中国农业温室气体排放的现状探讨

气候变化自20世纪90年代以来便是国际政治最重要的议题之一。因人类活动排放大量温室气体而改变气候模式、导致全球变暖已是不争的科学事实。2009年在丹麦哥本哈根召开的联合国气候变化大会上，国际社会达成了将全球气温升幅控制在2℃的共识。尽管各国在何时应达到温室气体排放峰值、如何就减缓和适应气候变化的资金和技术进行转移等方面存在争议，但降低排放、发展绿色经济已成世界潮流，中国作为目前温室气体排放量最大、增长幅度最快的国家，倍感国际政治舆论压力。农业是中国温室气体排放的一项重要来源。居民对肉类、奶类等动物蛋白质需求增加导致牲畜肠道和粪便排放更多的和，化肥使用增加则导致土壤排放更多的和。本文试图回答：中国农业温室气体排放的现状如何？一旦全球达成温室气体减排协议，中国农业将受何种程度影响。
1　农业温室气体计算范围、方法及数据来源
在《2006年IPCC国家温室气体清单指南》第四卷《农业、林业及其他土地利用》中[1]，农业温室气体主要涉及农田、牲畜和粪便管理，管理土壤中的排放和石灰与尿素使用过程中的排放3类，林地、草地、湿地等土地利用及变化归入土地利用、土地利用变化与林业类(LULUCF)。其中农田排放主要包括仍为农田的农田、转化为农田的土地排放，以及水稻种植中的排放；牲畜和粪便管理主要包括肠道发酵引起的排放，粪便管理系统中的和排放。具体到特定的国家，计算农业温室气体排放的范围主要考虑：①该项农业活动是否为主要排放源？②该项农业活动及排放参数是否可得？在2004年发布的《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》中[2]，我国主要计算了稻田排放，由径流和淋溶引起的农田间接排放，动物肠道排放，动物粪便管理系统中的和排放。2010年印度发布的“India：Greenhouse Gas Emissions 2007”中[3]，农业排放主要计算了动物肠道和粪便管理中的和排放、稻田排放、农地管理中的间接和直接排放以及农作物残余物燃烧排放。
IPCC提供的温室气体清单指南中，农业温室气体排放主要计算的是农业生产活动过程中产生的温室气体，如水稻种植和动物肠道产生的，不包括化肥、能源、农药、农膜等投入物生产过程包含的温室气体。IPCC这样确定计算范围主要是为了真实了解一国因人类活动产生的温室气体量，防止部门间重复计算，这一计算范围不能全部反映因农业活动产生的温室气体。化肥、农用能源等投入是由农业消耗的，因生产化肥、农用能源等投入而产生的温室气体排放无疑应计入农业活动中。
本文将分析减排对中国农业的影响。一旦国际社会达成削减温室气体的协定，煤、石油等石化能源使用将受到限制，化肥、能源、农药、农膜等物资的价格将上升，农业生产成本将被推高。因此，本文不仅计算了IPCC推荐的农业生产过程排放，而且计算了化肥、能源、农药、农膜等投入物的排放。具体包括：水稻种植排放的及稻田因化肥施用排放的，猪、奶牛、黄牛、水牛、马、驴、骡、骆驼、山羊、绵羊肠道排放的，粪便管理中排放的和，家禽、兔粪便管理中排放的和，土壤管理中直接和间接排放的，化肥施用过程中排放的和，以及化肥、农用能源、农膜、农药等投入物包含的排放。
本文计算农业温室气体的方法采用了IPCC推荐的方法1，主要排放参数、调整系数、转换系数、及部分排放计算公式来自《2006年IPCC国家温室气体清单指南》。水稻种植的排放系数按公式(1)计算：

动物肠道排放因子直接来自IPCC，其中奶牛按年产奶量进行调整；动物粪便管理排放因子来自IPCC，其中猪、奶牛、马、驴、骡、山羊、绵羊、禽类的粪便排放因子按寒冷地区、温暖和热带地区每类动物所占的比重进行加权计算；动物粪便管理排放因子来自胡向东、王济民的研究；农膜排放因子根据1t氯乙烯消耗多少吨乙烯，1t乙烯排放多少吨，加上氯乙烯生产过程中排放的计算，其中转换和调整参数、过程排放因子来自IPCC。需要指出的是，化肥和农药生产过程中的排放系数取自欧洲国家平均水平。由于发达国家化工技术更高，原料和燃料主要使用天然气、石油而不是煤，因此以这两个参数计算的化肥和农药生产的温室气体排放量可能低于中国的实际水平。
耕地面积、水稻种植面积、牲畜数量、化肥施用量、农药和农膜使用量等农业生产活动数据来自《新中国农业60年统计资料》，《中国统计年鉴》，《中国农业年鉴》，《中国畜牧年鉴》；农业各类能源消耗来自《中国能源统计年鉴》；生猪散户养殖和规模养殖的比例和天数、水稻每亩施氮肥量、每公顷粮食生产利润等数据来自《全国农产品成本收益资料汇编》。生产周期限大于1年的牲畜数量按存栏计算，少于1年的牲畜数量按出栏计算，同时根据IPCC推荐的年均饲养量作调整，调整的公式如下：

其中：AAP为年均饲养量，Alive_Days为牲畜生长期，NAPA为每年生产的牲畜数量。
2　农业温室气体排放现状
如表1所示：2009年，中国农业总计排放温室气体158 557.3万t 当量，比1980年增长52.03%，年均增长1.46%。其中，排放1 864.97万t，相当于39 164.32万t ，占总排放的25%；排放266.68万t，相当于82 670.24万t ，占总排放的52%；排放36 722.74万t，占总排放的23%。与1980年相比，排放的比重下降了4个百分点，排放比重保持不变，排放比重上升了4个百分点。在2009年排放的中，水稻生产排放占36.42%，畜牧生产排放占63.58%；在排放的中，畜牧生产排放占21.54%，因化肥施用排放占21.05%，土壤管理排放占57.41%；在排放的中，因能源使用排放占36.28%，因化肥施用和生产排放占58.87%，因农药使用排放占4.1%，因农膜使用排放占0.8%。

按来源分析，在2009年排放的温室气体中，水稻种植排放14 264.45万t，占9%；畜牧生产排放42 709.94万t，占26.94%；土壤排放47 457.81万t，占29.93%；化肥、能源、农药、农膜等投入排放54 125.11万t，占34.14%。较1980年，水稻种植排放下降了4 070.43万t，所占比重下降了8.58个百分点；畜牧生产排放增加了21 464.78万t，所占比重上升了6.57个 百分点；土壤管理排放增加了8 757.15万t，所占比重下降了7.18个百分点；化肥、能源、农药、农膜等投入排放增加了28 110.81万t，所占比重上升了9.2个百分点(见表2)。
水稻排放的温室气体下降源于稻田种植面积缩减。2009年，水稻种植面积为2 962.69万，较1980年减少了12.55%。稻子种植属劳动密集型产业，随着工业化和城市化，更多的农村劳动力在农业部门外就业，种植水稻的劳动成本上升，南方部分地区将双季稻改为单季稻，部分低产水田则完全退出耕种，出现李嘉图效应。在2009年畜牧业排放的温室气体中，黄牛比重最高，占41.96%(见表3)；其次是生猪，占16.72%。在畜牧业中，温室气体排放增长最快的是奶牛，1980-2009年间增加了21.78倍；其次是兔，增加了12.87倍；接下来是家禽、黄牛、山羊、猪、绵羊，分别增加了7.41倍、1.33倍、86.74%、66.5%和25.7%。水牛排放的温室气体基本保持不变，而马、驴、骡、骆驼等排放的温室气体下降，1980-2009年，水牛、马、驴、骡、骆驼5种动物排放的温室气体下降了3.23%。奶牛、兔、家禽、黄牛、山羊、猪、绵羊主要提供肉、奶、蛋等动物蛋白，居民消费水平提高后其需求必然上升，而水牛、马、驴、骡、骆驼属于役畜，在农业机械化过程中逐渐被机器代替。

由化肥、能源、农药、农膜等投入产生的温室气体中，化肥构成主要排放源，2009年占72%。其次是能源，占25%；农药、农膜分别占3%和1%。1980-2009年，化肥排放增加了103.92%，年均增长2.49%；能源排放增加了143.96%，年均增长3.12%。尽管化肥、能源等投入产生的排放目前已是农业温室气体最大的排放源，但这些投入大大提高了粮食产量，节约了土地，减少了役畜，从而降低了土壤和畜牧引起的排放。而且，因化肥施用引起的排放自2006年以来趋于平稳，中国农业基本上已最大限度地利用了化肥的生产潜力。
如果按照IPCC确定的范围，只计算农业生产活动排放的温室气体，2009年农业排放为126 705.59万t，比1980年增加了45.3%。如图1所示，活动排放占农业实际排放的比重从1980年的84%降至2009年的80%，而投入排放的比重在此期间从16%上升至20%，再次说明投入物已成为农业温室气体排放的重要来源。

图1　1980-2009年农业生产活动和农业投入排放所占比例
Fig. 1　Percentage of Process Emission and Input Emission from 1980 to 2009
3　农业温室气体排放效率
国际社会一旦达成温室气体减排的协议，排放额度便成为稀缺资源。如果存在统一市场，可预期温室气体排放额度将因竞争使用而形成统一的国际市场价格，单位温室气体排放在各行业、各地区将产生相等的边际收益。在传统的土地、资本、劳动力要素之外，单位温室气体排放产生的收益，即排放效率将成为决定农业是否具有比较优势的另一重要因素。如果农业排放效率低于其他行业，有限的排放额度将流向其他行业；如果中国农业排放效率低于其他国家，农业将进一步丧失比较优势，中国将进口更多的农产品。
按1978年为基期的可比价格计算，2009年农业GDP排放的温室气体为2.98kg/元，仅相当于1980年的39.21%。粮食排放的温室气体为1.5kg/kg，较1980年下降了30.56%。其中，稻谷、小麦、玉米排放的温室气体分别为1.67，1.25，1.13kg/kg，较1980年下降了29.83%，44.44%，18.12%(见表4)。表5是不包括饲料等投入排放，肉、蛋、奶生产过程排放的温室气体。肉类中牛肉排放温室气体最高，2008年达28.54kg/kg；羊肉次之，15.5kg/kg；禽肉最少，0.54kg/kg；猪肉和兔肉分别为1.49kg/kg，1.39k/kg。牛奶排放的温室气体为1.04kg/kg，禽蛋为0.83kg/kg。除禽蛋略有增加外，1985-2008年，单位肉类与牛奶排放的温室气体都有较大幅度降低。特别是牛肉，23年间下降了85.81%。

粮食、肉、蛋、奶等必需品的温室气体排放效率提高主要取决于技术进步和生产效率提高。以水稻种植为例，1980-2009年，中国水稻种植面积减少了12.55%，但由于杂交等育种技术突破，化肥、农膜、能源等高效投入增加，抛秧等技术推广，每公顷稻谷产量由4 130kg增至6 585kg，单产提高了59.44%，总产量增加了39.45%。再以生猪为例，1980年，散户养殖生猪的出栏天数为302d，规模养殖为238d。由于品种改良，饲料质量提高，饲养技术改进，2009年散户养殖生猪的出栏天数降至163d，规模养殖降至141d。如果2009年仍保持1980年的技术条件，生猪排放的温室气体将达13 939.52万t，比目前的7 142.37万t高出95.17%。
4　减排对中国农业的影响
2009年，中国因粮食生产而排放的温室气体达79 764.83万t，占农业温室气体排放总量的50%，高出畜牧业排放将近1倍，以粮食生产为例说明减排对中国农业影响是合适的。生产粮食的农田既是温室气体排放源，也可成为储存地。如果将农田退耕还林，不仅可以避免因施用化肥农药、翻耕土地引起的排放，而且可以利用森林吸收，形成碳汇。
《2006年IPCC国家温室气体清单指南》第4卷提供了不同气候带每公顷人工林每年可储存的干物质量，以及干物质中含碳的比例，根据已有的参数和中国热带、亚热带、温带和北方温带所占耕地面积比重，计算得出全国平均每公顷人工林的碳汇为3.26t，相当于11.95t 。如果将1999-2008年10年间平均7.48t作为目前每公顷粮食生产排放的标准，意味着：将那些生产一季粮食的耕地植树后，每公顷土地可减少排放19.43t；将那些生产两季粮食的耕地植树后，每公顷土地可减少排放26.91t。
根据2010年《全国农业品成本收益资料汇编》，2004-2008年间，生产50kg粮食平均可得利润19.98元，相当于每公斤粮食得利润0.4元。如果全球一致减排后出现了交易市场，且农民可在种粮和植树储存之间自由选择，价格便成为农户生产决策的重要依据，严重影响播种面积和粮食产量。假定价格为40元/t，则种植一季粮食的耕地每年每公顷可获碳收益777.2元，种植两季粮食的耕地每年每公顷可获碳收益1 076.4元，两者分别相当于1 943kgt和2 691kg粮食的利润。也就是说，那些每公顷产量低于1 943kg的单季产粮耕地、及每公顷产量低于2 691kg的双季产粮耕地将退出粮食生产，成为种植树木的林地。
进一步分析，假定全国种植粮食的耕地产量服从正态分布：


因此，如果存在一个市场价格，根据每公顷耕地排放的数量以及每公斤粮食得利润0.4元，可计算出每公顷耕地获得的以粮食表示的收益。以此 作为随机变量X的一个实现值。同时，根据X的均值μ、方差可计算出Y分布的一个实现值a=(x-μ)/σ。进而，根据标准正态分布函数表，可查到Y≤a的概率，这一概率便是种粮收益低于收益，可能用于植树的耕地比例。
1999-2008年10年间，我国粮食的平均单位面积产量为4 546kg/。我们缺乏关于耕地质量分布的数据，作为模拟说明，以1999-2008年10年间分省的平均单位面积产量作为替代。30个省市中，单位面积产量最高的为上海市6 672.2kg/；最低的为甘肃省3 018.6kg/。以每省10年间平均粮食产量占全国总产量比重为权重，计算的方差等于818 133.9，标准差等于904.51。对于种植双季的耕地，则有μ=9 092，=32 725 358.4，标准差2σ=1 089.02。
以分省粮食平均单位面积产量作为耕地质量分布样本，不仅抹平了省内耕地质量差别，而且也抹平了全国耕地质量差别。根据我们在丹江口库区周边的调查，即使在较少的范围内，不同地块之间粮食产量的区别甚大。因此，以分省平均产量替代耕地的实际产量将低估随机变量X方差，导致分布曲线窄而高，样本粮食产量过于集中在平均值μ附近。

从表6可以看出，对于种植单季粮食的土地，为80元/t将使23.27%的耕地退出粮食生产；当价格为100元/t时，这一比例高达63.31%。对于种植双季粮食的土地，标准差为2σ时，为100元/t将导致8.53%的耕地退出粮食生产，此后随价格提高退耕的比例显著上升；标准差为3σ，为80元/t时，有8.53%的耕地退出粮食生产，100元/t时有19.22%的耕地退出粮食生产；标准差为4σ，为80元/t时，有15.15%的耕地退出粮食生产，100元/t时有25.18%的耕地退出粮食生产。无疑，耕地产量分布的标准差越大，CO[，2]在越低的价格上便可冲击粮食种植。但是，无论何种标准差，一旦价格达到130-140元/t之间，种植双季粮食的耕地将有50%退出粮食生产。这就说明，中国粮食生产利润率过低，较低的价格便严重影响粮食生产面积和产量。
5　结论
本文从农业生产过程和化肥、能源等投入方面计算了中国农业温室气体排放。2009年，中国农业总计排放温室气体158 557.3万t 当量，比1980年增长52.03%，年均增长1.46%。其中，占总排放的25%，占总排放的52%，占总排放的23%。按来源分析，在2009年排放的温室气体中，水稻种植排放14 264.45万t，占9%；畜牧生产排放42 709.94万t，占26.94%；土壤排放47 457.81万t，占29.93%；化肥、能源、农药、农膜等投入排放54 125.11万t，占34.14%。
2009年农业GDP排放的温室气体为2.98kg/元，粮食排放的温室气体为1.5kg/kg。其中，稻谷、小麦、玉米排放的温室气体分别为1.67kg/kg，1.25kg/kg，1.13kg/kg。牛肉排放的温室气体在2008年为28.54kg/kg，羊肉为15.5kg/kg，猪肉为1.49kg/kg，禽肉为0.54kg/kg，牛奶为1.04kg/kg，禽蛋为0.83kg/kg。由于技术进步和生产效率提高，每公斤粮食、肉类和牛奶排放的温室气体都有较大幅度降低。
对于种植单季粮食的土地，为80元/t时，将使23.27%的耕地退出粮食生产；当为100元/t时，这一比例高达63.31%。对于种植双季粮食的土地，价格达到130-140元/t之间时，将有50%的耕地退出粮食生产。由于中国粮食生产利润率过低，较低的价格便严重影响粮食生产面积和产量。
致谢：感谢周海林研究员、张其仔研究员、李钢博士提出的宝贵意见，感谢陈秋红博士、罗万纯博士、伍业君博士、吴利学博士、张波硕士、袁舒颖硕士在数据收集方面提供的帮助。