稻田温室气体减排成本收益分析，本文主要内容关键词为：稻田论文,温室论文,气体论文,收益论文,成本论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：F30 文献标志码：A 文章编号：1004-1524(2016)04-0707-10 DOI：10.3969/j.issn.1004-1524.2016.04.26 气候变化现已成为人类面临的最主要的全球环境问题之一。大量温室气体(GHG)来自化石能源燃烧，现代集约农业以约14%～20%的排放量成为温室气体第二大排放源，包括土壤二氧化碳(
)排放、稻田和反刍牲畜甲烷(
)排放以及氮肥施用氧化亚氮(
)排放[1]。农业生产中，能源、化肥、杀虫剂、农膜等工业投入品直接或间接排放温室气体的同时，还伴随着土壤、水体、空气的立体交叉污染和食品不安全等严重的负外部性问题[2]。如何创新低碳农业系统，提高资源能源利用效率，降低现代石油农业对环境的负面影响已成为一个重要的科学命题。其中，成本-收益分析对于农业减排技术推广和农户采纳无疑具有重要意义。 农业减排问题经济分析多数依靠边际减排成本曲线(marginal abatement cost curves，MACCs)，边际减排成本曲线描述了不同减排措施的成本有效性(减排单位温室气体所多投入的成本)和减排潜力(减排量)之间的关系。Minihan等[3]应用MACC估算了爱尔兰畜牧业各项减排措施的边际减排成本；MacLeod等[4]以英国种植业和农田土壤减排为研究对象，不仅对减排技术进行了系统汇总，且通过专家评估和MACC对特定减排措施的技术可行性、成本有效性、减排潜力进行了评价和测算，从而筛选出具有技术和经济可行性的减排技术路径，成为综合技术筛选和经济分析的跨学科研究的经典文献；Wassmann等[5]对水稻种植不同技术组合排放核算方法及成本-收益进行了系统研究，在排放核算方法方面，发展了农业部门温室气体排放技术参数，建立了水稻生命周期直接与间接排放的投入产出关系；在不同减排技术组合成本-收益分析方面，应用MACC筛选出不同区域具有成本有效性的减排措施。国外上述农业源温室气体排放核算和经济分析已有研究体现3个特点：一是数据来源采用村和农户层面数据；二是结合具体产业或某一具体排放源开展研究；三是上述研究多基于土壤和气候条件的空间异质性和农户社会经济条件的区域差异性进行，即探究空间异质性对减排技术成本有效性的影响。 国内农业源温室气体减排技术研究目前主要集中在自然科学领域。Cai等[6]基于近20年的田野试验，为中国农田(含旱地和稻田)
和
排放积累了大量基础数据；董红敏等[7]总结了减少牲畜肠道
排放、稻田
排放、畜禽粪便
排放和农田
排放4大项12个子项的减排技术措施；张卫峰等[8]与英国洛桑实验室在“优化氮肥管理，发展低碳经济”方面开展合作研究，提出农田氮肥
减排技术；米松华等[9]应用修正式德尔菲法筛选出“确定性强、可行性强、减排潜力大、增产或稳产、农户易于采纳”的农田、稻田、畜牧业3大类18个子项适用性农业减排技术和管理措施清单。相对于农业减排技术的丰硕成果，我国减排技术成本-收益分析明显欠缺。本研究对浙江、江苏、湖南3省11个村稻作制度典型模式进行实地调研，获得稻农水肥管理、秸秆利用、轮作方式以及相应投入产出实物量和价值量的数据，定量比较稻农采用不同技术组合的减排潜力和成本收益，筛选出“低排放-高收益”技术组合，对区域内高排放技术组合向低排放技术组合转化的成本有效性进行评价，为我国农业减排技术推广和农业减排增汇生态效益补偿提供决策参考。 1 研究方法和数据来源 1.1 稻田减排技术 水稻是我国第一大粮食作物，我国水稻生产过程GHG排放占农业总排放的17.9%，占甲烷排放总量的35.8%[10]，因此，本文以稻田减排技术成本-收益分析为研究对象。稻田
排放主要受土壤性质、灌溉和水分状况、施肥、水稻生长和气候等因素影响[10-11]，稻田减排(
和
)技术集中在以下几个方面[11-16]： 灌溉模式——间歇灌溉、中期排水与烤田； 秸秆管理——生物质能源； 添加剂——甲烷抑制剂、硝化抑制剂； 土地管理——免耕直播、水旱轮作； 品种选育——低渗透率水稻品种、氮素高效利用品种。 1.2 边际减排成本曲线 边际减排成本曲线已成为评估减排成本的标准化工具[17-20]。曲线(图1)从左到右表明，随着减排量增加，边际减排成本上升。不同减排技术对应曲线不同位置，因此一些措施可能以较低成本降低排放量(A)，另一些措施可能带来更多减排量，但同时也对应更高减排成本(B)。边际减排成本曲线能清楚识别具有成本有效性的减排措施(通常位于影子价格以下)，而影子价格(或称门槛价格)可用于农业碳减排补贴或减排量交易。边际减排成本曲线绘制需要减排技术选取、减排成本估算、减排潜力评价(一般涉及减排速率估算和实施面积)，其中，减排成本估算是重点和难点。常用的方法包括自上而下分析，采用一般均衡模型将减排量作为外生变量，提供全国或全球尺度的总减排成本；或自下而上分析，基于农户调查数据，采用线性规划模型提供区域尺度的减排成本。
图1 边际减排成本曲线 1.3 样本选取和数据来源 2012年5—8月和2015年6—8月，受国家社会科学基金项目和浙江省自然科学基金项目的联合资助，笔者与浙江大学中国农村发展研究院8名博士研究生分别赴浙江、江苏、湖南进行调研。综合考虑水稻生产土壤、温度、降水、地形特征等农业生产条件差异以及近年水稻生产面临的现实问题，最终确定宁波市鄞州区、台州市黄岩区、丽水市松阳县、江苏省姜堰市、湖南省岳阳市作为调研区域。其中，宁波市鄞州区是全国粮食生产先进区，在沿海发达地区保证粮食播种面积方面较突出；台州市黄岩区是浙江省传统农区，与杨梅、果蔗等特色经济作物相比，种粮比较收益低且粮食生产经济规模小而分散的问题特别突出；丽水市松阳县系浙西南丘陵山区，水稻种植基础条件与平原地区的差异或导致稻农生产行为的不同；姜堰市是江苏省最早、规模最大的无公害大米生产地区，稻农对减排技术和管理措施或有更强的采纳意愿；湖南省岳阳市是湖南省乃至我国传统杂交水稻种植基地，在水稻新品种选育和推广方面一直走在全国前列。随后请当地农业局安排各县(市、区)样本村，其中每县(市、区)选取2～3个样本村，共选取上述3省5县(市、区)6乡镇具有代表性稻作模式的11个行政村，采用问卷调查法，共发放调查问卷268户，经人工检查剔除逻辑错误的样本31份，共回收有效问卷237份，获取了以下主要信息：(1)稻农水稻种植过程中灌溉模式、氮素来源、秸秆管理以及轮作方式；(2)能源消耗相关数据，包括单位面积氮肥用量和柴油用量；(3)稻农近3年成本收益详细数据，包括单位面积产量和单价，单位面积种子、化肥、商品有机肥、农药、育秧、租赁作业、机械燃料、农机维修、烘干、土地租金、用工成本等。稻田温室气体排放计算公式为排放源乘以相应排放因子，计算方法主要采用政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change，IPCC)推荐方法，相关系数、因子见表1。
2 水稻种植不同技术组合温室气体排放及成本收益分析 2.1 水稻种植不同技术组合温室气体排放效果比较 表2反映了各样本点稻农种植水稻所采用的技术组合。为使下文表述更为清晰简洁，表3对相关组合进行编码和说明。 稻农采用不同耕作技术和管理措施可能会影响稻田温室气体的直接或间接排放。本研究考虑水稻种植全周期温室气体排放，包括：稻田
排放、氮肥施用
排放、农机使用
排放、秸秆燃烧
和
排放及氮肥在生产和运输过程中间接耗能所导致的
排放。需要特别说明的是，水稻种植施用粪肥不多，主要用作底肥，故并未考虑粪肥施用本身所引起的温室气体排放；姜堰市河横村生物肥料折纯后既考虑其施用所引起的
排放，还参照化肥，考虑其在生产和运输过程中的间接
排放；秸秆还田作为土壤有机质补充方式，目前还未见对其所引发温室气体排放的一致计算方法，因此并未将秸秆翻埋还田作为氮素来源，而是与绿肥一样，认为绿肥和秸秆还田对氮素补充的作用体现在土壤有机质改善后节省的化肥投入方面，对于秸秆的多种用途，只考虑焚烧所导致的相关排放。各种技术和管理措施组合的温室气体排放基础数据来自样本稻农调查，详见表4，计算结果详见表5和图2。
由表5可知：不同水稻种植技术和管理措施组合的温室气体排放有显著差异，排放量在509.09 kg
当量·
(湿润灌溉、化肥、秸秆还田、稻—粮轮作)到850.88 kg
当量·
(淹水灌溉、化肥、秸秆还田、稻—蔬轮作)。如图2所示，针对不同技术组合，在稻田、氮肥、农机、秸秆燃烧所导致的温室气体排放中，稻田土壤均为最大排放源，氮肥直接和间接排放紧随其后，这一研究结论与Wassmann等[5]以菲律宾、中国和印度为研究区域测算的13种水稻技术组合温室气体排放结构相同。 根据研究目的，基于表5进一步比较灌溉技术、氮素来源、秸秆管理、轮作方式各自减排潜力。 比较1a，1d，1f，1e四种技术组合，其灌溉技术和秸秆处理方式相同，但氮素来源不同，将氮素养分来源从单纯投入化肥转为化肥和绿肥组合(化肥+豆类，化肥+紫云英)、化肥和粪肥混施，可分别减排5.70%，2.81%和2.69%。 比较1a，3a，2c三种技术组合，其差别主要体现在灌溉技术方面，如果灌溉技术从淹水灌溉调整到湿润灌溉和间歇灌溉，可依次减排40.17%和32.39%。
比较1b，1a，1c三种技术组合，其差别主要体现在秸秆利用方式上，相较于秸秆还田，秸秆用于畜舍建筑材料和焚烧，可分别减排4.39%和1.51%。值得注意的是，尽管就单项秸秆处理方式来看，秸秆焚烧排放量最高，但在本研究中，秸秆还田反而比焚烧总排放高，主要是两种模式氮肥施用量不同所致。 比较稻—稻轮作(1f)与粮—稻轮作(1d)，稻—稻轮作比粮—稻轮作多排放3.07%。 因此，从单项减排潜力来看，改善灌溉技术、氮素来源、秸秆处理以及轮作方式可降低稻田温室气体排放1.51%～40.17%，最大减排潜力来自于灌溉技术与模式选择差异。但是，减排技术组合以及单项减排技术都可能涉及额外的费用，从而可能降低稻农净收入，阻碍减排技术采纳。最终，每项减排技术的成本与收益在很大程度上共同决定农户相关技术采纳。 2.2 水稻种植不同技术组合成本收益比较 在上述不同水稻种植技术组合减排潜力分析基础上，进一步分析各技术组合的成本收益情况，从而明确具有成本有效性(cost-effective)的减排技术和管理措施组合。其中，成本费用主要包括单位面积种子、土地租金、化肥、商品有机肥、农药、机械作业费用(燃料动力费)或租赁作业费、人工费等；单位面积收入只考虑水稻收入(单位面积产量与单价乘积)；单位面积净利为单位面积收入减单位面积成本费用，样本点各技术组合成本费用和收益情况详见表6。
图2 水稻不同技术组合稻田、氮肥(直接和间接)、农机、秸秆燃烧温室气体排放结构示意图 Fig.2 Contribution of soil,on-and off-farm fertilizer application,farm machinery and rice straw burning in rice-based production system under the current farmers' practice on global warming potential(GWP)in study sites
2.2.1 水稻种植不同技术组合的碳排放与碳生产力 低碳农业的最终目标是实现“低碳高增长”，将农业经济增长建立在较少的温室气体排放基础上，并由此带来多种正外部效应，从而促进农业的可持续发展。基于表5和表6，计算了不同技术组合的碳生产力(单位
当量带来的单位面积净利)，结果详见表7，从静态角度筛选出高生产力、高收益、低排放的技术组合模式。 由表7可以看出：不同技术组合碳生产力在0.29～0.74元·
当量之间。其中，间歇灌溉模式(2a，2b，2c)表现出明显较高的碳生产力；淹水灌溉模式(1a—1f)则显示出较低的碳生产力；稻—稻轮作(1e，1f)相对于其他水旱轮作也表现出较低的碳生产力。 根据单位产量排放量和单位面积净利，图3将11种技术组合划分为高排放高收益、低排放高收益、高排放低收益、低排放低收益4类，可见，2a，2b，2c为低排放-高收益技术组合模式，尤其是2a和2c在产量、净利润、单位面积排放量、单位产量排放量等多项比较中均表现突出，说明低碳现代农业内涵核心——低碳高增长，是可以通过合理的技术组合模式得以实现的，这3种高碳生产力技术组合模式可作为我国稻田减排技术示范推广的重点。
图3 水稻不同技术组合排放-收益关系分类 Fig.3 Classification of rice management technologies based on GHG emission and net return 2.2.2 水稻种植不同技术组合的成本有效性 以浙江台州黄岩区为例，以1b(淹水灌溉、化肥、秸秆燃烧、稻—蔬轮作)技术组合作为基准模式，以区域内低排放模式为目标模式，定量分析由基准模式向目标模式转变的减排成本和减排量，即减排成本有效性。其研究意义在于，减排作为一种公共产品，为推进农户减排技术和管理措施的采纳，政府应提供多少补贴额或农业减排参与碳交易定价多少，才能激励农户采纳相应的减排技术和管理措施。 图4可表示以淹水灌溉、化肥、秸秆燃烧为基准技术组合向低排放技术组合转化的减排成本及其相应的减排量，阴影部分对应每种技术组合总减排成本；碳排放影子价格表示相对于基准模式，各技术组合每减排1 kg
当量的减排成本，可用于制定农户减排技术采纳的单位补贴额或碳交易价格。结果表明：由基准技术组合模式转向4种“低排放”技术组合模式的影子价格为1.63元～9.79元·
当量。从单位减排成本的角度来看，淹水灌溉、化肥、秸秆移走技术组合模式(cf_fe_re_ve)最具成本有效性，该技术组合模式的核心是秸秆资源化利用；其次为淹水灌溉、化肥+绿肥(豆科)、秸秆还田技术组合模式(cf_fg_in_fo)，该技术组合模式的核心是生物固氮。这两种技术组合模式相对于基准技术组合模式产量变化不大，农户较容易接受，因此可考虑将这两种技术组合模式作为浙江台州黄岩基准模式向“低排放”模式转化的主要补贴模式，如补贴40/86元·
或每减排1 kg
当量补贴1.63/2.41元(涉及稻田甲烷监测设备仪器投资以及核查等相关交易费用)，相应获得24.49/35.63 kg
当量·
的减排量。参考以上方法，各区域可以确定由基准模式向“低排放”模式转化具成本有效性的技术组合模式以及相应的补贴额或碳交易价格。
图4 稻田边际减排成本曲线图解 Fig.4 Marginal abatement cost curves in rice-based production system 3 讨论与结论 3.1 结论 (1)水稻种植全周期温室气体排放是灌溉模式、氮素来源、秸秆管理、轮作方式等不同技术和管理措施共同作用的结果，灌溉技术和模式表现出最大减排潜力，其次为氮素来源，秸秆资源化、能源化利用和水旱轮作、稻—稻轮作减排潜力差别不大。 (2)水稻种植不同技术组合表现出各异的排放效果和成本收益。边际减排成本曲线为区域内不同减排技术转化提供了基于成本有效性的分析方法，通过对“高排放”技术组合按单位面积或减排单位
当量进行补贴，将可能促使农户采纳“低排放”技术组合。 (3)由“高排放低收益”技术组合向“低排放高收益”技术组合转变的实质是提高农业投入品和资源能源利用效率，这样不仅能减排农业源温室气体，还附带改善农业面源污染、降低农业生态系统脆弱性、保障食品安全等多种正外部效应。 3.2 讨论 目前，国内农业减排问题研究多偏重于技术可行性分析，对农户采纳减排技术成本-收益的经济可行性分析明显欠缺。本文通过对水稻种植全周期不同技术组合排放效果和成本收益的比较分析，筛选出“低排放高收益”技术组合模式以及由“高排放低收益”模式向“低排放高收益”模式转化的边际减排成本，基于本文技术和经济可行性一体化分析或可为我国农业减排技术推广和农业减排固碳生态效益补偿提供决策参考。 基于调研区域不同技术组合减排潜力和成本收益比较分析结果，本文得出以下几点政策启示：一是强化秸秆还田和间(套、轮)作绿肥作物，补充土壤有机质含量，降低土壤温室气体排放，提高土壤碳汇储备；二是强化氮肥管理，推广测土配方施肥和精准定量施肥技术，提高氮肥利用效率，降低氮肥生产、运输、施用全过程直接和间接能源消耗和温室气体排放；三是强化间歇灌溉和湿润灌溉等节水灌溉技术；四是尽快制定配套扶持政策，对绿肥作物种植、秸秆资源化能源化综合利用、缓释肥、水利基础设施建设维护等给予重点补贴，强化教育培训、技术推广、田间指导等农业减排技术推广体系，推进区域“高排放低收益”模式向“低排放高收益”模式转化。 本研究与Smith等[1]和Wassmann等[5]样本选取原则一致，即选取农户和村级数据对农业源温室气体减排技术组合进行评价，这主要是考虑到土壤和气候条件的空间异质性。不同目标区域、不同技术组合的减排潜力和成本有效性存在差异的特性也决定了将区域个案定量研究结论转变为国家层面一般性结论是具有很高的不确定性的。此外，即使就单个研究区域而言，不同技术组合和管理措施涉及的成本和价格具有动态性，随着减排技术组合实施后土壤特性(有机质、酸碱性等)及成本收益变化，都决定了减排潜力和具有成本有效性的技术组合或发生变化，这说明区域特定性是农业源温室气体减排技术和低碳农业体系研究的基本思想。从方法上来说，本研究排放量核算只是采用IPCC推荐缺省值和相关文献参数/因子进行简单估算，且未考虑技术组合中各单项技术的相互影响；成本收益核算未考虑减排技术的附带成本和额外收益。因此，还需要更多区域案例和方法改进，以夯实本文提出的研究结论和由此提出的政策建议。 米松华，黄祖辉，朱奇彪，等.稻田温室气体减排成本收益分析[J].浙江农业学报，2016，28(4)：707-716.
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