CN111178789A - 一种面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向水‑土‑能综合管理的农业温室气体评估方法，该方法利用水‑土‑能‑粮耦合原理针对农作物生产的温室气体排放进行计量，根据计算结果分析改善可调节的温室气体排放源来减排温室气体。本发明提供的评估方法通过确定能源开采和运输、化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷和氮肥施用等作为农业温室气体排放源，从源开采和运输、化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷和氮肥施用等方面评估农业温室气体排放，评估更全面精准，实现了水‑土‑能综合管理农业温室气体。此外，能够从能源的开采和运输、化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷以及氮肥施用等方面直观地了解温室气体排放情况，作为后期管理中改善可调节因素来减排温室气体的有效依据，如改善作物种植结构、优化施肥率、提高水资源利用效率、控制地下水位下降、增加可再生能源比例、提高甲烷回收率等都能减排温室气体。
Description
技术领域
本发明属于温室气体减排领域，尤其是涉及一种面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法。该方法利用水-土-能-粮耦合原理针对农作物生产的温室气体排放进行计量的方法。
背景技术
农业部门在满足人类食物消费需求的同时，也产生了17-34％的全球人源温室气体排放。未来食物需求还会继续增加，如何在保证粮食生产的前提下减少温室气体排放是当前全球面临的巨大挑战。农业生产涉及多个部门，依赖于水、化肥等物质材料和能源的投入。从生命周期来看，多部门协同管理会对农业温室气体排放有更理想的效果。然而，当前对农业温室气体减排主要是在单一部门或领域进行研究，虽然很多研究也采用“从摇篮到坟墓”的生命周期核算，但由于不同研究的管理目标或手段单一，使得具体采用的温室气体评估方法有其局限性。例如，致力于土壤管理、合理施肥的研究对农业温室气体核算更关注农田种植过程，对农机生产和使用以及灌溉等过程的温室气体排放不考虑或使用分辨率低的系数进行估算；关注农业水源、能源消耗的研究只关注农作物生产在整个生命周期中水和能源使用过程的二氧化碳排放，而忽略种植过程中甲烷和氧化亚氮的排放。这些单独侧面或某些环节缺失区域特异性的研究不利于区域间问题剖析和比较，也不利于在农业部门减排目标制定和其它各部门未来规划中做出正确决策。因此，从多方面分析温室气体排放对加强农业温室气体评估管理具有重要意义。
发明内容
本发明在此的目的在于提供一种面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，该方法从能源的开采和运输、化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷以及氮肥施用等多方面评估农业温室气体排放，从而实现水-土-能综合管理农业温室气体，能够从能源的开采和运输、化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷以及氮肥施用等方面直观了解温室气体排放情况，作为后期管理中改善可调节因素来减排温室气体的有效依据。
为实现本发明的目的，在此提供的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法利用水-土-能-粮耦合原理针对农作物生产的温室气体排放进行计量，根据计算结果分析改善可调节的温室气体排放源来减排温室气体，包括以下步骤：
步骤S01：确定系统边界，用于确定评估范围；
步骤S02：确定温室气体排放源，温室气体排放源包括化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷和氮肥施用；
步骤S03：计算化肥生产和运输带来的CO2排放量、灌溉带来的CO2排放量、稻田带来的CH4释放量和氮肥施用带来的N2O释放量；再根据式(1)计算得温室气体排放量总和，对计算得到得化肥生产和运输带来的CO2排放量、灌溉带来的CO2排放量、稻田CH4释放量、氮肥施用带来的N2O释放量以及温室气体排放量总和进行分析，根据分析结果改善可调节的温室气体排放源来减排温室气体；
Eagri＝Erice+Efert_app+Efert_pro+Eirri (1)
式(1)中：Erice、Efert_app、Efert_pro和Eirri分别表示稻田带来的CH4释放量，氮肥施用带来的N2O释放量，化肥生产和运输带来的CO2排放量和灌溉带来的CO2排放量；单位为：kgCO2 eq。
本发明所述步骤S01的系统边界从能源开采、农业物资生产和运输、农田管理到作物收获前阶段，不包括农作物残茬处理及农作物消费阶段。
本发明的有益效果：通过确定能源开采和运输、化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷和氮肥施用等作为农业温室气体排放源，从源开采和运输、化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷和氮肥施用等方面评估农业温室气体排放，评估更全面精准，实现了水-土-能综合管理农业温室气体。此外，能够从能源的开采和运输、化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷以及氮肥施用等方面直观地了解温室气体排放情况，作为后期管理中改善可调节因素来减排温室气体的有效依据，如改善作物种植结构、优化施肥率、提高水资源利用效率、控制地下水位下降、增加可再生能源比例、提高甲烷回收率等都能减排温室气体。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明提供的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估框架图；
图2为本发明实施例中记载的三江平原5个市范围内的四种主要粮食作物生产的温室气体排放结构图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
根据现有方法的不足：没有从多部门管理角度综合评估农业温室气体排放，本发明要解决的问题是建立一种考虑了当地水资源条件、农业土地管理情况以及当前能源生产技术现状的综合农业温室气体全生命周期评估方法，为适应当地水、土、能多部门的综合优化管理提供参考，该方法的具体步骤如下：
(1)确定系统边界
采用生命周期评估方法，为包括进水、能、粮各部门，并为供给侧管理提供依据，本发明的系统边界从能源开采、农业物资生产和运输，农田管理到作物收获前阶段，不包括农作物残茬处理及农作物消费阶段。
(2)分析温室气体排放源
温室气体主要考虑二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)，故本文温室气体排放源包括：能源开采和运输(能源开采和运输被包含在化肥生产和运输过程，化肥生产和运输过程需要消耗大量能源，该过程的温室气体排放受到能源开采和运输技术的影响。因为被包含在化肥的生产和运输中)、农业物资投入(主要是化肥)的生产和运输、灌溉、稻田甲烷、氮肥施用；计算化肥生产和运输带来的CO2排放量、灌溉带来的CO2排放量、稻田带来的CH4释放量和氮肥施用带来的N2O释放量；再根据式(1)计算得温室气体排放量总和，对计算得到得化肥生产和运输带来的CO2排放量、灌溉带来的CO2排放量、稻田CH4释放量、氮肥施用带来的N2O释放量以及温室气体排放量总和进行分析，根据分析结果改善可调节的温室气体排放源来减排温室气体；
Eagri＝Erice+Efert_app+Efert_pro+Eirri (1)
式(1)中：Erice、Efert_app、Efert_pro和Eirri分别表示稻田带来的CH4释放量，氮肥施用带来的N2O释放量，化肥生产和运输带来的CO2排放量和灌溉带来的CO2排放量；单位为：kgCO2 eq。
(3)评估框架构建
根据影响农业温室气体排放的水、土、能相关因素，该评估框架主要分为三部分，如图1所示：
第一模块为土地管理相关排放，包括氮肥施用带来的N2O排放量(Efert_app)和水稻田甲烷释放量(Erice)。作物种植结构、施氮率、土壤理化性质和施肥方式都会影响农田氮肥施用的N2O。N2O排放包括直接排放和间接排放，直接排放主要受施氮率影响，间接N2O排放来自于淋溶、径流氮损失和氨挥发氮损失带来的N2O释放。淋溶、径流量主要受土壤质地、坡度、土壤深度、降雨等影响。氨挥发除了受温度、土壤酸碱度、降雨等影响外，也受施肥方式如表施、深施的影响。
稻田带来的CH4释放量Erice通过式(2)计算：
Erice＝Arice×EFCH4×28 (2)
其中，EFCH4表示稻田CH4释放因子，单位为：kg CH4 ha-1yr-1；Arice表示水田面积，单位为：ha。
氮肥施用带来的N2O释放量Efert_app通过式(3)计算：
其中，Napp(i)表示作物i的施肥量，单位为：kg N ha-1yr-1；EFND表示氮肥施用的直接N2O释放因子，单位为：kg N2O-N kg-1applied N；EFAD表示NH3和NOx大气沉降带来间接N2O，单位为：kg N2O-N kg-1N；FracGAS表示氮肥以NH3和NOx形式的损失量占氮肥含氮量比例，EFNL表示径流/淋溶带来的间接N2O排放，单位为：kg N2O-N kg-1N；FraCL表示氮肥以径流/淋溶形式损失比例；Ai(ha)是作物i的播种面积，
表示该地区所有作物的播种面积之和。
式(3)中，EFND、FracGAS、和FraCL通过实验测定或文献调研获得关于研究区域的实测数据；EFAD和EFNL采用联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)推荐系数1％和0.75％。
第二模块主要计算灌溉需水量并包括了影响农业温室气体排放的水资源相关参数。农业抽水灌溉是温室气体排放的一个重要来源。该模块首先计算参考作物蒸散量，然后根据当地实际种植作物的生育期和作物系数计算无水分胁迫下作物生长的需水量。作物需水量是基于最佳灌溉条件下的全部用水量，当某月有效降雨量小于作物在该月生长时的作物需水量时，假设这部分缺口通过人工灌溉进行补充。当某月有效降雨量大于作物在该月生长的作物需水量时，则不需灌溉。通过生育期累加得到某种作物净灌溉需水量。实际中水资源开采因设备等技术原因会造成损失，因此未来满足作物需水，实际获取的水即总灌溉需水量往往高于净灌溉需水量，等于灌溉需水量除以灌溉水利用效率。灌溉水利用效率是指作物蒸发的水量与从灌溉工程入口处的河流或水库引水或从地下水抽水的水量之比。为获得更精确的计算结果，可以通过实地调研来确定该系数，因为灌溉技术(漫灌、喷灌、滴管等)会影响灌溉水利用效率。
该模块用来计算灌溉能耗，除了灌溉水量影响能源消耗外，灌溉水来源(地下水、地表水)和地下水埋深都影响抽水灌溉的能源消耗(见模块三)。
第三模块计算农业生产中能源消耗的温室气体排放。化肥和农药以及农业机械等生产和运输，灌溉、施肥和播种等农业活动都有能耗消耗，不可避免会带来温室气体排放。这里简化之后主要考虑灌溉和化肥生产、运输过程。根据模块一的化肥施用量计算整个化肥生产链从合成氨到化肥产品生产和运输所需能耗，根据模块二的总灌溉需水量以及灌溉方式、灌溉水来源和地下水埋深计算灌溉所需能耗。
化肥生产和运输带来的CO2排放量Efert_pro通过式(4)计算：
其中，EFFP表示化肥生产和运输的释放因子，单位为：kg CO2e(kg N)-1，我们采用已有研究调查中国230个氮肥生产企业和853个不同领域综合文献数据而得到的排放因子，参考引用文献2，其中每吨氮肥生产链中，合成氨过程释放5.1t CO2eq t N-1，氮肥产品生产过程释放0.9t CO2eq t N-1，产品运输和分配过程释放0.1t CO2eq t N-1，这些过程所需的化石燃料开采和运输排放2.2t CO2eq t N-1。Napp(i)表示作物i的施肥量，单位为：kg N ha-1yr-1。
灌溉带来的CO2排放量Eirri通过式(5)计算：
其中，GIR表示作物总灌溉需水量，单位为：m3 ha-1yr-1；RGW表示灌溉水中来自于地下水的比例，根据实地调查获得；r(r＝1,2,...,q)表示泵水使用的能源类型；ECirri表示灌溉1m3的水消耗的r种能源的量，单位为：kWh m-3，以100％效率通过1m提升1m3水(密度为1000kg m–3)所需的能量为0.0027kWh，参考引用文献1；EFenergy_GHG表示第r种能源的温室气体释放因子，单位为：kg CO2e kWh-1；
表示灌溉1m3的水排放的温室气体量。
式(5)中总灌溉需水量GIR等于灌溉需水量除以灌溉水利用效率。
ECirri(kWh)＝9.8ms-2×Lift(m)×Mass(kg)/(3.6×106×Efficiency(％)) (6)
式(6)中Lift(m)表示泵升程，可以直接通过实地测量获得，或通过文献调研获得；Mass(kg)是体积为1m3的水的质量，通过水的体积乘以水的密度(1g cm-3)获得；Efficiency表示泵送系统的能源利用效率，通过实地测定或文献调研获得。
为了获得更精确的计算结果，需要通过实地调查或文献调研对泵送系统(提升、泵效率、管道摩擦、系统压力等)和供电系统的输配电损耗有详细的了解。对于电力来说，这一点尤为重要，因为电力损失是可以考虑的。泵升程(Lift)是能源使用的重要因素，与地下水位有关，例如参考文献1的研究表明泵升程与地下水位(x)存在线性相关：
Lift＝0.906x+21.75 R2＝0.62 (7)
两个变量的相关系数R2＝0.62，这样，通过该地区的地下水位监测数据可以间接计算出泵升程。
(4)确定排放因子
框架图(图1)中直角矩形框表示管理因素或地区特异性因子，应根据当地实际气候条件、技术水平和管理现状设置数据。
(5)农业温室气体综合评价及优化
根据该框架计算出某地区农作物生产的温室气体排放量，通过在后期管理中改善这些可调节因素来减排温室气体。例如改善作物种植结构、优化施肥率、提高水资源利用效率、控制地下水位下降、增加可再生能源比例、提高甲烷回收率等都能减排温室气体。
在此，利用本发明提供的方法以2015年三江平原农作物生产的温室气体排放计算为案例进一步说明本发明。
(1)确定系统边界
计算三江平原5个市范围内的四种主要粮食作物(水稻、玉米、大豆、小麦)生产的温室气体排放。从能源开采、化肥生产和运输，农田管理到作物收获前阶段，不包括农作物残茬处理及农作物消费阶段。
(2)分析温室气体排放源
温室气体主要考虑二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)。CH4和N2O的增温潜势在100年尺度上分别是CO2的28、265倍。温室气体排放源包括：能源开采和运输、化肥生产和运输、灌溉、稻田甲烷、氮肥施用。
(3)评估框架构建
第一模块计算土地管理相关排放，包括氮肥施用带来的直接N2O排放和间接N2O排放，以及水稻田甲烷排放。
第二模块计算农业抽水灌溉需水量。
第三模块先计算化肥生产和运输的能源消耗，以及灌溉的能源消耗，再计算生命周期能源消耗的温室气体排放量。
(4)确定排放因子
土地管理相关因子：四种作物的播种面积、施肥率和产量数据来源于统计年鉴，播种面积占比分别为水稻33.5％，玉米58.1％，大豆8.4％，小麦0.01％。施肥方式主要是表面撒施。
水资源相关因子：三江平原旱田为雨养农业系统，只有水稻为灌溉农业系统，因此该案例中只计算水稻生长的灌溉需水量。三江平原随着水稻面积逐年扩大，水资源消耗增多，地下水开采严重，2015年井灌水稻面积占比约70％，主要采用漫灌方式。由于沟渠引水等灌溉设备带来的损失，灌溉水利用效率大约为0.53，地下水埋深平均约为21米。
能源相关因子：灌溉能耗假设电力和柴油分别占76％和24％，化肥生产采用引用文献2中记载的因子，其基于的生产条件是：化肥生产链上煤炭供应了86％的能量，中国当前技术水平下煤炭开采的甲烷回收率只有15-23％，火电厂的热交换效率只有37-38％。
(5)农业温室气体综合评价及优化
根据该框架计算的三江平原2015年农作物生产的温室气体排放量见图2。对温室气体来源进行分解，总排放量的35％来自于化肥生产，31％来自于水田甲烷，20％来自于水田灌溉的能源消耗，13％来自于田间施肥。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
引用文献一览表
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Claims (8)
1.一种面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，其特征在于：该方法利用水-土-能-粮耦合原理针对农作物生产的温室气体排放进行计量，根据计算结果分析改善可调节的温室气体排放源来减排温室气体，包括以下步骤：
步骤S01：确定系统边界，用于确定评估范围；
步骤S02：确定温室气体排放源，温室气体排放源包括化肥的生产和运输、灌溉、稻田甲烷和氮肥施用；
步骤S03：计算化肥生产和运输带来的CO2排放量、灌溉带来的CO2排放量、稻田带来的CH4释放量和氮肥施用带来的N2O释放量；再根据式(1)计算得温室气体排放量总和，对计算得到得化肥生产和运输带来的CO2排放量、灌溉带来的CO2排放量、稻田CH4释放量、氮肥施用带来的N2O释放量以及温室气体排放量总和进行分析，根据分析结果改善可调节的温室气体排放源来减排温室气体；
Eagri＝Erice+Efert_app+Efert_pro+Eirri (1)
式(1)中：Erice、Efert_app、Efert_pro和Eirri分别表示稻田带来的CH4释放量，氮肥施用带来的N2O释放量，化肥生产和运输带来的CO2排放量和灌溉带来的CO2排放量；单位为：kg CO2eq。
2.根据权利要求1所述的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，其特征在于：所述步骤S01的系统边界从能源开采、农业物资生产和运输、农田管理到作物收获前阶段。
3.根据权利要求1或2所述的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，其特征在于：所述稻田带来的CH4释放量Erice通过式(2)计算：
Erice＝Arice×EFCH4×28 (2)
式(2)中：EFCH4表示稻田CH4释放因子，单位为：kg CH4 ha-1yr-1；Arice表示水田面积，单位为：ha。
4.根据权利要求1或2所述的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，其特征在于：所述氮肥施用带来的N2O释放量Efert_app通过式(3)计算：
式(3)中：Napp(i)表示作物i的施肥量，单位为：kg N ha-1yr-1；EFND表示氮肥施用的直接N2O释放因子，单位为：kg N2O-N kg-1applied N；EFAD表示NH3和NOx大气沉降带来间接N2O，单位为：kg N2O-N kg-1N；FracGAS表示氮肥以NH3和NOx形式的损失量占氮肥含氮量比例，EFNL表示径流/淋溶带来的间接N2O排放，单位为：kg N2O-N kg-1N；FraCL表示氮肥以径流/淋溶形式损失比例；Ai(ha)是作物i的播种面积，
表示该地区所有作物的播种面积之和。
5.根据权利要求1或2所述的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，其特征在于：所述化肥生产和运输带来的CO2排放量Efert_pro通过式(4)计算：
式(2)中：Napp(i)表示作物i的施肥量，单位为：kg N ha-1yr-1；EFFP表示化肥生产和运输的释放因子，单位为：kg CO2e(kg N)-1。
6.根据权利要求1或2所述的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，其特征在于：所述灌溉带来的CO2排放量Eirri通过式(5)计算：
式(5)中：GIR表示作物总灌溉需水量，单位为：m3ha-1yr-1；RGW表示灌溉水中来自于地下水的比例；r(r＝1,2,...,q)表示泵水使用的能源类型；ECirri表示灌溉1m3的水消耗的r种能源的量，单位为：kWh m-3；EFenergy_GHG表示第r种能源的温室气体释放因子，单位为：kg CO2ekWh-1；
表示灌溉1m3的水排放的温室气体量。
7.根据权利要求6所述的所述的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，其特征在于：所述总灌溉需水量GIR等于灌溉需水量除以灌溉水利用效率。
8.根据权利要求6所述的所述的面向水-土-能综合管理的农业温室气体评估方法，其特征在于：所述灌溉消耗的能源量ECirri通过式(6)计算：
ECirri(kWhm-3)＝9.8ms-2×Lift(m)×Mass(kg)/(3.6×106×Efficiency(％)) (6)
式(6)中：Lift表示泵升程，单位为：m；Mass表示体积为1m3的水的质量，单位为：kg；Efficiency表示泵送系统的能源利用效率。
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