低碳背景下德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯變化及其影響因素分析

祁興芬

（德州學(xué)院地理系，山東德州253023）

目前國(guó)內(nèi)研究低碳經(jīng)濟(jì)，主要側(cè)重于城市與工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)農(nóng)村、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的碳排放、農(nóng)業(yè)碳匯功能等相對(duì)關(guān)注較少[1]。事實(shí)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(lèi)關(guān)系最為密切，同時(shí)也是重要的大氣碳源和碳匯[2]。農(nóng)業(yè)活動(dòng)是重要的溫室氣體排放源，20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O來(lái)源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)及其相關(guān)過(guò)程[3]；同時(shí)，全球農(nóng)田也是巨大的碳庫(kù)，其碳儲(chǔ)量達(dá)170Pg，占全球陸地碳儲(chǔ)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(zhǎng)了14%，平均每年相當(dāng)于排放4.9×107tCO2[5]；據(jù)Cole估計(jì)，在未來(lái)的50-100年內(nèi)，全世界農(nóng)田可固碳20 Pg-30Pg[6]。另?yè)?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(guó)作為世界上一個(gè)重要的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球大氣CO2濃度的影響不可忽視。國(guó)內(nèi)對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的研究較多，針對(duì)城市未進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)序的時(shí)空格局研究；同時(shí)在考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放時(shí)也沒(méi)有將碳排放途徑深入細(xì)化，在一定程度上影響了定量測(cè)算結(jié)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(guò)對(duì)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(dòng)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(shí)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(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)固碳減排提供科學(xué)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(fēng)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(wàn)hm2，耕地占德州市總面積的52%，總?cè)丝?64.2萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口403.6萬(wàn)人，農(nóng)村居民451.5萬(wàn)人，農(nóng)村人口占總?cè)丝诘?0%，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(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地和優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地。全市11個(gè)縣（市、區(qū)）中7個(gè)縣被國(guó)家授予糧食生產(chǎn)大縣的稱(chēng)號(hào)，人均糧食居山東首位。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)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(lèi)作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、灌溉面積等數(shù)據(jù)，均來(lái)自2001-2010年《德州統(tǒng)計(jì)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(jì)系數(shù)和碳吸收率進(jìn)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(lèi)；Cd為某種作物全生育期對(duì)碳的吸收量；Cf為作物合成單位有機(jī)質(zhì)干質(zhì)量所吸收的碳；Dw為生物產(chǎn)量；Yw為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；Hi為經(jīng)濟(jì)系數(shù)(表1)。

表1 我國(guó)主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)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(lái)源是：化肥生產(chǎn)使用過(guò)程中所導(dǎo)致的碳排放；農(nóng)藥生產(chǎn)和使用過(guò)程中所導(dǎo)致的碳排放；農(nóng)膜生產(chǎn)和使用過(guò)程中所引起的碳排放；農(nóng)業(yè)機(jī)械使用消耗化石燃料所產(chǎn)生的碳排放；農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程中的碳排放；農(nóng)田土壤碳庫(kù)動(dòng)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(jī)械生產(chǎn)、農(nóng)膜、灌溉過(guò)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(jī)械總動(dòng)力；Ge為農(nóng)膜使用量；Ai為灌溉面積；A、B、C、D、F、G為轉(zhuǎn)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(jié)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(shí)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(shì)，農(nóng)作物碳吸收總量呈現(xiàn)兩個(gè)階段，第一階段2001-2003年為緩慢增長(zhǎng)期，由2001年485.3萬(wàn)t增加到2003年的516.2萬(wàn)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(zhǎng)期，碳吸收總量從2004年的480.10萬(wàn)t增加到2010年的956.20萬(wàn)t，年均增速呈波動(dòng)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(wàn)t、99.50萬(wàn)t，最小的是德城區(qū)為31.38萬(wàn)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(jié)構(gòu)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(duì)比 （單位：萬(wàn)t）

2.1.3 農(nóng)作物碳吸收量和單位面積碳吸收量的時(shí)間變化 通過(guò)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(jié)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(wàn)t、180.3萬(wàn)t分別增加到2010年的417.2萬(wàn)t、434.8萬(wàn)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?jī)H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(jì)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(dòng)式增加狀態(tài)，從2001年的6.4 t/hm2波動(dòng)上升到2003年的7.3 t/hm2，2004年以后波動(dòng)上升到2007年的7.9 t/hm2，而后又波動(dòng)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(shì)。

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(shí)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(wàn)t增加到2003年68.02萬(wàn)t；2004年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放為56.41萬(wàn)t，主要是由于德州市遭受自然災(zāi)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(jī)械化水平的提高，碳排放量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)（2008年68.32萬(wàn)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(shì)，2010年僅68.80萬(wàn)t；從年均碳排放增速情況來(lái)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(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，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(jī)械化等計(jì)算各縣市碳排放量和排放強(qiáng)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(wàn)t），其次為樂(lè)陵（7.66萬(wàn) t），碳排放最小的是德城區(qū)（2.42萬(wàn)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(qiáng)度最大的是慶云（1.46 t/hm2），其次平原碳排放強(qiáng)度為1.30t/hm2，排放強(qiáng)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(qiáng)度對(duì)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(guò)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(jié)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(gè)過(guò)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(jī)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(shì)，表明為提高單位面積產(chǎn)量，農(nóng)民加大對(duì)化肥農(nóng)藥的使用；另一方面德州市發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、綠色食品、無(wú)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(jī)械過(guò)程碳排放量由2001年的1.73萬(wàn)t增加到2010年的2.12萬(wàn)t，增幅為22.9%；灌溉過(guò)程碳排放量由2001年的11.87萬(wàn)t增加到2010年的13.48萬(wàn)t，增幅為13.5%。表明近年來(lái)德州市大力發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高的同時(shí)，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(wàn)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(guān)，其中與小麥、玉米的相關(guān)系數(shù)大于0.9，棉花的相關(guān)系數(shù)為0.2795（表5），從固碳的角度應(yīng)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(fù)相關(guān)，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(dǎo)致碳吸收能力相對(duì)較差。因此，應(yīng)一方面增加復(fù)種，提高單產(chǎn)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量；另一方面，增強(qiáng)作物生產(chǎn)力和優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，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(guān)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(xué)品投入和燃料動(dòng)力使用及耕作灌溉管理均顯著正相關(guān)，與農(nóng)藥使用量的相關(guān)系數(shù)最大，為0.8647，其次是化肥的使用量，為0.7780（表6），說(shuō)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(shí)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力、灌溉面積、種植面積等的相關(guān)性相對(duì)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(jī)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(jié)構(gòu)以及調(diào)整耕作和灌溉制度等方面入手，通過(guò)科學(xué)施肥，減少化肥的使用量、采用免耕或少耕技術(shù)、應(yīng)用精確滴灌技術(shù)、發(fā)展生物質(zhì)能等措施，發(fā)展品質(zhì)農(nóng)業(yè)，強(qiáng)化農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，從而達(dá)到有效降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的目標(biāo)[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(guān)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(guān)外，與農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)投入有關(guān)，農(nóng)業(yè)投入的增加會(huì)相應(yīng)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(wàn)t，碳排放總量為647.3萬(wàn)t，碳吸收量與碳排放量的比是10∶1，這說(shuō)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(duì)于一個(gè)地區(qū)來(lái)說(shuō)，要減小其碳吸收量，首先需要保護(hù)生態(tài)環(huán)境，構(gòu)建良好的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，使農(nóng)作物產(chǎn)量品質(zhì)提高，增強(qiáng)碳吸收能力；其次需要積極推行生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，形成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性物質(zhì)循環(huán)，合理使用化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品，增施有機(jī)肥，減少化石能源的消耗，減少碳排放。

本研究?jī)H是對(duì)德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的估算，是以統(tǒng)計(jì)資料為主，沒(méi)有將涉及碳排放的所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)計(jì)算在內(nèi)，只計(jì)算主要農(nóng)作物類(lèi)型的碳吸收和主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的碳排放，從總體上來(lái)說(shuō)，本研究基本反映了德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯時(shí)空變化格局。此外，本研究碳吸收量的計(jì)算公式中農(nóng)作物生物產(chǎn)量是由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量推算而來(lái)，不可避免會(huì)產(chǎn)生一些誤差，而碳排放量的計(jì)算尚未將作物和土壤呼吸排放量納入計(jì)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(jìn)一步補(bǔ)充完善本研究成果。

4 結(jié)論

通過(guò)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(jié)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(shì)；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(jì)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(guò)程中，化肥施用過(guò)程中碳排放所占的比例較大且呈減少的趨勢(shì)。

（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(guān)；德州市的碳排放量與農(nóng)用化學(xué)品投入和燃料動(dòng)力使用以及耕作灌溉管理均顯著正相關(guān)。

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