设施蔬菜水-能-碳影响评估及可持续发展优化

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设施农业作为农业现代化演变进程中的代表模式之一,已经成为世界各国重点发展的农业类型。设施蔬菜作为我国设施农业的主体部分在农业生产及国民经济中发挥着重要作用,但其生产过程也造成了可观的资源消耗和环境污染。尤其是给我国农业节水降碳工作和可持续绿色生产带来了阻碍。为评价我国设施蔬菜生产系统(Protected vegetable production system,PVPS)的水、能、碳的资源环境影响及可持续发展能力,并为PVPS的优化调控提供有效的政策建议,应用水足迹、碳足迹、能值综合分析方法对我国PVPS进行了系统研究。主要研究结果表明:(1)2018年我国PVPS水足迹总量为61亿m~3,各省市地区PVPS的水足迹水平大体可以分为四个梯队,其中华北和长江流域地区耗水较多;蓝水足迹空间上整体呈现为由东向西、由南向北逐渐减少,灰水足迹在河南、山东、河北、四川、江苏五个省份更为密集,占全国的76%;水足迹密度的分级主要受灰水足迹密度影响,各省市地区可以分为低中高三个密度区,高密度省份全部集中在华北地区;PVPS水足迹强度较高的省份多集中在黄河流域地区,尤其是河南、山东、陕西、宁夏;蓝水足迹和灰水足迹压力指数表现出相同的趋势和明显的空间差异性,河南、山东、陕西、四川、湖北同时表现出很高的蓝、灰水足迹压力。(2)2018年我国设施蔬菜生产能源消耗为3.85E+10 MJ。河南省燃料动力、化肥和排灌能耗较高,山东省农药、农膜和农家肥能耗较高,江苏和四川省机械作业能耗较高,陕西省抽水能耗较高,河北、山西和陕西省排灌能耗较高。PVPS碳排放总量为1058万吨CE,净碳足迹为741万吨CE;复混肥、运输、氮肥贡献了相当大比例,各省份地区的净碳足迹表现出明显两极分化;PVPS碳生态效率为0.299,整体水平偏低,尤其是华北地区和西北地区;在不同生产环节的碳排放分析中浙江、陕西、吉林、河南农资投入过盛,吉林、陕西、浙江、上海农作效率较低。(3)2018年我国PVPS的全部能值投入约为3.04E+22 sej,主要依赖不可更新购入能值,尤其是人力,地租和化肥;能值投入总量表现为从南到北,从东到西的降低趋势,单位面积能值投入结果相反,各地区的能值投入结构不同导致能值指标表现出显著的区域异质性;南方地区净能值产出率相对较高,利用本地资源的能力明显优于北方;华中地区的环境负载率显著高于全国平均水平;北京(0.165)、青海(0.141)、山东(0.130)的可持续性较高,华中和长江中上游整体地区可持续性较差。(4)整合多项能值投入结构优化调整,如降低本地资源地下水投入、降低不可再生能源投入、提高机械化程度并降低人力投入,到2030年,全国的设施蔬菜生产系统可持续性与2018年相比将提高28.63%。基于水-碳-能值的综合视角减少水能资源投入,降低温室气体排放,对资源压力大、生态效率和可持续性较低的省份进行优先调控较为关键;其中绿水开发利用,设施改进和灌溉升级,完善种植策略,减少化肥、农药、农膜的使用,推广清洁能源,提高机械化率和种植者能力等措施来提高农资利用率和农作效率是有效手段。将来结合全国整体投入结构调整和局部地区深度优化成为提高设施蔬菜系统资源环境可持续性最好的途径。本研究将为推动“碳达峰、碳中和”目标下农业农村现代化的低碳发展,形成与市场需求相适应、资源环境承载力相匹配的现代设施农业生产结构提供数据参考及理论支撑。
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