论文部分内容阅读
随着我国经济实力的快速提升,机械农业、石油农业、化学农业的大力发展,农业生产的排放已经成为重要的温室气体来源。农业生产温室气体排放成为仅次于电热生产温室气体排放的全球第二大温室气体来源。如何减少农业温室气体的排放及保持未来可持续发展已经成为各国关注的重点和热点问题。目前针对农业温室气体排放,主要是研究甲烷与氮氧化物的排放。随着农业技术的发展,农业材料由传统农业向设施农业转变,资源利用以及设施材料变化引起的C02排放也将成为农业温室气体排放的主要来源。设施农业是农业的重要组成部分,也是高C02排放的农业生态系统之一。温室作为设施农业的主要代表,其运行方案的优化和设计过程的不断完善是定量评估设施农业生命周期中CO2排放控制的前提,也对设施农业CO2减排具有重要的指导作用。本文以我国主要的温室类型——竹木材料日光温室(32°N-48°N共20个地区)、塑料大棚(32°N以南共10个地区)、连栋温室(全国31个地区)生态系统为研究对象,基于生命周期评价(Life cycle assessment,LCA)的理论框架,以碳排放系数法为基础,综合考虑温室建造和温室作物(黄瓜)生产过程,结合温室环境调控能耗预测模型,定量估算中国不同类型温室生态系统C02排放现状,确定影响排放的关键要素。在此基础上,利用情景分析法,分析提高资源利用率与改进温室建造材料后,3种温室生态系统的减排潜力,主要研究结果如下：1.温室生态系统排放现状：采用生命周期评价法,利用收集到的文献资料数据和实验数据,计算3种温室生态系统生产单位产量黄瓜C02排放值与排放总量。结果表明：在竹木材料日光温室中,单位产量黄瓜C02排放值为1.05kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(河北)～1.73 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(西藏),各地区之间差异较小；各地竹木材料日光温室C02排放总量不存在规律性,为183463.2 kg(CO2)·ha-1周期-’(湖北)～274285.7 kg(CO2)·ha-1.周期-1(西藏)。温室C02排放贡献率最高的三个方面分别是：建造、肥料、灌溉,占全排放的95%以上。全国七区的连栋温室单位产量CO2排放值最低的是以海南(3.59kg(CO2)·kg(黄瓜)-1)、广西(567 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1)、广 东(4.75 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1)为代表的华南地区,而排放值较高的则是以辽宁(19.73 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1)、吉林(2013 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1)、黑龙江(20.33 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1)为代表的东北地区；各地区的连栋温室生态系统CO2排放总量为1089348 kg(CO2)·ha-1周期-1(广东)～7268408 kg(CO2)·ha-1.周期-1(黑龙江),排放总量随着地理纬度的上升而上升。CO2排放贡献率前三位的分别是：调温、温室建造、肥料。其中调温部分的C02排放量占到53.4%(华南)～90.4%(东北),比重随着纬度的上升而上升。温室建造4.8%(东北)-19.8%(华南)比重随着纬度的上升而下降。各地区塑料大棚生态系统单位产量黄瓜CO2排放值差异性较小,为0.88 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(广东)-121 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(浙江)；各地区的塑料大棚生态系统C02排放总量为54928.5 kg(CO2)·ha-1周期-1(广东)～113090.3 kg(CO2)·ha-1周期-1(浙江)。塑料大棚的C02排放贡献率前三位的是：肥料、温室建造、灌溉和农药。2.结合温室排放现状以及温室各因素CO2排放贡献率,对温室不同减排情景模拟分析的研究结果如下：(1)日光温室：对竹木材料日光温室进行了不同建造材料减排情景模拟、不同资源利用率(氮肥、水分、农药利用率提高,输入量减少,保持产量不变)减排情景模拟、同时改进温室建造材料并提高资源利用率情景模拟。结果如下：①不同建造材料减排情景模拟：该情景是将日光温室的三种建造材料类型进行比较研究,与竹木材料的日光温室相比,砖钢材料建造的日光温室单位产量黄瓜CO2排放值上升约12%,为1.17kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(河北)-1.96 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(西藏),而土钢材料则下降约7%,为0.97kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(河北)-1.59 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(西藏)；②提高资源利用率减排情景模拟：该情景是保证未来产量不变的前提下,降低氮肥、水分、农药的输入量,提高资源利用率,该情景能使竹木材料日光温室单位产量黄瓜CO2排放值下降约5%-10%,为0.94kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(河北)-1.63 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(西藏)；③提高资源利用率并同时改进温室材料的模拟分析：土钢材料日光温室单位产量黄瓜CO2排放值下降约14%,为0.88kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(河北)～1.51 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(西藏)。相比于单方面改进温室材料或者提高资源利用率来说,能较大幅度的降低生产单位产量黄瓜C02排放值。(2)连栋温室：对连栋温室进行不同资源利用率(两种情景假定)减排情景模拟分析、不同调温能源类型选择减排情景模拟分析、同时改变资源利用率与调温能源类型减排情景模拟。结果如下：①不同调温能源类型选择减排情景模拟：连栋温室使用非化石能源的风能与生物质能进行温室调温的连栋温室相比于使用化石能源燃煤进行温室调温的连栋温室单位产量黄瓜CO2排放值下降约13%-15%,生物质能调温能使单位产量黄瓜CO2排放值下降至3.02kg(CO2)·kg(黄瓜)1(海南)～17.43 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(黑龙江),风能调温能使单位产量黄瓜C02排放值下降至2.94kg(CO2)·kg(黄瓜)1(海南)～17.01kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(黑龙江),减排效果较为明显；②不同资源利用率减排模拟：假定1—该情景中假定氮肥、灌水、农药供应充足,使用温室黄瓜无土栽培营养液氮素管理模型预测作物未来产量水平,从而达到提高资源利用率的目标。研究中,全国连栋温室单位产量黄瓜CO2排放值下降约50%,单位产量黄瓜CO2排放值下降幅度较大,为1.73kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(海南)～10.15 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(黑龙江),减排效果明显。假定2—该情景是保证未来产量不变的前提下,降低氮肥、水分、农药的输入量,提高资源利用率,全国连栋温室单位产量黄瓜C02排放值下降约0.9%,为3.55kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(海南)-20.14 kg(cO2)·kg(黄瓜)-1(黑龙江)。该情景模拟下,C02减排效果不明显,不考虑从此方面进行资源利用率的改进。③同时改进资源利用率与调温能源类型减排模拟：通过同时提高资源利用率以及改变调温能源类型的连栋温室CO2排放量情景模拟研究,可以清楚地发现,使用生物质能的连栋温室单位产量黄瓜CO2排放值下降约53%,为1.65kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(海南)-9.26 kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(黑龙江)。使用风能的高资源利用率连栋温室单位产量黄瓜C02排放值下降约55%,为1.63kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(海南)-9.03kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(黑龙江)。相比于单方面改变温室调温能源类型或者提高资源利用率来说,能较大幅度的降低生产单位产量黄瓜C02排放值。(3)塑料大棚：对塑料大棚进行不同资源利用率(氮肥、水分、农药利用率提高,则输入量减少,保持产量不变)减排情景模拟分析。结果如下：各地区的单位产量黄瓜排放值下降约4%,单位产量黄瓜C02排放值为0.85 kg(CO2)·kg(黄瓜)1(广东)～1.16kg(CO2)·kg(黄瓜)-1(浙江),能获得一定的减排效果。综上所述,不论是从排放现状或是减排角度考虑,未来我国32°N以北地区应该继续发展以日光温室生态系统为主的设施农业,采取同时改进温室材料并提高作物生产资源利用率的减排措施,能获得明显的减排效果；32°N以南地区未来的设施农业发展仍应该以塑料大棚生态系统为主,其减排方式可以从提高作物生产资源利用率方面进行；连栋温室生态系统的减排潜力虽然较大,但减排模拟后单位产量黄瓜CO2排放值仍高于其余两种温室,所以从减排角度来看,连栋温室并不能取得很好的效果。本研究深入研究了不同类型设施农业的减排潜力以及减排措施,为准确估算设施农业对农业CO2减排的贡献提供了科学的研究方法和参考依据,并为中国制定农业CO2减排方案及优化设施农业布局提供科学的决策支持与理论依据。