基于低碳經濟的山東省德州市農田生態系統碳匯估算

祁興芬

（德州學院 地理系，山東 德州253023）

進入21世紀，全球氣候變化問題成為世界各國共同關注的焦點，節能減排已逐步引起全球的重視，“低碳經濟”應時而生，并隨之出現了低碳社會、低碳城市、低碳農村和低碳農業等理念［1－5］。農業既是全球重要的溫室氣體排放源，同時又是一個巨大的碳匯，農田生態系統中的碳庫是全球碳庫中最活躍的部分［6－8］，IPCC第二次評估報告中估計，在未來的50～100a中農田土壤可以固定40～80PgC［9－10］。近年來許多學者針對農田生態系統的碳循環及碳匯問題做了大量研究，Lal［11］從全球尺度上研究認為全球耕地總的固碳潛力為0．75～1．0Pg／a，未來50～100a農田土壤可固碳40～80Pg；劉允芬［12－13］，魯春霞等［14］從國家尺度上對全國農田生態系統的碳循環過程和碳匯功能進行了研究，認為農業系統具有強大的碳匯功能，整個農用地生態系統是一個巨大的碳庫，溫室氣體的減排潛力巨大；趙榮欽等［15］從流域尺度研究發現中國沿海地區農田生態系統碳吸收總量為2．25×108t，碳吸收大于碳排放；王靜等［16］從省級尺度上研究認為山西省農田生態系統的碳吸收2000年以來呈波動式增加，碳排放呈現逐漸增加的趨勢。

但相關研究工作主要側重于全球、全國以及省一級的大區域碳蓄積和碳儲量研究方面，具體到較小的地級市甚至縣域農田生態系統碳狀況研究相對較少，尚不能全面了解農田態系統的碳源／匯狀況。為此，以農業發展歷史悠久的德州市為例，在借鑒眾多學者對農田生態系統碳源／碳匯研究的基礎上，從對農作物碳吸收和生產過程中碳排放兩個方面著手測算，分析農田生態系統的碳匯功能和強度的時空分布，以在小區域尺度上了解農田碳匯的分布情況，促進資源節約型和環境友好型社會的建設。

1 研究區域概況

德州市位于北緯36°24′—38°00′，東經115°45′—117°24′，地處山東省西北部，黃河下游北岸，具顯著的大陸季風性氣候，四季分明、干濕季明顯，光照資源豐富，適宜多種生物生長，物產資源十分豐富。德州市轄1區，2市，8縣，土地總面積1．04×106hm2，總人口564．2萬人，其中農業人口403．6萬人，農村居民451．5萬人。德州市耕地面積廣闊，地下水資源豐富，具有發展農業的良好條件。耕地占德州市總面積的52%，農村人口占總人口的80%，是典型的農業大市。全市主要種植小麥、玉米、棉花等，是全國重要的糧食生產基地和優質棉生產基地。全市11個縣（市、區）中7個縣被國家授予糧食生產大縣的稱號，人均糧食居山東首位。

2 數據來源與研究方法

以2002—2011年德州市農作物產量、種植面積、耕地面積及各地市歷年化肥施用量、灌溉面積和農業機械總動力等數據為基礎，所有數據主要來源于2001—2010年德州市統計年鑒統計資料，部分數據來源于德州市農業、國土資源等部門的資料。

農田生態系統是一個復雜系統，碳循環過程較為復雜，涉及到其子系統之間各種形式的物質循環和遷移［17］。本研究對碳吸收和碳排放采用分別估算的方法，建立了農田生態系統碳匯的估算模型，參考趙榮欽等［7］的估算方法僅對部分碳源／匯進行了估算，具體方法如下。

（1）作物生育期碳吸收公式：

式中：i——第i種農作物的種類；Cd——某種作物全生育期對碳的吸收量；Cf——作物合成單位有機質干質量所吸收的碳；Dw——生物產量；Yw——經濟產量；Hi——經濟系數。我國主要農作物的經濟系數和碳吸收率如表1所示。

表1 我國主要農作物經濟系數與碳吸收率［18］

（2）碳排放公式：

式中：Ef，Em和Ei——肥料生產、農業機械生產和灌溉過程中產生的碳排放 （t）；Gf——化肥使用量（kg）；Am——農作物種植面積（hm2）；Wm——農業機械總動力（kW）；Ai——灌溉面積（hm2）；A，B，C，D——轉換系數，分別為0．858kg／kg，16．47kg／hm2，0．18kg／kW 和266．48kg／hm2［19］。

3 結果與分析

德州市作為全省的農業大市，主要種植的農作物有小麥、玉米、棉花、花生、大豆和薯類等（表2）。從表2看出，隨著經濟的發展和德州市自然條件的影響，2001—2010年小麥、玉米的種植面積逐年增加的趨勢明顯，10a間小麥、玉米面積的增加量分別是94．28%和98．01%；棉花作為主要的經濟作物，種植面積除2002，2003年較少外，其他年份變化不大；花生、大豆等幾種作物除薯類外，種植面積都是逐漸減少的。

3．1 德州市農田生態系統碳吸收量的變化

3．1．1 碳吸收總量及強度的時間變化 從圖1看出，碳吸收總量由2001年4．85×106t增加到2003年的5．16×106t，特別是2004年以來碳吸收總量呈明顯增加趨勢，由2009年7．55×106t增加到2010年的8．98×106t，增幅達18．9%。相應地碳吸收強度也呈急劇增加的趨勢，從2001年8．64t／hm2增加到2010年17．71t／hm2，增幅為105%；表明推行合村并居工程使得農作物種植面積有所增加的同時德州市農村機械化水平不斷提高，農作物生育期碳吸收水平不斷提升，農業生態系統的碳匯明顯。

表2 德州市2001－2010年農作物的種植面積及變化 hm2

圖1 德州市2001－2010年碳吸收總量及吸收強度的變化

3．1．2 各縣市的碳吸收區域差異明顯 德州市2010年不同縣市農作物生長發育期碳吸收量和碳吸收強度不同（圖2），吸收總量最大的是齊河和陵縣，分別是1．22×106t，9．95×105t，最小的是德城區為3．10×105t。碳吸收強度較大的是陵縣、慶云、齊河等幾個縣市，其中齊河的碳吸收強度最大，為1．72t／hm2；碳吸收強度較小的有武城、夏津、禹城幾個縣市，其中武城最小，僅為9．45t／hm2，這說明不同縣市作物的種植面積及農業投入的差異，農作物產量高的縣市一般來說碳的吸收強度較大。

圖2 2010年德州市各縣市碳吸收總量和吸收強度對比

3．1．3 不同農作物碳吸收量的差異 根據作物生育期碳吸收公式計算得出德州市2001—2010年主要農作物生育期碳吸收量變化（表3）。小麥和玉米的碳吸收量明顯高于其他農作物，從2001年的2．06×106，1．80×106t分 別 增 加 到 2010 年 4．17×106，4．35×106t，增幅明顯；農作物碳吸收量比較大的還有棉花，總吸收量為9．68×106t；相對小麥、玉米、棉花，其他的幾種農作物的碳吸收量比較低，總的吸收量僅占全部農作物吸收量的2．98%。

3．2 德州市農田生態系統碳排放量的變化

3．2．1 碳排放總量及強度的時間變化 2001—2010年德州市農田生態系統碳排放呈先增后減的變化（圖3）。碳排放量自2001年4．39×105t增加到2003年的4．54×105t；2004年農田生態系統的碳排放為4．09×105t，這主要是由于德州市遭受自然災害的影響，農作物的單產減少造成的；從2004—2008由于農業投入的增加及農業機械化水平和服務能力的提高，德州市農業產量穩步增長，碳排放量呈現增加的趨勢（2008年5．04×105t）；2008—2010年，德州市農田生態系統碳排放量呈減少的趨勢，2010年僅4．32×105t，這主要是德州市大力調整農業內部種植結構，發展優質高效農作物的結果。

相對應于碳排放量，德州市農田生態系的碳排放強度呈現相應的變化，自2001年的0．78t／hm2增加到增加到2008年0．94t／hm2，而后呈現減少的趨勢，2010僅為0．73t／hm2，這說明德州市調整農業結構，發展生態農業，碳排放強度有一定程度降低，促進了農業生產健康發展。

表3 2001－2010年德州市主要農作物生育期碳吸收量變化106 t

圖3 德州市2001－2010年碳排放總量及排放強度的變化

3．2．2 各縣市的碳排放區域差異 圖4為德州市2010年各縣市碳排放量和排放強度變化，由圖4可以看出，德州市各縣市農田生態系統碳排放總量的區域差異明顯，排放量最大的是齊河，為6．24×104t，其次為禹城，為5．06×104t，碳排放最小的是德城區，僅為1．11×104t，這主要是農作物的種植面積和產量的差異造成的。碳的排放強度最大的是禹城，為0．99t／hm2，其次齊河碳排放強度為0．87t／hm2，排放強度最小的是德城區，僅為0．51t／hm2，其次為樂陵，為0．61t／hm2，這表明德州市不同縣市在農業發展方向和發展特色上的差異。

圖4 2010年德州市各縣市碳排放量和排放強度對比

3．2．3 農田生態系統碳排放途徑的變化 德州市各年份農田生態系統主要途徑碳排放的比較如表4所示。從表4可以看出，3種途徑碳排放過程中，化肥施用過程中碳排放所占比例較大，為68．4%；其次是灌溉過程的碳排放也占有一定的比例，農業機械生產的碳排放所占比例最小，為3．70%。灌溉過程碳排放量2001年為1．19×105t，2010年為1．35×105t，增幅為13．5%；農用機械過程碳排放量2001—2010年增幅為21．7%，這表明德州市農業基礎設施建設和農業機械化水平提高的同時，碳排放量也在增加?；适┯眠^程的碳排放量呈現出波動式的變化，由2001年3．03×105t增加到2003年3．15×105t；而后幾年德州市農業投入逐步增加，2008年碳排放量為3．54×105t，從2009年到2010年呈現下降趨勢，2010年為2．76×105t，這主要是德州市發展有機農業、綠色食品、無公害食品的結果。

表4 德州市各年份主要途徑碳排放量的變化 104 t

3．3 德州市碳匯（碳吸收與碳排放量差值）分析

3．3．1 德州市碳匯總量分析 從總量上看，德州市碳匯2001—2010年呈增加趨勢。德州市2001—2010年10a碳吸收總量為6．35×107t，碳排放總量為4．52×106t，碳吸收總量是碳排放總量的14倍，碳吸收量遠遠大于碳排放量。說明德州市農田生態系統具有較強的碳匯功能。從時間上看，由于農作物種植面積及自然災害的影響，德州市2001—2010年農田生態系統碳吸收總量的低值在2004年（為4．65×106t），這與碳排放總量的低值剛好一致（2004年碳排放量為4．08×105t）。

3．3．2 德州市碳匯的區域差異分析 根據圖2，圖4分析，德州市不同縣市2010年農田生態系統碳吸收和碳排放量呈現大致相同的波動趨勢。齊河的碳排放量最大，同時齊河的碳吸收量也最大，德城區和慶云的碳排放小，碳吸收也少。這表明農田生態吸收碳匯除與農作物的種植面積有關外，與農作物的單位面積產量和農業投入有關，農業投入的增加會相應地提高農作物的產量，從而使農作物碳吸收量得到增加。2010年德州市農田生態系統碳匯強度最大的是齊河，最小的是武城和禹城，說明德州市農業經濟區域發展的有一定差異。

3．3．3 德州市碳匯能力及碳排放途徑差異分析 2001—2010年德州市農田生態系統各種農作物生育期的碳吸收量不同。總的碳吸收量最大的是小麥，2001—2010年小麥的碳吸收總量為2．64×107t，其次是玉米，為2．55×107t，棉花的碳吸收總量為9．68×106t，大豆、谷子、薯類、花生的碳吸收總量比較小，依次為4．00×105，4．70×105，3．00×105，4．30×105t，水稻、高粱、油菜等合計僅為2．70×105t。德州市是全國重要的產棉區之一，由于棉花的種植面積比較小，因此棉花的碳吸收量比較小，從固碳角度，應該加大棉花的種植力度。

由表4可以看出，2001—2010年德州市碳排放呈現波動式變化，農田水利和農業基礎設施的建設，增加了碳排放，但近幾年德州市大力發展品質農業，強化農產品的質量，減少化肥的使用量，對減少農田生態系統的碳排放增加碳匯起了一定的積極作用。

4 結 論

德州市2001—2010年農田生態系統的碳吸收總量和吸收強度呈增加的趨勢；小麥、玉米碳吸收量高于其他農作物，棉花吸收量不高。碳排放呈現先增后減的變化，不同縣市具有不同的碳排放；3種途徑碳排放過程中，化肥施用過程中碳排放所占的比例較大。碳吸收量遠遠大于碳排放量，德州市農田生態系統具有較強的碳匯功能。

德州市為增加農田生態系統的碳匯功能采取的措施：選育推廣優良作物品種，減少農藥、化肥的使用量，突出重點區域，發展精品農業，提升農業整體素質和綜合生產能力，更多地注重基于低碳和生態的環境友好型農業生產技術和推廣應用，這些對促進溫室氣體減排具有的重要意義。

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