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《中国农业大学》 2017年
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中国粮食作物碳足迹及减排对策分析

张丹  
【摘要】:当前我国粮食生产面临着增产缓慢、成本高、污染大的三重压力,迫切需要实现农业转型。如何获得最大的经济效益、社会效益和生态效益需要从技术、市场和管理等方面采取综合措施。本研究构建了我国粮食作物碳足迹核算模型并量化了各个主产区的碳足迹,分析了生产技术、社会经济等因素对碳排放的影响,进而筛选了不同主产区协同实现减排和节本的低碳技术。1.本研究构建了基于生命周期评价法(Life Cycle Assessment即LCA)的粮食生产碳足迹核算模型,模型包括农田上游环节即投入品(化肥、农药、机械和农膜等)的生产加工环节、农田种植环节(包括耕作、播种、植保、收获、秸秆处理等)的碳排放以及农田土壤固碳,并结合我国粮食作物主产区11个省的3240个农户样本,量化了我国主产区三大粮食生产的碳足迹。从全生命周期角度分析,中国三大粮食作物生产是净排放的体系,其中玉米排放量为4052 kg ce/ha(0.48kg ce/kg)(ce:CO2 eqivalent)、小麦5455kg ce/ha(0.75kg ce/kg)、水稻11881kg ce/ha(1.60 kg ce/kg)。2.我国粮食生产碳排放的主要来源有氮肥施用(8%-49%)、秸秆焚烧(0%-70%)、机械耗能(6%-40%)、灌溉耗能(0%-44%)、稻田甲烷(15%-73%),这些驱动因子反映出农田管理粗犷成为现阶段碳排放高的主导因素;粮食生产的碳排放在区域间存在较大的差异,这主要是由于自然因素和种植方式共同造成,例如南方稻田气温高造成的甲烷高排放,以及西北地区高氮肥投入、东北等地区的秸秆焚烧等。3.本研究通过建立不同成本收益方法以及计量模型,分析了种植区域调整和农户发展对碳排放的影响。发现目前的发展趋势不能完全促进经济收益(净利润)和环境影响(净排放)的协同发展。一方面表现在,我国种植布局的调整尚未完全实现经济、环境的协同,例如玉米向东北转移有利于经济效益(现金利润和净利润)的增加,碳排放增加较小,向西北转移虽然增加了现金利润,但是净利润降低且碳排放大幅增加;小麦向中部地区的集中是有利于经济和环境的协同发展;双季稻区由"水水轮作"转变为"水旱轮作"有利于环境和经济的协同发展,但是水稻向东北地区的转移不利于环境和经济的协同发展。另一方面表现在,农民的老龄化、兼业化、规模化经营对经济、环境的协同发展影响也不一致,例如种植规模的扩大极显著的增加了玉米的碳排放。4.低碳技术是我国实现低碳农业的必经之路,通过建立低碳技术成本核算方法和边际减排成本曲线(Marginal Abatement Cost Curves,MACCs),综合评价了我国不同主产区低碳技术的减排效果和减排成本。研究发现:(1)全国总体来看,2013年我国三大粮食作物应用低碳技术后的减排总量高达49.62 Tgce,共计增加成本139.40亿元。不同技术的转型成本不同,其中氮肥优化和免耕是节本的减排技术,共计减排5.49 Tgce,节约成本47.62亿元;秸秆还田和间歇灌溉是增本的减排技术,共计减排26.23 Tgce,增加成本417.77亿元。(2)低碳技术的经济和环境影响有较大的区域差异,需要利用MACCs的方法筛选区域经济性低碳技术,发现玉米大部分主产区的经济性低碳技术都是氮肥优化技术,但华北平原夏玉米和西北旱区夏玉米是氮肥优化和(少)免耕,而东北地区春玉米是(少)免耕技术;小麦主产区中经济性低碳技术为氮肥优化技术,但双季稻区冬小麦是(少)免耕技术;水稻主产区中经济性低碳技术主要是氮肥优化技术,但东北一季稻区是氮肥优化和间歇灌溉技术。综上所述,本研究揭示了已有粮食作物生产碳足迹核算研究结果的不确定性,阐明了构建我国粮食作物生产碳足迹核算模型的必要性;量化了我国不同主产区粮食生产碳足迹的构成和区域差异,建立了粮食作物生产成本收益核算指标体系,分析了导致我国碳排放高的经济因素,筛选了不同主产区的经济性低碳技术,对于我国低碳农业的发展具有指导作用。未来应该加强不同环节技术间交互对排放因子的影响研究,以及优化低碳技术,建立健全低碳技术补贴机制,建立粮食作物碳交易市场。
【关键词】:粮食作物 碳足迹 低碳技术 经济-环境影响 管理策略
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S181
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-11
  • 第一章 绪论11-23
  • 1.1 研究背景与目的11-13
  • 1.2 研究综述13-21
  • 1.2.1 碳足迹的定义及其核算方法13-14
  • 1.2.2 粮食生产的碳足迹及其构成14-18
  • 1.2.3 农业减排技术路径18-20
  • 1.2.4 减排措施经济分析20-21
  • 1.3 问题提出21
  • 1.4 研究内容21
  • 1.5 研究思路与技术路线21-23
  • 第二章 中国粮食作物生产碳足迹模型23-34
  • 2.1 引言23
  • 2.2 研究方法23-24
  • 2.3 构建粮食生产碳足迹理论模型24-27
  • 2.4 建立碳足迹模型参数库27-32
  • 2.4.1 化肥施用N_2O排放系数27-28
  • 2.4.2 有机肥施用N_2O排放系数28
  • 2.4.3 稻田CH_4排放系数28-29
  • 2.4.4 土壤SOC固定系数29-30
  • 2.4.5 秸秆焚烧排放系数30
  • 2.4.6 投入品上游生产运输排放系数30-32
  • 2.5 中国粮食生产分区32-33
  • 2.6 小结33-34
  • 第三章 中国粮食作物碳足迹的构成及空间变异34-48
  • 3.1 引言34
  • 3.2 研究方法34-35
  • 3.2.1 作物分区的方法34
  • 3.2.2 农户调研34-35
  • 3.2.3 碳足迹核算35
  • 3.3 中国三大粮食作物生产方式空间变异35-38
  • 3.4 中国三大粮食作物碳足迹构成38-39
  • 3.5 不同主产区碳足迹构成差异39-44
  • 3.5.1 玉米不同主产区的碳足迹变异39
  • 3.5.2 小麦不同主产区的碳足迹变异39-40
  • 3.5.3 水稻不同主产区的碳足迹变异40-44
  • 3.6 讨论44-47
  • 3.7 小结47-48
  • 第四章 粮食生产结构调整的经济环境效应协同性48-71
  • 4.1 引言48
  • 4.2 研究方法48-50
  • 4.2.1 农户调研48
  • 4.2.2 粮食生产经济、环境综合评价48-50
  • 4.2.3 农户特征对碳足迹和经济效益影响的定量化模型50
  • 4.3 结果50-69
  • 4.3.1 我国粮食生产成本、收益构成及区域差异50-53
  • 4.3.2 不同主产区粮食生产经济收益与碳排放协同性分析53-56
  • 4.3.3 主要生产环节对经济效益与碳排放的贡献分析56-59
  • 4.3.4 区域布局转变对经济和环境协同发展的影响59-63
  • 4.3.5 经营主体转变对经济和环境协同发展的贡献63-69
  • 4.4 讨论69-70
  • 4.4.1 我国粮食作物生产的成本和利润69
  • 4.4.2 如何在不同粮食作物主产区提高环境和经济效益69-70
  • 4.5 小结70-71
  • 第五章 几种低碳技术应用减排潜力及成本分析71-89
  • 5.1 引言71
  • 5.2 研究方法71-75
  • 5.2.1 农户低碳技术采用判别标准72-73
  • 5.2.2 减排成本分析73-75
  • 5.3 结果75-86
  • 5.3.1 农户低碳技术采用情况75-76
  • 5.3.2 主产区减排成本构成及差异76-80
  • 5.3.3 区域低碳技术筛选80-85
  • 5.3.4 我国三大主粮应用低碳技术减排潜力和成本支出85-86
  • 5.4 讨论86-88
  • 5.4.1 低碳技术减排成本86-87
  • 5.4.2 未来我国低碳技术优化潜力不确定性87-88
  • 5.5 小结88-89
  • 第六章 综合讨论与主要结论89-96
  • 6.1 综合讨论89-93
  • 6.1.1 我国与国外粮食作物生产的碳足迹构成差异及区域优化建议89-91
  • 6.1.2 我国低碳农业发展的空间异质性和影响机理91-92
  • 6.1.3 我国粮食生产低碳技术推广战略92-93
  • 6.2 主要结论93-95
  • 6.3 研究特色与创新95
  • 6.4 研究展望95-96
  • 参考文献96-106
  • 致谢106-107
  • 附录107-113
  • 个人简介113

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