研究区域农作物化肥施用的碳排放趋势演进规律与减排潜力对于合理制定农业碳减排政策具有重要意义。文章基于“全国农产品成本收益资料汇编”、“中国统计年鉴”和农业部“小麦、玉米、水稻三大粮食作物区域大配方与施肥建议”中各地区的三大粮食作物产量、化肥投入类型及其数量等数据，采用碳排放系数法，测算并分析2005-2013 年中国三大粮食作物化肥施用碳排放时空演变与碳减排潜力。最后，结合实地调查，本文提出应在粮食作物化肥施用碳减排潜力大的区域，通过政策激励和市场化运作，提高测土配方施肥技术推广的效应。
1 、引言
农业碳排放仅占中国温室气体排放总量的16%~17%，但其所拥有的减排潜力以及由此带来的正外部效应却不应低估。农业碳排放源有农业投入品使用、农业能源耗费、农业废弃物处理、稻田甲烷排放、土壤氧化亚氮的直接排放、动物尤其是反刍动物养殖带来的碳排放。世界粮农组织（FAO）的相关研究表明，传统集约农业中75% 的二氧化碳（CO2）来自化肥、饲料及燃料。黄祖辉等采用分层投入产出—生命周期评价法研究浙江省农业系统碳足迹，发现隐含在农用能源和农业工业投入品生产过程中的碳排放不容忽视，化肥（氮肥）生产、运输、施用过程中引致的碳排放在整个农业系统碳排放中所占比重最大。史磊刚等在系统评价了华北平原冬小麦-夏玉米两熟种植模式的碳足迹，发现在其碳足迹构成中的化肥、电能、柴油、种子和农药分别占总量的61.76%、25.03%、7.44%、4.75%和1.02%，氮肥使用量和电能消耗量均与碳足迹呈正相关。王才军等研究表明，近15 年，重庆农业生产中化肥使用导致的碳排放在整个农业投入的碳排放中始终占据绝对大的比重。尧波等的研究表明，江西省农业碳排放总量从2000 年的230.85 万 t 增长到2010 年的290.51 万 t，不同年份农业碳排放均主要源于化肥施用与农业机械使用。张广胜等分析了中国农业碳排放总量、结构和效率的变动特征，结果表明，氮肥在化肥中的比重与农业碳排放强度呈长期稳定的正向关系，且其影响程度明显高于其他的变量因素。
鉴于化肥施用对农业碳排放的影响，农业碳减排应在控制氮肥施用和降低能源消耗上采取措施，在控制氮肥施用方面，可考虑以测土配方施肥技术的推广应用为核心，继续推广氮肥减施、精准施肥、水肥一体化和缓释肥、长效肥、硝化抑制剂等减排技术和新型肥料。实际上，中国从2005年就开始推广该技术，农业部发布了一系列测土配方施肥技术推广通知和扶持政策，如“测土配方施肥技术规范（2011 年修订版）”和“小麦、玉米、水稻三大粮食作物区域大配方与施肥建议（以下简称三大粮食作物施肥建议）”。然而，从图 1可以看出：1993-2013 年，中国粮食作物播种面积基本维持在11000 万hm2 左右，粮食种植的化肥施用量增速是粮食产量增速的2.29 倍，单位产出的化肥投入边际效益以年均1.75% 的速度降低。那么，多年的测土配方施肥技术推广是否显著降低了中国各地区三大粮食作物化肥施用的单位产品碳排放量？各地区三大粮食作物科学施肥的碳减排潜力还有多大？这些问题都非常值得学界研究。
国内多数农业碳排放研究或单独考虑国家层面，或国家、省级行政区域兼顾，对中国农业碳排放现状、时空特征的把握也随着研究的深入而不断趋于准确。但是，在进行区域比较时，集中于单纯的农业碳排放绝对量（如总量、强度）比较，虽可操作性强，却易受农业生产规模或农作物复种指数的影响。目前，反映农业碳排放效率的指标有农业碳排放强度和农业碳排放密度，其中农业碳排放强度指平均每万元农业GDP 所产生的碳排放量，农业碳排放密度指平均每公顷播种面积上所产生的碳排放量。以上这些指标难以比较中国各地区农作物化肥施用的单位产品碳排放量的差异。为此，本文提出核算分析中国三大粮食作物化肥施用的单位产品碳排放量时空演变，并以科学施肥为标准进一步测算中国各地区三大粮食作物化肥施用的碳减排潜力，为中国进一步推广测土配方施肥技术提供参考依据。
2、 研究方法及数据来源
2.1 粮食作物化肥施用的单位产品碳排放量测算方法
本文采用排放系数法，在参考李波等学者的碳排放公式构建方法基础上，本文构建了粮食作物实际化肥施用单位产品碳排放量测算公式（1）：
EAijh =(Nijh·Cn +Pijh·Cp +Kijh·Ck)/Yijh （1）
式中EAijh 为第i 年j 地区每公斤h 类粮食作物实际化肥施用的碳排放量（kgCE/kg）；Nijh 、Pijh和Kijh 分别为第i 年j 地区h 类粮食作物种植的每亩氮、磷和钾化肥实际折纯施用数量；Cn 、Cp 和Ck 分别为氮、磷和钾化肥的碳排放系数；Yijh 为第i 年j 地区h 类粮食作物的平均亩产量。
2.2 粮食作物化肥施用的碳减排潜力测算方法
碳减排潜力测算分两步实现：
第一步测算出2013 年实际亩产量的各地区各类粮食作物科学施肥的单位产品碳排放量，测算方法见公式（2）：
EGjh =(NGjh·Cn +PGjh·Cp +KGjh·Ck)/YGjh （2）
式中EGjh 为科学施肥情形下，j 地区每公斤h 类粮食作物化肥施肥的碳排放量（kgCE/kg）；NGjh、PGjh 和KGjh 分别为科学施肥情形下，第j 地区h 类粮食种植的每亩氮、磷和钾肥建议施肥量；YGjh 为j 地区h 类粮食为科学施肥情形下的区间亩产量平均值。
第二步，依据科学施肥单位产品碳排放量相对实际施肥单位产品碳排放量的减少量，以及各地区各类粮食的总产量，测算各地区各类粮食作物化肥施用的碳减排潜力，测算方法见公式（3）：
PEjh =Tjh(EAjh -EGjh) （3）
式中PEjh 为科学施肥情形下，第j 地区h 类粮食种植化肥施用的碳减排潜力（万tCE）；Tjh 为2013 年第j 地区h 类粮食作物的总产量，EAjh 为2013 年j 地区每公斤h 类粮食作物实际化肥施用的碳排放量。基于三大粮食作物施肥建议的施肥标准，如果地区相关粮食作物化肥施用的碳减排潜力结果如果为负数，则应用该地区的作物区域配方与施肥建议或农业部的“2015 年春季主要作物科学施肥技术指导意见”的施肥标准进行测算，由于只有个别省份发布了省级三大粮食作物区域配方与施肥建议，对于没有省级建议的，该地区相关粮食作物化肥施用的碳减排潜力以零计算。
2.3 数据来源及处理
本文的所有数据来源为：
（1）氮磷钾肥碳排放因子。其中，氮、磷和钾化肥制造过程的碳排放系数借鉴陈舜等最近完成的中国氮磷钾肥制造温室气体排放系数估算。关于氮肥施用的N2O 排放，IPCC 已设定N 应用的排放因子为0.0125 kgN2O-N/kgN；胡小康等研究氮肥管理对夏玉米土壤CH4和N2O 排放影响的结果表明：氮肥施用量300 kgN/hm2、250 kgN/hm2 和185 kgN/hm2 情况下N2O-N 排放导致的温室效应分别为1621.29 kgCO2/hm2、1095.82 kgCO2/hm2 和786.72 kgCO2/hm2。农田N 应用包括氮肥和有机肥施用，因此，胡小康等的研究结果更适合中国三大粮食作物种植氮肥施用的N2O 排放，取其研究的平均值，氮肥施用释放N2O 导致的碳排放因子为1.276 kgCE/kg。最终，各种化肥的碳排放系数确定为：氮肥3.392 kgCE/kg（2.116 + 1.276），磷肥0.636 kgCE/kg，钾肥0.180 kgCE/kg。
（2）2005-2013 年中国各地区三大粮食作物的每亩产量和每亩的化肥投入种类及数量来源于《全国农产品成本收益资料汇编（2006-2014）》。
（3）2005-2013 年中国各地区三大粮食作物的总产量数据来源于《中国统计年鉴（2006-2014）》。
（4）依据化肥折纯量计算参考，本文将复混肥中的磷酸二铵、三元复合肥和混配肥折算成氮、磷、钾肥（折算系数见表 1）。
（5）科学施肥情形下，各地区三种粮食作物种植的每亩氮磷钾建议施肥数量来源于农业部办公厅印发的三大粮食作物施肥建议或者部分省份公开的“作物配方肥配方推荐与施肥指导意见”，其中，玉米分为东北春玉米区、华北夏玉米区、西北春玉米区和西南玉米区，小麦分为东北春麦区、西北麦区、华北冬麦区、长江中下游冬麦区和西南麦区，水稻分为东北单季稻区、长江流域单双季稻区、江南华南单双季稻区、西南高原山地单季稻区和其它稻区。各省份与对应的种植区如表 2所示。
3 、结果与分析
3.1 中国三大粮食作物化肥施用的单位产品碳排放量时空演变
3.1.1 2005-2013 年中国玉米化肥施用的单位产品碳排放量时空演变
如图 2 所示：① 四大玉米区化肥施用的平均单位产品碳排放量，东北春玉米区的最小，西南玉米区的最大；② 单位产品碳排放量小于0.09 kgCE的区域从2005 年的黑龙江、吉林和新疆演变为2013 年的黑龙江、河北、河南和山西，单位产品碳排放量大于0.15 kgCE的区域从2005 年的江苏、云南、广西、湖北、安徽、陕西和宁夏演变为2013 年的贵州、云南、广西和湖北；③ 东北春玉米区化肥施用的单位产品碳排放量，黑龙江和吉林上升明显，吉林增长近20%，辽宁经历了波浪式演变，最终比2005 稍有下降；④ 华北夏玉米区化肥施用的单位产品碳排放量，所有地区的均有下降，江苏和安徽下降明显，但其碳排放量还是过高；⑤ 西北春玉米区化肥施用的单位产品碳排放量，宁夏、甘肃和山西有较大下降，且山西的碳排放量达到黑龙江的水平，新疆有所上升；⑥ 西南玉米区化肥施用的单位产品碳排放量，除四川和重庆，其它地区的碳排放量均过高，而贵州波动幅度大，2013 年成为全国碳排放量最大的省份，四川经历了波浪式演变，最终成为西南玉米区碳排放量最小的地区。
3.1.2 2005-2013 年中国小麦化肥施用的单位产品碳排放量时空演变
如图 3 所示：① 单位产品碳排放量小于0.12 kgCE 的区域从2005 年的黑龙江和河南演变为2013 年的黑龙江、湖北、四川和安徽，单位产品碳排放量大于0.18 kgCE 的区域从2005 年的宁夏、内蒙古和陕西演变为2013 年的内蒙古、宁夏、山西和云南；② 所有麦区中单位产品碳排放量下降明显的区域是宁夏、陕西和湖北，上升明显的区域是云南和河南；③ 2013 年，单位产品碳排放量最高地区内蒙古（0.238 kgCE）是最低地区黑龙江（0.088 kgCE）的2.7 倍；④ 2013 年，河南、山东、四川和安徽的单位产品碳排放量趋同，在0.12 kgCE 附近；⑤ 2013 年，西北麦区，陕西、甘肃和新疆的单位产品碳排放量基本趋同（在0.16kgCE 附近），宁夏和山西趋同（在0.185 kgCE 附近），单位产品碳排放量过高。
3.1.3 2005-2013 年中国水稻化肥施用的单位产品碳排放量时空演变
如图 4 所示：① 单位产品碳排放量小于0.08 kgCE 的区域从2005 年的黑龙江、吉林和重庆演变为2013 年的黑龙江、重庆和陕西，单位产品碳排放量大于0.11kgCE 的区域从2005 年的山东、江苏、河南、辽宁、内蒙古、海南、广东、浙江、宁夏和广西10 个地区演变为2013年的江苏、山东、海南、宁夏和广西5个地区；② 单位产品碳排放量下降明显的区域是辽宁、山东、江苏、浙江、陕西和湖南，上升明显的区域是吉林、广西和云南；③ 单位产品碳排放量的变动区间，东北单季稻区由“0.068~0.123 kgCE”降到“0.057~0.097 kgCE”，长江流域单双季稻区由“0.080~0.177 kgCE”降到“0.077~0.120 kgCE”，江南和华南单双季稻区由“0.099~0.129 kgCE”降到“0.088~0.114 kgCE”，西南高原山地单季稻和其它稻区基本处于“0.082~0.124 kgCE”；④ 单位产品碳排放量波动幅度较大的区域是内蒙古、辽宁、江西、海南和贵州。
3.2 中国三大粮食作物化肥施用的碳减排潜力测算
首先，在三大粮食作物施肥建议中，查找产量水平能够达到2013 年各地区粮食作物实际亩产量的施肥建议和推荐配方，基于公式（2）计算科学施肥情形下各地区粮食作物化肥施用的单位产品碳排放量。然后，基于公式（3）计算科学施肥情形下中国各地区粮食作物化肥施用的总碳减排潜力。
3.2.1 中国玉米、小麦化肥施用的碳减排潜力
如图 5a 所示：① 每公斤玉米化肥施用碳减排潜力大的地区，有贵州、广西、云南、湖北、陕西和江苏；② 2013 年，每公斤玉米化肥实际施用的碳排放量与科学配方施肥指导下化肥施用的碳排放量接近的地区，有河南、河北和山西；③ 全国玉米化肥施用碳减排潜力大的区域有黑龙江、辽宁、吉林、山东、内蒙古、陕西、云南和贵州，其碳减排潜力总和占全国玉米化肥施用碳减排潜力总量（约574 万 tCE）的75.57%。
如图 5b 所示：① 每公斤小麦化肥施用碳减排潜力大的地区，有内蒙古、云南、山西、陕西、宁夏、甘肃、新疆、江苏、河北和四川；② 2013 年，每公斤小麦化肥实际施用的碳排放量与科学配方施肥指导下化肥施用的碳排放量接近的地区仅有湖北；③ 全国小麦种植区碳减排潜力大的区域有河北、江苏、山东和河南，其碳减排潜力总和占全国小麦化肥施用碳减排潜力总量（约475 万 t CE）的61.33%。
3.2.2 中国水稻化肥施用的碳减排潜力
（1）中国早稻化肥施用的碳减排潜力。如图 6a 所示：① 每公斤早稻化肥施用碳减排潜力大的地区，有广西、安徽和广东；② 2013 年，每公斤早稻化肥实际施用的碳排放量与科学配方施肥指导下化肥施用的碳排放量接近的地区有江西，不过，除广西、安徽和广东以外的地区差距比较小，反映了早稻化肥施用基本合理；③ 全国早稻种植区碳减排潜力大的区域有广西、广东和湖南，其总和占全国早稻化肥施用碳减排潜力总量（约47 万 t CE）的82.57%。
（2）中国中稻化肥施用的碳减排潜力。如图 6b 所示：① 每公斤中稻化肥施用的碳减排潜力大的地区，有江苏、湖南和云南；② 2013 年，每公斤中稻化肥实际施用的碳排放量与科学配方施肥指导下化肥施用的碳排放量接近的地区有湖北、重庆、四川和陕西；③ 全国中稻种植区碳减排潜力大的区域有江苏、安徽、湖南和云南，其总和占全国中稻化肥施用碳减排潜力总量（约103 万 t CE）的78.60%；④ 福建地区中稻种植的化肥施用产出率很高，单位产品化肥施用的碳排放量优于农业部区域大配方下的碳排放量。
（3）中国晚稻化肥施用的碳减排潜力。如图 6c 所示：① 每公斤晚稻化肥施用碳减排潜力大的地区，有海南、广西和广东；② 2013 年，每公斤晚稻化肥实际施用的碳排放量与科学配方施肥指导下化肥施用的碳排放量接近的地区有湖南、湖北和浙江；③ 全国晚稻种植区碳减排潜力大的区域有广西、广东和海南，其总和占全国晚稻化肥施用碳减排潜力总量（约56 万 t CE）的69.85%。
4 、结论与讨论
4.1 结论
本文的测算结果表明：
（1）中国历时9 年的测土配方施肥技术推广，对部分区域三大粮食作物种植化肥施用的单位产品碳排放量下降有一定作用：① 宁夏、甘肃、山西、江苏和安徽的玉米；② 宁夏、陕西和湖北的小麦；③ 辽宁、山东、江苏、浙江、陕西和湖南的水稻。
（2）2013 年不少地区三大粮食作物种植化肥施用的单位产品碳排放量与科学施肥情形下的排放还有一定差距：① 贵州、广西、云南、湖北、陕西和江苏的玉米；② 内蒙古、云南、山西、陕西、宁夏、甘肃、新疆、江苏、河北和四川的小麦；③ 广西、安徽和广东的早稻，江苏、湖南和云南的中稻，海南、广西和广东的晚稻。
（3）2005-2013 年，也出现了不少地区三大粮食作物种植化肥施用的单位产品碳排放量异常上升的情况：① 黑龙江、吉林和贵州的玉米；② 云南和河南的小麦；③ 吉林、广西和云南的水稻。
（4）理论上中国三大粮食作物化肥施用碳减排潜力大的区域为：① 黑龙江、辽宁、吉林、山东、内蒙古、陕西、云南和贵州的玉米；② 河北、江苏、山东和河南的小麦；③ 广西、广东、安徽、湖南和云南的水稻。这些碳减排潜力较大的区域，将是未来中国在三大粮食作物种植中深入推广测土配方施肥技术的区域选择依据。
4.2 讨论
（1）依据“中国统计年鉴2014 年”中历年来农用化肥施用量的事实数据，从中国三大粮食作物化肥施用的碳减排潜力测算结果来看，从某种程度上反映了中国推行的一系列测土配方施肥技术推广政策的节肥减排效果不明显。Cannell、European Climate Change Programme和Freibauer 的研究表明：农业实际碳减排潜力远远低于技术碳减排潜力，实际减排除受到生化原理和价格影响外，还受到制度、教育、社会和政治等多因素约束。
（2）结合作者组织的对全国部分地区农户、土肥站和湘潭地区化肥生产企业的调查，以及分析相关文献，发现：① 中国测土配方施肥技术推广的面太广，重点不明确，导致政府补贴力度小，且补贴对象错位，补贴经费几乎都给了各级农业局，难以激励测土配方施肥技术推广试点企业、肥料经销商和农民；② 测土配方施肥技术推广存在市场瓶颈，因测土配方肥的工艺复杂、配方多、用量少和需定点做包装袋而导致肥料成本上升，农民对测土配方肥的效果心中也存有疑问和不想更新种植技术而不轻易使用测土配方肥；③ 基层推广体制不健全，由于体制、经费等原因导致基层技术服务人员的工作积极性不强，影响测土配方施肥技术的推广普及。
（3）本文建议对当前测土配方施肥技术推广机制进行创新，集中资源，以三大粮食作物化肥施用碳减排潜力大的区域作为测土配方施肥技术推广的重点，由政府制定并执行科学的政策制度，鼓励化肥生产企业主动与重点区域三种粮食作物农民专业合作社对接，减少中间环节，最终通过市场化运作持续提高测土配方施肥技术推广的效应。
作者单位：湖南科技大学商学院/两型社会与生态文明协同创新中心
中国乡村发现网转自：《资源科学》2016 年第 3 期
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