近年来, 气候变化已成为人类社会普遍关注的全球性问题[1]。全球气候变化的主要原因在于人类对能源和自然资源的过度使用和开发, 造成大气中温室气体浓度的迅速增长[2]。农业生产过程中由于土地翻耕、灌溉等活动和化肥、农药等物质投入会直接或间接导致温室气体的排放, 已成为温室气体排放的重要源头[2,3,4]。农业在我国国民经济中起着重要的作用, 近年来随着我国农业的快速发展, 化肥、农药、农膜等农用物资的使用量也不断增加, 这导致农业碳排放量逐年增加。据统计, 我国农业温室气体排放占全国温室气体排放总量的17%, 其中农业排放的甲烷和二氧化氮分别占全国总量的50%和92%[5]。因此, 农业碳减排不仅关系到农业可持续发展, 也影响到中国整体碳减排目标的实现, 对于农业碳排放问题的研究也日益成为学术界热点, 并在农业碳排放测算及特征分析、农业碳足迹问题及农业碳排放驱动机理等方面取得了诸多成果[6,7,8]。与第二和第三产业相比, 农业碳排放的相关研究成果较少, 目前的研究主要基于国家尺度且主要集中在东部等发达地区。
河南省在我国农业生产中占有举足轻重的地位, 长期的高强度生产使河南省农业生产面临着严重的资源环境等问题。本文以河南省为研究对象, 从农用柴油、化肥、农膜、农药、翻耕和灌溉等6个方面构建河南省农业碳排放测算体系, 定量计算分析河南省1993—2015年农业碳排放数量和碳排放强度的变动特征, 建立河南省农业碳排放总量的环境库兹涅茨曲线 (EKC) , 最后基于GM (1, 1) 灰色预测模型, 预测未来河南省的农业碳排放量, 以期为制定河南省农业碳减排对策、实现低碳农业发展提供参考依据。
从翻耕和农业物质投入方面, 结合河南省实际情况及数据的可获取性, 选择土地翻耕、灌溉、化肥、农膜、农药和农用柴油等6个方面碳源, 对河南省的农业碳排放量进行估算。农业碳排放计算公式为:
式中:E为农业生产碳排放总量;Ei为各类农业碳源碳排放量, Ti为各碳排放源投入量, δi为各碳源的碳排放系数。
据此获得农业碳排放强度计算公式:
式中:A为农业碳排放强度, B为耕地面积。
参考前人研究成果, 本文使用的各碳源碳排放系数为:化肥0.895 6 kg CE·kg-1, 农膜5.18 kg CE·kg-1, 农药4.934 1 kg CE·kg-1, 农用柴油0.592 7 kg CE·kg-1, 农村用电0.272 kg· (k W·h) -1, 翻耕312.6 kg CE·km-2, 农业灌溉25 kg CE·hm-2[8]。
本文采用如下公式计算环比增速和年平均增长率:
环比增速 (%) = (当年数值-上年数值) /上年数值×100 (3)
年平均增长率 (%) =n年环比增速之和/n×100 (4)
灰色预测模型是对灰色系统所做的预测, 它通过对原始数据进行生成处理, 来发现和掌握系统发展变动的规律, 通过建立相应的微分方程模型, 进而对系统的未来状态做出科学的定量预测[9]。GM (1, 1) 模型由单变量一阶微分方程构成, 用于对系统主要因素进行拟合并预测, 其主要的步骤为:对原始数据序列x (0) (t) 计算一次累加, 生成一个新的序列x (1) (t) , 将新序列x (1) (t) 的变化趋势用常微分方程dx (1) (t) /dt+ax (1) (t) =b近似描述, 之后用离散化和最小二乘法分别求出参数a和b, 获得灰色预测模型为:x (1) (t+1) =[x (0) (1) -b/a]e-at+b/a, 再做累减还原, 获得预测数值:
式中, t=1, 2, ……, n-1。
河南省1993—2015年的化肥 (折纯量) 、农膜、农药及农用柴油等数据来自《河南统计年鉴》《河南农村统计年鉴》, 以当年实际使用量为准, 翻耕数据用当年农作物总播种面积替代, 农业灌溉以有效灌溉面积为准。
采用农业碳排放量估算公式测算出1993—2015年河南省农业碳排放量及排放强度, 结果见表1。
从农业碳排放总量来看 (见图1) , 1993—2015年, 总体上处于上升态势。从1993年的347.09×104t增长到2015年的874.59×104t, 增长151.98%, 年均增速4.32%。各碳排放源 (化肥、农药、农膜、农用柴油、翻耕和灌溉等) 的碳排放量也都不同程度地增长, 年均增速分别为4.13%、4.12%、6.91%、5.42%、0.81%、1.48%。河南省农业碳排放总量总体上呈“高速-中速-低速”三阶段变化特征:第一阶段1993—1998年, 为快速增长期, 碳排放量快速增加, 从1993年的347.09×104t增长到1998年的485.08×104t, 年均增速6.95%;第二阶段1999—2009年, 为中速增长期, 从1999年的509.33×104t增长到2009年的774.23×104t, 年均增速4.35%, 其中2003年为异常点, 该年份河南省农业生产遭受严重自然灾害影响, 农业投入减少, 造成农业碳排放环比增速出现负值;第三阶段2010—2015年, 碳排放量缓慢增长, 由2010年的805.61×104t增长到2015年的874.59×104t, 年均增速2.06%。
1991年, 美国经济学家Grossman和Krueger等人首次利用库兹涅茨曲线来定量描述环境污染与经济发展的关系, 即环境库兹涅茨曲线 (Environmental Kuznets Curve, 缩写为EKC) [10]。经典的EKC假设认为人均收入与环境污染之间表现为“倒U型”关系, 也即随着经济的发展, 环境状况先恶化后改善。参照标准的EKC模型原理, 利用河南省1993—2015年的时间序列数据建立包含一次项、二次项和三次项的农业碳排放EKC曲线回归模型:
式中, E为农业生产碳排放总量, x为人均GDP, α0、α1、α2和α3分别为待估参数, ε为随机误差项。应用SPASS20.0统计软件, 以人均GDP为自变量, 以农业碳排放总量为因变量, 分别选用线性、二次项和立方对碳排放和人均GDP进行回归分析和检验, 结果表明农业碳排放总量与人均GDP之间的二次函数曲线关系效果最好, 各参数均能通过1%水平的显著性检验, , F=536.599, , 二者的计量模型函数如图2所示。从图2中可知, 农业碳排放总量与人均GDP变化关系符合二次函数, 二者呈倒“U”型曲线关系, 取农业碳排放总量拟合函数的导数, 得出拟合函数曲线的拐点在人均GDP为3.364 5万元、农业碳排放总量为862.362 1×104t的临界处。这表明, 当河南省人均GDP小于3.364 5万元的临界水平时, 随着人均GDP的上升, 农业碳排放总量将增加, 当人均GDP超过临界水平时, 河南省农业碳排放总量才有可能出现下降趋势。从图2的EKC曲线可以看出, 该倒“U”型EKC曲线仅仅开始显现拐点的迹象, 但并不明显, 如果河南省农业化肥、农药、农膜等投入持续增长, 农业碳排放将会反弹。因此需采取措施减缓农业碳排放的压力。
与农业碳排放总量变化相似, 农业碳排放强度也呈持续增长态势 (见表1) 。从1993年的每公顷484.11 kg增加到2015年的每公顷1 073.21 kg, 增长121.69%, 年均递增3.72%, 低于农业碳排放总量的环比增长率, 农业碳排放强度的环比增速总体亦呈现阶段性下降趋势。
基于灰色预测模型GM (1, 1) 原理, 结合河南省1993—2015年农业碳排放量数据, 以表1中的翻耕、灌溉、化肥、农膜、农药和农用柴油6种碳源的碳排放量为原始数列, 其中翻耕、灌溉和化肥通过了级比检验, 对农药、农膜和农用柴油数据进行开方, 开方后的数据列的级比均在X= (e-2/n+1, e2/n+1) = (0.920 0, 1.0869) 的区间内, 通过检验。应用Excel软件进行统计分析和计算, 分别得到翻耕、灌溉、化肥、农药、农膜及农用柴油6种碳源的碳排放量预测结果 (见表2) 。
采用后验差检验法对河南省农业碳排放6种碳源碳排放量的灰色GM (1, 1) 预测模型进行精度检验, 经过计算, 得到6个预测模型的均方差比C与小概率误差P (见表3) , 检验结果较好, 表明预测模型能应用于实际未来预测。
根据表2中的碳排放量预测模型, 直接获得翻耕、灌溉和化肥3项碳源碳排放的灰色预测数据, 将农膜、农药、农用柴油数据求平方, 获得该3项碳源的碳排放量预测值, 将6项碳源的碳排放量预测值相加得到河南省2016—2020年农业碳排放总量预测值, 列于表4。预测2020年, 农业碳排放总量将达1184.01×104t, 较2015年增长35.38%。因此, 建议河南省采取有效措施, 改变现有的农业生产发展模式, 改善农业生产结构, 加强农业科学技术发展, 否则, 河南省农业碳排放量将不断加大, 农业碳减排形势将更加严峻。
单位:万t
1) 河南省农业碳排放总量由1 9 9 3年的347.09×104 t增加到2015年的874.59×104t, 增长151.98%, 年均增速4.32%, 农业碳排放总量总体上呈“高速-中速-低速”三阶段变化特征;河南省农业碳排放强度从1993年的每公顷484.11 kg上升到2015年的每公顷1 073.21 kg, 增长121.69%, 年均增速3.72%。
2) 河南省农业碳排放总量与人均GDP变化关系符合二次函数, 二者呈典型的倒“U”型曲线关系, 曲线拐点在人均GDP为3.364 5万元、农业碳排放总量为862.362 1×104t的临界处。农业碳排放总量的倒“U”型EKC曲线仅仅开始显现拐点的迹象, 但并不明显。
3) 根据灰色预测模型预测, 2016—2020年, 河南省各农业碳源碳排放量将继续增长, 农业碳排放总量将由1 002.85×104t增加到1 184.01×104t。建议河南省采取切实有效的措施, 改变现有的农业生产发展模式、提高农业资源能源利用效率, 调整农业生产结构, 加强农业科学技术发展, 建立健全农业减排政策法规体系, 有效实现农业碳减排。
摘要：基于农业生产中翻耕、灌溉、化肥、农药、农膜和农用柴油等6个方面碳源, 测算了河南省1993—2015年的农业碳排放量及排放强度。结果表明:河南省农业碳排放总量整体呈上升趋势, 碳排放总量由1993年的347.09×104 t增加到2015年的874.59×104 t, 年均增长4.32%, 总体上呈“高速-中速-低速”三阶段演化特征。农业碳排放强度从1993年的每公顷484.11 kg增加到2015年的每公顷1 073.21 kg, 年均增长3.72%。河南省农业碳排放总量与经济发展呈典型的倒“U”型曲线关系, 且开始出现拐点, 但不明显。灰色预测模型显示, 2016—2020年, 河南省农业碳排放总量将由1 002.85×104 t增加到1 184.01×104 t。建议河南省采取有效措施, 实现农业碳减排。
关键词：农业碳排放总量,农业碳排放强度,环境库兹涅茨曲线,灰色预测,河南省
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