引入到烟草农业中, 构建以微观农户烟草种植过程中生产行为为研究主体的综合碳效应分析体系, 明确烟草农业碳排放的产生环节和主要来源, 对有针对性地开展温室气体减排工作有一定的参考价值。得出结论与前人研究[36-38]相比, 相同点在于都认为通过低碳技术的推广和普及等能够有效减少农业碳排放量, 提高农业产业碳效应。但本研究在技术进步的角度外, 探究了合作经济组织管理模式对碳效应产生的影响, 得出优化组织模式也是农业低碳化转变途径之一。与此同时, 文章在讨论烟草农业碳循环的整个过程以及生命周期理论在烟草农业的应用两个问题上未进行深入探究, 有待进一步更深层次的剖析。

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