第 32 卷 ， 第 6 期 中国农业资源与区划 Vol. 32， No. 6， pp98-1022 0 1 1 年 1 2 月 Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning December，2011循环农业 基于低碳农业的清洁生产与生态补偿*以山东桓台为例梁 龙 ， 王大鹏 ， 吴文良 ， 孟凡乔 中国农业大学资源与环境学院 ， 北京 100193摘 要 该文以山东桓台为例 ， 运用生命周期评价 LCA 方法 ， 对桓台 14 年的小麦 － 玉米轮作模式进行了碳排放评估 。结果表明 通过测土施肥和秸秆还田 ， 发展农业清洁生产 ， 2009 年每吨小麦碳排放较 1996年下降了 8. 4; 每吨玉米下降了 41. 5; 华北地区集约化农业生产进一步减少氮肥 、电力 、燃油消耗 ，提高土壤固碳能力和防治秸秆碳泄漏 ， 是未来发展低碳农业的重点 ; 清洁农作在低碳经济中起到了重要作用 ， 但必须建立合理的生态补偿机制 。关键词 农业清洁生产 ; 生态补偿机制 ; 低碳农业 ; 生命周期评价收稿日期 2010-06-01 梁龙为博士后 王大鹏为博士生 吴文良为教授 孟凡乔为副教授*国家自然科学基金项目 30970533 ; 十一五国家科技支撑项目 2006BAD17B05 ; 国际科技合作项目 2009DFA91790冬小麦 － 夏玉米轮作是华北平原最常见的农田生产方式 。据统计 ， 我国每年农作物秸秆产量达 7 亿 t之多 ， 但每年只有 20 ～30被利用 ， 大部分被烧掉 ， 不但造成资源的极大浪费 ， 而且严重污染环境［ 1］。对于北方粮食主产区而言 ， 如何有效地处理作物秸秆 ， 是实现农田清洁生产的重要环节 。该文以山东高产粮区桓台县 14 年的农业面源污染综合治理经历为例 ， 探索农业清洁生产与生态补偿的问题 。1 对象与方法1. 1 桓台县概况山东省桓台县位于泰沂山脉北麓 ， 黄河下游 ， 鲁北平原南缘 ， 是华北平原的一部分 ， 全国百强县之一 。桓台县唐山镇自 1989 年建成 “吨粮镇 ”后 ， 该县又于 1990 年建成了江北第一个 “吨粮县 ”， 此后农业一直稳步增长 ， 通过 20 年的发展 ， 已实现了粮食的高产 、稳产 。秸秆还田本是桓台农业生产的一项传统 ， 但随着生产力提高 ， 玉米秸秆产量剧增 ， 同时当地养殖业的萎缩 ， 使得大量农户无法将巨量秸秆全部还田或者综合利用 ， 玉米秸秆还田比例一直在 30 ～50之间 ， 其余大部分都是焚烧 ， 造成环境污染 。2007 年开始 ， 当地政府采用行政强制和经济补偿相结合的办法 ， 全面推行秸秆禁烧 一方面通过行政手段强制推行玉米秸秆还田和综合利用 ; 另一方面对玉米秸秆还田由县乡镇两级补贴 ， 平均 30 ～50 元 /667m2， 同时加大农机具购置补贴 ， 保障机械配备到位 ， 连续 3 年实施主产区秸秆全量还田和还田补偿 ，取得较好生态和社会效益 。1. 2 研究方法1. 2. 1 农业清洁生产 、低碳农业与生态补偿一般来说 ， 农业清洁生产是指通过生产和使用对环境友好的农用化学品 ， 在清洁肥沃的土地利用节水 、节肥 、节药 、节地 、节能以及资源综合利用等农业生产技术 ， 在农业生产的全过程 ， 使用清洁化的农艺措施 ， 减少农业污染的产生 ， 降低农业生产及其产品和服务过程对环境和人类可能造成的风险 。而广义的低碳农业是通过技术改进 、制度创新 、产业转型 、链条整合 、新能源开发利用等多种手段 ， 降低农业系统碳源影响 ， 扩大碳汇效应 ， 最终实现以温室气体减排为核心的农业生产发展和生态环境共赢的现代农业 。从清洁农业和低碳农业的概念和内涵来看 ， 农业清洁生产是发展低碳农业的一种重要的方式和手段 。农业区别于工业的一个最大特点是 ， 农业既是碳源也是碳汇 ， 可以实现碳排放的 “以农补工 ”。以美国为例 ， 2009 年美国环境保护署 EPA 报告显示 2007 年美国温室气体排放总量为 7150. 1TgCO2eq，其中农业排放为 413. 1 TgCO2eq， 但整个农业系统固碳达到 1062. 6 TgCO2eq， 不但完全抵消了农业自身排放 ， 而且使美国温室气体净排放降低为 6087. 5TgCO2eq［ 2］。由于农业的生态效应 ， 通过生态补偿来激励和引导农民发展清洁农业和低碳农业 ， 已经成为世界各国通行做法 。当前 ， 国际上包括碳汇补偿在内的生态补偿的通行做法是 1 确定基线排放量 ; 2 确定项目排放量 ; 3 确定减排量 ， 减排量 基线排放 － 项目排放 ; 4 对符合标准生态减排给予经济补偿 。1. 2. 2 LCA 是进行碳排放评价的有效方法生命周期评价 Life Cycle Assessment， 简称 LCA 源于 20 世纪 60 年代 ， 联合国环境规划署 UNEP将其定义为 “评价一个产品系统生命周期整个阶段 从原材料的提取和加工 ， 到产品生产 、包装 、市场营销 、使用 、再使用和产品维护 ， 直至再循环和最终废物处置 的环境影响的工具［ 3-4］。”20 世纪 80 年代 ， LCA 主要用于工业领域 ， 随着对低碳农业研究的深入 ， 国内外众多专家意识到 ， 现代农业是与工业 、加工 、服务业紧密联系的复合体 ， 因此 ， 低碳农业不仅仅是农田低碳 ， 而是农业产业的低碳［ 5］。现代农业碳排放不仅仅要考虑农田系统本身的碳排放 ， 其上游化肥 、农药 、机械的生产和运输 ，由此消耗的原料及煤 、石油 、天然气等 ， 以及下游农产品加工的碳排放都属于农业产业碳排放范畴 ， 而LCA 就是对整个产业全面评价 。因此 ， LCA 可以成为农业碳排放计量和生态补偿的重要方法之一 。该研究借鉴该方法来计算桓台地区 14 年来小麦 － 玉米轮作系统的温室气体排放量变化 ， 进而探讨低碳排放与生态补偿的关系 ， 关于农业 LCA 的模式和方法可以参照相关研究［ 6］。2 结果与分析2. 1 相关参数以 1t 作物籽粒为功能单位 ， 山东桓台 1996 ～2009 年不同年份农田生态系统的投入产出数据见表 1。其中 1996 年 、2003 年 、2006 年数据来源于中国农业大学实验站的调研统计 ， 2007 ～2009 年数据来源于桓台县农业推广站 3 年推广实践 。其中 ， 小麦秸秆还田为 100， 1996 年 、2005 年和 2006 年玉米秸秆还田分别为 30、50和 70， 其余部分成为燃料 、饲料或者在田间燃烧 ， 2007 ～2009 年玉米秸秆在全县主产区粉碎全量还田 ， 少量作为青贮饲料 ， 该文以全量还田计算 ， 各年投入见表 1。该研究的系统边界从煤 、石油 、天然气开采开始 ， 到小麦 、玉米离开农田为止 ， 其中农田的整地 、施肥 、病虫害防治 、收获过程作为农作系统 ， 化肥 、农药 、机械 、燃油生产及运输作为农资系统 。化肥 、农药 、电力等温室气体根据相关研究成果计算 ， 由于资料缺乏 ， 农业机械仅仅考虑机械燃油生产和燃烧的温室气体排放［ 7 －10］。农作系统温室气体排放的另一主要来源就是硝化 － 反硝化过程中产生的 N2O， 1996 年 IPCC 报告中 ，建议农田系统 N2O 排放参数为进入农田氮肥总量的 1. 25， 2006 年 IPCC 第四次报告调整到 1， 但中国农业大学和中国科学院在桓台实验站的研究表明 ， 0. 7 更接近当地常规模式的实际水平 ， 该文取这一数值［ 11］。关于农田碳汇该文考虑土壤固碳和秸秆还田固碳 ， 刘光栋 、包永红分析桓台 12 年秸秆还田后土壤有机质变化 ， 发现桓台农田土壤平均吸收 CO2为 1984. 88 kghm－2a－1， 即每生产 1t 玉米和小麦土壤吸收262. 31kg CO2［ 12 －13］。研究表明［ 14］， 秸秆还田当年 ， 30的植物碳残留在土壤中 ， 其余仍以 CO2等形式进入环境 ， 成为碳泄漏部分 ， 因此 ， 秸秆还田需要考虑其源与汇的双重性 。2. 2 结果分析综合上述参数 ， 桓台农田生态系统的温室气体排放结果如表 2 所示 。99第 6 期 梁龙等 基于低碳农业的清洁生产与生态补偿表 1 山东桓台 1996 ～2009 年农田系统投入产出物质名称 单位冬小麦 夏玉米1996 年 2003 年 2006 年 2007 ～2009 年 1996 年 2003 年 2006 年 2007 ～2009 年种子 kg 18. 52 18. 1 17. 02 17. 86 5. 87 5. 58 5. 57 5. 37N化肥 kg 49. 69 52. 67 39. 85 33. 26 37. 46 45. 88 36. 61 23. 87有机肥 kg 4. 08 5. 14 7. 1 10. 14 6. 09 5. 5 5. 5 5. 5P化肥 kg 2. 02 39. 82 25. 54 20. 09 4. 89 21. 48 21. 62 10. 32有机肥 kg 0. 46 2. 63 3. 64 5. 2 2. 46 2. 2 2. 2 2. 2K化肥 kg 5. 23 4. 5 8. 65 8. 93 3. 94 6. 07 9. 36 6. 45有机肥 kg 3. 5 3. 98 5. 46 7. 3 7. 25 6. 6 6. 6 6. 6灌溉 m3408. 49 503. 17 432. 07 469. 28 117. 49 310. 42 250. 78 160. 05电力 kWh 163. 4 221. 39 185. 79 201. 79 47 136. 59 109. 1 68. 82柴油 kg 19. 67 34. 69 32. 44 40. 18 17. 28 26. 05 28. 51 23. 66农药除草剂 g 60 73 85 0. 2 132. 2 165. 7 185. 76 211杀虫剂 g 122 156 172 20 69 116 140 19种衣剂 g － － 24 － －产出 籽粒 kg 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000注 调查和实验表明 ， 桓台 1996 年有机肥施用量为 2500kg/hm2， 小麦秸秆全部还田 ， 玉米为 30; 2003 年有机肥降到 100kg/ hm2， 此后不施用有机肥 ， 该年玉米秸秆还田为 50; 2006 年玉米秸秆还田 70。堆肥 N、P2O5、K2O 比例分别取 0. 4、0. 2和 0. 5。小麦秸秆系数是 1. 1， 玉米秸秆系数是 1. 2; 小麦秸秆 N、P2O5、K2O 含量分别取 0. 5、0. 2 和 0. 6， 玉米秸秆取 0. 78、0. 4和 0. 6。表 2 1996 ～2009 桓台农田生态系统温室气体排放量 单位 CO2eqkg/t作物 物质名称1996 年 2003 年 2006 年 2007 ～2009 年农资系统 农作系统 农资系统 农作系统 农资系统 农作系统 农资系统 农作系统冬小麦种子 －11. 95 － －11. 68 － －10. 98 － －11. 52 －化肥 －566. 86 － －605. 38 － －456. 45 － －380. 89 －电力 －170. 75 － －210. 32 － －176. 5 － －191. 7 －柴油 －16. 01 －69. 24 －25. 67 －111. 01 －24. 01 －103. 81 －29. 73 －128. 54农药 －3. 6 － －4. 12 － －4. 63 － －0. 81秸秆泄漏 － －1129. 4 － －1129. 4 － －1129. 4 － －1129. 4反硝化 － －176. 26 － －189. 5 － －153. 9 － －142. 27土壤固碳 － 122. 35 － 122. 35 － 122. 35 － 122. 35秸秆固碳 484 484 484 484小计 －769. 17 －768. 55 －857. 17 －823. 56 －672. 57 －780. 76 －614. 65 －793. 86共计 －1537. 7 －1680. 7 －1453. 3 －1408. 5夏玉米种子 －2. 53 － －2. 41 － －2. 4 － －2. 32 －化肥 －433. 26 － －508. 56 － －417. 94 － －266. 84 －电力 －49. 16 － －129. 76 － －103. 65 － －65. 38 －柴油 －14. 07 －60. 83 －19. 28 －83. 36 －21. 1 －91. 23 －17. 51 －75. 71农药 －3. 98 －5. 06 － －5. 85 － －4. 14 －秸秆燃烧 － －1092 － －780 － －468 － －秸秆泄漏 －369. 6 －616. 1 －862. 5 －1232. 1反硝化 － －141. 12 － －168. 42 － －138. 04 － －96. 27土壤固碳 － 139. 96 － 139. 96 － 139. 69 － 139. 69秸秆固碳 158. 4 264 369. 6 528小计 －503 －1365. 2 －665. 1 －1243. 9 －550. 9 －1014. 2 －356. 19 －736. 12共计 －1868. 2 －1909 －1565. 2 －1092. 3注 － 值表示排放 ， 为碳源 ， 表示吸收 ， 为碳汇从表 1 ～2 统计数据和研究结果表明 桓台县冬小麦 － 夏玉米轮作系统朝着清洁生产方向不断发展 ，表现在农业投入在 2003 年达到峰值后逐步降低 ， 同时 ， 玉米秸秆的还田比例不断提高 ， 而整个轮作系统全生命周期温室气体排放呈下降趋势 。每吨小麦温室气体排放 1996 年为 1537. 7CO2eqkg， 2003 年高达1680. 7 CO2eqkg， 2009 年下降到 1408. 5CO2eqkg， 若以 1996 年为基线值 ， 则下降了 8. 4; 每吨玉米从001 中国农业资源与区划 2011 年1868. 2CO2eqkg 下降到 2009 年的 1092. 3CO2eqkg， 下降了 41. 5， 玉米的减排表现尤为明显 。小麦下降的关键在于化肥等投入的降低 ， 玉米的关键因素首先在于秸秆的还田 ， 减少燃烧排放同时增加了秸秆固碳 ;其次是推行测土配方施肥 ， 使氮肥投入降低 ; 另外由于灌溉水的减量化 ， 使消耗电力的排放降低 。从表 2 可以看出 秸秆还田后其固碳效应和碳泄漏表现得都非常明显 ， 因此 ， 在农田系统节能减排上 ， 稳定秸秆固碳和降低秸秆碳泄漏是关键 ， 而氮肥 、灌溉电力 、机械柴油 、土壤固碳是也制约农田生态系统温室气体排放的重要因素 。在农资系统中 ， 降低碳排放关键是氮肥生产的减排 ; 农作系统除了减少氮肥投入 ， 其次是发展节水农业 ， 减少电力消耗 。理论上 ， 秸秆还田土壤的碳排放应该远远高于非秸秆还田 ， 但桓台长期大田实验表明 ， 秸秆以有机肥形式还田 ， 同时和无机肥合理搭配 ， 是土壤固碳和降低秸秆碳泄漏的有效措施［ 15］。因此 ， 在坚持配方施肥的基础上 ， 加大保护性耕作力度 ， 实施合理灌溉 ， 减少氮 、电 、油的消耗 ， 这是减排的重要措施 ， 也是增加土壤碳汇 ， 稳定秸秆固碳的关键 。3 讨论3. 1 关于农业清洁生产长期以来 ， 人们仅仅考虑了农业经济效益 ， 但事实上农业的生态效益远远大于其经济效益 ， 因此 ， 必须加大投入 ， 实施农业清洁生产 ， 使其从碳源向净碳汇转变 ， 实现 “以农补工 ”。桓台经验表明 ， 遵循循环农业理念［ 16］， 在集约化基础上通过化肥等投入的减量化 ， 秸秆的再利用 、再循环 ， 农药的可控化 ， 农业的减排增汇是有可能的 。同时 ， 也必须看到 ， 建立农业清洁机制是包括农业 、工业 、运输 、服务业等整个社会体系的责任 。随着农业产业链的延长 ， 如何实现种植 、养殖 、加工的一体化和清洁生产 ， 实现现代低碳循环农业产业模式 ， 是今后农业清洁生产研究的重点 。3. 2 关于生态补偿生态补偿在全世界都是一个不断探索的议题 ， 在我国还处于起步阶段 ， 无论从经济补偿额度还是补偿机制 ， 都还需不断摸索 。以桓台为例 ， 2006 年的农田生产投入基本代表华北高产粮区平均水平 ， 若以2006 年碳排放为基线排放量 ， 2007 ～2009 年测土配方的排放为项目排放量 ， 每吨小麦 、玉米的减排量分别是 272. 2 和 817 CO2eqkg， 按照中国国家发改委规定清洁发展机制项目申请中每吨 CO2当量的最低交易价格为 8 欧元计算 ， 桓台每公顷农田减排量为 9. 26tCO2eq， 折合人民币 651 元左右 ， 当地政府每公顷补偿600 元 ， 与国家最低标准基本相当 。但秸秆本身是光合作用的产物 ， 理论上不论是焚烧还是还田 ， 其所含碳重新进入大气并没有对大气中碳平衡造成影响 ， 国际上关于秸秆的碳排放一般单独计算 ， 目前包括北京 、山东桓台等地为避免农民焚烧而进行生态补偿开全国先河 ， 但这种模式在其他财政支付能力不足的地方能否大面积推广 ， 一旦政府放弃行政强制和经济补充 ， 如何使秸秆还田和综合利用变成农民的自觉行动 ， 这些都值得探索 。另外 ， 该文中 ， 秸秆固碳和土壤固碳有重复计算嫌疑 ， 秸秆还田后如何防范碳泄漏也还要加强研究 。3. 3 关于低碳农业温室气体排放是全球关注的一个热点 ， 研究表明 ， 农业在减排的同时 ， 还能降低对水体 、土壤的潜在威胁 。因此 ， 发展低碳农业实属必要 。但是 ， 农业在某种意义上又是 “生存排放 ”， 要维护国家粮食安全 ， 就必然要加大投入 ， 其碳排放总量上肯定是上升 ， 农业的低碳只能在一定程度上提倡 。另外 ， 就我国实际情况来看 ， 众多地区的水资源短缺 、土壤酸化 、富营养化 、重金属污染问题似乎更严重 、更突出 。因此 ， 农业不仅仅要考虑低碳问题 ， 而且要注意综合协调 ， 真正实现生产发展和环境友好双赢的最终目标 。4 结论1 经验表明 ， 农业清洁生产是发展低碳农业的重要路径 。2 发展清洁农业必须建立合理的生态补偿机制 ， 从而促进农业的可持续发展 。3 农业生产在考虑低碳的同时 ， 还需注重其他生态指标 ， 实现生产和环境的共赢 。101第 6 期 梁龙等 基于低碳农业的清洁生产与生态补偿参考文献1 王效科 ， 李长生 . 温室气体排放与中国粮食生产 . 生态环境 ， 2003， 12， 4 379 ～3832 EPA. 2009. 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