黑龍江省農田生態系統碳源/匯變化特征及影響因素分析*

茹 藝

(1．哈爾濱師范大學;2．哈爾濱市道外區疾病預防控制中心)

0 引言

全球溫室效應逐年加劇，從而引起的氣候變化劇烈等環境生態問題已成為全球各環境保護組織和各國政府關注的焦點．控制CO2等溫室氣體排放是抑制溫室效應的關鍵環節．農田生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，與人類關系最為密切，同時也是重要的大氣碳源和碳匯［1］．全球耕地面積占陸地面積的38．5%，大氣中20%的CO2來源于農業活動及其相關過程［2］;同時全球農田也是巨大的碳庫，其碳儲量大170Pg，占全球陸地碳儲量的 10% 以上［3］．LAL等指出全球耕地總固碳潛力為 0．75～1．0 Pg/a［4］．農田生態系統是陸地生態系統中最活躍的碳庫，可以在短時間內通過人為活動加以調節達到增匯減排的效果，因此，開展農田生態系統碳循環研究，促進農田生態系統固碳減排，對于糧食安全與氣候惡劣變化減緩和適應都具有積極意義．為此，國內外學者展開了大量研究［5-8］．

黑龍江省作為農業大省，走低碳農業、綠色農業將成為今后的必然選擇，所以農田生態系統的減源增匯將成為黑龍江低碳建設的重要途徑．鑒于此該研究對2004～2013年黑龍江農田生態系統主要農作物碳吸收量和主要農業生產活動碳排放量進行了估算，分析了黑龍江農田生態系統碳源碳匯的變化趨勢及其影響因素．該研究結論對于發展黑龍江省低碳農業、生態農業，促進農業可持續發展具有重要的理論和實踐意義．

1 材料與方法

1．1 研究區域

黑龍江省地處中國東北部，介于北緯43°26'～53°33'，東經 121°11'～135°05'之間，是中國位置最北、緯度最高的省份，北部和東部與俄羅斯相鄰，是中國沿邊開放的重要窗口．黑龍江屬寒溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季雨熱同季，冬季漫長．全省年平均氣溫在-4～5℃之間，年平均降水量多介于400～650 mm．黑龍江省土地總面積47．3萬 km2，占全國土地總面積的4．9%．黑龍江省耕地總量2．39億畝，居全國第一位，人均耕地面積0．31 hcm2，為全國人均耕地面積的 3．1倍［9］．

1．2 數據來源

2004～2013年黑龍江省主要農作物產量、化肥施用量、農機總動力、有效灌溉面積等農業統計數據均分別來自各年份《黑龍江統計年鑒》．

1．3 研究方法

1．3．1 碳吸收

農業生態系統碳吸收主要為作物生育期的碳吸收，估算方法如公式(1)所示

公式(1)中，i為農作物的種類;Ct為農田生態系統所有農作物全生育期碳吸收量;Cd為i類農作物全生育期對碳的吸收量;Cf為第i類農作物光合作用合成單位質量干物質所要吸收的碳;Dw為生物產量;Yw為第i類農作物的經濟產量;Hi為i類農作物的經濟系數．中國主要的農作物經濟系數Hi和碳吸收率Cf經驗數據見表1［10］．

表1 主要農作物經濟系數和碳吸收率

1．3．2 碳排放

農田生態系統碳排放考慮化肥施用量、農業機械總動力和農田耕作灌溉等3大類主要的間接碳排放途徑，估算方法見公式(2)～(5):

其中Ef、Em和Ei分別是農田化肥使用、農用機械生產使用和灌溉過程帶來的碳排放．各種碳排放計算公式見公式(3)，其中 ABCD為轉換系數［11］．

Gf為化肥施用量，A=857．54 kg·Mg-1．

Am為農作物種植面積，Wm為農業機械總動力，B=16．47 kg·hm-2，C=0．18 kg·kW-1．

Ai為灌溉面積，D=266．48 kg·hm-2．1．3．3 凈碳匯

農作物生育期的碳吸收減去農業投入產生的碳排放，即農田生態系統的凈碳吸收．

2 結果與分析

2．1 碳吸收分析

2．1．1 農田生態系統碳吸收量變化

2004～2013年黑龍江省農田生態系統碳吸收情況如圖1所示．十年來黑龍江省農田生態系統碳吸收總量總體呈上升趨勢，從2004年的7223．01 萬t增加到2013 年的 13971．66 萬 t，增幅93．43%，年均增加7．61%．單位播種面積碳吸收量呈現平穩上升的趨勢，由2004年的6．45 t/hm2，升至 2013 年的 9．50 t/hm2，年平均增長率為4．39%，這是因為黑龍江省農作物播種面積在持續增加和農作物產量的不斷提高所致．其中，糧食作物碳吸收量從5734．12萬t增加到12731．67萬 t，增幅為 122．03%，年均增加9．27%;經濟作物碳吸收量從332．04萬t減少到182．27 萬 t，減幅為 45．10%，年均減少 6．45%;果蔬作物碳吸收量則從1156．85萬 t減少到1057．71 萬 t，減幅為8．56%，年均遞減 0．9%．由圖2可知，黑龍江省農田生態系統碳吸收比例也發生了一定的變化，糧食作物碳吸收比例基本保持在79% ～91%之間．經濟作物碳吸收比例則從4．5%下降到1．3%左右，果蔬作物碳吸收比例由16%下降到7．57%左右．這說明黑龍江省近十年來依然以主要糧食作物作為農作物生產的主導，這是因為黑龍江省土壤質量高更適宜種植糧食作物，對經濟作物和蔬菜、瓜果等都可引進來自優良產地的產品以滿足人們的需求．

圖1 2004～2013年黑龍江省農作物碳吸收量及其單位播種面積碳吸收量變化趨勢

圖2 2004～2013年黑龍江省不同類型農作物碳吸收比例變化

2．1．2 不同農作物碳吸收量變化

通過分析2004～2013年黑龍江省主要農作物全生育期碳吸收量的變化(見表2)，碳吸收量最大的農作物是玉米，從2004年的1937．21萬t增加到2013年的7511．28萬t，占碳吸收總量的38．92%．其次是水稻，從2004年的1116．45萬 t增加到2013年的3187．82萬t，占碳吸收總量的19．03%．碳吸收量較多的還有蔬菜和豆類，但十年來碳吸收量在逐漸減少，分別從2004年的1555．67 萬 t和 1160．15 萬 t減少到1455．97萬 t和806．65萬t．糧食作物中谷子、高粱以及經濟作物中的油菜籽、葵花籽、白瓜籽、麻類和煙葉的碳吸收量較少，總的碳吸收量僅占農作物碳吸收總量的1．46%．

2．2 碳排放分析

黑龍江省農田生態系統碳排放呈逐漸增加的趨勢(如圖3所示)，碳排放總量從2004年的202．49 萬 t增長到 2013 年的 377．50 萬 t，增幅86．43%．

表2 2004～2013年黑龍江省農田生態系統不同農作物的碳吸收總量

單位播種面積碳排放量從2004年的0．18t/hm2，上升到2013年的0．26 t/hm2，年平均增長率為3．97%．這主要與化肥等農業生產資料投入的增加以及農業機械水平的提高有關．其中，化肥施用所帶來的碳排放量從123．33萬 t增加到210．06萬 t，增幅為 70．33%，年均遞增 6．10%;農用機械投入所帶來的碳排放量從18．79萬t增加到 25．09萬 t，增幅為 33．55%，年均遞增3．27%;耕作灌溉過程帶來的碳排放從60．38 萬 t增加到142．36 萬 t，增幅為 135．77%，年均遞增10%，這說明先進的灌溉方式的推廣效果不佳．由圖4可知，黑龍江省農田生態系統中3種途徑的碳排放的比例變化較小，化肥施用、農機動力和耕作灌溉的比例分別維持在60%、10%和30%左右．這從一定程度上反映了近十年來黑龍江省依然保持著靠農業化學品投入為主，傳統灌溉為輔的農業生產方式，農業生產結構沒有得到改進．

圖3 2004～2013年黑龍江省農田系統碳排放量及其單位播種面積碳排放量變化趨勢

圖4 2004～2013年黑龍江省不同途徑碳吸收變化

2．3 凈碳匯量分析

農田生態系統凈碳匯量反映的是除去碳源后的碳固定情況．十年間黑龍江省碳吸收總量和碳排放總量分別達 102059．07萬 t和2829．32萬t，碳吸收總量與碳排放總量的比為36．1∶1，碳吸收量遠遠大于碳排放量，凈碳匯量逐年呈上升趨勢，說明黑龍江省農田生態系統具有較強的碳匯能力．

2．4 農田生態系統碳源匯影響因素分析

對農田生態系統碳吸收量與主要農作物產量的相關性分析表明(見表3)，碳吸收與水稻、小麥、玉米等糧食作物的產量有顯著的正相關性(p＜0．01)，而與葵花籽、麻類等經濟作物以及瓜果類的產量有顯著的負相關性(p＜0．01)．這主要是因為玉米等糧食作物是黑龍江省的主要農作物，更適宜黑龍江省的黑土土壤類型生長，所以產量與碳吸收量會明顯高于經濟作物和果蔬作物，而經濟作物種植面積較少，果蔬作物水分含量高、干物質含量低，所以碳吸收量要少于糧食作物，需要通過調整農田種植結構以提高農作物固碳能力，進而達到提高農田生態系統碳吸收能力的目的．

對農田生態系統碳排放量與主要碳排放途徑的相關性分析表明(見表4)，碳排放與化肥施用量、農村用電量、農用柴油施用量、噴滴灌溉面積和渠道防滲灌溉面積之間有顯著的正相關性(p＜0．01)，與低壓管灌溉面積呈顯著的負相關(p＜0．01)．這說明農用化學品投入、能源消耗和灌溉方式是影響農田生態系統碳排放量的主要原因．因此，隨著農業投入持續增加和機械化程度不斷提高，需要從改變肥料施用方式、優化農用能源利用結構以及推廣先進灌溉方式等方面入手，促進農田生態系統生產過程中減排的目標．

表3 農田生態系統碳吸收與主要農作物產量的相關性分析

表4 農田生態系統碳排放量與主要碳排放途徑的相關性分析

3 結論與討論

通過對黑龍江省農田生態系統碳吸收、碳排放和凈碳匯量的計算與分析，得到了如下結論:

(1)黑龍江省農田生態系統的碳吸收量呈上升趨勢，碳吸收總量從2004年的7223．01萬t上升至2013年的13510．27萬 t，上升93．43%．隨著農作物產量的提高，碳吸收量也明顯增加，增長幅度最大的是玉米(287．74%)，增幅較多的還有水稻和小麥，高粱、薯類、甜菜和煙葉都有少量增幅，谷子、豆類、油菜籽、葵花籽、白瓜籽、麻類和果蔬作物的碳吸收量有少量減幅．這表明農作物產量的提高有利于碳固存．

(2)農田生態系統主要糧食作物碳吸收占全省比例有所提高，由2004年的79．39%增加到2013年的91．12%，經濟作物和果蔬作物碳吸收由2004年的20．61%降至8．88%．這說明隨著黑龍江的經濟發展，選擇糧食作物作為主生產作物是更適宜黑龍江的低碳農業發展．

(3)黑龍江省碳排放呈平穩增長趨勢，碳排放總量從2004年的202．49萬t上升到2013年的377．50萬t，增長86．43%，單位面積碳排放量在0．06 ～0．44 t/hm2之間．相比于南方地區，黑龍江冬季漫長，大部分農田屬于停耕狀態，所以碳排放量會少于南方地區．3種主要碳排放途徑中，化肥施用所導致的間接碳排放所占比例較大，農機動力和耕作灌溉所導致的碳排放較少，但耕作灌溉導致的碳排放量有增加趨勢．

(4)通過對比黑龍江省農田碳吸收量和碳排放量可以看出，碳吸收量明顯大于碳排放量，碳吸收的增速也明顯超過碳排放，說明黑龍江農田作物具有較大的凈碳匯功能．

(5)對黑龍江省農田生態系統碳源碳匯影響因素分析表明，碳吸收與玉米、水稻、小麥等糧食作物的產量成正相關性，而與葵花籽、麻類等經濟作物和瓜果類的產量有顯著的負相關性;碳排放量與化肥施用、農用能源消耗、微灌灌溉面積和渠道防滲灌溉面積存在顯著的正相關性，與低壓管灌灌溉面積呈顯著的負相關性．

因此，在黑龍江省促進農業產業結構調整的過程中，不但要追求高農業產值，也要注重農業的溫室氣體的減源增匯，在保證農作物產量的基礎上，優化農作物種植結構和能源資源利用結構，合理配置施肥種類，提高農用化學品的利用率，合理調整耕作模式，大力推廣節水灌溉農業等環境友好型農業生產技術，提升黑龍江省農田生態系統的固碳減排的能力．

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