（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

一、引言

現(xiàn)今，農(nóng)業(yè)對(duì)于全球氣候變暖的影響不容小覷，它也是全球溫室氣體排放源的主要來源之一[1-3]。眾所周知，全球變暖已經(jīng)成為日趨嚴(yán)重的氣候問題，我國在向聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）所遞交的《國家自主貢獻(xiàn)預(yù)案》中承諾到2030 年，我國的碳排放強(qiáng)度將比2005 年會(huì)下降至60%～65%[4]。全球農(nóng)業(yè)排放會(huì)產(chǎn)生將近1/5 比例的溫室氣體量[5]，若從農(nóng)業(yè)食品鏈的角度來觀測(cè)其直接產(chǎn)生或間接產(chǎn)生的碳排放量的話，其中約有1/3 比例的碳排放量來自于農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及其他的土地用途所產(chǎn)生的排放[6]。英國氣候變化委員會(huì)曾提出，即使現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)排放相比于運(yùn)輸和能源供應(yīng)這兩方面的排放來說較低，但到2050 年時(shí)將極有可能成為最大的排放源之一[7]，中國不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，與此同時(shí)也是二氧化碳排放大國，在全國的碳排放總量中農(nóng)業(yè)碳排放量約占17%[8-10]，并且農(nóng)業(yè)排放以年平均5%持續(xù)不斷上漲[11]。由于全球氣候變暖的話題讓人們對(duì)碳排放增加等相關(guān)問題的關(guān)注度不斷增加，人們逐漸將焦點(diǎn)放在了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所引起的碳排放與碳吸收[12]。

目前我國在農(nóng)業(yè)方面主要面臨著水資源短缺與嚴(yán)重污染、土地沙漠化、生態(tài)惡化、草原面積退化、土地逐漸沙漠化與干旱和環(huán)境不斷污染等一系列生態(tài)問題，因此，我國農(nóng)業(yè)碳排放量日顯增加趨勢(shì)，制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，故減少二氧化碳排放量，提倡與發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)茲事體大。王松良和祝文烽（2010）[13]以新的視角來看待溫室氣體層面的碳源與碳匯，進(jìn)而主要研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的碳排放問題。研究作為碳源的農(nóng)產(chǎn)品加工與包裝、各類農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的廢棄物處理和利用，除去農(nóng)業(yè)的工業(yè)能碳源之外，并從中提供了農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后來研究農(nóng)業(yè)人。溫和（2011）[14]從農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳平衡的角度集中研究黑龍江省村域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的碳循環(huán)，這其中包含碳排放、碳固定、碳吸收以及碳轉(zhuǎn)移四個(gè)層面，由其得出了農(nóng)作物種植、農(nóng)村用能、農(nóng)村人口和土壤呼吸是該省的主要農(nóng)業(yè)碳排放途徑。米松華（2013）[15]運(yùn)用分層生命周期法核算了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)的碳排放，并將其分為以下四個(gè)層面：農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量、農(nóng)用物資所涵蓋的碳排放、農(nóng)用能源引起的碳排放和農(nóng)業(yè)的廢棄物處理不得當(dāng)而導(dǎo)致的碳排放。在這其中，卻沒有考慮到土地翻耕與農(nóng)田灌溉的投入量所產(chǎn)生的碳排放。本文以甘肅省為研究區(qū)，定量分析了2008—2017 年甘肅省不同類型的碳源所產(chǎn)生的碳排放量，以及不同農(nóng)作物所產(chǎn)生的碳吸收量并進(jìn)行了碳源、碳匯的核算，為甘肅省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中碳減排決策提供了參考依據(jù)。

二、材料與方法

（一）研究區(qū)概況

甘肅省位地處中國西北部地區(qū)，東通陜西，西達(dá)新疆。位于北緯32°11'～42°57'，東經(jīng)92°13'～108°46'之間，總面積為42.58×104km2，甘肅省交匯于黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原三大高原之中。全省生態(tài)類型多樣且復(fù)雜，地域遼闊，總面積4 540×104hm2，耕地面積350×104hm2[16]。甘肅省屬于干旱、半干旱的大陸性氣候，早晚溫差較大，氣候較干燥，從南向北的氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候、溫帶季風(fēng)氣候、溫帶大陸性干旱氣候和高原山地氣候。然而，干旱少雨的自然條件和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱等造成了甘肅省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期依賴于化肥、翻耕、農(nóng)膜等生產(chǎn)物資的大量投入，導(dǎo)致土壤污染嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)的碳排放量也在逐年遞增，極大地阻礙了全省農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

（二）研究方法與計(jì)算

1.農(nóng)業(yè)碳排放計(jì)算。農(nóng)業(yè)投入碳排放的主要來源于化肥、翻耕、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)用機(jī)械等。在參考田云和張俊飚（2013）[17]、趙榮欽和秦明周（2007）[18]碳排放方程建立方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建甘肅省農(nóng)業(yè)碳排放公式如下：

式（1）中，E 為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量，Ei為各類碳源碳排放量，Pi為各碳排放源的數(shù)量，Qi為各排放源的碳排放系數(shù)，依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放源頭特征，從五個(gè)方面確定碳源因子及其所對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)，故Pi包括化肥用量（t）、翻耕面積（hm2）、農(nóng)膜用量（t）灌溉面積（hm2）和農(nóng)用機(jī)械（kw），各碳源碳排放系數(shù)如表1 所示。

表1 碳排放源類型及系數(shù)

2.農(nóng)業(yè)碳吸收計(jì)算。根據(jù)甘肅省農(nóng)作物生長(zhǎng)周期和特征，選取小麥、水稻、玉米、豆類、薯類、花生、油菜籽、烤煙、蔬菜9 種種植類型，在參考田云和張俊飚（2013）[17]、張鵬巖等（2017）[21]碳吸收估算方程基礎(chǔ)上結(jié)合構(gòu)建甘肅省農(nóng)業(yè)碳吸收估算公式，如下：

式（2）中，T 為碳吸收總量，Ti為第i 種農(nóng)作物碳吸收量，Ci為含碳率，yi為第i 種農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，Vi為第i 種農(nóng)作物的含水率，Ri為第i 種農(nóng)作物的根冠比系數(shù)，Hi為第i 種農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)，n 為農(nóng)作物種類數(shù)，本文n=9。各系數(shù)具體指標(biāo)如表2 所示[17]。

表2 不同農(nóng)作物碳吸收估算系數(shù)

（三）數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括主要農(nóng)作物的肥料、翻耕、農(nóng)膜、灌溉、農(nóng)用機(jī)械等生產(chǎn)投入，作物產(chǎn)量及產(chǎn)值數(shù)據(jù)主要來源于2008—2017 年《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《甘肅農(nóng)村年鑒》。其中，農(nóng)膜和農(nóng)用機(jī)械的數(shù)據(jù)以當(dāng)年實(shí)際所使用量為基準(zhǔn)，化肥的數(shù)據(jù)以當(dāng)年施用折純量為基準(zhǔn)，翻耕與農(nóng)業(yè)灌溉的數(shù)據(jù)均以當(dāng)年實(shí)際播種和有效灌溉面積為準(zhǔn)。

三、結(jié)果與分析

（一）農(nóng)業(yè)碳排放變化及其特征

根據(jù)前文所給公式。測(cè)算出2008—2017 年甘肅省農(nóng)業(yè)的碳排放量，如表3 所示。結(jié)果表明，2008—2017 年，甘肅省農(nóng)業(yè)碳排放總量總體呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，由2008 年的243.27×104t 增至2017 年的300.17×104t，年平均碳排放量為289.41×104t，年平均復(fù)合增長(zhǎng)率為2.42%。其中，化肥、翻耕、農(nóng)膜、灌溉、農(nóng)用機(jī)械的碳排放量分別由2008 年的72.87×104t、120.93×104t、46.98×104t、2.19×104t、0.30×104t 變化為75.67×104t、132.5×104t、89.2×104t、2.44×104t、0.36×104t。這表明隨著化肥、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入量的增加以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增加的同時(shí)，其碳排放量也在不斷增加并呈現(xiàn)出不同程度的增長(zhǎng)。甘肅省不同碳源類型的碳排放量以化肥施用和農(nóng)業(yè)翻耕的碳排放占總體的主要地位，化肥、翻耕和農(nóng)膜所產(chǎn)生的碳排放量顯著大于農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)用機(jī)械。

由于甘肅省的耕地面積從2008 年的344.9 萬hm2增長(zhǎng)至2017 年的356.18 萬hm2，因此分析單位面積的碳排放量，其中，甘肅省主要途徑的碳排放強(qiáng)度總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2008 年為0.71 t/hm2，2017年為0.85 t/hm2，年平均增長(zhǎng)率為2.06%。其中農(nóng)用翻耕于2016 年增長(zhǎng)至132.98×104t，不僅總量大而且增速也較快，由此可得，對(duì)于耕地面積較大且較干旱的甘肅省來說，以化肥和翻耕為主導(dǎo)的農(nóng)用投入的增加是導(dǎo)致碳排放的主要原因。

（二）農(nóng)業(yè)碳吸收變化及其特征

根據(jù)2008—2017 年甘肅省主要農(nóng)作物產(chǎn)量計(jì)算出碳吸收總量。由表3 可知，2008 年甘肅省農(nóng)業(yè)碳吸收總量為1 113.82×104t，2017 年甘肅省農(nóng)業(yè)碳吸收總量為1 714.38×104t 年平均碳吸收量為1 475.57×104t，年平均復(fù)合增長(zhǎng)率為4.61%。小麥、玉米、蔬菜等主要糧食作物年碳吸收量都呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，年平均增長(zhǎng)率依次為0.43%，9.38%，6.48%，由此可得出，玉米的碳吸收量增速最快，從主要農(nóng)作物的碳吸收比例來看，糧食作物中的小麥、玉米、蔬菜吸收量最高，三者合計(jì)占到碳總吸收量的80%以上，從單個(gè)作物上來看，玉米的碳吸收比例最高，而占碳吸收比例其次高的是小麥和蔬菜。

在研究期間，甘肅省的耕地面積不斷發(fā)生變化，各種農(nóng)作物的播種面積也隨之改變，因此研究不同種植類型單位面積碳吸收量變化十分必要，其中，甘肅省2008—2017 年不同類型的農(nóng)作物單位面積碳吸收量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中，玉米單位面積碳吸收量在2013 年相比于2008 年成倍增長(zhǎng)，而蔬菜因?yàn)橛捎谛枨罅恐饾u增大，單位碳吸收量逐漸增大并趨于平衡。

四、討論

本研究通過對(duì)甘肅省近10 年農(nóng)業(yè)碳排放量和碳吸收量的測(cè)算，基本掌握甘肅省農(nóng)業(yè)碳源匯現(xiàn)狀及其影響因素，得出甘肅省農(nóng)業(yè)碳排放主要是由以化肥、翻耕為主導(dǎo)的農(nóng)地投入增加導(dǎo)致，且化肥本身在生產(chǎn)與運(yùn)輸?shù)倪^程中需要消耗大量的化石燃料。逐漸使用漫灌、滴灌、噴灌，有效提高利用效率且更新灌溉技術(shù)來提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化水平，今后農(nóng)業(yè)碳減排的重點(diǎn)是應(yīng)如何控制化肥、翻耕、農(nóng)膜等生產(chǎn)資料的投入量。

甘肅省作為中國農(nóng)業(yè)最早發(fā)展的省份之一，既是農(nóng)業(yè)大省同時(shí)也是農(nóng)業(yè)弱省，同樣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)碳循環(huán)的影響有利有弊，它既是碳源，又是碳匯。為了提高農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，穩(wěn)定并且提高農(nóng)作物的單產(chǎn)，進(jìn)而增加農(nóng)業(yè)碳吸收能力，國內(nèi)外學(xué)者開展了許多關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源、碳匯的研究，并提供了相關(guān)準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)碳排放清單意義重大。王靜等（2010）[22]通過研究得出，在20 世紀(jì)末初期增加了大約32%的山西農(nóng)田碳吸收量，卻在21 世紀(jì)末初期有了顯著的總量下降，在這其中，玉米作為碳源能力最強(qiáng)的農(nóng)作物，年均碳吸收量546.96 萬噸，其次是小麥，年均碳吸收量為299.69 萬噸。

表3 2008—2017 年甘肅省不同農(nóng)作物的碳吸收產(chǎn)生量

發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)，對(duì)于我國現(xiàn)階段亦或是對(duì)任何行業(yè)的任何部門，都將是一項(xiàng)長(zhǎng)期且必要的任務(wù)，它更是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，充分利用碳匯及碳源功能，通過節(jié)能減排、控制物質(zhì)資源投入的程度等途徑來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的低排放、低消耗，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的相結(jié)合，改善當(dāng)前的農(nóng)業(yè)綠色生態(tài)環(huán)境，并且有效促進(jìn)甘肅省農(nóng)業(yè)碳減排和低碳農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

五、結(jié)論

通過對(duì)2008—2017 年甘肅省農(nóng)業(yè)碳排放與碳吸收的計(jì)算和分析，可以得出以下結(jié)論：

第一，甘肅省農(nóng)業(yè)碳排放量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，由2008 年的243.27×104t 增至2017 年的300.17×104t，年平均碳排放量為289.41×104t，年平均復(fù)合增長(zhǎng)率為2.42%。

第二，甘肅省農(nóng)業(yè)碳吸收量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，變化范圍為1 113.82×104t～1 714.38×104t，年平均碳吸收量為1 475.57×104t，年平均復(fù)合增長(zhǎng)率為4.61%。

第三，研究期間，化肥和翻耕為主導(dǎo)的農(nóng)用投入的增加是導(dǎo)致碳排放的主要原因。

第四，碳吸收的主要貢獻(xiàn)來自于玉米、小麥和蔬菜，三者合計(jì)占到碳總吸收量的80%以上。