豫南煙區(qū)農(nóng)戶煙草生產(chǎn)碳足跡調(diào)查分析

鄭 煜，劉劍君，李建華，張富生，王龍飛，閻海濤，趙浩賓*，，遆晉松

1. 河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，鄭州市鄭東新區(qū)平安大道218 號 450046

2. 河南省煙草公司，鄭州市鄭東新區(qū)商務外環(huán)路15 號 450018

3. 河南省煙草公司許昌市公司，河南省許昌市湖濱路43 號 461000

4. 河南省煙草公司平頂山市公司，河南省平頂山市建設路西段 467002

人類活動產(chǎn)生的溫室氣體排放引發(fā)的氣候變暖是全球面臨的嚴峻環(huán)境挑戰(zhàn)之一，2015 年《巴黎協(xié)定》制定了“將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2 ℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5 ℃以內(nèi)”的目標［1-2］。中國是溫室氣體排放大國之一，在第75屆聯(lián)合國大會上，中國向世界做出莊嚴承諾：力爭于2030 年前達到碳達峰，2060 年前實現(xiàn)碳中和［3］。因此，減排是中國各行業(yè)亟待解決的問題。農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放約占我國溫室氣體排放總量的17%，且其排放量以5%的速度逐年增長［4］。研究表明，我國農(nóng)業(yè)碳排放總量較高地區(qū)均為農(nóng)業(yè)大省，其中河南省農(nóng)業(yè)碳排放量居全國首位［5］。播種面積大、農(nóng)資消耗品使用率低、技術和工具落后等是農(nóng)業(yè)碳排放量居高不下的原因［6］。因此，量化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的溫室氣體排放對我國低碳農(nóng)業(yè)構建和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

碳足跡最早來源于生態(tài)足跡范疇，其定義是某項活動在其進行過程中直接或者間接產(chǎn)生的二氧化碳排放總量，或是某產(chǎn)品在其完整壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放總量［7］。因此，碳足跡可用來衡量生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)溫室氣體排放量，可以在此基礎上制定針對性的減排措施。近幾十年來，碳足跡在農(nóng)業(yè)領域被廣泛運用。陳中督等［8］利用生命周期法對長江下游稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡進行研究，結果表明氮肥施用量和柴油消耗量分別與稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡顯著正相關，種植規(guī)模與稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡顯著負相關，節(jié)肥、節(jié)水技術以及規(guī)?；N植是降低長江下游地區(qū)稻麥輪作碳排放的聚焦方向。Huang等［9］用生命周期法研究2004—2018年中國棉花生產(chǎn)碳足跡時空變化，結果顯示黃河流域和中國西北內(nèi)陸棉區(qū)的溫室氣體排放分別呈現(xiàn)出49.30 和243.84 kg CO2-eq·hm-2的年均增長，而長江流域棉花種植區(qū)的碳足跡呈現(xiàn)出34.68 kg CO2-eq·hm-2的年均下降。Sefeedpari 等［10］研究評估了伊朗小麥生產(chǎn)中輸入和輸出的能量平衡以及單位面積溫室氣體排放量。目前，相關學者已完成我國小麥、玉米、水稻等糧食作物的碳足跡核算［11-13］，而對經(jīng)濟作物的碳足跡研究較少，尤其是我國煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放特征仍不明確，低碳煙草農(nóng)業(yè)構建途徑仍在探索中。

河南是我國煙葉主產(chǎn)區(qū)之一，2020 年煙葉產(chǎn)量達21 萬t，約占當年全國煙葉總產(chǎn)量的9.8%［14］。研究河南煙草生產(chǎn)碳足跡可在一定程度上明確我國煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放特點，對指導煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減排具有重要參考意義。本研究中基于實地農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)，定量分析豫南煙區(qū)煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳排放和碳足跡，擬合分析肥料碳足跡、氮肥碳足跡與單位面積產(chǎn)值關系，單位面積產(chǎn)量與不同功能單位碳足跡關系，評估河南省煙草生產(chǎn)減排潛力，旨在為低碳煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論支撐和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

調(diào)研數(shù)據(jù)來源于2019—2020年豫南煙區(qū)農(nóng)戶生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在南陽煙葉主產(chǎn)區(qū)選取3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（裴營鄉(xiāng)、高集鎮(zhèn)、趙集鎮(zhèn)），每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選取3 個村（裴營鄉(xiāng)軍楊村、七坦村、花園村；高集鎮(zhèn)代崗村、李莊村、楊營村；趙集鎮(zhèn)堤南高村、西嶺村、大趙村），每個村選取10～20個煙葉種植戶進行面對面訪談式調(diào)研。調(diào)研數(shù)據(jù)包括：煙葉移栽面積、肥料種類及用量、農(nóng)藥種類及用量、地膜用量、人工工時、烘烤耗煤量、烘烤耗電量、農(nóng)機耗油量、灌溉用電量、干煙葉產(chǎn)量和干煙葉均價等。將煙農(nóng)所述信息填入調(diào)查問卷，最后獲得116 份問卷，其中有效問卷數(shù)107 份。調(diào)研結束后半年，隨機抽取10%的調(diào)研農(nóng)戶以電話訪談的形式進行二次調(diào)研，兩次問卷相關系數(shù)為0.942，表明重測信度良好，穩(wěn)定性較高。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 碳排放計算

碳排放系統(tǒng)邊界包括煙草從移栽到烘烤完成的整個過程中所有農(nóng)化投入、人工投入、運輸、生產(chǎn)農(nóng)化產(chǎn)品、烘烤燃煤以及農(nóng)田土壤產(chǎn)生的N2O 排放的總和如圖1 所示。不同投入品的碳排放參數(shù)如表1所示，農(nóng)田N2O 排放轉(zhuǎn)化為CO2當量，所有碳排放均用CO2排放量表示。

表1 不同投入品的碳排放參數(shù)Tab.1 Carbon emission parameters of different inputs

圖1 煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡邊界Fig.1 Carbon footprint boundary of tobacco production system

式中：GHGemissions是農(nóng)作物生產(chǎn)過程全部碳排放量；n表示生產(chǎn)過程各項投入的數(shù)量；AIi表示第i種投入；EFi表示第i種投入的排放參數(shù)；GHGN2O表示農(nóng)田土壤產(chǎn)生的N2O 排放；FN表示生產(chǎn)中純氮的投入量；δN為農(nóng)田N2O 直接排放系數(shù)；44/28 為N2O 與N2相對分子質(zhì)量的比；298 為N2O 轉(zhuǎn)換為100 a 尺度上的相對全球增溫潛勢［15］。碳排放統(tǒng)一使用CO2當量表示。

1.2.2 碳足跡計算

CFs為單位播種面積的作物生產(chǎn)碳足跡，CFy為單位產(chǎn)量的作物生產(chǎn)碳足跡，CFv為單位產(chǎn)值的作物生產(chǎn)碳足跡。

式中：TA為播種面積，hm2；TY為作物產(chǎn)量，kg/hm2；TV為作物產(chǎn)值，￥/hm2［22］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用SPSS 26分析數(shù)據(jù)，采用Origin Pro 2022繪圖。

2 結果與分析

2.1 調(diào)研農(nóng)戶特征分析

如表2 所示，調(diào)查地農(nóng)戶農(nóng)業(yè)決策者年齡偏大，介于40～74 歲之間，平均年齡53.04 歲。煙農(nóng)以男性為主，占比超過80%。煙農(nóng)整體文化水平偏低，小學學歷占比78.50%，初中和文盲分別占17.76%、3.74%。家庭總?cè)丝?～8 人，平均5.68 人，從事煙葉種植人數(shù)占家庭總?cè)藬?shù)的平均比例為60.00%。種植面積介于0.33～13.00 hm2，戶均種植面積2.85 hm2。煙葉種植收入占煙農(nóng)家庭總收入的40%～100%，平均79.00%。煙農(nóng)對農(nóng)業(yè)碳排放認知不足，僅有14.00%農(nóng)戶農(nóng)業(yè)決策者聽說過低碳農(nóng)業(yè)。

2.2 生產(chǎn)資料投入統(tǒng)計

如表3 所示，各調(diào)研農(nóng)戶間肥料施用量在750～1 590 kg·hm-2間不等，平均肥料投入量為1 143.64 kg·hm-2，施肥種類包括煙草專用復混肥、52%硫酸鉀肥、硝酸鉀肥和芝麻餅肥等，其中氮肥折純施用量40.13～104.60 kg·hm-2，平均71.94 kg·hm-2。農(nóng)藥施用種類包括枯草芽孢桿菌可濕性粉劑、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽和苦參堿等，平均投入量為12.99 kg·hm-2。農(nóng)膜均為聚乙烯薄膜，平均農(nóng)膜用量33.70 kg·hm-2。農(nóng)機包括移栽機和整地起壟施肥機，平均柴油耗費量為113.05 kg·hm-2。平均總用電量為1 665.95 kW·h·hm-2，其中平均灌溉用電176.22 kW·h·hm-2，平均烘烤用電1 489.73 kW·h·hm-2。烘烤用煤3 000.00～7 857.14 kg·hm-2，平均5 363.02 kg·hm-2。平均人工投入200.96 p·d-1·hm-2。

2.3 煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡

豫南煙區(qū)煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡如圖2 所示。單位面積碳足跡8 634.26～17 101.53 kg CO2-eq·hm-2，平均12 630.03 kg CO2-eq·hm-2；單位產(chǎn)量碳足跡4.04～11.63 kg CO2-eq·kg-1，平均為6.62 kg CO2-eq·kg-1；單位產(chǎn)值碳足跡0.13～0.37 kg CO2-eq·￥-1，平均0.21 kg CO2-eq·￥-1。

圖2 煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡Fig.2 Carbon footprint of tobacco production system

2.4 煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡構成

豫南煙區(qū)煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡構成如圖3所示。氮肥施用造成的農(nóng)田土壤N2O 排放為336.89 kg CO2-eq·hm-2，占比2.7%；肥料碳足跡為504.49 kg CO2-eq·hm-2，占比4.0%；農(nóng)藥碳足跡為182.29 kg CO2-eq·hm-2，占比1.4%；農(nóng)機耗用柴油碳足跡為100.11 kg CO2-eq·hm-2，占比0.8%；用電碳足跡為2 049.10 kg CO2-eq·hm-2，占比16.2%，其中烘烤用電1 832.36 kg CO2-eq·hm-2，占比14.5%，灌溉用電216.74 kg CO2-eq·hm-2，占比1.7%；烘烤用煤碳足跡為8 518.62 kg CO2-eq·hm-2，占比67.4%；勞動力人工碳足跡為172.82 kg CO2-eq·hm-2，占比1.4%；農(nóng)膜碳足跡為765.69 kg CO2-eq·hm-2，占比6.1%。

圖3 煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡構成Fig.3 Composition of carbon footprint of tobacco production system

2.5 單位面積煙葉產(chǎn)值與肥料碳足跡、氮肥碳足跡的關系

豫南煙區(qū)單位面積煙葉產(chǎn)值與肥料碳足跡和氮肥碳足跡的關系如圖4 所示。單位面積煙葉產(chǎn)值隨著肥料碳足跡和氮肥碳足跡的增加，均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。肥料碳足跡和氮肥碳足跡分別為501.57 和107.22 kg CO2-eq·hm-2時，對應單位面積煙葉產(chǎn)值為最高值，對應的肥料和氮肥施用量分別為511.26 和70.26 kg·hm-2。部分農(nóng)戶煙草生產(chǎn)系統(tǒng)肥料碳足跡和氮肥碳足跡均存在高碳排放、低產(chǎn)值的情況。圖4a 表明，51.40%的農(nóng)戶肥料碳足跡超過501.57 kg CO2-eq·hm-2，其中28.04%的農(nóng)戶肥料碳足跡超過該數(shù)值的同時，煙葉單位面積產(chǎn)值低于峰值62 052.59￥·hm-2。圖4b 表明，49.53%的農(nóng)戶氮肥碳足跡超過107.22 kg CO2-eq·hm-2，其中28.04%的農(nóng)戶氮肥碳足跡超過該數(shù)值的同時，煙葉單位面積產(chǎn)值低于峰值61 868.20￥·hm-2。綜上，基于煙葉單位面積高產(chǎn)值，28.04%的農(nóng)戶肥料碳足跡和氮肥碳足跡均過高。

圖4 單位面積煙葉產(chǎn)值與肥料碳足跡、氮肥碳足跡的關系Fig.4 Relationship between tobacco output value per unit area and carbon footprint of fertilizers and nitrogen fertilizer

2.6 單位面積煙葉產(chǎn)量與碳足跡的關系

如圖5 所示，隨著單位面積煙葉產(chǎn)量增加，豫南煙區(qū)煙葉單位面積碳足跡、單位產(chǎn)值碳足跡呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。圖5a 表明，煙葉單位面積產(chǎn)量為1.90 t·hm-2時，對應單位面積碳足跡最低，為12 293.02 kg CO2-eq·hm-2；33.64%的農(nóng)戶煙葉單位面積產(chǎn)量低于1.90 t·hm-2，其中20.56%的農(nóng)戶煙葉單位面積產(chǎn)量低于該數(shù)值的同時，煙葉單位面積碳足跡高于最低值。圖5b 表明，煙葉單位面積產(chǎn)量為1.96 t·hm-2時，對應單位產(chǎn)值碳足跡最低，為0.20 kg CO2-eq·￥-1；40.19%的農(nóng)戶煙葉單位面積產(chǎn)量低于1.96 t·hm-2，其中23.36%的農(nóng)戶煙葉單位面積產(chǎn)量低于該數(shù)值的同時，煙葉單位產(chǎn)值碳足跡高于最低值。因此，部分農(nóng)戶煙草生產(chǎn)系統(tǒng)單位面積碳足跡和單位產(chǎn)值碳足跡均存在高碳排放低產(chǎn)量的情況。圖5c 表明，煙葉單位面積產(chǎn)量與單位產(chǎn)量碳足跡之間存在顯著的負相關性，煙葉單位面積產(chǎn)量每增加1.00 t·hm-2，其單位產(chǎn)量碳足跡降低4.18 kg CO2-eq·kg-1（R2=0.5822）。

圖5 單位面積煙葉產(chǎn)量與單位面積碳足跡、單位產(chǎn)值碳足跡、單位產(chǎn)量碳足跡的關系Fig.5 Relationship between tobacco yield per unit area and carbon footprints per unit area,per unit output value, and per unit yield

3 討論

3.1 煙草生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡評價

我國作物生產(chǎn)平均單位面積碳足跡為2 860 kg CO2-eq·hm-2［20］，主要糧食作物水稻、小麥和玉米單位面積碳足跡分別為9 159、2 786和3 934 kg CO2-eq·hm-2［23］。本研究中煙草生產(chǎn)單位面積碳足跡為12 630.03 kg CO2-eq·hm-2，遠高于水稻、小麥、玉米等主要糧食作物，也遠超我國作物生產(chǎn)平均單位面積碳足跡。其原因可能是與其他收獲后可直接售賣的作物相比，煙草在售賣前需以烘烤的方式進行初加工來保證煙葉的品質(zhì)，而烘烤環(huán)節(jié)碳足跡就占煙草生產(chǎn)碳足跡的80%以上。如果僅核算煙草農(nóng)作環(huán)節(jié)碳足跡，煙草單位面積碳足跡則低于水稻、小麥、玉米等糧食作物。華北平原主要經(jīng)濟作物棉花、花生單位產(chǎn)值碳足跡分別為0.22、0.16 kg CO2-eq·￥-1［24］，煙草生產(chǎn)單位產(chǎn)值碳足跡為0.21 kg CO2-eq·￥-1，介于華北平原棉花和花生之間?；ㄉ?、棉花平均產(chǎn)值分別為785.07、2 078.20 元/667 m2［25］，而煙葉平均產(chǎn)值則高達4 029.00 元/667 m2，遠高于花生和棉花。因此，煙草生產(chǎn)系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的高單位面積碳足跡和低單位產(chǎn)值碳足跡的特征。

3.2 煙草生產(chǎn)系統(tǒng)減排途徑

煙草作為我國主要經(jīng)濟作物，主要產(chǎn)物為葉片，需經(jīng)歷打頂抹杈、多次采收、剔除腳葉等，導致其生物量低。在人為不投入碳的情況下，煙田系統(tǒng)為“微碳匯”［26］，因此減少生產(chǎn)過程的溫室氣體排放是煙草生產(chǎn)減排的重點。

研究表明，農(nóng)作物碳排放占比由高到低依次為肥料投入、農(nóng)膜和農(nóng)田N2O 排放，而農(nóng)藥、柴油等所占比重較?。?7］。煙草生產(chǎn)碳排放的主要貢獻源有烘烤用煤、烘烤用電、農(nóng)膜和肥料等，其中烘烤階段碳排放貢獻占比81.9%。熱泵烤房每炕煙耗電約1 033.67 kW·h，經(jīng)核算每炕煙比燃煤烤房碳排放減少約400.39 kg CO2-eq·hm-2；生物質(zhì)烤房氮氧化物排放量比燃煤烤房低80%以上［28］。因此，推廣清潔能源烤房，并將煙草秸稈作為生物質(zhì)燃料和生物炭原材料間接還田，可以有效降低由于燃煤烘烤產(chǎn)生的碳排放［29］，對構建低碳煙草農(nóng)業(yè)至關重要。

科學的田間管理和種植方式也可以有效地減少農(nóng)戶生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳足跡。例如，采取保護性耕作方式，用深松代替翻耕或旋耕，可以減少土壤溫室氣體排放，增加土壤固碳量［30］；不同種植模式農(nóng)田系統(tǒng)碳匯量不同，比如稻麥輪作系統(tǒng)凈碳匯高于單季稻［31］，采用合理輪作模式能夠增加凈碳匯［32-33］；覆膜是我國煙葉主產(chǎn)區(qū)廣泛沿用的種植模式［34］，但其造成的高碳排放和白色污染也值得關注，合理有效地回收利用農(nóng)膜也可以減少煙草生產(chǎn)碳足跡。因此，在保證煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定的前提下，指導農(nóng)戶改善高碳排放生產(chǎn)模式，減少各生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放，是未來綠色煙草農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

3.3 研究局限性

基于農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)核算豫南煙區(qū)煙葉農(nóng)戶生產(chǎn)碳足跡，計算過程考慮了煙草生產(chǎn)過程最主要的9種農(nóng)資投入以及農(nóng)田土壤N2O 排放，實現(xiàn)了統(tǒng)一標準下較為全面的衡量與比較。煙草生長階段和烘烤階段在煙草全生命周期碳足跡中占比達到85%以上，育苗階段和工業(yè)加工階段總占比不到13%［35］。因此，本研究中的系統(tǒng)邊界內(nèi)并不包含育苗階段和工業(yè)加工階段，著重關注煙葉農(nóng)戶生產(chǎn)煙葉產(chǎn)生的碳足跡。核算煙葉農(nóng)戶生產(chǎn)碳足跡，可細化生產(chǎn)環(huán)節(jié)減排潛力，進而探究煙草生產(chǎn)減排途徑。另外，由于配施有機肥減排特征仍不明確，有學者認為配施有機肥可增強農(nóng)田土壤碳匯功能［36］，也有學者認為有機肥施用導致土壤微生物呼吸排放CO2增加［37］，因此研究中未作分析。在未來的研究中，應增加田間試驗，量化煙田溫室氣體排放量，進一步提高研究結果的可靠性。

4 結論

（1）豫南煙區(qū)煙草生產(chǎn)系統(tǒng)單位面積碳足跡、單位產(chǎn)量碳足跡和單位產(chǎn)值碳足跡分別為12 630.03、6.62和0.21 kg CO2-eq·￥-1。

（2）烘烤用煤、烘烤用電、農(nóng)膜、肥料為豫南煙區(qū)煙農(nóng)生產(chǎn)碳足跡的主要組成部分，其中烘烤環(huán)節(jié)貢獻81.9%。

（3）基于煙葉單位面積高產(chǎn)值，28.04%調(diào)研農(nóng)戶的肥料碳足跡和氮肥碳足跡過高，適宜的肥料和氮肥用量分別為511.26和70.26 kg·hm-2。

（4）基于煙葉低單位面積碳足跡，20.56%農(nóng)戶產(chǎn)量過低；基于煙葉低單位產(chǎn)值碳足跡，23.36%農(nóng)戶產(chǎn)量過低；煙葉產(chǎn)量每增加1 t·hm-2，其單位產(chǎn)量碳足跡降低4.18 kg CO2-eq·kg-1。