摘要：研究目的：構(gòu)建糧食生產(chǎn)全周期碳收支體系，基于“動(dòng)—靜”結(jié)合視角測(cè)算黃河中下游糧食生產(chǎn)碳平衡水平，針對(duì)不同碳平衡水平分區(qū)提出差異化調(diào)控策略，可為全面反映糧食生產(chǎn)碳平衡水平、協(xié)同推進(jìn)糧食綠色生產(chǎn)提供支持與參考。研究方法：生命周期評(píng)價(jià)法，碳轉(zhuǎn)化系數(shù)法，經(jīng)驗(yàn)公式法，靜態(tài)平衡指數(shù)，動(dòng)態(tài)平衡指數(shù)，信息熵模型。研究結(jié)果：（1）黃河中下游糧食生產(chǎn)碳排放和碳吸收均為增長(zhǎng)趨勢(shì)，空間上均呈“西北低，東南高”態(tài)勢(shì)。（2）黃河中下游糧食生產(chǎn)碳收支靜態(tài)平衡指數(shù)呈“西北低，東南高”分布，地區(qū)均值波動(dòng)下降，各地市存在直升型、直降型、U型和倒U型4種演變趨勢(shì)，糧食生產(chǎn)碳收支動(dòng)態(tài)平衡指數(shù)具有顯著時(shí)空異質(zhì)性。（3）黃河中下游糧食生產(chǎn)碳平衡水平分區(qū)呈“西北失衡，東南平衡”分布，格局結(jié)構(gòu)有序性歷經(jīng)“較有序—較無序—有序—無序”波動(dòng)。研究結(jié)論：貢獻(xiàn)度視角下黃河中下游部分地市糧食生產(chǎn)碳收支仍存在失衡情況，需進(jìn)一步施行針對(duì)性和差異性的糧食綠色生產(chǎn)策略。

關(guān)鍵詞：糧食生產(chǎn)碳平衡；靜態(tài)平衡水平；動(dòng)態(tài)平衡水平；生命周期評(píng)價(jià)法；分區(qū)格局；黃河中下游

中圖分類號(hào)：F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-8158（2024）08-0109-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（42301300）；山東省社科規(guī)劃項(xiàng)目研究成果（24DGLJ24）；山東省社科聯(lián)2024年度人文社會(huì)科學(xué)課題（24BJJ049）。

糧食生產(chǎn)對(duì)社會(huì)和國(guó)家至關(guān)重要，尤其在中國(guó)這一農(nóng)業(yè)大國(guó)[1]。糧食安全是國(guó)家安全的基石，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是其重要衡量指標(biāo)。然而，生態(tài)效益同樣關(guān)鍵，“逆生態(tài)化”的糧食生產(chǎn)不可持續(xù)，增產(chǎn)上限極低[2]。糧食生產(chǎn)是一項(xiàng)“投入—產(chǎn)出—投入”的周期性活動(dòng)，涉及豐富的碳源和碳匯，是農(nóng)業(yè)碳排放主要源頭，優(yōu)化源匯結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)意義重大[3-4]。碳平衡指碳源與碳匯的等量關(guān)系，基于已有研究[5]，本文定義糧食生產(chǎn)碳平衡是糧食生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)碳中和的水平，包括靜態(tài)的碳源碳匯關(guān)系和動(dòng)態(tài)的碳源碳匯變化，把握其演進(jìn)規(guī)律有助于農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

在農(nóng)業(yè)及糧食種植業(yè)碳排放方面，既有研究已有較為成熟的測(cè)算體系，糧食生產(chǎn)碳排放的計(jì)算通常直接將與糧食耕作相關(guān)的部分從農(nóng)業(yè)碳排放中進(jìn)行剝離，測(cè)算要素主要包括人類活動(dòng)、物料投入、能源消耗、作物生長(zhǎng)、畜禽養(yǎng)殖、廢物處理、交通運(yùn)輸?shù)萚4，6-9]；研究方法主要為碳轉(zhuǎn)化系數(shù)法[4]；研究?jī)?nèi)容包括碳排放測(cè)度[10]、時(shí)空演變[11]、驅(qū)動(dòng)因素[4]、減排路徑[3]等，驅(qū)動(dòng)因素分析常用空間杜賓模型[4]、地理探測(cè)器[12]、面板Tobit模型[13]等；部分研究將農(nóng)業(yè)碳排放與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值[4]、科技創(chuàng)新[14]、糧食安全[15]等對(duì)象結(jié)合分析相互關(guān)系。農(nóng)業(yè)碳匯研究主要是現(xiàn)狀分析和影響因素，多以行政區(qū)劃為研究單元[16-17]。碳平衡研究方法不統(tǒng)一，不同學(xué)者所用計(jì)算方法各不相同[18-19]，主流方法是基于碳排放公平性的碳生態(tài)承載系數(shù)法[5，20]；對(duì)于碳平衡分區(qū)的研究，已有研究多依據(jù)時(shí)點(diǎn)上碳源碳匯關(guān)系或結(jié)合碳排放經(jīng)濟(jì)效率實(shí)現(xiàn)碳平衡分區(qū)[20-21]。綜上所述，現(xiàn)有研究綜合考慮糧食生產(chǎn)碳源和碳匯的研究多為碳足跡分析[16]，少有從貢獻(xiàn)率的角度將碳平衡研究對(duì)象設(shè)定為糧食生產(chǎn)全周期，該領(lǐng)域缺乏相關(guān)理論研究；研究方法上不少研究采用碳生態(tài)承載系數(shù)法測(cè)算區(qū)域碳收支平衡，但未消除不同研究時(shí)點(diǎn)的總量差異，年際數(shù)據(jù)間不可比；融合傳統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的碳平衡分區(qū)可更為有效服務(wù)于地區(qū)發(fā)展策略的制定[22]，但現(xiàn)有研究視角多關(guān)注時(shí)點(diǎn)上靜態(tài)的碳平衡情況，鮮有分析時(shí)段內(nèi)碳平衡的動(dòng)態(tài)變化特征。

基于已有研究，本文以包括黃淮海平原主產(chǎn)區(qū)、汾渭平原主產(chǎn)區(qū)和河套灌區(qū)主產(chǎn)區(qū)在內(nèi)的黃河中下游為例：（1）構(gòu)建“物料投入—種植培育—秸稈處理”三階段糧食生產(chǎn)全周期碳收支體系，考慮糧食生產(chǎn)過程中包括耕作土壤在內(nèi)的碳源和碳匯要素，計(jì)算2000—2020年糧食生產(chǎn)碳排放和碳吸收；（2）提出靜態(tài)平衡水平和動(dòng)態(tài)平衡水平的概念，立足時(shí)間截面和時(shí)間段對(duì)研究區(qū)糧食生產(chǎn)碳平衡水平進(jìn)行分析；（3）結(jié)合糧食生產(chǎn)碳收支靜態(tài)平衡水平和動(dòng)態(tài)平衡水平特征進(jìn)行碳平衡水平分區(qū)，借助信息熵模型對(duì)分區(qū)格局分析，提出區(qū)域差異性促進(jìn)糧食生產(chǎn)碳平衡建議。研究對(duì)全面反映糧食生產(chǎn)碳平衡水平、協(xié)同推進(jìn)糧食綠色生產(chǎn)提供支持與參考。

1 理論分析

1.1 糧食生產(chǎn)全周期碳收支體系構(gòu)建

本文在現(xiàn)有研究[4]基礎(chǔ)上，基于生命周期評(píng)價(jià)法（LCA）[23]，以糧食生產(chǎn)投入—產(chǎn)出全周期為依據(jù)，構(gòu)建“物料投入—種植培育—秸稈處理”三階段的糧食生產(chǎn)全周期碳收支體系（圖1）。第Ⅰ階段為“物料投入”，是指在糧食生產(chǎn)期初的勞動(dòng)力、資本及物質(zhì)資料的投入，其中勞動(dòng)力和資本不參與糧食生產(chǎn)碳收支活動(dòng)；第Ⅱ階段為“種植培育”，是指糧食生產(chǎn)期中通過技術(shù)措施對(duì)耕地進(jìn)行播種、灌溉并管理糧食作物生長(zhǎng)發(fā)育的過程；第Ⅲ階段為“秸稈處理”，是指糧食生產(chǎn)期末對(duì)糧食作物秸稈廢棄物進(jìn)行燃燒或還田等處理的過程。三階段末首順接，形成周期性閉環(huán)。

碳排放在糧食生產(chǎn)全周期內(nèi)存在明顯的階段性差異。第Ⅰ階段主要參與者為磷肥（P肥）、鉀肥（K肥）、復(fù)合肥（C肥）、農(nóng)藥、農(nóng)用柴油和農(nóng)膜，其使用直接產(chǎn)生CO2排放，其中農(nóng)用柴油主要在糧食生產(chǎn)過程中為農(nóng)業(yè)機(jī)械所消耗而釋放CO2[4]；第Ⅱ階段中播種糧食作物對(duì)土壤表層有機(jī)碳庫(kù)的破壞，以及灌溉對(duì)水中RHCO3（R為金屬原子）的作用和電能的消耗[24]，都會(huì)產(chǎn)生CO2的排放，同時(shí)糧食作物的生長(zhǎng)發(fā)育也存在碳排放過程，其中水稻產(chǎn)生大量CH4，小麥、玉米、大豆及其他糧食作物通過分解氮肥（N肥）及其殘留物而產(chǎn)生N2O[4，25]；第III階段對(duì)于秸稈廢棄物的燃燒會(huì)排放大量污染物，包括N2O、CO2、CH4等，而未經(jīng)燃燒的秸稈及燃燒后形成的廢料則分別以還田和肥料的形式返回第I階段。此外，耕作土壤作為貫穿糧食生產(chǎn)全周期的重要成員，由于土壤微生物分解有機(jī)質(zhì)而釋放CO2的土壤異養(yǎng)呼吸過程也是重要的碳源[26]。

糧食生產(chǎn)碳吸收較碳排放而言沒有顯著的階段性特征，基于耕地利用，主要包括植被碳匯和土壤碳匯[27]。植被碳匯主要存在于第Ⅱ階段中糧食作物光合作用的碳匯效應(yīng)；土壤碳匯參考已有研究[28]，結(jié)合氣候條件、土壤類型、土地利用方式、耕作制度、養(yǎng)分投入等因素的影響，考慮耕作土壤的固碳效應(yīng)。

1.2 靜態(tài)平衡水平和動(dòng)態(tài)平衡水平的內(nèi)涵和關(guān)系

靜態(tài)平衡水平的概念源自于生態(tài)層面的碳排放公平性——碳排放產(chǎn)生的溫室效應(yīng)在各尺度上都具有明顯的外部性，倘若某一地區(qū)碳匯無法有效消納當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的碳，其導(dǎo)致的生態(tài)影響將對(duì)其他地區(qū)的利益造成侵害——當(dāng)某一地區(qū)碳匯對(duì)碳吸收的貢獻(xiàn)程度高于碳排放比例，表現(xiàn)出較強(qiáng)的碳吸收能力，將提高碳排放在各地區(qū)間的分配公平程度，緩解生態(tài)壓力[29]。從這一角度出發(fā)，可以明確靜態(tài)平衡水平對(duì)平衡的判定并非等價(jià)于“源匯相抵”，而更突出“匯盛源衰”，強(qiáng)調(diào)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的優(yōu)劣差異[5]。將這一概念引入糧食生產(chǎn)領(lǐng)域，通過碳補(bǔ)償?shù)纳鷳B(tài)環(huán)境效益來反映時(shí)間截面的糧食生產(chǎn)碳平衡能力：若碳匯對(duì)糧食生產(chǎn)碳排放可形成有效消納，則視為平衡狀態(tài)；反之，糧食生產(chǎn)碳排放無法被碳匯足量吸收，則視為失衡狀態(tài)。

動(dòng)態(tài)平衡水平借鑒職住動(dòng)態(tài)平衡的分析原理[30]，以源/匯增減幅度差異來刻畫，其衡量標(biāo)準(zhǔn)是判斷是否存在向平衡或失衡狀態(tài)演變的趨勢(shì)——在糧食生產(chǎn)碳源/碳匯變化的影響下，若出現(xiàn)碳匯效應(yīng)明顯增加的趨勢(shì)，包括碳匯增加速率相對(duì)碳源更大、碳匯減少速率相對(duì)碳源更小或碳匯增加而碳源減少等，則視為動(dòng)態(tài)平衡；反之，若出現(xiàn)碳源效應(yīng)明顯增加的趨勢(shì)，如碳源增加速率相對(duì)碳匯更大、碳源減少速率相對(duì)碳匯更小或碳源增加而碳匯減少等，則視為動(dòng)態(tài)失衡。

靜態(tài)平衡水平在時(shí)間截面上，通過計(jì)算當(dāng)年糧食生產(chǎn)碳排放和碳吸收，衡量碳吸收對(duì)碳排放的消納能力來測(cè)定其碳平衡狀態(tài)，反映靜態(tài)時(shí)點(diǎn)上區(qū)域糧食生產(chǎn)碳收支關(guān)系；動(dòng)態(tài)平衡水平在時(shí)間段內(nèi)，關(guān)注糧食生產(chǎn)碳平衡狀態(tài)受碳排放和碳吸收增減變化影響而動(dòng)態(tài)變化的過程，反映出在時(shí)間區(qū)間內(nèi)糧食生產(chǎn)碳收支向平衡或失衡狀態(tài)的趨向。靜態(tài)平衡水平反映動(dòng)態(tài)平衡水平兩端時(shí)點(diǎn)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)平衡水平描述靜態(tài)平衡水平時(shí)序演化規(guī)律，“動(dòng)—靜”結(jié)合刻畫糧食生產(chǎn)碳平衡水平可全面闡明區(qū)域糧食生產(chǎn)碳收支關(guān)系分布及演變狀況，是碳平衡水平分區(qū)的基礎(chǔ)，有助于不同區(qū)域差異化調(diào)控策略的制定（圖2）。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

本文以黃河自然流域地理單元為基礎(chǔ)，在保證市域單元完整的前提下，將黃河中下游流經(jīng)的內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、山西省、河南省和山東省所涉共計(jì)39個(gè)地級(jí)市作為研究區(qū)，行政區(qū)劃以2020年為基準(zhǔn)。研究區(qū)總體位于33°N～42°N、106°E～120°E之間，面積約55.16萬km2，地勢(shì)東西差異較大，分布有黃綿土、褐土、潮土等多種土壤類型，屬大陸性氣候[31]。黃河中下游是我國(guó)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，河南省、山東省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等是全國(guó)糧食核心產(chǎn)區(qū)[32]，2020年區(qū)域糧食作物產(chǎn)量約為0.89億t，占黃河流域糧食總產(chǎn)量的82.41%。隨著技術(shù)水平發(fā)展，糧食綠色生產(chǎn)為地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展帶來推動(dòng)作用，同時(shí)城鄉(xiāng)融合互促也深刻影響著糧食生產(chǎn)方式及其環(huán)境效應(yīng)，通過對(duì)糧食生產(chǎn)碳源和碳匯調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)碳平衡，是“雙碳”目標(biāo)下推動(dòng)黃河流域農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的有效路徑。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所使用耕地空間數(shù)據(jù)（2000年、2005年、2010年、2015年和2020年）為清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系所發(fā)布的中國(guó)年度耕地?cái)?shù)據(jù)集（CACD）（https：//doi.org/10.5281/ zenodo.7936885）[33]，空間分辨率為30 m×30 m；DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m×30 m；年均溫?cái)?shù)據(jù)來自國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https：//data.tpdc.ac.cn/），空間分辨率為1 km×1 km；土壤類型、年降水、潛在蒸發(fā)率等數(shù)據(jù)來自中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc. cn/），空間分辨率為1 km×1 km；糧食生產(chǎn)相關(guān)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)主要來自各年份內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、山西省、河南省、山東省統(tǒng)計(jì)年鑒、相關(guān)地市統(tǒng)計(jì)年鑒和統(tǒng)計(jì)公報(bào)，以及《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。

對(duì)于上述數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理：（1）所有柵格數(shù)據(jù)均統(tǒng)一使用Grid格式，空間分辨率重采樣為30 m×30 m，地理坐標(biāo)系統(tǒng)一采用CGCS 2000坐標(biāo)系；（2）由于年鑒中的灌溉面積、要素投入量等數(shù)據(jù)大多未進(jìn)行耕地用途區(qū)分，因此本文中糧食作物灌溉面積、糧食生產(chǎn)要素投入量等考慮非糧化因素，按糧食耕作面積占地市耕地面積比例估算[34]，地市耕地面積通過耕地?cái)?shù)據(jù)集分區(qū)統(tǒng)計(jì)獲??；（3）對(duì)于部分缺失或異常的作物種植面積、產(chǎn)量及物料投入量采用線性插值法進(jìn)行了補(bǔ)齊或修正。

2.3 研究方法

2.3.1 糧食生產(chǎn)碳排放測(cè)算

3 結(jié)果與分析

3.1 糧食生產(chǎn)碳收支時(shí)空分異

3.1.1 糧食生產(chǎn)碳排放時(shí)空分異

2000—2020年，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳排放從1 479.12萬t增長(zhǎng)到2 012.56萬t，年增長(zhǎng)率約1.56%，研究期整體糧食生產(chǎn)碳排放呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但各時(shí)段增速不穩(wěn)定?？臻g分布上，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳排放呈“西北低，東南高”態(tài)勢(shì)，且具有較明顯省際差異，聊城、德州、濟(jì)寧、菏澤、新鄉(xiāng)和渭南處于較穩(wěn)定高值區(qū)，占研究區(qū)糧食生產(chǎn)碳排放比例介于29.20%～31.92%（圖4）。

分解來看，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳排放來源存在時(shí)間和空間上的差異：時(shí)間上，早期主要為種植培育和秸稈處理，后期物料投入和秸稈處理成主導(dǎo)，2010—2020年均有30個(gè)以上地市以秸稈處理為最高貢獻(xiàn)度碳源；空間上，物料投入、種植培育和秸稈處理的碳排放均呈“西北低，東南高”態(tài)勢(shì)，東南部地區(qū)糧食產(chǎn)量較高，西北部地區(qū)水稻種植量明顯較少。耕作土壤碳排放貢獻(xiàn)度多維持在31.08%以下，各地市自身年際差異較小，與糧食生產(chǎn)面積和氣候條件有關(guān)（圖5）。

3.1.2 糧食生產(chǎn)碳吸收時(shí)空分異

2000—2020年，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳吸收從15 239.86萬t增至20 132.23萬t，年增率約1.41%，呈“增—減—增”趨勢(shì)。2005—2010年碳吸收增速最快，年增率達(dá)3.97%，主要是糧食耕作面積擴(kuò)大所致，土壤固碳量及作物光合碳匯效應(yīng)增強(qiáng)。2010—2015年碳吸收小幅下降，年增率為-0.40%，因西安、濟(jì)南、德州等地市糧食耕作面積減少導(dǎo)致土壤碳匯和作物碳吸收減少，2015年后碳吸收逐漸恢復(fù)。

空間分布上，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳吸收呈“西北低，東南高”態(tài)勢(shì)，直接原因是耕作面積分布不均。西北地區(qū)糧食耕作面積小于東南地區(qū)，導(dǎo)致土壤固碳效應(yīng)和作物光合作用碳匯效應(yīng)存在空間異質(zhì)，從而形成了整體碳匯分布的差異（圖6）。黃河中下游糧食生產(chǎn)碳吸收的時(shí)空演變主要由糧食產(chǎn)量提升引起，作物碳匯量從8 091.02萬t增至12 285.95萬t。各地市耕作土壤面積年際變化較小，土壤總碳匯基本穩(wěn)定，變化幅度小于糧食產(chǎn)量（圖7）。

3.2 糧食生產(chǎn)碳平衡水平分析

3.2.1 靜態(tài)平衡水平分析

2000—2020年，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳收支靜態(tài)平衡指數(shù)呈現(xiàn)“西北低，東南高”的分布特點(diǎn)（圖8）。以全區(qū)域全研究期內(nèi)的總碳收支為基準(zhǔn)，西北部分地市碳匯貢獻(xiàn)度低于碳源貢獻(xiàn)度，如鄂爾多斯碳匯貢獻(xiàn)度0.002 3，碳源貢獻(xiàn)度0.004 5，碳平衡水平低；而東南較多地市碳匯貢獻(xiàn)度高于碳源，如泰安碳匯貢獻(xiàn)度0.008 5，碳源貢獻(xiàn)度0.005 4，碳平衡水平高。

黃河中下游糧食生產(chǎn)碳收支靜態(tài)平衡水平在研究期內(nèi)波動(dòng)下降，F(xiàn)SBI均值從2000年的0.981降至2020年的0.954。根據(jù)平衡指數(shù)演變差異，將39個(gè)地市分為4類：直升型、直降型、U型和倒U型（表1）。直升型占20.51%，主要為山東和少數(shù)山西地市，忻州FSBI增加顯著；直降型占33.33%，數(shù)量最多，主要為西北和少數(shù)河南地市，商洛FSBI下降最多；U型占28.21%，主要為河南地市；倒U型占17.95%，數(shù)量最少，主要為陜西、山西地市及山東的濟(jì)南和泰安。

3.2.2 動(dòng)態(tài)平衡水平分析

2000—2020年，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳收支動(dòng)態(tài)平衡指數(shù)存在顯著的時(shí)空差異（圖9）。動(dòng)態(tài)平衡指數(shù)FDB（I2000，2005）<0的地市主要位于東南部地區(qū)，山東各地市因耕作模式轉(zhuǎn)變，碳源貢獻(xiàn)度提高，其中濟(jì)源等地碳匯貢獻(xiàn)度略降，碳源貢獻(xiàn)度持平，主要因糧食減產(chǎn)；開封等地碳源貢獻(xiàn)度顯著增加，強(qiáng)于碳匯貢獻(xiàn)度增量，原因是耕作面積擴(kuò)大和化肥投入量增加。FDBI（2000，2005）>0的地市主要集中在陜西，這些地區(qū)2000—2005年糧食作物增產(chǎn)明顯，作物碳匯增量大，有助于促進(jìn)糧食生產(chǎn)碳平衡。FDBI（2005，2010）和FDBI（2010，2015）均為正的地區(qū)主要為忻州、聊城和菏澤，忻州和菏澤持續(xù)增產(chǎn)，碳匯增量大于碳源；聊城雖減產(chǎn)造成碳匯損失，但物料投入減少，碳源貢獻(xiàn)度低于碳匯。FDBI（2015，2020）在東部地區(qū)基本為正，相關(guān)地區(qū)糧食生產(chǎn)方式表現(xiàn)為低碳化模式；另有部分地市在中期調(diào)整源匯結(jié)構(gòu)，提高碳匯消納能力，如晉城、新鄉(xiāng)、三門峽等。陜西和部分山西地市FDBI（2015，2020）為負(fù)，其糧食生產(chǎn)物料投入與產(chǎn)出多表現(xiàn)為不經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。

3.3 糧食生產(chǎn)碳平衡水平分區(qū)

3.3.1 分區(qū)格局分析

依據(jù)糧食生產(chǎn)碳收支靜態(tài)平衡指數(shù)的初末期大小和動(dòng)態(tài)平衡指數(shù)表征的演化趨勢(shì)，遵循式（11）—式（12）的分區(qū)規(guī)則，對(duì)黃河中下游糧食生產(chǎn)碳平衡水平進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)具有顯著的空間分異特征，基本呈“西北失衡，東南平衡”的分布規(guī)律（圖10）。通過對(duì)比不同時(shí)期格局熵值特征，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳平衡分區(qū)格局結(jié)構(gòu)有序性整體經(jīng)歷了“較有序—較無序—有序—無序”的波動(dòng)式演變歷程，說明分區(qū)類型豐富性和空間分布集中程度變化明顯，不同區(qū)域之間糧食生產(chǎn)碳平衡水平分布和演化特征差異顯著，同時(shí)優(yōu)勢(shì)度變化特征與格局結(jié)構(gòu)有序程度一致，優(yōu)勢(shì)分區(qū)類型存在時(shí)序變化，主要在平衡提升和平衡衰退之間轉(zhuǎn)換。

2000—2005年分區(qū)類型空間分布相對(duì)集中，西北部地區(qū)以失衡緩和區(qū)為主，增產(chǎn)帶來的碳匯效應(yīng)提升緩和了糧食生產(chǎn)碳收支失衡；平衡衰退區(qū)面積占比在40%以上，為優(yōu)勢(shì)分區(qū)類型，集中在河南和山東大部分地市。2005—2010年平衡異變類型的出現(xiàn)使整體格局結(jié)構(gòu)有序性下降，西北部地區(qū)失衡加劇區(qū)面積擴(kuò)大，而山東各地市依靠糧食增產(chǎn)提升碳匯能力，出現(xiàn)大規(guī)模平衡提升區(qū)。2010—2015年西北地區(qū)的失衡加劇區(qū)范圍繼續(xù)擴(kuò)張，投入與產(chǎn)出的失衡現(xiàn)象較為明顯，同時(shí)東南部地區(qū)出現(xiàn)大量平衡衰退型區(qū)域——這一時(shí)期格局結(jié)構(gòu)熵值為1.290 Nat，“西北失衡，東南平衡”的分布規(guī)律尤為顯著，優(yōu)勢(shì)分區(qū)類型為失衡加劇和平衡衰退，二者空間分布較為集中。2015—2020年失衡加劇區(qū)明顯減少，出現(xiàn)失衡緩和的情況，并且平衡提升區(qū)也大幅增加，新鄉(xiāng)和焦作隨著源/匯關(guān)系改善從失衡狀態(tài)進(jìn)入平衡狀態(tài)，這可能得益于對(duì)碳減排政策的落實(shí)和耕作條件的調(diào)整，但處于失衡狀態(tài)的區(qū)域仍較多，占比約為45%，還需加大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色轉(zhuǎn)型力度；這一時(shí)期分區(qū)類型較多，格局結(jié)構(gòu)熵值為1.543 Nat，優(yōu)勢(shì)分區(qū)類型為平衡提升。

3.3.2 分區(qū)調(diào)控策略

2015—2020年黃河中下游糧食生產(chǎn)碳平衡水平分區(qū)格局結(jié)構(gòu)熵值為1.543 Nat，格局結(jié)構(gòu)混亂程度高，分區(qū)類型空間分布破碎，在一定程度上反映了地區(qū)間推動(dòng)糧食低碳生產(chǎn)的協(xié)同度較弱，地市間差異較大。當(dāng)前平衡提升區(qū)為主導(dǎo)分區(qū)類型，平衡異變區(qū)為優(yōu)勢(shì)度最低類型，說明黃河中下游糧食生產(chǎn)碳平衡正處于一個(gè)向好發(fā)展態(tài)勢(shì)。因此，針對(duì)不同糧食生產(chǎn)碳平衡水平分區(qū)，提出各區(qū)域促進(jìn)糧食生產(chǎn)碳平衡水平的調(diào)控策略，以期為地市間共同促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)提供指導(dǎo)意義：（1）平衡提升區(qū)應(yīng)繼續(xù)保持糧食生產(chǎn)碳源和碳匯的健康關(guān)系，化身探路人探索更優(yōu)平衡路徑，通過政策支持發(fā)揮領(lǐng)頭人作用，帶動(dòng)周邊平衡狀態(tài)欠佳地區(qū)改善糧食生產(chǎn)碳收支關(guān)系；（2）平衡衰退區(qū)多位于平衡區(qū)與失衡區(qū)的過渡帶，繼續(xù)實(shí)行現(xiàn)有糧食耕作方式，維持短期內(nèi)碳收支平衡關(guān)系，充分汲取平衡提升區(qū)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，積極配合探索優(yōu)化路徑，提升長(zhǎng)期平衡能力；（3）平衡異變區(qū)應(yīng)及時(shí)糾正投入—產(chǎn)出不對(duì)等問題，通過科技興糧戰(zhàn)略提高作物碳匯，削減物料投入，及時(shí)扭轉(zhuǎn)碳平衡下降趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、增匯和降碳的三贏局面；（4）失衡加劇區(qū)為政府決策重點(diǎn)幫扶對(duì)象，通過提升糧食生產(chǎn)機(jī)械化水平、調(diào)整物料投入比例和秸稈還田比例等整治撂荒、土地退化問題，引入生物炭等綠色技術(shù)改良耕作模式；（5）失衡緩和區(qū)處在平衡和失衡兩種狀態(tài)的夾縫中，狀態(tài)不穩(wěn)定，極易受失衡加劇區(qū)影響再跌低谷，需穩(wěn)住狀態(tài)回升的勢(shì)頭，與平衡衰退區(qū)一道學(xué)習(xí)平衡提升區(qū)綠色耕作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)自身實(shí)際將經(jīng)驗(yàn)形成地區(qū)特色，積極調(diào)整失衡狀態(tài)；（6）失衡良變區(qū)為落實(shí)碳減排政策的受益者，要進(jìn)一步鞏固生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變帶來的優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)以科學(xué)的投入—產(chǎn)出關(guān)系經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)，加大物料利用率，通過高新技術(shù)提高產(chǎn)量，提升糧食生產(chǎn)碳平衡水平。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文通過靜態(tài)平衡水平和動(dòng)態(tài)平衡水平測(cè)算，分析了黃河中下游2000—2020年糧食生產(chǎn)碳平衡，并進(jìn)行了碳平衡水平分區(qū)，得出主要結(jié)論如下：

（1）黃河中下游糧食生產(chǎn)碳排放和碳吸收均為增長(zhǎng)趨勢(shì)，空間上均呈“西北低、東南高”態(tài)勢(shì)，早期以種植培育和秸稈處理為主要碳源，后期物料投入和秸稈處理成為主導(dǎo)碳源，糧食生產(chǎn)碳吸收變化主要由糧食產(chǎn)量引起，耕作土壤碳收支年際變化基本穩(wěn)定。

（2）黃河中下游糧食生產(chǎn)碳收支靜態(tài)平衡指數(shù)呈“西北低、東南高”的梯度式空間分布，地區(qū)均值為波動(dòng)下降趨勢(shì)，各地市存在直升型、直降型、U型和倒U型4種演變趨勢(shì)類型，直降型地市占比最大，同時(shí)動(dòng)態(tài)平衡指數(shù)時(shí)空異質(zhì)性顯著。

（3）黃河中下游糧食生產(chǎn)碳平衡水平分區(qū)大致呈“西北失衡、東南平衡”的分布規(guī)律，地市間糧食生產(chǎn)碳平衡水平分布和演化特征差異顯著，2015—2020年分區(qū)格局空間破碎度高，地市間應(yīng)實(shí)行差異化調(diào)控策略，協(xié)調(diào)促進(jìn)糧食低碳生產(chǎn)。

4.2 討論

2021年《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》強(qiáng)調(diào)建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、實(shí)施保護(hù)性耕作、開展綠色循環(huán)高效農(nóng)業(yè)試點(diǎn)，確保黃河流域?qū)Z食安全的重要性。糧食綠色低碳生產(chǎn)是農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)、鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵步驟，也是與新型城鎮(zhèn)化協(xié)同、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，黃河中下游糧食生產(chǎn)碳匯效應(yīng)強(qiáng)于碳源，與陳羅燁等[17]研究的全國(guó)農(nóng)業(yè)碳源/匯特征類似，但在貢獻(xiàn)度視角下部分地市仍存在碳收支失衡。

本文構(gòu)建了“物料投入—種植培育—秸稈處理”三階段的糧食生產(chǎn)全周期碳收支體系，全面考慮了黃河中下游糧食生產(chǎn)過程中的碳收支情況，并分析了不同階段糧食生產(chǎn)碳排放的時(shí)空差異，通過“動(dòng)—靜”結(jié)合思想，測(cè)定了時(shí)間截面的碳平衡狀態(tài)，衡量了時(shí)間段的碳平衡趨勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)碳平衡水平分區(qū)，這對(duì)提出地區(qū)針對(duì)性和差異性的糧食綠色生產(chǎn)策略具有指導(dǎo)意義。但研究仍存在不足之處：（1）研究所用數(shù)據(jù)基于統(tǒng)計(jì)年鑒，存在異常或缺失，且缺乏細(xì)分，采用線性插值法進(jìn)行補(bǔ)齊和修正存在誤差，未來可利用高光譜數(shù)據(jù)提高結(jié)果確定性；（2）作物生長(zhǎng)排放的N2O主要源于氮肥[25]，故本文將氮肥碳排放分配到不同作物生長(zhǎng)時(shí)N2O的釋放，而現(xiàn)有研究多統(tǒng)一處理氮肥、磷肥等化肥投入，對(duì)不同處理方式的準(zhǔn)確性和差異性需進(jìn)一步商榷；（3）本文將秸稈利用方式僅粗分為還田和燃燒，對(duì)更具體細(xì)分的秸稈處理方式未做考量，因此存在一定的誤差；（4）研究未考慮糧食運(yùn)輸過程，其納入糧食生產(chǎn)或與生產(chǎn)端剝離仍存在異議[9]。在國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展背景下，協(xié)同推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略是健全城鄉(xiāng)融合發(fā)展機(jī)制的重要過程，未來應(yīng)對(duì)糧食生產(chǎn)碳平衡與新型城鎮(zhèn)化耦合機(jī)理進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 陳浮，李宇航，于昊辰，等.“大食物觀”統(tǒng)領(lǐng)國(guó)土空間開發(fā)和保護(hù)格局重塑[J] . 中國(guó)土地科學(xué)，2023，37（4）：1 -10.

[2] 朱曉華，張燕，朱媛媛. 大食物觀視角下中國(guó)耕地保護(hù)的分區(qū)調(diào)控與區(qū)間協(xié)同[J] . 地理學(xué)報(bào)，2023，78（9）： 2147- 2162.

[3] 夏龍龍，遆超普，朱春梧，等. 中國(guó)糧食生產(chǎn)的溫室氣體減排策略以及碳中和實(shí)現(xiàn)路徑[J] . 土壤學(xué)報(bào)，2023，60（5）： 1277 - 1288.

[4] 張青青，曲衍波，展凌云，等. 中國(guó)糧食生產(chǎn)碳排放動(dòng)態(tài)演進(jìn)及驅(qū)動(dòng)效應(yīng)[J] . 地理學(xué)報(bào)，2023，78（9）： 2186 -2208.

[5] 李竹，王兆峰，吳衛(wèi)，等. 碳中和目標(biāo)下中國(guó)省域碳平衡能力與城鎮(zhèn)化的關(guān)系[J] . 自然資源學(xué)報(bào)，2022，37（12）：3136 - 3152.

[6] 張帆，蔡穎，鄧祥征，等. 作物—牲畜—生物能源綜合系統(tǒng)對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)源溫室氣體的影響評(píng)估[J] . 地理學(xué)報(bào)，2024，79（1）： 28 - 44.

[7] CUI Y， KHAN S U， DENG Y， et al. Environmental improvement value of agricultural carbon reduction and its spatiotemporal dynamic evolution： evidence from China[J] . Science of the Total Environment， 2021， 754. doi： 10.1016/ j.scitotenv.2020.142170.

[8] ZHAO R Q， LIU Y， TIAN M M， et al. Impacts of water and land resources exploitation on agricultural carbon emissions： the water-land-energy-carbon nexus[J] . Land Use Policy， 2018， 72： 480 - 492.

[9] ZUO C C， WEN C， CLARKE G， et al. Cropland displacement contributed 60% of the increase in carbon emissions of grain transport in China over 1990-2015[J] . Nature Food， 2023， 4（3）： 223 - 235.

[10] 單玉紅，程秋月，柯新利，等. 流空間視角下湖北省縣域土地利用碳排放關(guān)聯(lián)態(tài)勢(shì)及其影響因素研究[J] . 中國(guó)土地科學(xué)，2024，38（3）： 48 - 59.

[11] 任世鑫，李二玲，趙金彩，等. 黃河流域耕地利用碳排放時(shí)空特征及影響因素研究[J] . 中國(guó)土地科學(xué)，2023，37（10）： 102 - 113.

[12] 魏建飛，高威，李強(qiáng)，等. 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶國(guó)土空間效率差異演進(jìn)及驅(qū)動(dòng)機(jī)理研究[J] . 中國(guó)土地科學(xué)，2023，37（5）：101 - 112.

[13] 柯楠，盧新海，匡兵，等. 碳中和目標(biāo)下中國(guó)耕地綠色低碳利用的區(qū)域差異與影響因素[J] . 中國(guó)土地科學(xué)，2021，35（8）： 67 - 76.

[14] 龐洪偉，劉鑫雨，鞏艷紅，等. 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、科技創(chuàng)新與農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度[J] . 經(jīng)濟(jì)問題，2024 （2）： 77 - 83.

[15] 楊青林，趙榮欽，趙濤，等. 縣域尺度農(nóng)業(yè)碳排放效率與糧食安全的關(guān)系[J] . 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2023，44（2）： 156 - 169.

[16] 薛秀峰，張仕超，張煊赟，等. 近24年三峽水庫(kù)庫(kù)尾重慶市江津區(qū)耕地利用碳匯及碳足跡變化[J] . 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2024，45（1）： 139 - 149.

[17] 陳羅燁，薛領(lǐng)，雪燕. 中國(guó)農(nóng)業(yè)凈碳匯時(shí)空演化特征分析[J] . 自然資源學(xué)報(bào)，2016，31（4）： 596 - 607.

[18] 李詠華，高欣蕓，姚松，等. 長(zhǎng)三角城市群核心地區(qū)碳平衡壓力與新型城鎮(zhèn)化脫鉤關(guān)系[J] . 經(jīng)濟(jì)地理，2022，42（12）： 72 - 81.

[19] 郭海湘，楊鈺瑩，左芝鯉. 中國(guó)城市群碳平衡仿真模擬研究[J] . 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2018，18（2）：114 - 125.

[20] 魏燕茹，陳松林. 福建省土地利用碳排放空間關(guān)聯(lián)性與碳平衡分區(qū)[J] . 生態(tài)學(xué)報(bào)，2021，41（14）： 5814 - 5824.

[21] 李湘兒，胡熠娜. 基于固碳服務(wù)供需視角的區(qū)域碳平衡研究——以長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)為例[J] .長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2024，33（1）： 55 - 65.

[22] 王芳，郭夢(mèng)瑤，牛方曲. “動(dòng)—靜”結(jié)合視角下都市圈多層次空間格局研究——以黃河“幾”字彎都市圈為例[J] .地理科學(xué)進(jìn)展，2023，42（7）： 1243 - 1255.

[23] SONG J， LIU Y Z， ZHUANG M H， et al. Estimating crop carbon footprint and associated uncertainty at prefecture-level city scale in China[J] . Resources， Conservation Recycling， 2023， 199. doi： 10.1016/ j.resconrec.2023.107263.

[24] HANNAM K D， KEHILA D， MILLARD P， et al. Bicarbonates in irrigation water contribute to carbonate formation and CO2 production in orchard soils under drip irrigation[J] . Geoderma， 2016， 266： 120 - 126.

[25] 陸汝華，王文軒，曹強(qiáng)，等. 稻麥復(fù)種模式下氮肥與稻秸互作對(duì)小麥產(chǎn)量和N2O排放影響及推薦施肥研究[J] . 作物學(xué)報(bào)，2024，50（5）： 1300 - 1311.

[26] 王菲，曹永強(qiáng)，周姝含，等. 黃河流域生態(tài)功能區(qū)植被碳匯估算及其氣候影響要素[J] . 生態(tài)學(xué)報(bào)，2023，43（6）：2501 - 2514.

[27] 周偉，石吉金，范振林. 基于糧食安全和生態(tài)安全的耕地生態(tài)保護(hù)研究[J] . 中國(guó)土地科學(xué)，2023，37（7）： 125 - 134.

[28] 童榮鑫，梁迅，關(guān)慶鋒，等. 2000—2020年中國(guó)陸地土壤碳儲(chǔ)量及土地管理碳匯核算[J] . 地理學(xué)報(bào)，2023，78（9）： 2209 - 2222.

[29] 盧俊宇，黃賢金，戴靚，等. 基于時(shí)空尺度的中國(guó)省級(jí)區(qū)域能源消費(fèi)碳排放公平性分析[J] . 自然資源學(xué)報(bào)，2012，27（12）： 2006 - 2017.

[30] 牛強(qiáng)，伍磊，盛富斌，等. 基于個(gè)體職住遷移的武漢郊區(qū)新城職住動(dòng)態(tài)平衡測(cè)度方法[J] . 地理學(xué)報(bào)，2023，78（12）： 3095 - 3108.

[31] CHEN X L， MENG Q G， WANG K K， et al. Spatial patterns and evolution trend of coupling coordination of pollution reduction and carbon reduction along the Yellow River Basin， China[J] . Ecological Indicators， 2023， 154. doi： 10.1016/ j.ecolind.2023.110797.

[32] YIN D Y， YU H C， MA J， et al. Interaction and coupling mechanism between recessive land use transition and food security： a case study of the Yellow River Basin in China[J] . Agriculture， 2022， 12（1）. doi： 10.3390/ agriculture12010058.

[33] TU Y， WU S B， CHEN B， et al. A 30 m annual cropland dataset of China from 1986 to 2021[J] . Earth System Science Data， 2024， 16（5）： 2297 - 2316.

[34] 鄒金浪，劉陶紅，張傳，等. 中國(guó)耕地食物生產(chǎn)變遷及“非糧化”影響評(píng)估[J] . 中國(guó)土地科學(xué)，2022，36（9）： 29 -39.

[35] 馬恒運(yùn). 農(nóng)戶秸稈利用方式及行為影響因素研究——基于河南省農(nóng)戶調(diào)查[J] . 東岳論叢，2018，39（3）： 28 - 35，191.

[36] YU Y Q， HUANG Y， ZHANG W. Projected changes in soil organic carbon stocks of China’s croplands under different agricultural managements， 2011-2050[J] . Agriculture， Ecosystems and Environment， 2013， 178： 109 - 120.

[37] 路昌，王之語. 基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的黃河三角洲碳代謝分析[J] . 中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2023，43（11）： 6090 - 6101.

[38] 何艷秋，陳柔，朱思宇，等. 策略互動(dòng)和技術(shù)溢出視角下的農(nóng)業(yè)碳減排區(qū)域關(guān)聯(lián)[J] . 中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2021，31（6）： 102 - 112.

[39] 彭立群，張強(qiáng)，賀克斌. 基于調(diào)查的中國(guó)秸稈露天焚燒污染物排放清單[J] . 環(huán)境科學(xué)研究，2016，29（8）： 1109 -1118.

[40] LAI L， HUANG X J， YANG H， et al. Carbon emissions from land-use change and management in China between 1990 and 2010[J] . Science Advances， 2016， 2（11）. doi： 10.1126/ sciadv.1601063.

[41] 宋洋，朱道林，YEUNG G，等. 收縮情境下城市用地結(jié)構(gòu)時(shí)空格局演變及動(dòng)力機(jī)制——以中國(guó)東北地區(qū)為例[J] .地理研究，2021，40（5）： 1387 - 1403.

Measurement and Zoning of the Full-cycle Carbon Balance of Food Production in the Middle and Lower Reaches of the Yellow River from the Dynamic and Static Perspectives

LU Chang， WANG Zhiyu， GUO Qinlin， CAI Xueqin， HAO Canshu， SUN Zengyu

（School of Management Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China）

Abstract： The purposes of this study are to construct a carbon budget system for the full cycle of food production， to measure the carbon balance level of food production in the middle and lower reaches of the Yellow River from the dynamic and static perspective， and to put forward differentiated control strategies through the zoning of the carbon balance level， to provide support and reference for comprehensively reflecting the carbon balance level of food production and synergistically promoting green food production. The research methods of life cycle assessment， carbon conversion coefficient method， empirical formula， static balance index， dynamic balance index and information entropy model are used. The results show that： 1） carbon emissions and carbon sinks of food production in the middle and lower reaches of the Yellow River increase with a spatial trend of “l(fā)ow in the northwest and high in the southeast”. 2） The static balance index of the carbon balance of food production in the middle and lower reaches of the Yellow River shows a distribution of “l(fā)ow in the northwest and high in the southeast”， with fluctuating and decreasing regional averages， and four types of evolutionary trends， including helicoidal， straight-down， U-shape and inverted U-shape， exist in each city. The dynamic balance index of the carbon balance of food production exhibits significant spatiotemporal variations. 3） Carbon balance zoning of food production in the middle and lower reaches of the Yellow River are distributed as “imbalance in the northwest and balance in the southeast”， and the structural orderliness of the pattern fluctuates through “more orderedless ordered-ordered-disordered”. In conclusion， there is still an imbalance in the carbon balance of food production in some cities in the middle and lower reaches of the Yellow River from the perspective of contribution， which requires further implementation of targeted and differentiated green food production strategies.

Key words： carbon balance of food production； static balance level； dynamic balance level； life cycle assessment； zoning pattern； the middle and lower reaches of the Yellow River

（本文責(zé)編：張冰松）