中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (6): 1137-1152.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.06.009
收稿日期:
2023-04-11
接受日期:
2023-05-10
出版日期:
2024-03-16
发布日期:
2024-03-25
通信作者:
联系方式:
王楚凡,E-mail:ww9906@sina.cn。
基金资助:
WANG ChuFan1,3(), NIU Jun1,2,3(
)
Received:
2023-04-11
Accepted:
2023-05-10
Published:
2024-03-16
Online:
2024-03-25
摘要:
【目的】 对西北地区主要粮食作物碳足迹和水足迹进行评估,并基于碳足迹和水足迹建立多目标种植结构优化模型,对各省(区)粮食作物进行空间布局调整,为减少碳排放量和强化水资源管理提供理论依据。【方法】 以西北地区小麦、玉米和水稻种植面积、产量和农资投入量等为基础数据,利用生命周期法(LCA)对碳足迹进行评估;以蒸散量和有效降水量为基础数据,利用Penman-Monteith公式对水足迹进行评估;基于熵权法对西北五省(区)三大粮食作物布局进行多目标优化。【结果】 1999—2020年西北地区小麦、玉米、水稻的碳足迹和水足迹在不同省(区)表现出明显的差异性。西北地区3种粮食作物小麦、玉米、水稻碳排放呈现出东西部较高,中部较低的分布特点,其单位产量碳足迹(PCF)的范围分别为:0.36—0.63、0.33—0.56、0.57—0.97 t CO2-eq·t-1,单位面积碳足迹(FCF)分别为:(2.46±0.77)、(3.21±0.49)、(5.57±0.91)t CO2-eq·hm-2。2010—2018年西北地区小麦、玉米绿水总量呈平稳上升趋势,水稻绿水总量变化不显著。平均绿水总量较高的地区分布在陕西、甘肃和宁夏。蓝水总量在2010—2015年呈上升趋势,2016—2018年呈现下降趋势,平均蓝水总量较高的地区分布在甘肃、宁夏和新疆。玉米是西北地区三大粮食作物中蓝水足迹最小的作物,平均蓝水足迹为0.45 m3·kg-1;水稻的蓝水足迹最大,平均蓝水足迹为0.77 m3·kg-1。基于碳足迹和水足迹进行粮食作物种植结构优化,以各省(区)不同作物种植面积为决策变量,并根据不同权重设置重点减少碳排放(生态效益)和重点增加绿水利用(水资源效益)的优化情景。情景1碳排放总量减少1.9%,绿水利用总量增加5.0%;情景2碳排放总量减少11.8%;情景3绿水利用总量增加6.7%。【结论】 西北地区三大粮食作物碳排放和水总量时空差异显著。碳足迹方面,该地区三大粮食作物平均FCF呈现增加,PCF呈现降低的变化趋势。水足迹方面,该地区三大粮食作物绿水足迹高于全国均值,其中玉米绿水足迹最大,水稻绿水足迹最小。在粮食作物安全保障的前提下,小麦种植面积增加6.7%、玉米和水稻种植面积分别减少5.8%和8.0%,经济、资源和生态效益均有一定的改进。综上所述,多目标优化后可以提高绿水资源利用,减少碳排放量,缓解环境压力。
王楚凡, 牛俊. 西北地区主要粮食作物种植的水、碳足迹及布局优化[J]. 中国农业科学, 2024, 57(6): 1137-1152.
WANG ChuFan, NIU Jun. Water and Carbon Footprint and Layout Optimization of Major Grain Crops in the Northwest China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(6): 1137-1152.
表1
投入农资的排放系数"
项目 Item | 排放系数 Emission factor | 参考文献Reference |
---|---|---|
氮肥Nitrogenous fertilizer | 7.759 t CO2-eq·t-1 | [ |
磷肥Phosphate fertilizer | 2.332 t CO2-eq·t-1 | [ |
钾肥Potassic fertilizer | 0.66 t CO2-eq·t-1 | [ |
农药 Pesticides | 18.08 t CO2-eq·t-1 | [ |
柴油 Diesel fuel | 4.63 t CO2-eq·L-1 | [ |
塑料薄膜 Plastic film | 5.18 t CO2-eq·t-1 | [ |
灌溉电力 Irrigation electricity | 266.48 kg CO2-eq·hm-2 | [ |
小麦种子 Wheat seeds | 1.22 t CO2-eq·t-1 | [ |
玉米种子 Maize seeds | 1.16 t CO2-eq·t-1 | [ |
水稻种子 Rice seeds | 1.84 t CO2-eq·t-1 | [ |
氮肥引起农田N2O直接排放 Direct N2O emission from N fertilizer | 小麦Wheat 0.0105 kg N2O-N·kg-1N | [ |
玉米Maize 0.0105 kg N2O-N·kg-1N | [ | |
水稻Rice 0.0042 kg N2O-N·kg-1N | [ |
表6
秸秆燃烧温室气体排放系数[24]"
燃烧模式 Burning mode | 作物 Crop | CO2排放系数 CO2 emission factors (g·kg-1) | N2O排放系数 N2O emission factors (g·kg-1) | CH4排放系数 CH4 emission factors (g·kg-1) |
---|---|---|---|---|
室内秸秆燃烧 Domestic straw burning | 小麦 Wheat | 1246.7 | 1.19 | 8.3 |
玉米 Maize | 1491 | 1.86 | 3.91 | |
水稻 Rice | 1147.4 | 1.92 | 4.8 | |
田间秸秆燃烧 In-field straw burning | 小麦 Wheat | 1390 | 3.3 | 3.4 |
玉米 Maize | 1350 | 4.3 | 4.4 | |
水稻 Rice | 1393 | 1.42 | 3.9 |
图1
西北各地区粮食作物碳排放总量 XA:西安市Xi’an;TCA:铜川市Tongchuan;BJ:宝鸡市Baoji;XY:咸阳市Xianyang;WN:渭南市Weinan;YA:延安市Yan’an;HZ:汉中市Hanzhong;YLA:榆林市Yulin;AK:安康市Ankang;SL:商洛市Shangluo;LZ:兰州市Lanzhou;JYG:嘉峪关市Jiayuguan;JC:金昌市Jinchang;BY:白银市Baiyin;TS:天水市Tianshui;WW:武威市Wuwei;ZY:张掖市Zhangye;PL:平凉市Pingliang;JQ:酒泉市Jiuquan;QY:庆阳市Qingyang;DX:定西市Dingxi;LN:陇南市Longnan;LX:临夏回族自治州Linxia Hui Autonomous Prefecture;GN:甘南藏族自治州Gannan Tibetan Autonomous Prefecture;XZ:西宁市Xining;HD:海东市Haidong;HB:海北藏族自治州Haibei Tibetan Autonomous Prefecture;HNA:黄南藏族自治州Huangnan Tibetan Autonomous Prefecture;HNB:海南藏族自治州Hainan Tibetan Autonomous Prefecture;GL:果洛藏族自治州Guoluo Tibetan Autonomous Prefecture;YS:玉树藏族自治州Yushu Tibetan Autonomous Prefecture;HX:海西蒙古族藏族自治州Haixi Mongolian and Tibetan Autonomous Prefecture;YC:银川市Yinchuan;SZS:石嘴山市Shizuishan;WZ:吴忠市Wuzhong;GY:固原市Guyuan;ZW:中卫市Zhongwei;WLMQ:乌鲁木齐市Urumqi;KLMY:克拉玛依市Kelamayi;TLF:吐鲁番市Tulufan;HM:哈密市Hami;CJ:昌吉回族自治州Changji Hui Autonomous Prefecture;BETL:博尔塔拉蒙古自治州Bortala Mongolian Autonomous Prefecture;BYGL:巴音郭楞蒙古自治州Bayingol Mongolian Autonomous Prefecture;AKS:阿克苏地区Aksu;KZL:克孜勒苏柯尔克孜自治州Kizilsu Kirgiz Autonomous Prefecture;KS:喀什地区Kashgar;HT:和田地区Hotan;YLB:伊犁哈萨克自治州Ili Kazakh Autonomous Prefecture;TCB:塔城地区Tarbagatay;ALT:阿勒泰地区Altay;SHZ:石河子市Shihezi;ALE:阿拉尔市Alaer;TMSK:图木舒克市Tumushuke"
表9
不同优化情景西北五省(区)粮食作物种植面积变化"
作物 Crop | 优化前 Before optimization | 情景1 Scenario 1 | 情景2 Scenario 2 | 情景3 Scenario 3 | |
---|---|---|---|---|---|
陕西 Shaanxi | 小麦 Wheat | 964190 | 974192 | 996224 | 953174 |
玉米 Maize | 1179440 | 1297384 | 943552 | 1415328 | |
水稻 Rice | 105090 | 94581 | 84072 | 105090 | |
甘肃 Gansu | 小麦 Wheat | 708720 | 779592 | 738268 | 850464 |
玉米 Maize | 1000810 | 850688.5 | 800648 | 903143 | |
水稻 Rice | 3390 | 3051 | 2712 | 3220.5 | |
青海 Qinghai | 小麦 Wheat | 94790 | 102132 | 87448 | 102132 |
玉米 Maize | 21370 | 23507 | 17096 | 25644 | |
宁夏 Ningxia | 小麦 Wheat | 92920 | 92920 | 111504 | 74336 |
玉米 Maize | 322730 | 355003 | 258184 | 385920 | |
水稻 Rice | 60820 | 63861 | 59135 | 63861 | |
新疆 Xinjiang | 小麦 Wheat | 1069020 | 1175922 | 1071986 | 1282824 |
玉米 Maize | 1051050 | 840840 | 840840 | 852206 | |
水稻 Rice | 47630 | 38104 | 38104 | 38104 |
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