張云飛，谷 聰

(1.南京林業(yè)大學風景園林學院，江蘇 南京 210037;2.仲愷農業(yè)工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510000)

1 概述

溫室氣體是導致全球變暖的重要原因，自人類進入第二次工業(yè)革命以來，二氧化碳等溫室氣體的排放量急劇上升，引發(fā)的一系列社會、經濟、環(huán)境問題引起全世界的關注。我國大力推進生態(tài)文明建設，追求綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展的目標，因此將生態(tài)文明建設提高到一個新的高度。研究發(fā)現(xiàn)，農業(yè)是當今溫室氣體排放的重要來源，政府間氣候變化委員會(IPCC)數(shù)據(jù)顯示，農業(yè)碳排放占據(jù)全球溫室氣體排放總量的13.5%[1]，并有逐年快速增長的趨勢。中國是全球重要的農業(yè)大國，糧食產量多年穩(wěn)居全球第一，對外貿易中資源型農產品占據(jù)著重要的地位。作為農業(yè)大國、強國，中國在農業(yè)領域碳中和方面有著強烈的擔當意識和行動，要在2030年達到碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和，需要促進農業(yè)的高質量發(fā)展[2]。針對不同的區(qū)域條件，有針對性地開展研究，因地制宜地制定農業(yè)增匯減排政策。

當前對于農業(yè)系統(tǒng)的碳源匯特征的研究主要以區(qū)域視角、內部結構視角、雙重屬性視角進行[3]。區(qū)域視角多集中在大中型尺度下，主要為30個省(區(qū)、市)、重要河流帶沿線省份、濱海農業(yè)區(qū)以及重要農業(yè)省份的農業(yè)碳排放/碳吸收空間特征研究。內部結構視角主要以種植業(yè)、畜牧業(yè)碳排放碳吸收時空演變研究為主[4]。雙重視角主要以農業(yè)系統(tǒng)的直接碳排放和經濟視角的間接碳排放研究為主。在尺度方面，缺少對于以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單元的縣域碳源匯特征的研究，在視角上集中在種植業(yè)或畜牧業(yè)，缺乏對農業(yè)系統(tǒng)中農林牧漁業(yè)的綜合考量。因此，本研究以縣域為研究對象，對興化市2000—2020年農業(yè)系統(tǒng)內部種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)碳源匯特征進行研究，系統(tǒng)分析其碳源匯的時空變化情況，以期充分了解興化市多年碳源匯特征，為有針對性地制定農業(yè)系統(tǒng)的增匯減排措施提供一定的理論基礎。

2 研究區(qū)域與資料來源

興化市屬江蘇省轄縣級市，泰州市代管，東臨鹽城東臺市，西鄰揚州市高郵市。2020年，興化市總面積2393.35km2，常住人口112萬，地區(qū)生產總值超900億元[5]。本研究以興化市28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究對象，所利用數(shù)據(jù)主要來源于2000—2020年興化市統(tǒng)計年鑒、江蘇省農村統(tǒng)計年鑒。根據(jù)我國現(xiàn)行土地分類系統(tǒng)將土地利用類型劃分為種植業(yè)用地、林業(yè)用地、水體、草地、建設用地、未利用地6種類型，從地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載2000—2020年以五年為間隔的多期Landsat TM/ETM影像，分辨率為30m×30m，利用ENVI5.3進行輻射定標、大氣矯正、監(jiān)督分類，最終利用Arc GIS 10.2統(tǒng)計得出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內林地面積[6]。

3 研究方法

傳統(tǒng)農業(yè)系統(tǒng)包括種植業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)以及農林牧漁服務業(yè)，本次研究以農林牧漁為主要研究對象，主要涵蓋種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)的碳排放計算，以及種植業(yè)、林業(yè)的碳吸收。

3.1 農業(yè)系統(tǒng)碳排放量估算

3.1.1種植業(yè)碳排放

種植業(yè)農資投入碳排放主要來自農藥、氮磷鉀等復合肥施用；農業(yè)活動來自農田澆水、翻耕以及其他農業(yè)機械使用時所釋放的碳；土壤呼吸碳排放主要來自土壤及微生物的呼吸作用。因此農資引入以及農業(yè)過程所釋放的CO2計算公式為：

E1=∑Ei=∑Qi×α×44/12

(1)

式中，E1—釋放的CO2質量，t；Ei—各項農資投入和農業(yè)活動的碳排放量，t；Qi—各項物料量和種植業(yè)活動量；α—各項投入的碳排放系數(shù)，取值參考相關文獻(表1)；44/12—C當量轉化為CO2的轉換系數(shù)[7]。

農田土壤呼吸釋放的CO2主要來自土壤中微生物呼吸作用和有機質的氧化分解活動。由于對農作物要進行全育期碳吸收計算，因此農田土壤呼吸作用要排除植物根系呼吸作用的影響。江國福[8]對長江流域及其以南區(qū)域的土壤采樣，得出研究區(qū)域內的農田土壤呼吸速率為789.5g/(m2·a)，其中農作物地下部分呼吸作用約占土壤呼吸的一半。因此，本研究將土壤呼吸去除植物地下部分呼吸作用后的值取為14.47tCO2/(hm2·a)。農田土壤呼吸CO2計算公式為：

E2=Rsoil×T×A

(2)

式中，E2—去除植物根系呼吸作用后的CO2排放量，t CO2;T—時間，a；A—種植業(yè)土地面積，hm2；Rsoil—土壤去除農作物根系呼吸作用后的呼吸速率。

3.1.2畜牧業(yè)碳排放

畜牧業(yè)碳排放主要為牲畜的腸道發(fā)酵和糞便管理所釋放的CH4和N2O，CH4的增溫勢能是CO2的25倍，N2O的增溫勢能是CO2的298倍。畜牧業(yè)釋放的CO2計算公式：

(3)

式中，E3—畜牧業(yè)導致的CO2排放量，t CO2；Ai—第i種牲畜的數(shù)量；Ci1、Ci2—第i種牲畜的腸道發(fā)酵和分辨管理的甲烷排放系數(shù)，見表1。

表1 農業(yè)碳源與溫室氣體排放系數(shù)

3.1.3漁業(yè)碳排放

興化市漁業(yè)分為捕撈、養(yǎng)殖和水產品深加工，其中養(yǎng)殖業(yè)占比最大，本次漁業(yè)碳排放計算，以養(yǎng)殖業(yè)為主，漁業(yè)養(yǎng)殖碳排放主要來自能源的消耗，漁業(yè)養(yǎng)殖過程中，需要進行更換水體、增加水體氧氣含量、投喂魚料、漁船運輸?shù)然顒?，這些漁業(yè)活動需要消耗大量的能源。因為興化市漁業(yè)養(yǎng)殖以小規(guī)模家庭養(yǎng)殖為主，漁船消耗化石能源較少，因此本文通過對漁業(yè)養(yǎng)殖電力消耗，計算漁業(yè)的碳排放。參考徐皓[9]對于單位淡水池塘的能源消耗計算，可知增氧設備電力消耗360kW·h/(畝·a)，水泵電力消耗為249.75kW·h/(畝·a)。

E4=(360+249.75)×β×Afish

(4)

式中，E4—漁業(yè)導致的CO2排放量，t CO2；β—電力碳排放系數(shù)，取0.3541kg/(kW·h)；Afish—漁業(yè)養(yǎng)殖面積，hm2。

3.2 農業(yè)系統(tǒng)碳吸收量估算

3.2.1種植業(yè)碳吸收

從以農作物全育期的有機質積累計算碳吸收，根據(jù)作物的產量計算考慮植物的含水量、經濟產量、根冠比等因素。其固碳計算公式為：

Ea=∑iEi=∑iFiYi(1-wi)(1+Ri)/Hi×44/12

(5)

式中，Ea—區(qū)域種植業(yè)碳吸收總量，t；i—第i種作物；Ei—第i種作物的碳吸收量，t；Fi—第i種農作物的含碳率，%；Yi—第i種作物的年產量，t；wi—第i種作物的含水率，%；Ri—第i種作物的根冠比；Hi—第i種作物的經濟產量與整體植物產量的比值，即經濟系數(shù)；44/12—C轉化為CO2的轉換系數(shù)，研究區(qū)范圍內主要農作物參數(shù)見表2。

表2 不同農作物碳吸收估算系數(shù)

3.2.2林業(yè)碳吸收

直接碳排放系數(shù)法測算林地的碳吸收總量公式為[10]：

Eb=∑ei=∑Ai×δi

(6)

式中，Eb—林業(yè)用地的總碳吸收量，t；ei—第i種土地利用類型碳吸收量，104t；Ai—第i種土地利用類型面積，104hm2；δi—第i種土地利用類型的碳吸收系數(shù)，t/hm2，據(jù)現(xiàn)有研究成果確定，林地為0.644t/hm2[11]。

4 結果與分析

4.1 里下河地區(qū)農業(yè)系統(tǒng)碳排放特征

4.1.1農業(yè)碳排放時間變化

興化市總體碳排放量增減情況不明顯，整體上呈現(xiàn)出緩慢上升的局面。2020年相較于2000年總碳排放量增加了31.48萬t，增長9.5%，見表3。從碳排放內部結構看，種植業(yè)碳排放占總排放量的70%以上，占比先下降后上升，在2010年種植業(yè)碳排放占比為73.24%，2020年為78.66%，種植業(yè)投入和農業(yè)活動釋放的CO2是農業(yè)系統(tǒng)碳排放的重要來源；畜牧業(yè)碳排放量由2000年33.06萬t逐漸上升，在2010年達到最高峰73.84萬t，后逐漸降低至2020年36.07萬t；漁業(yè)碳排放自2000年起持續(xù)增加，由2000年的21.06萬t，增長至2020年的52.96萬t，增長率為151.47%。

表3 興化市農業(yè)系統(tǒng)碳排放量 單位：萬t

4.1.2農業(yè)碳排放空間變化

興化市農業(yè)系統(tǒng)碳排放總量總體上呈穩(wěn)定增長的趨勢，碳排放情況區(qū)域差異明顯。西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)農業(yè)系統(tǒng)碳排放高于東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中碳排放量較高的有安豐鎮(zhèn)、千垛鎮(zhèn)，2020年2個鎮(zhèn)年CO2排放量分別為37.03萬、37.71萬t，占全年排放量的8.88%、9.03%；排放量較少的為大鄒、茅山、沈倫、昭陽分別為8.28萬、7.35萬、8.81萬、2.91萬t，占全年農業(yè)系統(tǒng)二氧化碳排放量的1.98%、1.76%、2.11%、0.70%，顯著低于安豐鎮(zhèn)與千垛鎮(zhèn)，極差為34.80萬t，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農業(yè)系統(tǒng)碳排放量沒有出現(xiàn)較大波動，高碳排放區(qū)域穩(wěn)定，與其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)有明顯的差距。

中國特色知識產權案例指導制度中的核心爭議探討............................................................................................陳華麗 08.15

4.1.3碳排放來源比較

興化市農業(yè)系統(tǒng)碳排放特征由表3可知，占比最高的為種植業(yè)碳排放，其次為漁業(yè)碳排放，最少的為畜牧業(yè)碳排放，在2020年種植業(yè)碳排放總量為328.13萬t，畜牧業(yè)為36.07萬t，漁業(yè)養(yǎng)殖為52.96萬t。種植業(yè)中碳排放量最大的為土壤呼吸共釋放CO2204.15萬t，占總量的62.21%，其次為農藥碳排放為76.57萬t，占種植業(yè)碳排放量的23.34%，化肥、農業(yè)翻耕、農業(yè)灌溉碳排放量相似，各占比為5.29%、4.93%、4.20%；畜牧業(yè)碳排放中養(yǎng)豬排放量最多，為24.26萬t，其次為禽類養(yǎng)殖10.15萬t，養(yǎng)羊排放量最小為1.66萬t，三者占比分別為67.26%、28.14%、4.60%。

4.2 里下河地區(qū)農業(yè)系統(tǒng)碳排放特征

4.2.1農業(yè)碳吸收時間變化

農業(yè)系統(tǒng)碳吸收總量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，并在2010年達到碳吸收高峰，為573.12萬t，之后持續(xù)下降，在2020年碳吸收總量為481.22萬t，見表4。從農業(yè)系統(tǒng)碳吸收結構上看，由于興化市研究范圍內林地面積較少，因此林地碳吸收總量處于較低水平，占比不超過0.1%，對于碳吸收的影響作用微小。

4.2.2農業(yè)碳吸收空間變化

興化市農業(yè)系統(tǒng)碳吸收，空間分布不均，碳吸收總量較高區(qū)域集中在西北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，且呈現(xiàn)出四周高，中間低的空間特征，碳吸收較高的區(qū)域主要為千垛鎮(zhèn)、安豐鎮(zhèn)、興東鎮(zhèn)。除2020年外，其他年份，上述3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的碳吸收水平顯著高于其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)。整體上看，鄉(xiāng)鎮(zhèn)碳吸收總量從2000年至2010年呈上升，2010年至2020年不斷下降，2010年千垛鎮(zhèn)、安豐鎮(zhèn)、興東鎮(zhèn)碳吸收總量分別為40.83萬、54.93萬、49.17萬t，碳吸收量較少的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為中部的昭陽鎮(zhèn)、臨城鎮(zhèn)、垛田鎮(zhèn)分別為8.07萬、6.58萬、1.70萬t，顯著低于千垛鎮(zhèn)、安豐鎮(zhèn)、興東鎮(zhèn)、極差為53.23萬t。除2020年外，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)碳吸收總量較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大波動。

興化市農業(yè)系統(tǒng)碳吸組成見表4，由表4可知，種植業(yè)碳吸收占總量的99%以上，林業(yè)碳吸收占比較小，種植業(yè)碳吸收中小麥、水稻、油菜、蔬菜碳吸收量較大，在2020年分別占種植業(yè)碳吸收的38.74%、48.60%、3.21%、6.70%，其他農作物占比較小。

表4 興化市農業(yè)系統(tǒng)碳吸收量 單位：萬t

4.3 凈碳排放時空分析

從整體空間上看，興化市多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農業(yè)系統(tǒng)凈碳排放量趨近于零，即碳排放量等于碳吸收量。凈碳排放量較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)較為集中，且多年沒有明顯變化，臨城鎮(zhèn)多年凈碳排放顯著高于興化市其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)；凈吸收量較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)也較為集中，主要以南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主，其中興東鎮(zhèn)連續(xù)四年保持著零農業(yè)系統(tǒng)碳排放，南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)為周莊、戴南、張郭等為主，北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)為安豐、釣魚、永豐等為主。凈碳排放空間分布無明顯規(guī)律，靠近興化市城區(qū)凈碳排放量存在一定的上升。2020年凈碳排放量最大的為臨城鎮(zhèn)為19.17萬t，凈碳吸收量最大的為21.01萬t，極差為40.18萬t，在興化市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，臨城鎮(zhèn)一直保持較高的凈碳排放水平，從2000年至2020年，凈碳排放分別為13.86萬、13.85萬、11.65萬、11.9萬、19.17萬t，整體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。興東鎮(zhèn)多年保持較高的凈碳吸收水平，從2000年至2020年，凈碳吸收分別為18.36萬、23.64萬、29.67萬、27.82萬、-4.41萬t，凈碳吸收總量呈現(xiàn)出先上升，后逐漸下降，最終演變?yōu)閮籼寂欧拧?/p>

4.4 數(shù)據(jù)分析

采用碳排放系數(shù)法、農作物經濟產量法、模型估計法，根據(jù)興化市統(tǒng)計年鑒、江蘇省農業(yè)農村統(tǒng)計年鑒，對里下河地區(qū)興化市28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的種植業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)全周期的碳排放和碳吸收總量的計算，分析2000—2020年研究范圍內鄉(xiāng)鎮(zhèn)農業(yè)系統(tǒng)的碳排放、碳吸收時空變化，并分析其空間凈碳排放規(guī)律。主要得出以下結論：

(1)農業(yè)系統(tǒng)碳排放總量呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的局面，年均碳排放量為399.89萬t，碳排放量較高的區(qū)域集中在西部及北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，碳排放差異明顯，碳排放總量由大到小依次為種植業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)。種植業(yè)中農田土壤碳排放量較大，其次為農藥、翻耕、灌溉。

(2)農業(yè)系統(tǒng)碳吸收總量呈現(xiàn)動態(tài)變化，2000—2010年呈上升趨勢，2010—2020年呈下降趨勢，年均碳吸收量為508.73萬t，碳吸收量較高的區(qū)域集中在北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)和南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)域差異較為明顯，種植業(yè)碳吸收量占總吸收量的99%以上，其中水稻、小麥、蔬菜為碳吸收量較大的3種作物。

(3)整體呈現(xiàn)出凈碳吸收鄉(xiāng)鎮(zhèn)多于凈碳排放鄉(xiāng)鎮(zhèn)，且凈碳吸收能力不斷上升，凈碳排放主要集中在臨城鎮(zhèn)和垛田鎮(zhèn)，全市凈碳吸收能力在2010年達到頂峰，為161.48萬t，年均碳吸收總量為108.86萬t。

5 結語

研究表明興化市的碳源匯特征明顯，為了增強農業(yè)系統(tǒng)的碳吸收能力，要進一步控制碳排放，增強碳吸收能力。因此，應加強以垛田鎮(zhèn)為中心的中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的碳吸收能力，同時對千垛鎮(zhèn)、臨城鎮(zhèn)、安豐鎮(zhèn)適當控制種植業(yè)碳排放，使用更加生態(tài)的農業(yè)措施，降低區(qū)域碳排放強度。本文在碳源匯總量的計算方面采用多樣統(tǒng)計方法，但也會因統(tǒng)計模型的不同而造成差異。如果選用相同模型，對種植業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)的碳源匯總量進行計算，對了解縣域農業(yè)系統(tǒng)碳源匯特征更具有科學性、準確性。通過更加科學系統(tǒng)的方法，針對不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的碳源匯特征實施不同的增匯減源措施具有重要的指導意義。