论文标题：Greenhouse gas emissions mitigation and economic viability of sugar crops in China

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Linsheng YANG, Xiaozhong WANG, Wushuai ZHANG, Prakash LAKSHMANAN, Yan DENG, Xiaojun SHI, Xinping CHEN, Fusuo ZHANG

发表时间：15 Sep 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2023529

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Sep 2024, Volume 11 Issue 3

· 第四篇 ·

▎论文ID

Greenhouse gas emissions mitigation and economic viability of sugar crops in China

中国糖料作物的温室气体减排和经济可行性

发表年份：2024年

第一作者：杨林生1,2,3

通讯作者：Prakash Lakshmanan1,2,4；邓燕1,2

邮箱：plakshmanan2018@outlook.com; dyan0907@swu.edu.cn

作者单位：1. 西南大学资源环境学院，长江经济带农业绿色发展研究中心；2. 西南大学农业农村部西南山地农业绿色低碳重点实验室；3. 安徽省农业科学院水稻研究所；4. 广西农业科学院甘蔗研究所。

Cite this article :

Linsheng YANG, Xiaozhong WANG, Wushuai ZHANG, Prakash LAKSHMANAN, Yan DENG, Xiaojun SHI, Xinping CHEN, Fusuo ZHANG. Greenhouse gas emissions mitigation and economic viability of sugar crops in China. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(3): 397–408 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023529

· 文 章 摘 要 ·

应对气候变化是全球社会面临的一项重大挑战。目前，包括中国在内的众多国家正致力于在未来几十年内实现碳中和目标。中国作为世界第三大甘蔗和食糖生产国，同时也是全球甘蔗和甜菜生产中碳足迹较高的国家之一。本研究从可持续制糖的视角出发，全面分析了中国甘蔗和甜菜作物的温室气体减排潜力、经济效益及产量表现。长期趋势分析显示，尽管甘蔗和甜菜的产量及温室气体排放量有所增加，但收入与投入比率却呈现下降趋势。结构方程模型分析揭示，氮肥使用和劳动力投入是影响这两种作物温室气体排放的主要因素，其中氮肥对甘蔗和甜菜温室气体排放的路径系数分别为0.771和0.589，劳动力的相应系数分别为–0.964和–0.835。通过优化种植系统，包括改进劳动力配置、氮肥管理和机械化应用，预计到2030年，甘蔗和甜菜生产的温室气体排放量和年总成本将比“一切照旧”(business-as-usual, BAU) 情景下分别降低32%和24%。此项研究为中国首次对甘蔗和甜菜种植的环境与经济可持续性进行了综合评估，其结果将助力相关产业利益攸关方推动甘蔗和甜菜作物向环境友好和经济高效的方向转型。

· 文 章 亮 点 ·

1. 随着时间的推移，甘蔗和甜菜的产量增加，碳足迹上升，但利润率却在下降。

2. 劳动力和氮肥是碳足迹的主要驱动因素。

3. 通过优化作物管理，碳足迹和总成本分别降低了32%和24%。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

农业的可持续集约化是一个宏伟目标，对于确保粮食安全、缓解气候变化以及提升社会经济效益至关重要。过去几十年，农业集约化虽显著提升了作物产量，却也带来了显著的环境问题。农业活动对环境影响尤为严重的是温室气体的大量排放，这是全球变暖和极端气候事件的主要因素。问题更趋复杂化的是，农业产量的增长主要是由于耕地面积的快速扩张，而非生产率的提升。即便农业生产实现了显著增长，付出了巨大的环境代价，但全球许多地区仍然面临严重的饥饿和贫困问题，且这些问题还在不断加剧。此外，全球主要作物产区产量增速放缓和气候变化的双重影响，使得实现粮食安全、减少温室气体排放和缓解贫困的目标变得更加艰巨。当前，经济效益和碳足迹分析越来越多地被用于评估农业系统的可持续性。然而，关于甘蔗和甜菜种植的碳足迹报告相对有限，特别是在不同农业气候和生态区域的碳足迹信息尤为缺乏。因此，本研究对中国1980至2018年间七个主要甘蔗和甜菜种植省份的种植方式、作物生产面积、产量、农资投入、碳足迹以及经济参数进行了全面的历史趋势分析。通过结构方程模型，我们分析了这些参数在实际作物生产情景下的关系，旨在：(1) 揭示趋势，识别影响作物生产力的关键因素；(2) 评估作物生产对环境和经济效益的影响；(3) 探索并提出实用的策略和模式，以可持续地提升这两种全球重要作物的产量和经济效益，同时减少温室气体排放。

▎结果

作物产量及糖产量显著增长：过去40年间，甘蔗和甜菜的产量显著增长，甘蔗产量从47.6增加到76.9 t·ha^–1，年均增长0.65 t·ha^–1；甜菜产量从14.2增加到 52.2 t·ha^–1，年均增长1.09 t·ha^–1。同期，甘蔗和甜菜的含糖量年均增幅分别为0.122%和0.191%。

单位面积的碳足迹大幅增长：1980–2016年甘蔗的单位面积碳足迹以年均136 kg·ha^–1的速率线性增长，2016年达到峰值后开始下降。甜菜的单位面积碳足迹也以年均94.5 kg·ha^–1的速率逐渐增加。

氮肥和劳动力是碳足迹的主要驱动力：结构方程分析显示，氮肥和劳动力是甘蔗和甜菜碳足迹的主要驱动因素，其中氮肥对碳足迹的贡献路径系数分别为甘蔗0.771和甜菜0.589；劳动力投入的减少通过增加农业投入 (如柴油、农药、化肥和电力) 间接导致碳足迹增加，其路径系数分别为甘蔗–0.964和甜菜–0.835。

长期的经济效益停滞：在过去的40年里，尽管甘蔗和甜菜的收入分别以年均925元和725元的速度增长，但净收入并没有显著提高，产投比反而呈现下降趋势。

不同地区可持续生产潜力差异显著：不同地区的甘蔗和甜菜生产潜力存在显著差异。广东和广西的甘蔗产量高于海南和云南，新疆的甜菜产量则明显高于内蒙古和黑龙江。

优化情景下温室气体减排潜力和经济可行性：通过减少劳动力、提高机械化和优化氮肥策略，在优化情景条件下种植作物可以减少32%的温室气体排放。此外，通过减少劳动力投入和优化肥料使用，可以减少24%的生产成本。

▎讨论

平衡施肥、碳足迹与作物产量：中国的甘蔗和甜菜生产在过去四十年中产量和温室气体排放量均有所增加，但收益与投入比率却下降。这在一定程度上是由于生产实践中长期过度使用氮肥导致的。尽管氮肥的过量使用提高了作物产量，但也带来了土壤酸化、水污染和大量温室气体排放等环境问题。因此，减少氮肥使用、提高氮肥利用效率是实现环境和经济效益双赢的关键。

机械化的障碍：中国甘蔗和甜菜生产高度依赖人工，机械化水平低，这导致了生产成本高昂且效率低下。随着农业劳动力的减少，提高机械化水平成为实现可持续生产的必由之路。通过推广适宜的机械化技术和设备，可以降低劳动成本，提高生产效率和作物产量。

环境与经济可持续性：中国甘蔗和甜菜生产的环境和经济效益受到多种因素的制约，包括小规模农场、土地租赁成本上升、土壤肥力下降等。为了改善这一状况，需要采取一系列技术、经济和政策措施，包括扩大农场规模、提高机械化水平、改善土壤健康和肥力、选育高产品种以及推广最佳管理实践。

研究的局限性与未来方向：本研究在评估温室气体排放时存在一定的不确定性，如氮肥使用过程中的排放因子可能因土壤类型、气候、种植制度等因素而有所不同。此外，中国在利用甘蔗和甜菜生产生物能源方面的研究相对不足。未来的研究需要填补这些知识空白，以提高评估的准确性和实用性。

· 结 论 ·

应对温室气体排放问题和提升农业盈利能力是一项复杂任务，尤其当涉及社会经济因素时。在中国，甘蔗和甜菜生产面临的挑战包括小规模农户、攀升的土地租赁成本、较低的农业机械化水平、化肥及其他农用化学品的过量施用、土壤肥力退化以及作物产量相对较低。这些问题相互交织，共同构成了制约生产环境和经济效益的瓶颈。为了解决这些问题，需要在技术、经济和政策层面采取综合措施。我们建议：

(1) 整合小规模农场：通过合并小农场创建规模更大的农场，并制定相应的政策和经济激励措施以降低土地租赁成本。

(2) 提升农业机械化水平：投资并推动农业机械化的研究与开发，以提高生产效率。

(3) 改善土壤健康和肥力：进行深入研究，以优化特定区域的肥料使用、土壤改良剂和其他农用化学品的应用，以及改进种植制度。

(4) 培育和推广高产优质品种：开发适合各产区的高产、抗性强的作物品种。

(5) 采纳最佳管理实践：积极实施作物生产的最佳管理做法和建议，以提高资源利用效率和作物产量。

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