滕永忠，白保勛，陳東海，徐婷婷，宋長新，王衛(wèi)華

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，河南 鄭州 450002； 2.鄭州市農(nóng)林科學(xué)研究所，河南 鄭州 450005； 3.開封市國有林場，河南 開封 475000； 4.周口市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，河南 周口 466000)

生產(chǎn)活動與化石燃料燃燒等活動釋放了種類與數(shù)量較多的溫室氣體，改變了大氣成分。其中，CO2排放量最多，對溫室效應(yīng)作用最大[1-3]。大氣成分的變化對氣候、自然環(huán)境等造成了不良影響[4-6]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界上最大的CO2排放國[7-9]。

物資和能量投入對農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)起到積極作用，但是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動與過量的物質(zhì)投入會增加農(nóng)田碳投入量[3-4]。農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動投入形式有機(jī)械柴油與電能2 種，前者包括耕作、播種、收獲等柴油消耗，后者為灌溉電能投入；農(nóng)林業(yè)物資投入為化肥(氮、磷、鉀肥)與農(nóng)藥(殺蟲劑、除草劑)[3-12]。

農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是在一定地域內(nèi)相互作用的生物因素和非生物因素構(gòu)成的功能整體，綠色植物通過光合作用，吸收CO2釋放O2，凈化空氣[13-14]。在農(nóng)林業(yè)生態(tài)服務(wù)功能中，植物凈碳匯對生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的貢獻(xiàn)較大[15-16]?，F(xiàn)有的研究主要對林木和糧經(jīng)作物凈碳匯進(jìn)行探討，對果樹、設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行的研究較少。多年生林木、果樹和生長周期較短的糧經(jīng)作物在研究方法上存在較大差異，糧經(jīng)作物核算凈碳匯時扣除了碳投入，而林地、果園、城鎮(zhèn)綠地核算凈碳匯時未考慮碳投入，從而導(dǎo)致農(nóng)林業(yè)凈碳匯無法進(jìn)行精確比較。農(nóng)林業(yè)一般處于同一個生態(tài)系統(tǒng)之中，故嘗試采用統(tǒng)一的方法，把碳投入納入凈碳匯計(jì)算，量化評價(jià)農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能，對進(jìn)一步了解農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳收支，科學(xué)高效地經(jīng)營管理農(nóng)林業(yè)資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[17-18]。

鑒于此，調(diào)查河南省中北部農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動與物資投入，確定農(nóng)林業(yè)碳投入量，測定不同種類植物凈生產(chǎn)力，計(jì)算植物固碳量，根據(jù)不同種類植物凈碳匯，用碳稅法計(jì)算不同種類植物與土地利用類型凈碳匯的價(jià)值，旨在為農(nóng)林業(yè)資源合理利用與低碳農(nóng)林業(yè)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省中北部屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期、干冷同季、災(zāi)害天氣頻繁。春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雨。年平均溫度14.0～14.3 ℃，年平均降雨量599.5～707.0 mm。

該區(qū)域東部為平原，中部為低山丘陵，西部為山地。地帶性土壤為棕壤及褐土，東西方向上變化顯著，由東向西逐漸由潮土、褐土過渡到棕壤；受地形、母質(zhì)、時間和人類活動等多種因素影響，土壤類型多樣化，主要有褐土、潮土、風(fēng)砂土、棕壤與水稻土等。

河南省中北部植被受地形和氣候的影響，呈現(xiàn)出平原到山地不同環(huán)境的過渡性，同時，受人類活動的影響較大。按照經(jīng)營目的、植物種類與生長環(huán)境的差異，把河南省中北部分為糧經(jīng)作物、露地蔬菜、溫室作物、果園、林地、城鎮(zhèn)綠地6個土地利用類型。

1.2 研究方法

1.2.1 碳投入量 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中碳投入量主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動耗能與物資投入碳排放量的總和。碳投入量按照以下公式計(jì)算[19-20]：

(1)

式中，Ct為碳投入量，單位：kg/(hm2·a)；i為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程能源消耗種類，包括柴油、電能等；Cti為第i種能源消耗碳投入量，單位：kg/(hm2·a);j為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料消耗種類，包括農(nóng)藥、化肥等；m為生產(chǎn)資料消耗量，單位：kg/(hm2·a)，β為第i種生產(chǎn)資料的碳排放參數(shù)。不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的碳排放參數(shù)：施用1 kg N，碳投入量1.56 kg；施用1 kg P2O5，碳投入量1.63 kg；施用1 kg K2O，碳投入量0.65 kg；施用1 kg除草劑，碳投入量6.3 kg；施用1 kg殺蟲劑，碳投入量5.1 kg；電能碳投入量 0.25 kg/(kW·h)；柴油碳投入量0.94 kg/kg[21-22]。

在6個土地利用類型中，林地、果園、城鎮(zhèn)綠地中植物為多年生，取年碳投入量的多年平均值作為其碳投入量；糧經(jīng)作物中植物為一年兩茬輪作的草本，碳投入量為主要植物年碳投入量平均值的2倍；露地蔬菜與溫室作物碳投入量均按照1 a內(nèi)輪作作物碳投入量總和計(jì)算。

1.2.2 固碳量 在河南省中北部不同土地利用類型中，選擇有代表性的植物，在植物生長季節(jié)設(shè)置樣地。喬木林樣地規(guī)格：10 m×10 m，灌木林樣地規(guī)格：5 m×5 m，草本群落樣地規(guī)格：2 m×2 m。用收獲法測定不同種類植物生物量，多年生植物用其總生物量除以生長年限得到凈生產(chǎn)力；生命周期不超過1 a的植物，其生物量即為凈生產(chǎn)力[23-24]。

不同種類植物固碳量用以下公式計(jì)算[23]：

G碳=1.63R碳B年

(2)

式中，G碳為植物年固碳量，單位：kg/(hm2·a)；B年為植物凈生產(chǎn)力，單位：kg/(hm2·a)；R碳為CO2中碳的含量，為27.27%。

在6個土地利用類型中，林地、果園、城鎮(zhèn)綠地取植物年固碳量的平均值，作為其固碳量；糧經(jīng)作物固碳量以主要植物固碳量平均值的2倍計(jì)算；露地蔬菜與溫室作物固碳量按照1 a內(nèi)輪作作物固碳量總和計(jì)算。

1.2.3 凈碳匯及其價(jià)值 用固碳量減去相應(yīng)的碳投入量得到不同種類植物的凈碳匯，用碳稅法評價(jià)不同種類植物凈碳匯的價(jià)值[11-12]。

U碳=C碳(G碳-Ct)

(3)

式中，U碳為植物年固碳價(jià)值，單位：元/(hm2·a)；G碳為植物年固碳量，單位：kg/(hm2·a)；Ct為碳投入量，單位：kg/(hm2·a)；C碳為碳的價(jià)格，單位：元/kg，2015年人民幣與美元的平均匯率為6.228 4，碳稅率折合人民幣為0.934 元/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類植物凈碳匯及其價(jià)值

2.1.1 碳投入量 根據(jù)調(diào)查結(jié)果，用公式(1)計(jì)算不同種類植物碳投入量。由表1可知，糧經(jīng)作物碳投入量由大到小的順序?yàn)樗尽⑿←?、玉米、花生；露地蔬菜碳投入量由大到小的順序?yàn)榉?、黃瓜、蓮藕、豆角、白菜、蘿卜；溫室作物碳投入量由大到小的順序?yàn)榉?、黃瓜、菜椒、菊花、辣椒；果園碳投入量由大到小的順序?yàn)槭翗?、蘋果、葡萄、桃樹、棗樹、核桃；林地碳投入量由大到小的順序?yàn)榻疸y花、泡桐、楊樹、柳樹、國槐、油松、柏木、刺槐；城鎮(zhèn)綠地碳投入量由大到小的順序?yàn)樵录?、懸鈴木、紫薇、雪松、銀杏、石楠、黃山欒、女貞。

表1 不同種類植物的碳投入量 Tab.1 Carbon input of different plant species kg/(hm2·a)

續(xù)表1 不同種類植物的碳投入量 Tab.1(Continued) Carbon input of different plant species kg/(hm2·a)

2.1.2 固碳量 按照公式(2)計(jì)算不同種類植物的固碳量。由表2可知，糧經(jīng)作物固碳量由大到小的順序?yàn)樗尽⒂衩?、小麥、花生；露地蔬菜固碳量由大到小的順序?yàn)樘}卜、白菜、蓮藕、黃瓜、番茄、豆角；溫室作物固碳量由大到小的順序?yàn)槔苯?、菜椒、番茄、黃瓜、 菊花；果園固碳量由大到小的順序?yàn)槭翗?、葡萄、核桃、蘋果、桃樹、棗樹；林地固碳量由大到小的順序?yàn)榇袒?、國槐、楊樹、泡桐、柳樹、油松、柏木、金銀花；城鎮(zhèn)綠地固碳量由大到小的順序?yàn)閼意從?、銀杏、石楠、雪松、女貞、黃山欒、紫薇、月季。

表2 不同種類植物的固碳量Tab.2 Carbon fixation of different plant species kg/(hm2·a)

2.1.3 凈碳匯及其價(jià)值 用不同種類植物固碳量減去其碳投入量，得到凈碳匯。由表3可知，糧經(jīng)作物凈碳匯及其價(jià)值由大到小的順序?yàn)樗?、玉米、小麥、花生；露地蔬菜凈碳匯及其價(jià)值由大到小的順序?yàn)樘}卜、白菜、蓮藕、黃瓜、豆角、番茄；溫室作物凈碳匯及其價(jià)值由大到小的順序?yàn)槔苯贰⒉私?、番茄、菊花、黃瓜；果園凈碳匯及其價(jià)值由大到小的順序?yàn)槭翗?、葡萄、核桃、蘋果、桃樹、棗樹；林地凈碳匯及其價(jià)值由大到小的順序?yàn)榇袒薄?、楊樹、泡桐、柳樹、油松、柏木、金銀花；城鎮(zhèn)綠地凈碳匯及其價(jià)值由大到小的順序?yàn)閼意從尽y杏、石楠、雪松、女貞、黃山欒、紫薇、月季。

表3 不同種類植物的凈碳匯及其價(jià)值Tab.3 Net carbon sink and their value of different plant species

2.2 不同土地利用類型凈碳匯及其價(jià)值

2.2.1 碳投入量 根據(jù)不同種類植物碳投入量，計(jì)算不同土地利用類型碳投入量。由表4可知，不同土地利用類型碳投入量，溫室作物最大，其后依次為露地蔬菜、糧經(jīng)作物、果園、城鎮(zhèn)綠地，林地最小。為了獲得較高產(chǎn)量的蔬菜產(chǎn)品，溫室作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與物資投入較多；露地蔬菜化肥與農(nóng)藥使用量較大，碳投入量較高；糧經(jīng)作物與果園碳投入量中等；城鎮(zhèn)綠地與林地以多年生木本植物為主，前者需要修剪、施肥、噴藥，后者一般除了噴藥，經(jīng)濟(jì)林與豐產(chǎn)林施用化肥之外，不采取其他管理措施，碳投入量較低。

2.2.2 固碳量 根據(jù)不同種類植物固碳量，計(jì)算不同土地利用類型固碳量。由表5可以看出，不同土地利用類型固碳量以溫室作物最大，其后依次為露地蔬菜、糧經(jīng)作物、果園、城鎮(zhèn)綠地、林地。溫室作物生長過程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與物資投入量高，即碳投入量高，植物生長加快，固碳量較高。城鎮(zhèn)綠地與林地一般生長在立地條件較差的區(qū)域，以自然生長為主，碳投入量較小，固碳量較低；果園碳投入量較高，促進(jìn)結(jié)果與果實(shí)生長，因此果實(shí)生物量所占比例較大，凈生產(chǎn)力較高，固碳量較高。

2.2.3 凈碳匯及其價(jià)值 根據(jù)不同種類植物凈碳匯及其價(jià)值，計(jì)算不同土地利用類型凈碳匯及其價(jià)值。由表6可知，不同土地利用類型凈碳匯及其價(jià)值由大到小的順序?yàn)闇厥易魑?、露地蔬菜、糧經(jīng)作物、城鎮(zhèn)綠地、林地、果園。不同土地利用類型的凈碳匯及其價(jià)值主要取決于其固碳量與碳投入量，固碳量較高，碳投入量較低的土地利用類型具有較高的凈碳匯及價(jià)值。

表4 不同土地利用類型的碳投入量Tab.4 Carbon input of different land-use types kg/(hm2·a)

表5 不同土地利用類型的固碳量Tab.5 Carbon fixation of different land-use types kg/(hm2·a)

表6 不同土地利用類型的凈碳匯及其價(jià)值Tab.6 Net carbon sink and their value of different land-use types

3 結(jié)論與討論

不同類型植物生長的環(huán)境差別較大，在河南省中北部的東部平原區(qū)，以農(nóng)作物種植為主；在中西部丘陵區(qū),林木、果樹與農(nóng)作物相間分布，在較為平坦的區(qū)域一般種植農(nóng)作物，在坡度較小的區(qū)域栽培果園，在坡度較大的區(qū)域種植林木；城鎮(zhèn)綠地主要種植多年生喬木與灌木、草本植物。糧經(jīng)作物在農(nóng)作物中所占面積較大，其次為露地蔬菜，溫室作物種植面積較小。溫室作物、露地蔬菜、糧經(jīng)作物雖然均為農(nóng)作物，但是獲取的農(nóng)產(chǎn)品差別較大，生長狀況差別較大。溫室作物與露地蔬菜生長環(huán)境有較大差別，所以分別歸為2個土地利用類型；城鎮(zhèn)綠地主要植物群落為多年生木本與草本植物，立地條件較差，受人為影響較大，生長較慢。

為了獲得更高的產(chǎn)量，溫室作物化肥和農(nóng)藥使用量較大，生產(chǎn)管理投入量較大，在不同土地利用類型中，碳投入量最大；露地蔬菜輪作茬數(shù)多于糧經(jīng)作物，化肥和農(nóng)藥使用量較多，機(jī)械耗能較高，其碳投入量僅次于溫室作物；糧經(jīng)作物能量消耗和物質(zhì)投入小于露地蔬菜，在以上3種土地利用類型中碳投入量最小。在多年生木本植物中，果園需要精細(xì)管理，能量和物質(zhì)消耗量最大，碳投入量最大。新營造的森林在成林之后，除了噴藥防治病蟲害，基本無其他碳投入，碳投入量最低。多年生木本植物碳投入量小于生長期較短的草本植物。

在某一地域，農(nóng)業(yè)和林業(yè)共處于同一個生態(tài)系統(tǒng)，不同種類植物是農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，提供生態(tài)、生產(chǎn)、生活等多種功能。綠色植物可以吸收二氧化碳，排放氧氣，對于改善城鄉(xiāng)空氣質(zhì)量具有重要作用。從觀測計(jì)算結(jié)果來看，人工種植的草本植物，包括溫室作物、露地蔬菜、糧經(jīng)作物等，生長較快、固碳量較大；在多年生木本植物中，果樹年生長量最大，其后為城鎮(zhèn)綠地、林地，因此其固碳量也依次降低。 農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動與物資投入將增加農(nóng)林業(yè)碳投入，降低了農(nóng)林業(yè)凈碳匯，過量化肥投入是農(nóng)林業(yè)碳排放的主要來源，化肥進(jìn)入土壤分解釋放的氣體也是造成霧霾的原因之一[25-28]。因此，大力推廣測土配方施肥、水肥一體化、精準(zhǔn)施肥、氮肥深施、多施有機(jī)肥等，以提高肥料利用率，達(dá)到降低碳排放目的。推廣免耕、少耕等保護(hù)性耕作措施，有利于土壤固碳，提高土壤肥力，減少作物生產(chǎn)中肥料的施用量[11]。建議在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中增加凈碳匯較大種類植物的種植面積，提高農(nóng)林業(yè)植被凈碳匯價(jià)值。當(dāng)前，對林木凈碳匯價(jià)值已經(jīng)實(shí)施了生態(tài)補(bǔ)償，與林木相比，農(nóng)作物凈碳匯價(jià)值更高，但是其凈碳匯價(jià)值未進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償，建議把農(nóng)作物凈碳匯納入生態(tài)補(bǔ)償體系，減少農(nóng)作物碳投入，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，充分發(fā)揮農(nóng)作物凈化空氣的生態(tài)功能。