中國農業溫室氣體排放的現狀探討
氣候變化自20世紀90年代以來便是國際政治最重要的議題之一。因人類活動排放大量溫室氣體而改變氣候模式、導致全球變暖已是不爭的科學事實。2009年在丹麥哥本哈根召開的聯合國氣候變化大會上，國際社會達成了將全球氣溫升幅控制在2℃的共識。盡管各國在何時應達到溫室氣體排放峰值、如何就減緩和適應氣候變化的資金和技術進行轉移等方面存在爭議，但降低排放、發展綠色經濟已成世界潮流，中國作為目前溫室氣體排放量最大、增長幅度最快的國家，倍感國際政治輿論壓力。農業是中國溫室氣體排放的一項重要來源。居民對肉類、奶類等動物蛋白質需求增加導致牲畜腸道和糞便排放更多的和，化肥使用增加則導致土壤排放更多的和。本文試圖回答：中國農業溫室氣體排放的現狀如何?一旦全球達成溫室氣體減排協議，中國農業將受何種程度影響。
1 農業溫室氣體計算范圍、方法及數據來源
在《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》第四卷《農業、林業及其他土地利用》中[1]，農業溫室氣體主要涉及農田、牲畜和糞便管理，管理土壤中的排放和石灰與尿素使用過程中的排放3類，林地、草地、濕地等土地利用及變化歸入土地利用、土地利用變化與林業類(LULUCF)。其中農田排放主要包括仍為農田的農田、轉化為農田的土地排放，以及水稻種植中的排放;牲畜和糞便管理主要包括腸道發酵引起的排放，糞便管理系統中的和排放。具體到特定的國家，計算農業溫室氣體排放的范圍主要考慮：①該項農業活動是否為主要排放源?②該項農業活動及排放參數是否可得?在2004年發布的《中華人民共和國氣候變化初始國家信息通報》中[2]，我國主要計算了稻田排放，由徑流和淋溶引起的農田間接排放，動物腸道排放，動物糞便管理系統中的和排放。2010年印度發布的“India：Greenhouse Gas Emissions 2007”中[3]，農業排放主要計算了動物腸道和糞便管理中的和排放、稻田排放、農地管理中的間接和直接排放以及農作物殘余物燃燒排放。
IPCC提供的溫室氣體清單指南中，農業溫室氣體排放主要計算的是農業生產活動過程中產生的溫室氣體，如水稻種植和動物腸道產生的，不包括化肥、能源、農藥、農膜等投入物生產過程包含的溫室氣體。IPCC這樣確定計算范圍主要是為了真實了解一國因人類活動產生的溫室氣體量，防止部門間重復計算，這一計算范圍不能全部反映因農業活動產生的溫室氣體。化肥、農用能源等投入是由農業消耗的，因生產化肥、農用能源等投入而產生的溫室氣體排放無疑應計入農業活動中。
本文將分析減排對中國農業的影響。一旦國際社會達成削減溫室氣體的協定，煤、石油等石化能源使用將受到限制，化肥、能源、農藥、農膜等物資的價格將上升，農業生產成本將被推高。因此，本文不僅計算了IPCC推薦的農業生產過程排放，而且計算了化肥、能源、農藥、農膜等投入物的排放。具體包括：水稻種植排放的及稻田因化肥施用排放的，豬、奶牛、黃牛、水牛、馬、驢、騾、駱駝、山羊、綿羊腸道排放的，糞便管理中排放的和，家禽、兔糞便管理中排放的和，土壤管理中直接和間接排放的，化肥施用過程中排放的和，以及化肥、農用能源、農膜、農藥等投入物包含的排放。
本文計算農業溫室氣體的方法采用了IPCC推薦的方法1，主要排放參數、調整系數、轉換系數、及部分排放計算公式來自《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》。水稻種植的排放系數按公式(1)計算：
動物腸道排放因子直接來自IPCC，其中奶牛按年產奶量進行調整;動物糞便管理排放因子來自IPCC，其中豬、奶牛、馬、驢、騾、山羊、綿羊、禽類的糞便排放因子按寒冷地區、溫暖和熱帶地區每類動物所占的比重進行加權計算;動物糞便管理排放因子來自胡向東、王濟民的研究[4];土壤管理直接排放、間接排放、化肥施用引起的和排放、稻田氮肥施用引起的排放等因子來自IPCC;煤、柴油、汽油、電力等能源排放系數來自IPCC;化肥生產的排放系數來自Sam Wood and Annette Cowie的研究綜述[5];農藥的排放因子來自E Audsley，K Stacey，D Parsons，et al.的研究[6];農膜排放因子根據1t氯乙烯消耗多少噸乙烯，1t乙烯排放多少噸，加上氯乙烯生產過程中排放的計算，其中轉換和調整參數、過程排放因子來自IPCC。需要指出的是，化肥和農藥生產過程中的排放系數取自歐洲國家平均水平。由于發達國家化工技術更高，原料和燃料主要使用天然氣、石油而不是煤，因此以這兩個參數計算的化肥和農藥生產的溫室氣體排放量可能低于中國的實際水平。
耕地面積、水稻種植面積、牲畜數量、化肥施用量、農藥和農膜使用量等農業生產活動數據來自《新中國農業60年統計資料》，《中國統計年鑒》，《中國農業年鑒》，《中國畜牧年鑒》;農業各類能源消耗來自《中國能源統計年鑒》;生豬散戶養殖和規模養殖的比例和天數、水稻每畝施氮肥量、每公頃糧食生產利潤等數據來自《全國農產品成本收益資料匯編》。生產周期限大于1年的牲畜數量按存欄計算，少于1年的牲畜數量按出欄計算，同時根據IPCC推薦的年均飼養量作調整，調整的公式如下：
其中：AAP為年均飼養量，Alive_Days為牲畜生長期，NAPA為每年生產的牲畜數量。
2 農業溫室氣體排放現狀
如表1所示：2009年，中國農業總計排放溫室氣體158 557.3萬t 當量，比1980年增長52.03%，年均增長1.46%。其中，排放1 864.97萬t，相當于39 164.32萬t ，占總排放的25%;排放266.68萬t，相當于82 670.24萬t ，占總排放的52%;排放36 722.74萬t，占總排放的23%。與1980年相比，排放的比重下降了4個百分點，排放比重保持不變，排放比重上升了4個百分點。在2009年排放的中，水稻生產排放占36.42%，畜牧生產排放占63.58%;在排放的中，畜牧生產排放占21.54%，因化肥施用排放占21.05%，土壤管理排放占57.41%;在排放的中，因能源使用排放占36.28%，因化肥施用和生產排放占58.87%，因農藥使用排放占4.1%，因農膜使用排放占0.8%。
按來源分析，在2009年排放的溫室氣體中，水稻種植排放14 264.45萬t，占9%;畜牧生產排放42 709.94萬t，占26.94%;土壤排放47 457.81萬t，占29.93%;化肥、能源、農藥、農膜等投入排放54 125.11萬t，占34.14%。較1980年，水稻種植排放下降了4 070.43萬t，所占比重下降了8.58個百分點;畜牧生產排放增加了21 464.78萬t，所占比重上升了6.57個
百分點;土壤管理排放增加了8 757.15萬t，所占比重下降了7.18個百分點;化肥、能源、農藥、農膜等投入排放增加了28 110.81萬t，所占比重上升了9.2個百分點(見表2)。
水稻排放的溫室氣體下降源于稻田種植面積縮減。2009年，水稻種植面積為2 962.69萬，較1980年減少了12.55%。稻子種植屬勞動密集型產業，隨著工業化和城市化，更多的農村勞動力在農業部門外就業，種植水稻的勞動成本上升，南方部分地區將雙季稻改為單季稻，部分低產水田則完全退出耕種，出現李嘉圖效應。在2009年畜牧業排放的溫室氣體中，黃牛比重最高，占41.96%(見表3);其次是生豬，占16.72%。在畜牧業中，溫室氣體排放增長最快的是奶牛，1980-2009年間增加了21.78倍;其次是兔，增加了12.87倍;接下來是家禽、黃牛、山羊、豬、綿羊，分別增加了7.41倍、1.33倍、86.74%、66.5%和25.7%。水牛排放的溫室氣體基本保持不變，而馬、驢、騾、駱駝等排放的溫室氣體下降，1980-2009年，水牛、馬、驢、騾、駱駝5種動物排放的溫室氣體下降了3.23%。奶牛、兔、家禽、黃牛、山羊、豬、綿羊主要提供肉、奶、蛋等動物蛋白，居民消費水平提高后其需求必然上升，而水牛、馬、驢、騾、駱駝屬于役畜，在農業機械化過程中逐漸被機器代替。
由化肥、能源、農藥、農膜等投入產生的溫室氣體中，化肥構成主要排放源，2009年占72%。其次是能源，占25%;農藥、農膜分別占3%和1%。1980-2009年，化肥排放增加了103.92%，年均增長2.49%;能源排放增加了143.96%，年均增長3.12%。盡管化肥、能源等投入產生的排放目前已是農業溫室氣體最大的排放源，但這些投入大大提高了糧食產量，節約了土地，減少了役畜，從而降低了土壤和畜牧引起的排放。而且，因化肥施用引起的排放自2006年以來趨于平穩，中國農業基本上已最大限度地利用了化肥的生產潛力。
如果按照IPCC確定的范圍，只計算農業生產活動排放的溫室氣體，2009年農業排放為126 705.59萬t，比1980年增加了45.3%。如圖1所示，活動排放占農業實際排放的比重從1980年的84%降至2009年的80%，而投入排放的比重在此期間從16%上升至20%，再次說明投入物已成為農業溫室氣體排放的重要來源。
圖1 1980-2009年農業生產活動和農業投入排放所占比例
Fig. 1 Percentage of Process Emission and Input Emission from 1980 to 2009
3 農業溫室氣體排放效率
國際社會一旦達成溫室氣體減排的協議，排放額度便成為稀缺資源。如果存在統一市場，可預期溫室氣體排放額度將因競爭使用而形成統一的國際市場價格，單位溫室氣體排放在各行業、各地區將產生相等的邊際收益。在傳統的土地、資本、勞動力要素之外，單位溫室氣體排放產生的收益，即排放效率將成為決定農業是否具有比較優勢的另一重要因素。如果農業排放效率低于其他行業，有限的排放額度將流向其他行業;如果中國農業排放效率低于其他國家，農業將進一步喪失比較優勢，中國將進口更多的農產品。
按1978年為基期的可比價格計算，2009年農業GDP排放的溫室氣體為2.98kg/元，僅相當于1980年的39.21%。糧食排放的溫室氣體為1.5kg/kg，較1980年下降了30.56%。其中，稻谷、小麥、玉米排放的溫室氣體分別為1.67，1.25，1.13kg/kg，較1980年下降了29.83%，44.44%，18.12%(見表4)。表5是不包括飼料等投入排放，肉、蛋、奶生產過程排放的溫室氣體。肉類中牛肉排放溫室氣體最高，2008年達28.54kg/kg;羊肉次之，15.5kg/kg;禽肉最少，0.54kg/kg;豬肉和兔肉分別為1.49kg/kg，1.39k/kg。牛奶排放的溫室氣體為1.04kg/kg，禽蛋為0.83kg/kg。除禽蛋略有增加外，1985-2008年，單位肉類與牛奶排放的溫室氣體都有較大幅度降低。特別是牛肉，23年間下降了85.81%。
糧食、肉、蛋、奶等必需品的溫室氣體排放效率提高主要取決于技術進步和生產效率提高。以水稻種植為例，1980-2009年，中國水稻種植面積減少了12.55%，但由于雜交等育種技術突破，化肥、農膜、能源等高效投入增加，拋秧等技術推廣，每公頃稻谷產量由4 130kg增至6 585kg，單產提高了59.44%，總產量增加了39.45%。再以生豬為例，1980年，散戶養殖生豬的出欄天數為302d，規模養殖為238d。由于品種改良，飼料質量提高，飼養技術改進，2009年散戶養殖生豬的出欄天數降至163d，規模養殖降至141d。如果2009年仍保持1980年的技術條件，生豬排放的溫室氣體將達13 939.52萬t，比目前的7 142.37萬t高出95.17%。
4 減排對中國農業的影響
2009年，中國因糧食生產而排放的溫室氣體達79 764.83萬t，占農業溫室氣體排放總量的50%，高出畜牧業排放將近1倍，以糧食生產為例說明減排對中國農業影響是合適的。生產糧食的農田既是溫室氣體排放源，也可成為儲存地。如果將農田退耕還林，不僅可以避免因施用化肥農藥、翻耕土地引起的排放，而且可以利用森林吸收，形成碳匯。
《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》第4卷提供了不同氣候帶每公頃人工林每年可儲存的干物質量，以及干物質中含碳的比例，根據已有的參數和中國熱帶、亞熱帶、溫帶和北方溫帶所占耕地面積比重，計算得出全國平均每公頃人工林的碳匯為3.26t，相當于11.95t 。如果將1999-2008年10年間平均7.48t作為目前每公頃糧食生產排放的標準，意味著：將那些生產一季糧食的耕地植樹后，每公頃土地可減少排放19.43t;將那些生產兩季糧食的耕地植樹后，每公頃土地可減少排放26.91t。
根據2010年《全國農業品成本收益資料匯編》，2004-2008年間，生產50kg糧食平均可得利潤19.98元，相當于每公斤糧食得利潤0.4元。如果全球一致減排后出現了交易市場，且農民可在種糧和植樹儲存之間自由選擇，價格便成為農戶生產決策的重要依據，嚴重影響播種面積和糧食產量。假定價格為40元/t，則種植一季糧食的耕地每年每公頃可獲碳收益777.2元，種植兩季糧食的耕地每年每公頃可獲碳收益1 076.4元，兩者分別相當于1 943kgt和2 691kg糧食的利潤。也就是說，那些每公頃產量低于1 943kg的單季產糧耕地、及每公頃產量低于2 691kg的雙季產糧耕地將退出糧食生產，成為種植樹木的林地。
進一步分析，假定全國種植糧食的耕地產量服從正態分布：
因此，如果存在一個市場價格，根據每公頃耕地排放的數量以及每公斤糧食得利潤0.4元，可計算出每公頃耕地獲得的以糧食表示的收益。以此
作為隨機變量X的一個實現值。同時，根據X的均值μ、方差可計算出Y分布的一個實現值a=(x-μ)/σ。進而，根據標準正態分布函數表，可查到Y≤a的概率，這一概率便是種糧收益低于收益，可能用于植樹的耕地比例。
1999-2008年10年間，我國糧食的平均單位面積產量為4 546kg/。我們缺乏關于耕地質量分布的數據，作為模擬說明，以1999-2008年10年間分省的平均單位面積產量作為替代。30個省市中，單位面積產量最高的為上海市6 672.2kg/;最低的為甘肅省3 018.6kg/。以每省10年間平均糧食產量占全國總產量比重為權重，計算的方差等于818 133.9，標準差等于904.51。對于種植雙季的耕地，則有μ=9 092，=32 725 358.4，標準差2σ=1 089.02。
以分省糧食平均單位面積產量作為耕地質量分布樣本，不僅抹平了省內耕地質量差別，而且也抹平了全國耕地質量差別。根據我們在丹江口庫區周邊的調查，即使在較少的范圍內，不同地塊之間糧食產量的區別甚大。因此，以分省平均產量替代耕地的實際產量將低估隨機變量X方差，導致分布曲線窄而高，樣本糧食產量過于集中在平均值μ附近。
從表6可以看出，對于種植單季糧食的土地，為80元/t將使23.27%的耕地退出糧食生產;當價格為100元/t時，這一比例高達63.31%。對于種植雙季糧食的土地，標準差為2σ時，為100元/t將導致8.53%的耕地退出糧食生產，此后隨價格提高退耕的比例顯著上升;標準差為3σ，為80元/t時，有8.53%的耕地退出糧食生產，100元/t時有19.22%的耕地退出糧食生產;標準差為4σ，為80元/t時，有15.15%的耕地退出糧食生產，100元/t時有25.18%的耕地退出糧食生產。無疑，耕地產量分布的標準差越大，CO[，2]在越低的價格上便可沖擊糧食種植。但是，無論何種標準差，一旦價格達到130-140元/t之間，種植雙季糧食的耕地將有50%退出糧食生產。這就說明，中國糧食生產利潤率過低，較低的價格便嚴重影響糧食生產面積和產量。
5 結論
本文從農業生產過程和化肥、能源等投入方面計算了中國農業溫室氣體排放。2009年，中國農業總計排放溫室氣體158 557.3萬t 當量，比1980年增長52.03%，年均增長1.46%。其中，占總排放的25%，占總排放的52%，占總排放的23%。按來源分析，在2009年排放的溫室氣體中，水稻種植排放14 264.45萬t，占9%;畜牧生產排放42 709.94萬t，占26.94%;土壤排放47 457.81萬t，占29.93%;化肥、能源、農藥、農膜等投入排放54 125.11萬t，占34.14%。
2009年農業GDP排放的溫室氣體為2.98kg/元，糧食排放的溫室氣體為1.5kg/kg。其中，稻谷、小麥、玉米排放的溫室氣體分別為1.67kg/kg，1.25kg/kg，1.13kg/kg。牛肉排放的溫室氣體在2008年為28.54kg/kg，羊肉為15.5kg/kg，豬肉為1.49kg/kg，禽肉為0.54kg/kg，牛奶為1.04kg/kg，禽蛋為0.83kg/kg。由于技術進步和生產效率提高，每公斤糧食、肉類和牛奶排放的溫室氣體都有較大幅度降低。
對于種植單季糧食的土地，為80元/t時，將使23.27%的耕地退出糧食生產;當為100元/t時，這一比例高達63.31%。對于種植雙季糧食的土地，價格達到130-140元/t之間時，將有50%的耕地退出糧食生產。由于中國糧食生產利潤率過低，較低的價格便嚴重影響糧食生產面積和產量。
致謝：感謝周海林研究員、張其仔研究員、李鋼博士提出的寶貴意見，感謝陳秋紅博士、羅萬純博士、伍業君博士、吳利學博士、張波碩士、袁舒穎碩士在數據收集方面提供的幫助。
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