生态学报  2016, Vol. 36 Issue (9): 2560-2569

文章信息

陈舜, 逯非, 王效科
CHEN Shun, LU Fei, WANG Xiaoke
中国主要农作物种植农药施用温室气体排放估算
Estimate of greenhouse gases emission from pesticides usage in China's major crops
生态学报, 2016, 36(9): 2560-2569
Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(9): 2560-2569
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201405271084

文章历史

收稿日期: 2014-05-27
网络出版日期: 2015-08-26
中国主要农作物种植农药施用温室气体排放估算
陈舜1, 2, 逯非1, 王效科1     
1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 过去30年来我国农作物的播种面积并未产生太大变化,但病虫害的发生和防治次数却不断增加。根据6种中国主要农作物的病虫害发生情况,收集了相应的农药用量及其制造的温室气体排放量数据,估算了中国主要农作物在种植过程中,因对病虫害使用杀虫剂和杀菌剂而产生的温室气体排放量现状。结果表明,我国主要农作物小麦、水稻、玉米、马铃薯、油菜和棉花的每公顷病虫害防治时使用农药所产生的温室气体排放量分别是9.19(1.86-23.24)、20.54(2.03-50.95)、10.38(3.45-19.32)、5.91(2.15-18.34)、10.84(8.10-13.62)、19.51(5.11-49.01)kg CE hm-2 a-1,即水稻和棉花最高;但论单产农药温室气体排放量,则油菜和棉花远高于其余4种粮食作物。每年小麦、水稻、玉米、马铃薯、油菜和棉花的病虫害防治使用农药所产生的总温室气体排放量分别是220.8(44.7-558.4)、606.7(60.0-1505.1)、336.4(112.0-606.3)、30.9(11.2-96.0)、79.5(59.4-99.8)、96.4(25.2-242.2)Gg CE,总计1.37(0.31-3.13)Tg CE。将以上6种作物的病虫害防治情况外推到全国农作物,则我国一年因为农作物病虫害防治而产生的温室气体排放量为2.13(0.48-4.85)Tg CE。另外由于缺乏草害面次数据而没有包括除草剂本分,所以以上数字仍是低估。病虫害防治由于作物本身、防治对象、防治方法以及药剂用量的固有差异,导致农作物病虫害防治的温室气体排放量计算结果存在着较大的不确定性,目前基于自下而上农户调查的估算方法无法克服这些问题,更精确的估算需要自上而下的企业级调查数据。
关键词: 农作物    杀虫剂    杀菌剂    温室气体排放    
Estimate of greenhouse gases emission from pesticides usage in China's major crops
CHEN Shun1, 2, LU Fei1, WANG Xiaoke1     
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Over the past 30 years, China's total area sown with crops did not change significantly. Meanwhile, the occurrences of crop pests and diseases as well as the control (treatment) areas have increased drastically. China has become the world's largest pesticide manufacturer and consumer since 2005 and the up-trend is expected to continue. Correspondingly, the greenhouse gases (GHGs) emission resulting from pesticide usage may also increase fast and become an important part of indirect GHGs emission in agriculture. However, domestic GHGs emission parameters from pesticide usage were rarely reported in analysis of China's agricultural life-cycle, which leads to considerable uncertainty in studies related to agricultural indirect GHGs emission. In this study, GHGs emission from pesticides manufacture was estimated by summing up the global warming potential of GHGs emitted from four processes including manufacture of active ingredients, formulation of emulsifiable oils/wettable powders/granules, packaging, and transport. According to the occurrence of pests and diseases in six major crops (wheat, rice, maize, potato, oilseed rape, and cotton) in China, the amount of current GHGs emissions induced by usage of insecticides and fungicides specific for these crops was assessed based on the integration of available information on the use of relevant pesticides and GHGs emissions from their manufacturing. Our estimation indicated that the GHGs emission pertaining to pests and diseases control was the highest for rice and cotton (20.54 [2.03-50.95] and 19.51 [5.11-49.01], respectively) followed by oilseed rape (10.84 [8.10-13.62]), maize (10.38 [3.45-19.32]), wheat (9.19 [1.86-23.24]), and potato (5.91 [2.15-18.34] kg carbon equivalent [CE] per hectare each year). Different crop pests and diseases contributed differently to crop's GHGs emission from pesticides usage: for maize and cotton, pests were the main contributors (especially maize borer, maize earworm, and cotton plant-bug); for oilseed rape and potato, diseases were the main contributors (especially potato late blight and rape sclerotinia rot); and for wheat and rice, pests and diseases both contributed equally to the total emission (especially wheat aphid, wheat midge, wheat red spider, wheat powdery mildew, wheat scab, rice plant hopper, rice leaf roller, rice striped stem borer, rice blast, and rice sheath blight). Meanwhile, as to the pesticide GHGs emission per unit yield, all four grain crops contributed far less than cotton and oilseed rape. Correspondingly, the overall emission due to the insect pests and diseases control measures for each of the analyzed crops in China was: 220.8 (44.7-558.4), 606.7 (60.0-1505.1), 336.4 (112.0-606.3), 30.9 (11.2-96.0), 79.5 (59.4-99.8), and 96.4 (25.2-242.2) Gg CE/a for wheat, rice, maize, potato, oilseed rape, and cotton, respectively, with a total amount of 1.37 (0.31-3.13) Tg CE/a. It should be noted that these results are underestimation of China's actual pesticide GHGs emission since the herbicides were not considered because of the unavailability of weed treatment data. Owing to the variation in the characteristics of crop pests and diseases control measures (including various conditions of crops, pests, and diseases, wide range of pesticide and fungicide choices and their legal dosage), non-negligible uncertainties still exist in our current bottom-up estimates based on farmer surveys. More accurate estimation requires implementation of top-down methods and data based on enterprise-level surveys.
Key words: crops    pesticides    fungicides    GHGs    carbon emission    

随着人类对全球气候变化的不断关注和温室气体排放控制的需要,关于化石燃料燃烧和土地利用变化的直接温室气体排放已经开展了大量研究,但对于人类生产和生活直接消费的产品在生产过程中的温室气体排放还研究较少,不利于人们认识从社会生产和消费过程中减少温室气体排放的意愿和责任。农业作为第一产业,其生产规模和能量密集产品的使用量也随着人口和技术水平的发展而增加,牵涉了极为广泛的能量消耗及其温室气体排放。

Lal[1]回顾了美国20世纪八九十年代对各种农业活动的温室气体排放量的大量研究,总结认为高能耗的化工产品(主要是化肥和农药)的制造、包装和存储过程是农业活动中最重要的间接温室气体源(农业机械的使用是最重要的直接温室气体源;传统耕作系统中,直接源和间接源总体大小相当;而在限制机械使用的保护性耕作系统中,间接源更大)。考虑到我国机械化程度远低于美国,直接温室气体源的重要程度要相应降低,那么化肥和农药的施用作为最重要的间接源更加不容忽视。有国内学者呼吁,今后的农产品生命周期研究应重点针对我国主要化肥和农药生产的资源消耗和环境影响而展开[2]

随着人口对农产品需求增加、劳动力成本提高而农药成本降低、病虫耐药性的提高[3],全球变暖及耕作方式改变导致农作物病虫害发生频率和程度的持续加剧[4]等多方面因素,我国农药的生产和使用越来越多。据中国农业年鉴和中国统计年鉴,20世纪80年代以来我国农作物总播种面积变化不大,但病虫害年平均发生次数却从1980年的0.92次增至2010年的2.29次,防治次数从0.80次攀升至2.77次;2010年全国农药的施用量达175.0万t,产量则是1985年的11倍。早在2005年,我国已成为世界第一大农药生产和使用国[5],而由于成本和效果的优势,在今后很长的一段时间内,化学农药仍是难以替代的重要保产农资[6],其相应的温室气体排放量也将继续保有上升势头。

目前,在农业活动温室气体利用生命周期评价法(Life Cycle Assessment,LCA)进行的清单研究中,国内研究者常常忽略不同作物、病虫害和农药类型的差别,使用单一的、完全国外的农药排放系数[7, 8, 9],抹平了不同作物、不同国别之间的差异,且小样点的用量数据也难以体现全国总体情况。

结合上述背景,本文基于我国近几年主要农作物全国范围的病虫害发生次数、农药施用种类和使用量,结合国内外有关各种农药生产的温室气体排放参数,估算了我国不同农作物生产中针对不同病虫害施用农药的温室气体排放量各自和整体的现状;由于缺乏近年全国草害的防治面积数据,下文中所指“农药”只包括杀虫剂和杀菌剂,不包括除草剂)

①“温室气体”只涉及化石燃料相关的CO2、CH4和N2O,最后单位全部转化为碳当量(Carbon Equivalent,本文中统一写作CE)。

1 研究方法

对于一定区域内的某作物(“区域”在本文情境中实指“全国”,后同),防治某一种病虫害i的农药施用温室气体排放量CPi通过公式(1)计算,该作物防治所有病虫害的农药施用总温室气体排放量CP通过公式(2)计算,该作物每公顷的农药防治温室气体排放量HCP通过公式(3)计算:

式中,i是不同的病虫害类型;CPi是该区域内防治该作物的某一种病虫害i的农药施用温室气体排放量(kg CE),计算结果见表 2Mi是该作物对病虫害i的防治面次(hm2 次),数据来源见2.2,取值见表 2AIi是防治病虫害i的单位面次农药有效成分用量(kg ai hm-2-1),数据来源见2.3,取值见表 1;CAIi是防治病虫害i所用的农药的温室气体排放系数(kg CE/kg ai),计算方法见公式(4),取值见表 1CP是该区域内该作物防治所有病虫害的农药施用总温室气体排放量 (kg CE);M是该区域内该作物所有病虫害的总防治面次(hm2 次),由于Mi的数据来源中只给出了主要的几种病虫害类型,所以M>∑Mi;(AI×CAI)=∑CPi÷∑Mi,表示该作物单位面次的加权平均农药施用温室气体排放量(kg CE hm-2-1)。HCP是每公顷该作物的农药防治总温室气体排放量(防治所有病虫害)(kg CE/hm2),计算结果见表 3G是播种面积(hm2),取值见表 3

②ai为“active ingredient”即“有效成分”的通用缩写。

表 1 全国主要农作物病虫害防治的化学农药有效成分及单位面次温室气体排放量* Table 1 China′s currently major crop diseases and pests, relevant active ingredient usage in chemical treatment, and carbon emission*
作物
Crop
病虫害类型
Crop pest/disease
最普遍使用的有效成分(ai)类型
MostCommon Pesticide Active Ingredient
for Different Crop Pest/Disease
单位面次防治温室气体排放量
Carbon Emission from
Corresponding Treatment per ha
AIi × CAI i(kg CE hm-2-1)
小麦小麦蚜虫吡虫啉、敌敌畏、氧乐果、氰戊菊酯·马拉硫磷、啶虫脒2.19(0.25—6.24)
Wheat小麦吸浆虫甲基异柳磷、倍硫磷7.92(3.39—12.96)
小麦红蜘蛛三唑酮·氧乐果、联苯菊酯3.10(0.36—5.97)
小麦地下害虫甲基异柳磷·三唑酮、甲拌磷·多菌灵3.18(0.18—7.21)
小麦条锈病丙环唑、三唑酮、烯唑醇2.66(1.04—4.22)
小麦白粉病三唑酮、多菌灵·三唑酮、丙环唑、福美双4.57(1.03—13.11)
小麦赤霉病多菌灵、甲基硫菌灵、多菌灵·三唑酮、福美双9.34(2.31—17.62)
小麦纹枯病戊唑醇、多菌灵·三唑酮、丙环唑、苯醚甲环唑、井冈霉素1.95(0.04—9.25)
水稻
Rice
稻飞虱、黑条矮
缩病、玉米粗缩病[28, 29, 30]
吡虫啉、噻嗪酮、异丙威、毒死蜱4.30(0.19—10.69)
稻纵卷叶螟毒死蜱、吡虫啉·杀虫单、阿维菌素、辛硫磷·三唑磷5.51(0.08—12.30)
水稻二化螟三唑磷、吡虫啉·杀虫单、毒死蜱、阿维菌素、辛硫磷·三唑磷5.75(0.09—12.99)
水稻三化螟三唑磷、吡虫啉·杀虫单、毒死蜱7.31(2.59—12.29)
稻瘟病三环唑、多菌灵、稻瘟灵、异稻瘟净、甲基硫菌灵12.01(3.70—23.48)
水稻纹枯病井冈霉素、多菌灵、苯醚甲环唑·丙环唑、甲基硫菌灵、己唑醇9.57(0.82—29.99)
水稻条纹叶枯病[31]吡虫啉6.17
玉米玉米螟辛硫磷、乙酰甲胺磷7.02(1.39—12.87)
Maize玉米叶螨[32]四螨嗪(螨死净)、三氯杀螨醇6.63(6.47—6.79)
玉米蚜虫福美双·克百威、吡虫啉3.13(2.20—4.63)
玉米蓟马福美双·克百威2.47
玉米黏虫乙酰甲胺磷、福美双·克百威7.31(2.47—17.88)
玉米地下害虫福美双·克百威、戊唑醇·克百威、甲基异柳磷1.15(0.08—2.54)
玉米大小斑病代森铵、丙环唑·嘧菌酯4.87(2.97—6.93)
玉米丝黑穗病戊唑醇、三唑酮、萎锈灵·福美双0.40(0.06—0.72)
玉米褐斑病[34]戊唑醇4.07
玉米纹枯病[35]和锈病f井冈霉素、甲基硫菌灵(甲基托布津)、三唑酮6.85(1.17—14.68)
马铃薯马铃薯晚疫病代森锰锌、代森锌、噁唑菌酮·霜脲氰、氟啶胺、嘧菌酯、吡唑醚菌酯·代森联6.01(1.32—23.09)
Potato马铃薯早疫病代森锌、吡唑醚菌酯·代森联、丙森锌、噁唑菌酮·霜脲氰9.25(3.53—25.90)
马铃薯蚜虫、病毒病[36]噻虫嗪、高效氯氟氰菊酯、氟啶虫酰胺2.97(0.09—11.62)
地下害虫(蛴螬)吡虫啉10.00(8.89—11.11)
马铃薯二十八星瓢虫高效氯氰菊酯0.46(0.28—0.63)
油菜油菜菌核病多菌灵18.79(14.09—23.48)
Oilseed油菜霜霉病乙蒜素1.30(1.18—1.42)
Rape油菜蚜虫溴氰菊酯、噻虫嗪0.31(0.06—0.69)
棉花棉铃虫辛硫磷、高效氯氰菊酯、氯氰菊酯、毒死蜱、氰戊菊酯、丙溴磷、灭多威4.75(0.31—15.43)
Cotton棉蚜高效氯氰菊酯、氯氰菊酯、辛硫磷·灭多威、氰戊菊酯·氧乐果1.34(0.31—2.35)
棉盲蝽马拉硫磷5.34(3.56—7.12)
棉花红蜘蛛(叶螨)阿维菌素、水胺硫磷、哒螨灵、炔螨特、甲氰菊酯、三氯杀螨醇2.20(0.15—5.90)
棉花烟粉虱氟啶虫胺腈、啶虫脒·高效氯氟氰菊酯1.63(0.47—3.09)
棉花黄、枯萎病乙蒜素、辛菌胺醋酸盐、三氯异氰尿酸、甲基硫菌灵1.68(0.25—3.40)
棉花苗期病害多菌灵、福美双·福美锌1.28(0.46—2.35)
棉花铃期病害
(疫病、炭疽病、红腐病)
三乙膦酸铝、多菌灵·福美双、多菌灵·五氯硝基苯·克百威13.65(0.82—48.73)
*每一行的有效成分对于该病虫害来说都是一种选择、是可以单独使用的(即防治单位面次的小麦蚜虫既可以只用吡虫啉12—37.5g,也可以只用敌敌畏600—800g);某些行内有两种以上的有效成分,且用“·”相连,是因为这其中的一种或几种有效成分只有混配形式(没有单一成分的登记条目),混合制剂的用量是这几种有效成分之和(如氰戊菊酯·马拉硫磷的混合制剂60—120g);“单位面次温室气体排放量”的上下限是同一种病虫害(表中列出的)所有选择的上下限,它的均值则是各项选择中值的算数均值
表 2 全国主要粮油棉作物的病虫害防治温室气体排放现状 Table 2 Current carbon emission from China′s major crop diseases and pests treatment
作物
Crop
病虫害类型
Crop Pest/Disease
防治面次
Treatment Area-time
Mi/(104 hm2 次)
总温室气体排放量
Total Carbon Emission
CPi/(Gg CE)
小麦小麦蚜虫154133.7(3.8—96.1)
Wheat小麦吸浆虫25119.9(8.5—32.5)
小麦红蜘蛛64019.8(2.3—38.2)
小麦地下害虫1203.8(0.2—8.7)
小麦条锈病3018.0(3.1—12.7)
小麦白粉病71932.9(7.4—94.3)
小麦赤霉病26524.8(6.1—46.7)
小麦纹枯病74014.4(0.3—68.5)
小麦病虫害总体(CP)6427220.8(44.7—558.4)
水稻稻飞虱2785119.7(5.2—297.7)
Rice稻纵卷叶螟2231122.8(1.9—274.3)
水稻二化螟154688.9(1.9—200.8)
水稻三化螟31723.1(8.2—38.9)
稻瘟病55566.6(20.5—130.2)
水稻纹枯病1824174.5(15.0—574.0)
水稻条纹叶枯病1237.6
水稻黑条矮缩病401.7(0.1—4.3)
水稻病虫害总体(CP)9447606.7(60.0—1505.1)
玉米玉米螟2000140.5(27.7—257.5)
Maize玉米棉铃虫39318.7(1.2—60.7)
玉米蓟马1132.8
玉米蚜虫2558.0(5.6—11.8)
玉米叶螨2206.63(6.47—6.79)
玉米地下害虫3644.2(0.3—9.3)
玉米黏虫22016.1(5.4—39.3)
玉米大、小斑病58028.2(17.3—39.3)
玉米丝黑穗病1890.8(0.1—1.4)
玉米褐斑病1937.9
玉米粗缩病1024.4(0.2—10.9)
玉米纹枯病和锈病785.3(0.9—11.4)
玉米病虫害总体(CP)6300336.4(112.0—606.3)
马铃薯马铃薯晚疫病20912.6(2.8—48.2)
Potato马铃薯早疫病484.4(1.7—12.3)
马铃薯病毒病381.1(0.05—4.4)
马铃薯蚜虫531.6(0.05—6.2)
马铃薯地下害虫494.9(4.3—5.4)
马铃薯二十八星瓢虫470.2(0.1—0.3)
马铃薯病虫害总体(CP)55330.9(11.2—96.0)
油菜 油菜菌核病34564.7(48.5—80.9)
Oilseed Rape油菜霜霉病1201.6(1.4—1.7)
油菜蚜虫2290.7(0.1—1.6)
油菜病虫害总体(CP)82279.5(59.4—99.8)
棉花棉铃虫65831.2(2.1—101.5)
Cotton棉蚜4786.4(1.5—11.2)
棉盲蝽51527.5(18.4—36.7)
棉花叶螨3447.6(0.5—20.3)
棉花烟粉虱1001.6(0.5—3.1)
棉花黄、枯萎病2113.5(0.5—7.2)
棉花苗期病害1511.9(0.7—3.6)
棉花铃期病害11816.1(1.0—57.4)
棉花病虫害总体(CP)258996.4(25.2—242.2)
表 3 全国主要农作物的每公顷病虫害防治现状 Table 3 Current carbon emission per hectare from China′s major crop diseases and pests treatment
现状小结Summary小麦Wheat水稻Rice玉米Maize马铃薯Potato油菜Rape棉花Cotton
播种面积/(万/hm2)
Crop Sown Area
2403.32954.33240.9523.5733.3494.3
每公顷产量(/t/hm2)
Yield per hectare
4.746.565.493.091.831.28
平均防治次数/次
Average Treatment Frequency
2.673.201.941.061.125.24
每公顷单次防治温室气体排放量AI×CAI/(kg CE hm-2-1)
Carbon Emission for one-time treatment per hectare
3.44
(0.70—8.69)
6.42
(0.63—15.93)
5.34
(1.78—9.94)
5.59
(2.03—17.35)
9.66
(7.23—12.14)
3.72
(0.98—9.36)
每公顷防治总温室气体排放量HCP/(kg CE/hm2)
Carbon Emission for all treatment per hectare
9.19
(1.86—23.24)
20.54
(2.03—50.95)
10.38
(3.45—19.32)
5.91
(2.15—18.34)
10.84
(8.10—13.62)
19.51
(5.11—49.01)
单位产量防治温室气体排放量/
(kg CE/t)
Carbon Emission for All Treatment per kg-yield
1.94
(0.39—4.90)
3.13
(0.31—7.76)
1.89
(0.63 —3.52)
1.91
(0.69—5.93)
5.93
(4.44—7.46)
15.29
(4.00 —38.41)
①播种面积取与防治面次同样年份的平均值,每年的播种面积来自相应年份的中国农业年鉴;
②小麦和水稻每公顷产量取2007—2011年的5a平均值、玉米、马铃薯、油菜和棉花每公顷产量均取2009—2011年的3a平均值(但2011年的马铃薯的单产值与总产量和播种面积之商不符,故马铃薯单产取值为总产与播种面积之商),每年的单产、总产和播种面积数据均查询自自国家统计局的公开数据库(http://data.stats.gov.cn/);
③平均防治次数=该作物所有病虫害的总防治面次÷该作物播种面积;
④单位产量农作物防治温室气体排放量=每公顷防治总温室气体排放量÷每公顷产量

各种农药的温室气体排放系数CAI根据公式(2)计算:

式中,Ep是单位有效成分生产能耗(MJ/kg ai),取值见2.1;EFPT是单位有效成分的(粉剂/乳剂/颗粒)成型、包装和运输能耗(MJ/kg ai),取值为20MJ/kg ai[10];0.140是能耗与CO2当量(CO2 equivalent,CO2e)的转换系数(kg CO2e/MJ),取值自2011年化学原料及化学制品制造业的终端能源消费量[11]中前73.6%的5种最主要能源的加权温室气体排放因子(5种终端能源消费量为:原煤7745.85万t标准煤、电力4336.31万t标准煤、石脑油3351.54万t标准煤、热力2357.88万t标准煤、天然气2315.00万t标准煤;根据中国能源统计年鉴2012,1t标准煤=29271MJ;加权量为国内全生命周期终端能源温室气体排放因子[12]:原煤100.5g CO2e /MJ、天然气72.73g CO2e/MJ、汽油98.86 g CO2e/MJ、电力297.7 g CO2e/MJ,热力用原煤的因子,石脑油用汽油的因子);12/44是CO2e与CE的转换系数(kg CE/kg CO2e)。

③考虑到我国主要是人工施药,和国外大规模使用器械甚至飞机来做喷雾的情况不同,因此本文的结果不包括施药环节的温室气体排放量。

2 数据来源 2.1 单位农药有效成分的生产能耗Ep

早期农药是以是天然矿物或植物为原料加工而成的(如硫磺、砷酸铅、硫酸铜等),但现代农药则是典型的石油化工产品,其合成基础是各种来源于化石燃料所制成的原料(乙烯、丙烯、甲烷等)的中间体,因此化石燃料既是农药合成的原料也是燃料[10]。由于企业级的农药生产过程数据常被视为商业机密,已有的关于农药生产能耗的文章[1, 13, 14, 15]大多都可追溯回1987年Maurice B. Green的一项研究结果[10],他是根据当时已失效的专利中的制造方法来计算的。

本文以下农药的单位有效成分生产能耗(Ep)取自Green:克百威454、马拉硫磷228.8、甲拌磷209、福美铁81(取值同福美双),代森锰锌260、多菌灵390、霜脲氰422、氟啶胺574、嘧菌酯595、戊唑醇531、高效氯氟氰菊酯509、毒死蜱304、氯氰菊酯600(MJ/kg ai)[10]

但Green当时计算过的很多农药品种现在已经很少使用了,现在常用的很多品种却没有包括在内,因此如何估算现在常用农药的能耗成为了一个难题。相比利用分子量或化学结构或反应步数为变量来预测制造能耗,Audsley[15]发现,以农药发明年份为变量,对制造能耗做回归的拟合效果最佳(认为随着科技的进步,同样是基于来自石油、煤或天然气的乙烯、丙烯和甲烷,后发明的农药生产工艺更复杂,因此制造能耗更高)。因此前述未提及的农药的单位有效成分生产能耗(Ep)按照Audsley的回归方程[15],即公式(5)计算:

式中,Y是农药有效成分的发明年份:敌敌畏1954、乙蒜素1958、乙酰甲胺磷1964、辛硫磷1965、异丙威1967、稻瘟灵1968、三唑磷1970、三唑酮1973、杀虫单1975、三环唑1975、氰戊菊酯1976、甲基异柳磷1977、噻嗪酮1977、四螨嗪1979、烯唑醇1980、高效氯氰菊酯1988[16];井冈霉素1973[17];倍硫磷1957、代森铵1960、氧乐果1965、丙环唑1979、己唑醇1980[18];吡虫啉1985、噻虫嗪1991[19];水胺硫磷1951、噁唑菌酮1989[20];辛菌胺醋酸盐1989、三氯异氰尿酸1950[21];氟啶虫酰胺2010[22];五氯硝基苯1939、代森锌1944、三氯杀螨醇1956、代森联1958、炔螨特1963、丙森锌1965、萎锈灵1965、灭多威1967、异稻瘟净1967、甲基硫菌灵1969、甲氰菊酯1971、丙溴磷1975、三乙膦酸铝1977、溴氰菊酯1974、苯醚甲环唑1982、联苯菊酯1984、阿维菌素1985、哒螨灵1990、氟啶虫酰胺1994、吡唑醚菌酯1994和啶虫脒1995则查自British Crop Production Council(BCPC) 2009年更新的《The Pesticide Manual(第十五版)》(即e-Pesticide Manual Version 5.0)。

2.2 全国各作物不同病虫害类型的防治面次Mi

由于各作物病虫害最近几年的详细防治面次缺乏公开数据,故使用全国农技中心2007—2011年的病虫测报[23, 24, 25, 26, 27]中对应病虫害的“预计发生面次”代替(将预计发生面次看做实际防治面次的近似值),表 1表 3中作物病虫害类型的选取均来自于此。小麦和水稻的防治面次取值为2007—2011年5年间的预计发生面次均值,缺少5a跨度数据的玉米、马铃薯、油菜和棉花取2009—2011年3年间的预计发生面次均值,具体取值见表 2

2.3 各作物不同病虫害类型的有效成分用量AIi

如无特殊说明,则各种病虫害的化学农药及其有效成分用量(AIi)均取值自中国农业部农药检定所主办的“中国农药信息网”,该网站提供了全国所有的农药登记信息:(1)通过“作物/防治对象查询(http://www.chinapesticide.gov.cn/service/aspx/B4.aspx)” 得到防治某种作物某一病虫害全国所有的农药商品的登记条目;(2)用excel软件统计各化学农药有效成分的出现频次(不包括极少数生物农药,如苏云金杆菌),据此选出最普遍的一种或几种有效成分(累计出现频次占总频次2/3即66.7%以上的前一种或前几种有效成分);(3)再在同一网站查看不同厂家对同一有效成分给出的用量取值表(如果登记条目太多,则抽选20条左右),获得该有效成分合法用量全国范围内的最大和最小值(以上过程以2014年1—2月的搜索结果为准)。如果某病虫害类型在农药信息网中没有登记结果,则使用药剂和剂量参考该作物病虫害的相关文献[28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36]

施药方式为稀释药液拌种时,AIi =种子重量÷10÷稀释倍数;若按药种比拌种,AIi =种子重量÷药种比×有效成分含量(%)。种子重量按小麦种子105 kg/hm2、玉米种子45 kg/hm2、马铃薯种薯1800 kg/hm2、棉花种子30 kg/hm2计。施药方式为按稀释倍数喷雾时,棉花玉米药液量按750 kg 3桶水/667m2计,小麦药液量按450 kg 2桶水/667m2计,AIi =药液量÷稀释倍数。

3 结果分析

表 1给出了我国6种主要农作物(小麦、水稻、玉米、马铃薯、油菜和棉花)的病虫害种类、防治所用的主要农药有效成分类型和单位面次农药的使用温室气体排放量(具体用量因篇幅关系略去)。表 1表明,由于作物通常会受到多种病虫害的危害,因此所需的农药有效成分种类很多(例如小麦病虫害常见的农药有效成分类型就有19种,水稻有17种);另外,(在统计过程中发现)即便是同一种有效成分,其用药剂量也差异很大:针对同一作物的同一种有效成分,使用方法不同带来的用量差异很大(例如针对小麦纹枯病的同一个厂家出品的多菌灵·三唑酮可湿性粉剂粉剂,有拌种或喷雾两种方式,用量相差5—6倍);而即便目标作物、目标病虫害类型、有效成分、剂型和使用方法都相同,合法的产品用量通常也是一个范围而非单一值,且不同厂家的产品之间还经常会有范围不一致的情况出现(比如同样是针对小麦蚜虫的40%氧乐果乳油,就有单位面次用量为81—162、135—162、300—450g/hm2的3种产品)。因此,病虫害防治所产生的温室气体排放量从理论上(即不考虑农民实际操作的用量差异)就具有很大的异质性和不确定性。

表 2可知,我国小麦、水稻、玉米、马铃薯、油菜和棉花的年平均病虫害发生面次分别为6427、9447、6300、553、822、2589万hm2 次,防治时使用农药所产生的总温室气体排放量分别为220.8(44.7—558.4)、606.7(60.0—1505.1)、336.4(112.0 —606.3)、30.9(11.2—96.0)、79.5(59.4—99.8)、96.4(25.2—242.2)Gg CE,6种合计总温室气体排放量为1.37(0.31—3.13)Tg CE。其中,水稻、玉米和小麦是主要排放源,三者共占总体的84.9%。不同作物的虫害和病害对总温室气体排放量的贡献不同(为讨论方便,只比较其均值):小麦病虫害防治的最主要排放源是蚜虫和白粉病,小麦虫害防治温室气体排放量占小麦病虫害总体防治温室气体排放量的49.1%;水稻主要的农药温室气体排放源是对纹枯病、稻飞虱、稻纵卷叶螟、二化螟和稻瘟病的防治,水稻虫害防治温室气体排放量占水稻病虫害总体的58.6%;玉米病虫害的最主要排放源是玉米螟,其贡献远高于其它玉米病虫害类型,玉米虫害防治温室气体排放量占玉米病虫害总体的81.5%。另外3种农作物中,马铃薯病虫害防治的温室气体排放最小,最主要排放源是对晚疫病的防治,病害防治温室气体排放量占总体的73.0%;油菜病虫害防治的最主要温室气体排放源是菌核病,油菜病害防治的温室气体排放量占总体的98.9%;棉花病虫害防治的温室气体排放量主要来自于棉铃虫、棉盲蝽和铃期病害,虫害防治农药排放占总体的77.5%。

表 3可知,不同作物病虫害防治的农药温室气体排放情况差异很大(全国平均值)。水稻和棉花的每公顷防治次数则为3.2和5.2次,每公顷的防治总温室气体排放量最高,达到20.54和19.51 kg CE hm-2;玉米、油菜及小麦的每公顷防治次数和农药施用温室气体排放则次之,马铃薯最低。将作物产出(单位面积产量)加入考虑,则差距更大:6种作物各自每吨产量所消耗的农药所产生的温室气体排放量分别是1.94、3.13、1.89、1.91、5.93和15.29 kg CE t-1,水稻仍是粮食作物中单产农药温室气体排放量最高的,是马铃薯(最低值)的1.6倍,而属于经济作物的油菜和棉花的单位产量农药温室气体排放量均远高于粮食作物,棉花的单产农药温室气体排放量更是水稻的4.9倍。

4 讨论与结论 4.1 讨论

各种差异的来源:(1)就各作物的全国农药温室气体排放总量而言,水稻、小麦、玉米这三大主粮最高,这是由其播种面积的绝对优势所决定的(3种作物播种面积均在2400万hm2以上,合计占了全国所有农作物播种总面积的一半还多)。(2)就每公顷的农药温室气体排放量而言,水稻和棉花最高(20.54、19.51 kg CE/hm2),且远高于油菜、玉米、小麦和马铃薯(10.84、10.38、9.19、5.91 kg CE/hm2),这符合水稻和棉花本身病虫害多发、防治次数最多的基本情况。(3)就每kg产品的农药温室气体排放量而言,棉花最高(15.29 kg CE/hm2),且远高于包括单产同样很低的油菜在内的其余5种作物,因为棉花不仅单产最低、而且病虫害防治次数最高,导致其单位产品的碳代价最高。(4)病害和虫害防治的温室气体贡献大小各有侧重,这不仅与作物本身的病虫害发生特点有关,也与其主流用药类型有关:玉米和棉花是虫害贡献大(主要是发生面积最大的玉米螟、棉铃虫和棉盲蝽),小麦和水稻的病害和虫害贡献大致相当(主要是小麦蚜虫、小麦吸浆虫、小麦红蜘蛛、小麦白粉病、小麦赤霉病、稻飞虱、稻纵卷叶螟、水稻二化螟、稻瘟病和水稻纹枯病),马铃薯和油菜则以防治病害的农药温室气体排放为主(主要是马铃薯晚疫病和油菜菌核病,其中油菜菌核病的贡献特别突出,这是因为多菌灵的用药量通常很高)。对大部分病虫害而言,由于农药种类的可选择余地相当大,不同农药也有巨大的用量和制造排放量差异,因此农药的选择会带来相当的减排空间。从控制农药温室气体排放的角度,应该主要从种植面积大和病虫害多的作物(如水稻和棉花)着手,鼓励淘汰防治效率不高、使用量大的老药(如多菌灵),使用补贴等方式鼓励使用众多同类替代品中更高效、使用量更低的新型农药。另外,即使不考虑稻田甲烷排放,水稻也仍然是单位面积碳代价最高的作物,对于以稻米为主食的亚洲人来说,鼓励节约粮食也有减少温室气体排放的积极意义。

计算中还存在的不确定性包括:(1)公式(4)中的单位有效成分的温室气体排放量转换系数(0.140 kgCO2e/MJ)是整个化学制品行业的平均值,虽然较能反映中国化学制品企业的能源消费结构,但未必和农药生产企业完全相同。而用来计算农药有效成分生产能耗(Ep)的公式(3)是一个经验回归公式,虽然这是根据Green的精确能耗数据所能得出的最明显趋势,但显然并不能精准到完全代替工厂的实测数据。那么使用公式(1)估算的中国的单位农药有效成分温室气体排放量(CAI)会与实际情况有出入。(2)由于防治方法和用量的地区性差异、及可能存在的操作不规范,各地实际使用的农药种类和用量的上下限有可能会超出本文的估计范围,且各地的每公顷作物防治温室气体排放量均值可能会与本文估算的全国均值有出入。要解决以上不确定性,首先要对我国典型农药生产企业的生产工艺能耗(Ep)做实际调查,以提高对各种农药的温室气体排放系数(CAI)的估算精度。其次是提高对农药用量的估算精度,目前自下而上的农户级调查从根本上无法克服农药用量本身的不确定性和区域异质性,更好的办法是通过自上而下的企业级调查,获得各种农药的总销售量及其用于各种作物的去向比例数据(一种农药常常有很多种去向,只有总量也无法得知其分散到各个作物上的用量),最后汇总成作物所使用的各种农药总量。

另外,本文因为缺乏草害面次数据而没有包括除草剂的贡献,但除草剂的总体发明年份较杀虫剂和杀菌剂更晚,虽然施用次数不如杀虫杀菌剂多但通常单次使用量较大,导致每公顷温室气体排放量也相当可观:例如按本文同种方法计算的玉米除草剂的每公顷温室气体排放量达17.43(0.92—49.19)kg CE/hm2,均值和上限均超过玉米每公顷杀虫和杀菌剂的温室气体排放量之和。且随着转基因作物的推广使用,除草剂的市场份额也在不断扩大[3],因此本文计算的各作物每公顷农药施用温室气体排放量和全国农药温室气体排放总量仍是低估。

4.2 结论

由于防治一种病虫害往往有多达十余种的农药可供选择,而即便是同一种农药,使用量也可相差数倍之多,另外不同的农药品种又有不同的制造方法和能耗……,因此,即使是防治同一种作物的同一种病虫害,单位面积的农药温室气体排放量也是大不相同的,甚至可以相差数百倍(表 1)。而对于同一种作物而言,防治病害和虫害的温室气体贡献偏重也不同,例如玉米和棉花更重虫害(玉米螟、棉铃虫和棉盲蝽),油菜和马铃薯更重病害(晚疫病、菌核病),小麦水稻则是多种病虫害皆重(小麦蚜虫、小麦吸浆虫、小麦红蜘蛛、小麦白粉病、小麦赤霉病、稻飞虱、稻纵卷叶螟、水稻二化螟、稻瘟病和水稻纹枯病)(表 2)。至于不同作物整体的农药防治温室气体排放量,水稻和棉花的平均每公顷防治总温室气体排放量是小麦、玉米、油菜和马铃薯的2倍左右;如果考虑的不是平均值而是极限值,则差异更大(表 3)。

以上6种作物的病虫害防治温室气体排放量为1.37(0.31—3.13)Tg CE,若将上述农作物的整体平均农药施用情况外推到其余农作物(按六种农作物播种面积总和1.035亿hm2、全国农作物总播种面积1.605亿hm2计),则我国目前农作物施用农药(不包括除草剂)的温室气体排放总量为2.13(0.48—4.85)Tg CE a-1(考虑到除草剂的贡献,以上数字均仍是低估)。

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