贵州省露地菜椒生产的能量效益和碳足迹评价——以锦屏县为例

梁 龙，孙 凯，张昌柱

（1贵州财经大学乡村振兴战略研究所，贵阳 550025;2贵州财经大学管理科学与工程学院，贵阳 550025；3贵州财经大学公共管理学院，贵阳 550025）

0 引言

20世纪60年代中期，为改善农业生产现状，避免国内饥荒，印度率先发起了农业绿色革命并成功推向亚洲和拉丁美洲等发展中国家[1]。然而农业绿色革命的发生是喜忧参半的，大量能源和农业化学品投入带来作物增产的同时也对环境产生了不小的负面影响[2]。中国承诺在2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。农田生态系统作为陆地最活跃的碳库之一，其中温室气体的排放最为引起关注[3]。

中国蔬菜种植业在新一轮农村产业变革的实施下迅速发展[4]，然而蔬菜发展伴随而来的是农田温室气体排放量的增加[4-5]、能源和环境的高消耗[6-8]，蔬菜种植的节能减排和低碳高效已成为中国农业实现绿色可持续发展的重点。杨帆等[9]通过调查小农户种植业化肥的施用状况，发现蔬菜已成为中国化肥施用量最大的农作物之一，占到种植业施肥总量的82.8%。Chen等[10]对中国16种主要作物生产的碳足迹进行研究，结果表明蔬菜生产系统是农场最大的碳足迹，而施肥是影响农田净碳排放的关键。张芬等[11]基于中国宏观蔬菜生产统计数据，研究了4种典型露地蔬菜（番茄、黄瓜、大白菜、萝卜）生产系统的温室气体排放，发现中国露地蔬菜生产系统的温室气体排放量较高且存在区域空间差异。贵州作为“镰刀弯”低效玉米种植区之一，在保粮食、调结构、促增收的基础上依照2015年农业部《关于进一步调整优化农业结构的指导意见》及2016年《全国种植业结构调整规划（2016—2020年）》提出的减少镰刀弯地区非优势玉米播种面积的要求，大力发展包括精品蔬菜、水果、茶叶、食用菌在内的12项农业特色优势产业[12]。目前产业调整的经济效益明显，但对调整后包括环境和生态在内的综合效益及农田低碳、绿色生产管理尚缺乏探索。贵州是否能够真正将“绿水青山”转化为“金山银山”，最终实现生态与经济的良性循环和农业的绿色可持续发展？亟待探究。因此，本研究以贵州省锦屏县辣椒为分析对象，运用生命周期评价(life cycle assessment,LCA)，从“摇篮到农田大门”定量化辣椒生产全过程中的能量消耗和碳足迹情况，以期为地方减小环境排放，提升农田节能减排潜力和优化作物绿色、低碳生产管理提供实际参考，同时也为贵州地区蔬菜生产补充相关数据。

1 材料及方法

1.1 研究区域概况

研究选取贵州省黔东南州锦屏县为调查地。锦屏县位于贵州省东部，26°23'29''—26°16'49''N，108°48'37''—109°24'35''E，属中亚热带湿润性季风气候地区，气候温和，年平均温度16.5℃，全年日照时数1231.9 h，年平均降雨量1253.1 mm，日照充足、雨量丰沛，总面积1596 km2，是贵州省重点林业县，森林面积2550 hm2，森林覆盖率72.12%。过去锦屏县主要以玉米种植为主，但近年来通过产业结构调整逐步改种其他经济作物，其中共流转土地33 hm2用于发展带动能力强的菜椒产业，使之成为锦屏县“六大农业特色产业”之一。

1.2 研究对象及边界

研究以每单位面积1 hm2辣椒生产为分析对象，以辣椒栽培全过程为生命周期，从农资生产开始到辣椒产出结束，充分考虑到农资生产和作物种植过程中碳排放、碳固存及能量流动的细节。

1.3 数据收集与处理

本研究数据来自2019年课题组对锦屏县新化乡、钟灵乡、铜鼓镇、敦寨镇辣椒生产经营主体的调查，包括4个合作社，80户小农户。通过实地走访和面对面访谈的形式，按种植面积随机取抽各村符合研究条件的小农户生产者并利用统一设计的调查问卷进行数据收集，问卷内容包括：人力、种子、化肥、电力、燃油、农药、农家肥、作物产量等物质投入产出数据。本次共实际调查84个样本，剔除4份小农户数据，共搜集到农业结构调整后小农户生产者及合作社辣椒种植的80份真实数据。由于被调查对象在农资投入偏好、作物种植管理等方面的行为具有一致性，因此调查所获得的数据能够代表锦屏县域辣椒种植的平均水平。所有原始数据运用Excel进行处理并计算，具体物质投入产出数据见表1。

表1 单位面积(hm2)辣椒生产的投入与产出清单

不同肥料的具体养分含量：复合肥(N=15%，P2O5=15%，K2O=15%)；叶面肥(P2O5=52%，K2O=34%)；有机肥(N=1.63%，P2O5=1.54%，K2O=0.85%)。

1.4 研究方法

1.4.1 能量法 能量法是计算农田生态系统能流的重要方法之一，能量的投入、产出能够较好的体现整个生产系统能量和养分的利用效率，具体参考刘巽浩[13]的核算方法。本研究通过相关能量测算指标包括能量产投比、净能量、单位产品能量比和单位能量生产率对辣椒生产的能源利用效率进行评价，计算公式见(1)～(4)，涉及的能量转换系数见表2。

式中：Ee为能量利用效率；Eo和Ei分别为产出能量和投入能量；En为净能量；Ep为单位产品能量比；Y为作物产量；Ey为单位能量生产率。

1.4.2 碳足迹法 碳足迹法又称碳流法是衡量大气增暖趋势及温室气体排放的重要方法，目前已广泛应用于农业领域，涉及的指标有净碳足迹、碳效率、单位面积碳足迹、单位产品足迹、单位产品经济碳效益等。农田碳足迹既包括各类农事活动投入导致的直接或间接碳排放又包括植物光合作用对空气中碳的吸收和有机肥施用引起的土壤碳固定[14-16]，计算公式见(5)～(15)，碳当量系数见表2。

表2 辣椒种植投入产出要素的能量和碳足迹相关系数

（1）温室气体排放计算，见式(5)～(7)。

式中：CE为辣椒生产的总温室气体排放量；Cd为外源投入引起的总碳排量；Cn为肥料施用引起的总NO2排放量；Gi为每种农资的投入量；βi为每种农资的相关碳排系数；N为氮肥施用总量；NH3、NO3-分别为氨挥发和植物根系氮素流失量[17]；1.4%是施入氮肥直接导致的N2O排放量[18]，1%和2.5%是施入氮肥间接引起的氨挥发和硝态氮淋失中N对N2O-N的转化系数[19]；1.57是N2对N2O的分子转化系数；265是100年尺度上N2O等量于CO2的全球潜在增温趋势[20]。

（2）碳固定计算，见式(8)～(10)。

式中：CS为农田生态系统总碳固定；CNPP为植物固定的CO2量，1.63为植物干物质积累所固定的CO2，根据光合作用方程式：6CO2+6H2O→C6H12O6+O2→C6H10O5（多糖），即植物体每积累1 g干物质，分别需向大气吸收1.63 g的CO2，释放1.19 g的O2[21]；Cm为土壤有机碳固存量；Y为辣椒产量；θ为生物体含水率；H为作物的经济系数，辣椒含水率及经济系数分别取0.89[22]、0.95[23]；M为有机肥投入量；27%是有机肥所含有机碳对土壤碳储量的贡献[24]，2.8%是有机肥的有机碳含量[25]，3.67是C对CO2的转换系数。

（3）碳效率计算，见式(11)～(12)。

式中：Cx为净碳效率；CS为农田生态系统总碳固定量；CE为农田生态系统总温室气体排放量；Ca为有机碳排与总碳排之间的比值；Ct为有机质耗碳量。

（4）碳足迹计算，见式(13)～(15)。

式中：Cr为单位面积碳足迹；CE为农田生态系统的总温室气体排放量；Cp为单位产品碳足迹；Cv为单位产品经济效益碳足迹；R为土地面积；V为产品利润。

2 结果与分析

2.1 辣椒种植的能量利用效益分析

辣椒生产的各投入能量占比见图1，其中复合肥对农田总能量投入的贡献最高，每公顷单位面积土地的投入量为1500 MJ，占总能量消耗的53%以上。这比国外辣椒生产39.31%的化肥投入占比高出近14%[31]，说明当地化肥投入不合理，辣椒种植活动仅凭以往经验。而化肥的高投入与生产经营者的管理和栽培技术水平有关，生产过程中盲目地投入化肥，将超出作物生产的阈值。其次，能量投入占比较高的还包括柴油、农药、地膜等农用化学品，其中地膜占16%，农药占5%，说明在该地区辣椒生产的外源投入较多。最后，菜椒种植劳动力的投入也占有较大比重，占比为9%。因此，从能量投入占比来看，在保证或提高辣椒产量的前提下，该地区需要通过利用无机肥和生物防控技术替代化肥和农用化学药剂，以降低辣椒生产的高能源消耗。

图1 辣椒生产的各投入能量占比

通过能流核算发现，辣椒生产系统各能量的投入和产出不平衡（见表3）。辣椒生产中的总投入能量是53431.8 MJ/hm2，输出能量是 9000 MJ/hm2，系统净能量效益是-44431.8 MJ/hm2，净能量效益为负值，能量投入与输出严重失衡，能量失衡的影响包括农田高能量投入、低作物产出以及辣椒自身较低的能量含量。此外，辣椒生产系统的能量耗散较大，能量利用率较低，能量利用效率仅为0.17。低能量利用效率一方面造成大量的能量外流，损害环境；另一方面生产的高碳投入、低产品产出不利于农业可持续发展。同样，单位产品能量比和单位能量生产率也不理想，分别为4.75 MJ/kg、0.21 kg/MJ，意味着生产经营者要获得1 kg辣椒产品需向农田生态系统输入4.75 MJ的能量，而每输入1 MJ能量仅只能获得0.21 kg的产品。锦屏县亟待通过优化辣椒生产的能量投入结构，提高作物单位面积产出，改良育种技术等措施实现辣椒低能耗高效率的可持续发展。

表3 辣椒生产能量效益指标

2.2 辣椒种植的碳效益及碳足迹评价

通过公式(5)～(15)的计算得出结果如表4，辣椒生产全生命周期产生的碳排放总量为53431.8 kg CO2eq。在农作阶段，劳动力、机械、柴油、肥料投入对温室气体排放的直接贡献分别为5.92%、0.3%、1.83%、32.07%，占总碳排放量的40%，其中肥料碳排放量最高，劳动力次之，主要原因在于第一，肥料投入会直接和间接引起土壤硝化、反硝化作用和硝酸盐的淋洗、氨的挥发，从而释放出大量的N2O气体，增加温室气体排放。第二，在锦屏县辣椒种植的机械化程度较低，而蔬菜属于劳动力密集型产业，因此劳动力的投入较大。在农资生产及运输阶段，化肥对温室气体排放的贡献最大，贡献率达44.7%，有机肥堆肥及运输、农药、农膜等贡献率则在3.47%～6.88%之间。这说明农资生产及运输环节产生的间接碳排放量占到总碳排放量的60%，超过田间农事活动产生的直接碳排放量，原因在于该地区辣椒种植高度依赖化肥，其中在辣椒采收前后都施用化肥，在生长期还需补充少量的叶面肥。因此，在辣椒生产的全生命周期过程中化肥的生产、运输和施用都是碳排放的主要贡献因子，是该地区辣椒生产的第一大碳排放源，而农田通过植物光合作用和土壤碳固存的量仅有2227.3 kg CO2eq，远低于总碳排放量。

表4 辣椒生产碳排效益指标

从各碳效益指标来看，辣椒生产的净碳效率为0.41（小于1），表明生产对生态环境具有负外部性，为温室气体排放“源”，需进一步采取减源增汇措施以提高辣椒生产的减排潜力，实现绿色低碳发展。有机耗碳比同样低于1的水平且接近于0，表明该地区辣椒生产的有机投入小于无机投入。单位面积碳足迹0.55 kg CO2eq/m2的结果表明，每增加1 m2的辣椒种植面积，将增加0.55 kg CO2eq的温室气体排放，辣椒种植可能存在潜在的环境排放风险。而单位经济效益碳足迹为2.91元/kg CO2eq，表明辣椒种植每排放1 kg CO2eq可为生产经营者带来2.91元的可观利润，但0.48 kg CO2eq/kg的单位产品碳足迹（碳生产效率）结果意味着每产出1 kg的辣椒，将引起0.48个单位的CO2释放。由此可见，虽然辣椒种植的经济效益表现良好，但生产的环境排放问题不容忽视。

3 讨论与结论

3.1 讨论

碳足迹作为诸多环境影响评价方法之一，是一种关注农业系统生产过程中“下游”温室气体排放的核算方法，当下碳足迹法在核算农业生态效率方面变得非常流行。但碳足迹仅是反映了农业生产的一个侧面而不是全部[16]。因此，本研究基于生命周期理念，将投入产出分析框架下衡量农业生产系统能流和碳流的两种方法，共同运用于贵州省锦屏县域辣椒产业发展的环境效益核算。

温室气体排放核算结果表明，在该地区辣椒生产的碳排放量远大于碳固定量，尤其是氮肥的生产和使用占到了生产全过程总温室气体排放量的多数，为66.33%，而农田的碳固定只能平衡41%，辣椒生产总体上表现为温室气体排放源，这与中国4种典型露地蔬菜（黄瓜、番茄、大白菜、萝卜）种植的温室气体排放分析结论相一致[11]。同时Zhi等[32]通过研究贵州当地玉米生产系统的碳排放，发现玉米种植的温室气体排放是3767 kg CO2eq，相比辣椒种植其减少了约1947 kg CO2eq。王孝忠[8]以西南地区重庆市为例，研究露地辣椒生产的减排潜力，结果表明重庆市辣椒生产的碳排放量为4060 kg CO2eq，相比贵州锦屏(5450.9 kg CO2eq)低1654.37 kg CO2eq。导致此差异的主要原因：一是集约化蔬菜种植系统的氮肥施用量显著高于粮食作物系统[10]；二是不同地区土壤、降雨、光照等自然条件和农民长期形成的施肥、栽培习惯等特性差异较大，致使区域间施肥结构不同[11]；三是目前农业生产资料的温室气体排放核算系数存在区域化差异和不确定性，尤其在有机肥方面[33]。虽然在贵州地区玉米改种蔬菜能够为农户带来更多的经济效益，提高农民收入[34]，但却增加了农田温室气体排放的风险。因此，在农业产业结构调整过程中，如何既保证生产经营者经济利益的同时维护好农业系统生态环境，是目前绿色低碳发展战略背景下，贵州省打造地方农业特色优势产业应该重点关注的方向。

近年来，基于各种方法的多指标农业生态系统环境影响评价已成为一种趋势[35]，刘巽浩曾用过能流法对中国南方水稻生产的能量产出效率进行分析[13]，梁龙等[36]也沿用能流法对贵州省黔东南州锦屏县水稻生产的能量利用效益进行分析，结果表明当地水稻生产的能量利用效率为0.21，很明显在锦屏县水稻种植的能量利用效率高于辣椒种植(0.17)。而相比国外地区，锦屏县辣椒生产的能量利用效率远低于土耳其0.99的核算结果[31]。这也说明锦屏县辣椒生产的能量利用效率并不理想，能量投入产出不平衡，辣椒生产投入不合理，能量流失严重。

3.2 结论

（1）从能效方面来看，辣椒生产的总能量投入大于产出，分别是53431.8 MJ和9000 MJ，净能量效益为-44431.8 MJ，其中化肥、农膜占有总能量投入相当大的份额，分别是53%和16%。能量利用效率、单位产品能量比和单位能量生产率指标得出的结果分别是0.17、4.75 MJ/kg和0.21 kg/MJ，能量生产效率偏低，未来应加强良种选育提高作物光合强度和能量吸收效率，同时也需要考虑发展清洁能源替代初级不可更新能源的使用。

（2）从碳效益来看，辣椒生产的碳效益指标包括碳排总量、碳固定量、净碳效率、有机耗碳比、单位面积碳足迹、单位产品碳足迹和单位经济效益碳足迹，核算结果分别是 5450.9 kg CO2eq、2227.3 kg CO2eq、0.41、0.07、0.55 kg CO2eq/m2、0.48 kg CO2eq/kg、2.91 元/kg CO2eq。辣椒生产整体表现为温室气体排放源，未来该地区仍需进一步重视农田的生态保育作用，可通过优化农资投入结构，增加有机物质投入占比、提升土壤质量，发掘土壤固碳潜力等农艺措施，实现地方辣椒生产零碳排。