祁興芬

（德州學院地理系，山東德州253023）

目前國內研究低碳經(jīng)濟，主要側重于城市與工業(yè)領域，對農(nóng)村、農(nóng)業(yè)領域的碳排放、農(nóng)業(yè)碳匯功能等相對關注較少[1]。事實上，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與人類關系最為密切，同時也是重要的大氣碳源和碳匯[2]。農(nóng)業(yè)活動是重要的溫室氣體排放源，20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O來源于農(nóng)業(yè)活動及其相關過程[3]；同時，全球農(nóng)田也是巨大的碳庫，其碳儲量達170Pg，占全球陸地碳儲量的10%以上[4]。據(jù)研究，1990－2005年農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放增長了14%，平均每年相當于排放4.9×107tCO2[5]；據(jù)Cole估計，在未來的50-100年內，全世界農(nóng)田可固碳20 Pg-30Pg[6]。另據(jù)Lal等研究，全球耕地每年總固碳潛力為0.75 Pg-1.0 Pg[7]。中國作為世界上一個重要的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對全球大氣CO2濃度的影響不可忽視。國內對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的研究較多，針對城市未進行較長時序的時空格局研究；同時在考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放時也沒有將碳排放途徑深入細化，在一定程度上影響了定量測算結果的精確性。本文以農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史悠久的德州市為例，通過對2001-2010年德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物碳吸收量和主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動碳排放量的估算，分析德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的時空格局及影響因素，以期提供更精確的農(nóng)業(yè)源碳排放清單，為德州市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調整和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)固碳減排提供科學依據(jù)。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 區(qū)域概況

德州市位于北緯 36°24′-38°0′，東經(jīng) 115°45′-117°24′之間，地處山東省西北部，黃河下游北岸，是顯著的大陸性季風氣候，四季分明、干濕季明顯，光照資源豐富，物產(chǎn)資源十分豐富。德州市土地總面積104萬hm2，耕地占德州市總面積的52%，總人口564.2萬人，其中農(nóng)業(yè)人口403.6萬人，農(nóng)村居民451.5萬人，農(nóng)村人口占總人口的80%，是典型的農(nóng)業(yè)大市。德州市耕地面積廣闊，地下水資源豐富，具有發(fā)展農(nóng)業(yè)的良好條件。全市主要種植小麥、玉米、棉花等，全國重要的糧食生產(chǎn)基地和優(yōu)質棉生產(chǎn)基地。全市11個縣（市、區(qū)）中7個縣被國家授予糧食生產(chǎn)大縣的稱號，人均糧食居山東首位。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2001-2010年德州市主要農(nóng)作物產(chǎn)量、播種面積、耕地面積及歷年化肥施用量、農(nóng)作物播種面積和各類作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機械總動力、灌溉面積等數(shù)據(jù)，均來自2001-2010年《德州統(tǒng)計年鑒》。

1.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量估算

碳吸收主要依據(jù)農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)、經(jīng)濟系數(shù)和碳吸收率進行估算。

農(nóng)作物生育期碳吸收量公式[8]：

式中，i為第i種農(nóng)作物的種類；Cd為某種作物全生育期對碳的吸收量；Cf為作物合成單位有機質干質量所吸收的碳；Dw為生物產(chǎn)量；Yw為經(jīng)濟產(chǎn)量；Hi為經(jīng)濟系數(shù)(表1)。

表1 我國主要農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)與碳吸收率[9]

1.4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量估算

農(nóng)田利用的碳排放主要來源是：化肥生產(chǎn)使用過程中所導致的碳排放；農(nóng)藥生產(chǎn)和使用過程中所導致的碳排放；農(nóng)膜生產(chǎn)和使用過程中所引起的碳排放；農(nóng)業(yè)機械使用消耗化石燃料所產(chǎn)生的碳排放；農(nóng)業(yè)灌溉過程中的碳排放；農(nóng)田土壤碳庫動態(tài)變化而引起的碳直接排放。本文僅考慮前5種主要的間接碳排放途徑，碳排放估算公式為：

式中：Ef、Ep、Em、Ee、Ei分別為化肥、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)、農(nóng)膜、灌溉過程中產(chǎn)生的碳排放。Gf為化肥使用量；Gp為農(nóng)藥使用量；Am為農(nóng)作物種植面積；Wm為農(nóng)業(yè)機械總動力；Ge為農(nóng)膜使用量；Ai為灌溉面積；A、B、C、D、F、G為轉換系數(shù)，分別 為 857.54g/kg、4.9341kg/kg、16.47kg/hm2、0.18kg/kw、5.18kg/kg和266.48kg/hm2[10]。

2 結果與分析

2.1 德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量變化

2.1.1 碳吸收總量時間變化 2001-2010年德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量總體呈上升趨勢，農(nóng)作物碳吸收總量呈現(xiàn)兩個階段，第一階段2001-2003年為緩慢增長期，由2001年485.3萬t增加到2003年的516.2萬t，年均增速逐年下降，農(nóng)作物種植面積減少，單產(chǎn)增加，總產(chǎn)量增幅較慢；第二階段2004-2010年為快速增長期，碳吸收總量從2004年的480.10萬t增加到2010年的956.20萬t，年均增速呈波動式變化，2005-2006年增速為12.59%，2007-2008年為3.64%（圖1）。表明推行合村并居工程使得農(nóng)作物種植面積不斷增加，農(nóng)作物生育期碳吸收水平在不斷提升，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳匯明顯。

2.1.2 各縣市的不同農(nóng)作物碳吸收總量變化 德州市2010年主要種植的農(nóng)作物為小麥、玉米和棉花，由于農(nóng)作物單產(chǎn)和種植面積不同，碳吸收總量存在一定差異（表2）。2010年德州市各縣市農(nóng)作物生育期總碳吸收量中，吸收總量最大的是齊河和陵縣，分別是122.33萬t、99.50萬t，最小的是德城區(qū)為31.38萬t。德州市不同農(nóng)作物碳吸收量不同，其中禹城以小麥吸收為主，占禹城總碳吸收量的84.8%，夏津主要以棉花吸收為主，占夏津總碳吸收量的47.9%，其余各縣市均以小麥、玉米吸收為主，占各縣市小麥、玉米碳吸收總量的40%以上。這主要是由于農(nóng)作物的種植結構差異造成的。

表2 2010 年德州市各縣市不同農(nóng)作物碳吸收量對比 （單位：萬t）

2.1.3 農(nóng)作物碳吸收量和單位面積碳吸收量的時間變化 通過分析德州市2001-2010年農(nóng)作物生育期碳吸收量和單位面積碳吸收量，結果顯示（表3）：小麥和玉米的碳吸收量明顯高于其他農(nóng)作物，從2001年的205.8萬t、180.3萬t分別增加到2010年的417.2萬t、434.8萬t，增幅明顯；農(nóng)作物碳吸收量比較大的還有棉花，由于作物近幾年種植面積的減少，雖然單產(chǎn)有所增加，但碳吸收持平穩(wěn)狀態(tài)；其他幾種農(nóng)作物碳吸收量比較低，總的吸收量僅占全部吸收量的0.2%。這主要是德州市主要的糧食作物是小麥、玉米，且種植面積逐年增加，棉花雖然是經(jīng)濟作物，但農(nóng)民種植的積極性不高。單位播種面積碳吸收量一直處于波動式增加狀態(tài)，從2001年的6.4 t/hm2波動上升到2003年的7.3 t/hm2，2004年以后波動上升到2007年的7.9 t/hm2，而后又波動上升到2010年的8.9 t/hm2，表明德州市農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量處于增加趨勢。

表3 2001-2010年德州市主要農(nóng)作物生育期碳吸收量變化

2.2 德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的變化

2.2.1 碳排放總量時間變化 2001-2010年德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放呈先增后減的變化（圖2）。碳排放量自2001年55.66萬t增加到2003年68.02萬t；2004年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放為56.41萬t，主要是由于德州市遭受自然災害的影響，農(nóng)作物的單產(chǎn)減少造成的；從2004-2008年，由于農(nóng)業(yè)投入的增加及農(nóng)業(yè)機械化水平的提高，碳排放量呈現(xiàn)增加的趨勢（2008年68.32萬t）；2008-2010年，德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量呈減少的趨勢，2010年僅68.80萬t；從年均碳排放增速情況來看，2001-2002年年均增速為2.92%，2006-2007年年均增速為9.67%，2009-2010年年均增速為-12.25%。以上表明德州市調整農(nóng)業(yè)結構，碳排放總量有一定程度降低。

圖2 德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量及年均增速變化（2001-2010年）

2.2.2 各縣市的碳排放區(qū)域差異 根據(jù)德州市2010年各縣市農(nóng)藥、農(nóng)膜、灌溉面積、肥料生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機械化等計算各縣市碳排放量和排放強度（圖3）。從圖3中看出德州市各縣市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量的區(qū)域差異明顯，排放量最大的是齊河（9.12萬t），其次為樂陵（7.66萬 t），碳排放最小的是德城區(qū)（2.42萬t），這主要是農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量的差異造成的。碳的排放強度最大的是慶云（1.46 t/hm2），其次平原碳排放強度為1.30t/hm2，排放強度最小的是寧津（0.87 t/hm2）。這表明德州市不同縣市在農(nóng)業(yè)發(fā)展方向和發(fā)展特色上的差異。

圖3 2010年德州各縣市碳排放量和排放強度對比

2.2.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要碳排放途徑的比較 通過分析德州市各年份農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要碳排放途徑（表4），結果顯示，五種途徑碳排放中，化肥施用碳排放所占比例較大，占整個過程的50.1%；其次是灌溉，農(nóng)膜的碳排放也占有一定的比例，農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)的碳排放所占比例最小，占2.9%。化肥、農(nóng)膜、農(nóng)藥三種途徑產(chǎn)生的碳排放量呈先增后減趨勢，表明為提高單位面積產(chǎn)量，農(nóng)民加大對化肥農(nóng)藥的使用；另一方面德州市發(fā)展有機農(nóng)業(yè)、綠色食品、無公害食品，種植面積增加而農(nóng)藥化肥施用逐漸減少。農(nóng)用機械過程碳排放量由2001年的1.73萬t增加到2010年的2.12萬t，增幅為22.9%；灌溉過程碳排放量由2001年的11.87萬t增加到2010年的13.48萬t，增幅為13.5%。表明近年來德州市大力發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)基礎設施建設和農(nóng)業(yè)機械化水平提高的同時，碳排放量也在增加。

表4 德州市主要碳排放途徑比較 （單位：萬t）

3.3 德州市碳源/碳匯影響因素分析

3.3.1 德州市碳吸收量影響因素分析 德州農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量主要與小麥、玉米和棉花的產(chǎn)量有顯著的正相關，其中與小麥、玉米的相關系數(shù)大于0.9，棉花的相關系數(shù)為0.2795（表5），從固碳的角度應增大棉花種植面積；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收與水稻、高粱、谷子等農(nóng)作物有顯著的負相關，主要是由于德州市這些農(nóng)作物的種植面積少、產(chǎn)量低導致碳吸收能力相對較差。因此，應一方面增加復種，提高單產(chǎn)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量；另一方面，增強作物生產(chǎn)力和優(yōu)化種植結構，提升肥料利用率以提高作物單位面積產(chǎn)量，以保持或提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力[11]。

表5 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量與主要農(nóng)作物產(chǎn)量的相關性分析

3.3.2 德州市碳排放量影響因素分析 德州市的碳排放量與農(nóng)用化學品投入和燃料動力使用及耕作灌溉管理均顯著正相關，與農(nóng)藥使用量的相關系數(shù)最大，為0.8647，其次是化肥的使用量，為0.7780（表6），說明農(nóng)藥和化肥的使用量是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的主要因素；同時農(nóng)業(yè)機械動力、灌溉面積、種植面積等的相關性相對較小，在0.45-0.55之間。因此，在農(nóng)業(yè)投入持續(xù)增加和機械化程度不斷提高的大背景下，需要從改變肥料施用方式、優(yōu)化能源利用結構以及調整耕作和灌溉制度等方面入手，通過科學施肥，減少化肥的使用量、采用免耕或少耕技術、應用精確滴灌技術、發(fā)展生物質能等措施，發(fā)展品質農(nóng)業(yè)，強化農(nóng)產(chǎn)品的質量，從而達到有效降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的目標[12]。

表6 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量與主要碳排放途徑的相關性分析

3 討論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯除與農(nóng)作物的種植面積有關外，與農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)投入有關，農(nóng)業(yè)投入的增加會相應的提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，從而使農(nóng)作物碳吸收量得到增加。德州市2001-2010年十年碳吸收總量為6347.4萬t，碳排放總量為647.3萬t，碳吸收量與碳排放量的比是10∶1，這說明德州市農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量不斷增加，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量多而碳排放量少。因此，對于一個地區(qū)來說，要減小其碳吸收量，首先需要保護生態(tài)環(huán)境，構建良好的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，使農(nóng)作物產(chǎn)量品質提高，增強碳吸收能力；其次需要積極推行生態(tài)農(nóng)業(yè)建設，形成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性物質循環(huán)，合理使用化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學品，增施有機肥，減少化石能源的消耗，減少碳排放。

本研究僅是對德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的估算，是以統(tǒng)計資料為主，沒有將涉及碳排放的所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動計算在內，只計算主要農(nóng)作物類型的碳吸收和主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的碳排放，從總體上來說，本研究基本反映了德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯時空變化格局。此外，本研究碳吸收量的計算公式中農(nóng)作物生物產(chǎn)量是由經(jīng)濟產(chǎn)量推算而來，不可避免會產(chǎn)生一些誤差，而碳排放量的計算尚未將作物和土壤呼吸排放量納入計算范圍，從而影響了本研究的估算精度，需在今后的工作中進一步補充完善本研究成果。

4 結論

通過德州市2001-2010年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/碳匯及影響因素分析，得出以下結論：

（1）德州市2001-2010年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收總量呈增加的趨勢；小麥、玉米作為主要的糧食作物，吸收量明顯高于其他農(nóng)作物，棉花作為主要經(jīng)濟作物，由于種植面積及單產(chǎn)的限制，吸收量不高。

（2）2001-2010年德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放呈現(xiàn)先增后減的變化；幾種途徑碳排放過程中，化肥施用過程中碳排放所占的比例較大且呈減少的趨勢。

（3）碳源匯影響因素分析表明：德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量與小麥、玉米、棉花的產(chǎn)量有正相關；德州市的碳排放量與農(nóng)用化學品投入和燃料動力使用以及耕作灌溉管理均顯著正相關。

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