基于LCA+DEA方法的玉...效率与温室气体减排潜力研究_宋文丽.pdf

第5 7卷第2期华中师范大学学报(自然科学版)V o l.5 7 N o.22 0 2 3年4月J OUR NA LO FC E N T R A LCH I NANO RMA LUN I V E R S I T Y(N a t.S c i.)A p r.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 1-1 2.基金项目:教育部人文社会科学基金项目(1 9 Y J C Z H 2 2 0).*通信联系人.E-m a i l:y a n g z h e n p p 1 2 6.c o m.D O I:1 0.1 9 6 0 3/j.c n k i.1 0 0 0-1 1 9 0.2 0 2 3.0 2.0 1 4文章编号:1 0 0 0-1 1 9 0(2 0 2 3)0 2-0 2 9 3-0 9基于L C A+D E A方法的玉米种植效率与温室气体减排潜力研究宋文丽,王文芳,杨 振*(华中师范大学城市与环境科学学院,武汉4 3 0 0 7 9)摘 要:在推进实施碳达峰、碳中和战略背景下,该文根据调查统计资料,利用生命周期评价(l i f ec y c l ea s s e s s m e n t,L C A)与数据包络分析(d a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s,D E A)相结合的方法对中国玉米的种植效率及温室气体减排潜力进行实证研究,结果表明:1)2 0 1 9年,2 0个主产省份的玉米种植效率均值为0.9 3 32,其中1 1个D E A低效省份效率介于0.6 2 170.9 7 54之间,平均值为0.7 7 26.种植效率对农药投入用量的敏感性最高,种子次之,柴油和化肥较低.2)低效省份当前每公顷排放的温室气体数量平均值为33 1 0.5 6k gC O2-e q,其中来自化肥的排放贡献率(7 5.1 0%)最高,柴油(1 9.9 8%)次之,农药(3.5 9%)和种子(1.3 2%)较低.在化肥排放结构中,氮肥排放占比(5 4.8 4%)最高,复合肥(4 3.4 5%)次之,磷肥(1.7 0%)和钾肥(0.0 2%)较低.3)为达到D E A有效,低效省份每公顷可以削减的温室气体介于3 0.6 923 4 5.0 2k gC O2-e q之间,平均值为8 4 4.6 4k gC O2-e q,其中,山东、河南两省的减排潜力分居全国前两位,总体上看减排潜力与种植效率呈反向变化关系.该项研究可望为玉米种植的低碳化导控路径设计提供参考依据.关键词:种植效率;减排潜力;L C A+D E A;玉米作物中图分类号:S 1 6 2.5+3文献标志码:A开放科学(资源服务)标志码(O S I D):为了减少气候变暖给人类带来的直接或间接危害,2 0 1 5年达成的 巴黎协定 提出应把全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在2之内,并为把升温幅度控制在1.5 之内而努力1.当前,农业生产贡献了全球大约1/5的温室气体,被大部分 巴黎协定 缔约方列为应对气候变化的重要领域2.玉米原产于美洲,是世界上主要的粮食作物和饲料作物之一.虽然不同国家和地区种植过程中投入的生产要素不尽相同,但通常包括种子、化肥、农药、地膜、柴油、电力等几种类型3.这些要素在各自的生产、使用过程中排放了可观的温室气体,对农业领域应对气候变化的努力构成挑战.近年来,有关农作物种植的减排理论、方法与技术探索引起学界广泛关注,普遍认识到科学测算减排潜力是指导减排行动的基础工作之一4.作为一种识 别、量化和评 估产品环境 影响的有 效方法5-6,生命周期评价(l i f ec y c l ea s s e s s m e n t,L C A)能够在一定程度上明确作物种植的温室气体排放源、排放量等问题,但无法提供用于减排潜力测算的进一步信息7.根据可持续发展理论和有关指导方针,任何旨在减轻环境影响的策略都应该以提高投入要素的环境效率行动为基础,以较低的环境影响创造更多的价值8.从这一理念出发,以“相对效率”概念为基础的数据包络分析(d a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s,D E A)被越来越多的学者纳入作物减排潜力测算的“工具箱”.D E A方法起源于C h a r n e s等人1 9 7 8年所做的开创性工作9,针对多个同质性决策单元(d e c i s i o nm a k i n gu n i t,DMU),该方法能够识别出技术有效、无效单元,并能够确定无效单元投入/产出的改进目标值(即为了将无效单元转化为有效单元需要达到的投入/产出水平),为投入/产出结构的优化提供参照基准.作为一种非参数方法,D E A在评价多投入、多产出系统效率方面有独到之处1 0,它无需明确指定一个先验生产函数来解释投入、产出之间的关系,无需定义不同投入之间、产出之间的相对权重,也不必考虑各指标间的单位和量级差异.在众多D E A方法中径向模型较为常用,但这一类模型对低效率程度的测量只2 9 4 华中师范大学学报(自然科学版)第5 7卷包含所有投入(产出)等比例缩减(增加)的比例,未考虑当前状态与改进目标值之间差距的松弛改进部分1 1.为克服这一不足,T o n eK等提出基于松弛 测 度 的S BM模 型(s l a c k b a s e d m e a s u r e,S BM)1 2.同时,为进一步区分效率值均为1的有效单元,S BM模型与A n d e r s e n等提出的超效率模型(s u p e r-e f f i c i e n c ym o d e l)结合起来,形成了所谓的超效率S BM模型1 3.当前,已经有不少文献应用S BM模型或超效率S BM模型对部分农作物进行了研究,但大多止步于对种植效率的测算及其对比分析上1 4-1 5,鲜有论及温室气体减排潜力方面的成果.考虑到L C A、D E A方法的各自优势及内在关联,L o z a n o等提出将两种方法联合起来,建立技术效率与环境影响之间的直接联系1 6,以更有效地探测效率低下的原因以及不必要的环境影响.这一思路十分新颖,被认为是解析可持续发展目标的一个有力工具,当前已逐步应用于小麦、马铃薯、棉花、槟榔等种植环境问题分析中1 7-2 0,为生产者、政策制定者权衡农业生产与环境影响之间的关系提供了良好视角.在国内,L C A+D E A方法尚未引起重视,有关农业领域的应用成果未见系统报道.玉米在我国粮食安全体系中占据重要地位,近年种植面积基本稳定在43 0 0万h m2a-1,产量在2.5亿ta-1上下,长期居世界第二位.随着玉米种植过程现代化水平的不断提高,直接和间接排放的温室气体越来越多,减排压力巨大.基于上述分析,本研究在碳达峰、碳中和战略目标指引下,引入L C A+D E A方法测算我国玉米种植效率及温室气体减排潜力,为农业生产的低碳化导控路径设计提供参考依据.1研究思路与方法1.1研究思路我国玉米主产区涵盖河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、江苏、安徽、山东、河南、湖北、广西、重庆、四川、贵州、云南、陕西、甘肃、宁夏、新疆等2 0个省级行政区.这些地区集中了全国9 0%以上的播种面积和产量,本研究将其定义为应用于数据包络分析的决策单元.借鉴L C A+D E A分析中常用的“五步法”思路2 1,设定玉米种植效率与温室气体减排潜力测算分析框架(图1),主要步骤如下:1)明晰问题背景与目标,明确各个决策单元有关玉米种植的投入/产出指标,收集基础数据.2)利用D E A方法测算每个决策单元的种植效率,确定低效单元及其在生产前沿上的投入目标值.3)利用L C A方法测算每个低效单元当前投入对应的温室气体排放量.4)计算每个低效单元投入目标值对应的排放量.5)测算每个低效单元的当前排放量与目标排放量的差距,确定减排潜力,解析低碳化导控策略.图1 玉米种植效率与减排潜力测算分析框架F i g.1 C a l c u l a t i o na n da n a l y s i s f r a m e w o r ko fp l a n t i n ge f f i c i e n c ya n dp o t e n t i a lGHGr e d u c t i o n1.2指标与方法1.2.1指标与数据 根据L C A应用需求和D E A建模需要(如满足“拇指法则”等)并考虑数据的可得性,确定玉米种植投入、产出指标.1)投入指标,主要考虑当年投入的、与碳排放有关的核心生产要素.当前,我国玉米种植已实现商品化供种,播种后通常需要喷洒适量农药防治病虫害,施用足量化肥补充土壤肥力,并根据水分盈亏状况及时排灌.参考 全国农产品成本收益资料汇编2 0 2 02 2中提供的数据,玉米种植中对地膜和电力的消耗普遍很少,故选择种子、农药、化肥和柴油作为投入要素,将各要素的每公顷用量作为投入指标.其中,种子和各类化肥(氮肥、磷肥、钾肥、复混肥等)的用量数据直接取自上述汇编资料.对农药和柴油用量,根据市场价格和上述汇编资料中提供的相应支出项进行折算.其中,农药市场综合价设定为3 0.0元k g-1;柴油成本占机械作业费的1/3,市场价设定为6.7元k g-1.2)产出指标.农户从事玉米种植的目的在于收获玉米实物,以及出售部分实物获取收入两个方面.两类收益密切相关,且后者取决于前者,故本研究将实际收获的按原粮(标准水分)计算的玉米粒重量作为产出指标,不考虑秸秆、玉米芯等副产品的收获量,数据直接取自上述汇编资料.1.2.2生命周期评价方法 根据国际标准组织(I S O)制订的L C A相关流程量化各项投入的温室气体,排放系数以每单位投入品排放的生命周期二氧化碳(当量)表示,功能单位为1k g.由于我国本 第2期宋文丽等:基于L C A+D E A方法的玉米种植效率与温室气体减排潜力研究2 9 5 土化的L C A数据库研发工作尚处于起步阶段2 3,这里 使 用 联 合 国 粮 食 及 农 业 组 织(F o o da n dA g r i c u l t r u eO r g a n i z a t i o no ft h eU n i t e dN a t i o n s,F AO)开发推广的A g r i-f o o t p r i n t5.0作为背景数据库,采 用联合国政 府间气候变 化专门委 员会(I n t e r g o v e r n m e n t P a n e l o n C l i m a t e C h a r g e,I P C C)提出的I P C C-2 0 1 3方法测算各投入要素的温室气体排放系数.对二氧化碳以外的温室气体,根据其全球增温潜势(g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l,GWP)折算为二氧化碳(当量),时间尺度统一为1 0 0年.其中,按照从“摇篮”到“大门”的历程对种子和农药进行排放系数测算,所得结果考虑了相关原材料的收集、加工、产品制造过程;对化肥和柴油则同时考虑了原材料收集、加工、产品制造与农田使用过程.利用目前广泛使用的生命周期评估专业软件S i m a P r o9D e v e l o p e r进行计算,显示种子、农药、柴油的排放系数分别为1.1 3 71k gC O2-e qk g-1、9.8 6 50k gC O2-e qk g-1、8.7 9 89k gC O2-e qk g-1,氮肥(尿素)、磷肥(过磷酸钙)、钾肥(氯化钾)、复合肥(N P K:1 5-1 5-1 5)的排放系数分别为3.3 3 86k gC O2-e qk g-1、1.8 2 88k gC O2-e qk g-1、0.1 5 37k gC O2-e qk g-1、0.8 9 05k gC O2-e qk g-1.1.2.3数据包络分析方法 由于温室气体主要来源于投入要素的生命周期排放,减少投入是实现减排的可行举措,也是生产者容易理解和操作的视角;