安陽市農業碳排放時序特征及預測研究

摘 要 采用《安陽統計年鑒》數據從農業生產中翻耕、化肥、農藥、農膜、農用柴油和農村用電等6個方面，測算了安陽市1993—2014年的農業碳排放量及碳排放強度。結果表明：安陽市農業碳排放總量整體呈上升趨勢，碳排放總量由1993年的36.62×104 t增加到2014年的143.84×104 t，年均增長7.52%，總體上呈“高速-負增長-高速-低速”四階段演化特征。農業碳排放強度從1993年的997.73 kg/hm2增加到2014年的3508.21 kg/hm2，年均增長6.94%。農業碳排放總量的組成結構隨時間變化，平均占比大小順序依次為農村用電、化肥、農用柴油、農膜、農藥和翻耕。灰色預測模型顯示，2014—2020年，安陽市農業各碳源碳排放量繼續增長，農業碳排放總量將由143.84×104 t增加到241.89×104 t，碳排放強度將從3508.21 kg/hm2增長到5903.76 kg/hm2。安陽市農業碳排放未來形勢嚴峻，必須采取有效措施，才能有效實現農業碳減排。

關鍵詞 農業碳排放總量；農業碳排放強度；灰色預測；碳減排；河南省安陽市

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.10.004

知網出版網址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1186.s.20170410.2341.018.html 網絡出版時間：2017-4-10 23：41：00

近年來，全球氣候變化已給人類社會與經濟發展帶來了顯著的不利影響，嚴重威脅能源安全、糧食安全、水資源安全和生存環境等各個方面，成為社會經濟可持續發展的最主要制約因素[1]。人類對能源和自然資源的過度開發和使用，造成大氣中溫室氣體濃度的迅速增長是導致氣候變暖的最重要原因之一[2]。農業生產過程中由于土地翻耕、灌溉等活動和化肥、農藥等物質投入會直接或間接導致溫室氣體的排放[3]，約占全球碳排放的14%[4]。因此，對于農業碳排放問題的研究日益成為學術界關注的熱點，在農業碳排放總量、結構及其影響因素分解等方面[5-7]也取得了諸多成果。與第二和第三產業相比，農業碳排放的相關研究成果仍然較少，且主要基于國家或省級尺度，主要集中在東部等發達地區。

河南省是我國重要的糧食生產基地，其農業在我國農業生產中占有舉足輕重的地位。安陽市被譽為“豫北糧倉”，是國家規劃的小麥、玉米、棉花、油料等農產品優勢區域和優質小麥生產基地。近年來，隨著人們對牛羊肉、奶制品等農產品需求量的大大增加，安陽市不斷加強農業基礎建設和科技支農服務水平，化肥、農藥和農膜等農用物資投入持續增長，導致安陽市農業碳排放快速增加。本文以安陽市為研究對象，從農用柴油、化肥、農膜、農藥、農村用電和翻耕等6個方面構建安陽市農業碳排放測算體系，定量計算分析安陽市1993—2014年農業碳排放數量、組成結構和碳排放強度的變動特征，基于GM（1，1）灰色預測模型，預測未來安陽市的農業碳排放量情況，以期為制定安陽市農業碳減排對策、實現低碳農業發展提供參考依據。

1材料與方法

1.1研究區域概況

安陽市位于河南省最北部，地處山西、河北、河南三省交匯處，西倚太行山，東連華北平原，介于東經113°37′～114°58′、北緯35°13′～36°22′，總面積5599 km2，總人口約576萬人。安陽市氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫在12～13.7℃，年均降水量為576 mm，無霜期約為210 d，日照時數2300 h。2014年全市擁有水資源總量為7.14×108 m3，地表水資源量2.37×108 m3，地下水資源量6.34×108 m3。充足的光、熱、水資源和肥沃的土地為安陽市農業的發展奠定了良好基礎。

1.2研究方法

1.2.1農業碳排放量及碳排放強度估算

從翻耕和農業物質投入方面，結合安陽市實際情況及數據的可獲取性，選擇土地翻耕、化肥、農膜、農藥、農用柴油和農村用電等6個方面碳源，對安陽市的農業碳排放量進行估算。農業碳排放計算公式為：

式中：E為農業生產碳排放總量；Ei為各類農業碳源碳排放量，Ti為各碳排放源投入量，δi為各碳源的碳排放系數。據此獲得農業碳排放強度：

式中：A為農業碳排放強度，B為耕地面積。

參考前人研究成果，本文使用的各碳源碳排放系數為：化肥0.8956 kgCE/kg，農膜5.18 kgCE/kg，農藥4.9341 kgCE/kg，農用柴油0.5927 kgCE/kg，農村用電0.272 kg/（kW·h），翻耕312.6 kgCE/km2，農業灌溉25 kgCE/hm2[8]。

1.2.2環比增速和年平均增長率計算

本文采用如下公式計算環比增速和年平均增長率：

環比增速（%）=（當年數值-上年數值）/上年數值×100

年平均增長率（%）=n年環比增速之和/n×100

1.2.3灰色預測模型GM（1，1）

灰色預測模型是對灰色系統所做的預測，它通過對原始數據進行生成處理，來發現和掌握系統發展變動的規律，通過建立相應的微分方程模型，進而對系統的未來狀態做出科學的定量預測[9]。GM（1，1）模型由單變量一階微分方程構成，用于對系統主要因素進行擬合并預測，其主要的步驟為：對原始數據序列x（0）（t）計算一次累加，生成一個新的序列x（1）（t），將新序列x（1）（t）的變化趨勢用常微分方程dx（1）（t）/dt+ax（1）（t）=b近似描述，之后用離散化和最小二乘法分別求出參數a和b，獲得灰色預測模型為：x（1）（t+1）=[x（0）（1）-b/a]e-at+b/a，再做累減還原，獲得預測數值： （0）（t+1）= （1）（t+1）- （1）（t），t=1，2，……，n-1。

1.3數據來源

本研究中，安陽市1993—2014年的化肥（折純量）、農膜、農藥、柴油、農村用電及耕地面積、有效灌溉面積、種植業產值和人均GDP等數據均來自《安陽統計年鑒》，以當年實際使用量為準，翻耕面積以耕地面積為準。

2安陽市1993—2014年農業碳排放量動態分析

根據農業碳排放量估算公式測算出1993—2014年間安陽市農業碳排放總量，結果見表1。

2.1農業碳排放總量變化

從農業碳排放總量來看（見圖1），1993—2014年，整體上處于上升態勢。從1993年的36.62×104 t 增長到2014年的143.84×104 t，年平均增長率為7.52%。從增長速度來看，安陽市農業碳排放總量的環比增長率總體上處于階段性下降態勢（見圖1）。各碳排放源化肥、農膜、農藥、農用柴油、農村用電、翻耕等的碳排放量也都不同程度地出現了增長。其中，農膜年均增長率驚人地高達73.82%，原因在于2007年相對于2006年、2009年相對于2008年的農膜使用量（統計數據）出現急劇增大；其次為農村用電，年均增長率達8.13%，化肥增速7.50%；農用柴油和農藥碳排放量增速適中，分別為5.95%和3.38%，翻耕的碳排放增長速度緩慢，其增長率為0.54%。

1993—2014年安陽市農業碳排放呈現上升趨勢（見圖1、圖2），但不同階段增速存在著一定差異，總體上呈“高速-負增長-中速-低速”四階段變化特征：第一階段為1993—1996年，為快速增長期，碳排放量快速增加，從1993年的36.62×104 t增長到1996年的62.26×104 t，年平均增長率21.19%；1997—2003年為第二階段，為負增長，年均增速-0.95%，其中1998年碳排放量增速-17.01%；2004—2009年為第三階段，碳排放量恢復較快增長，年均增長率13.38%，由2004年的59.46×104 t增長到2009年的118.80×104 t；第四階段為2010—2014年，碳排放量增速明顯放緩，年均增速4.14%，且呈下降趨勢，但是在2013和2014年有所反彈。

2.2農業碳排放強度變化

與碳排放總量變化相似，農業碳排放強度也呈持續增長態勢（見圖2）。從1993年的997.73 kg/hm2增加到2014年的3508.21 kg/hm2，年均遞增6.94%；從環比增速來看，農業碳排放強度低于農業碳排放總量，農業碳排放強度的環比增速總體上亦呈現階段性下降趨勢。

2.3農業碳排放結構及其變化

從農業碳排放結構（見圖3）來看，農業碳排放源所占比例隨時間發生變化，從平均占比來看，農村用電為最大碳排放源，平均占比51.56%，且呈先升后降的趨勢，最高達60.57%；化肥平均占比36.83%，為第二大碳源，總體上呈逐漸下降趨勢，2014年占比29.87%；農用柴油居第三位，平均占比為4.22%，呈先升后降的趨勢；農膜平均占比3.62%，居第四位，2000年以來占比逐年下降；農藥居第五位，平均占比3.59%；翻耕的碳排放最少，且呈逐年下降趨勢，平均占比為0.18%。

3安陽市農業碳排放未來預測

3.1預測模型構建與精度檢驗

基于灰色預測模型GM（1，1）原理，結合安陽市1993—2014年農業碳排放量數據，以表1中的翻耕、化肥、農膜、農藥、農用柴油及農村用電6種碳源的碳排放量為原始數列，其中翻耕通過了級比檢驗，對未通過級比檢驗的數據進行開方處理，開方后數據列的級比均在X=（e-2/n+1，e2/n+1）=（0.9167，1.0908）的區間內，通過檢驗。應用Excel軟件進行統計分析和計算，分別得到翻耕、化肥、農膜、農藥、農用柴油及農村用電6種碳源的碳排放量預測結果，詳見表2。

采用后驗差檢驗法對安陽市6種碳源碳排放量的灰色GM（1，1）預測模型進行精度檢驗，經過計算，得到6個預測模型的均方差比C與小概率誤差P，具體見表3，檢驗結果較好，預測模型能應用于實際未來預測。

3.2預測結果及分析

根據表2中的碳排放量預測模型，得出2015—2020年各碳源的灰色預測數據，將化肥、農膜、農藥、農用柴油和農村用電數據平方，獲得5項碳源的碳排放量預測值，將6項碳源的碳排放量預測值相加得到安陽市農業碳排放總量預測值，具體見表4。2014—2020年，安陽市的農業碳排放量將處于增長態勢，由2014年的143.84×104 t增至2020年的241.89×104 t，增長68.17%。假設安陽市耕地面積不變，則安陽市2014—2020年農業碳排放強度將從3508.21 kg/hm2增加到5903.76 kg/hm2，增長68.28%。如果按照中國政府提出的2020年碳排放強度較2005年下降45%的碳減排目標，則安陽市2020年農業碳排放強度為948.37 kg/hm2，預測的碳排放強度為碳減排目標的622.52%。因此，安陽市必須采取有效的措施，改變現有的農業生產發展模式，改善農業生產結構，積極推廣低碳農業，否則，安陽市農業碳排放量將不斷加大，農業碳減排形勢將更加嚴峻。

4結論

（1）安陽市農業碳排放總量由1993年的36.62×104 t增加到2014年的143.84×104 t，增長2.93倍，年均增長7.52%，碳排放增長過程可以分為“高速-負增長-中速-低速”4個階段：第一階段為1993—1996年，為快速增長期，年平均增長21.19%；1997—2003年為第二階段，為負增長期，年均增速-0.95%；2004—2009年為第三階段，碳排放量恢復高速增長，年均增長13.38%；第四階段為2010—2014年，碳排放量增速明顯放緩，年均增速4.14%。

（2）安陽市農業碳排放強度從1993年的997.73 kg/hm2升高到2014年的3508.21 kg/hm2，增長2.52倍，年均增長6.94%。農業碳排放結構方面，各碳源排放量在研究時段內均呈增長態勢，所占農業碳排放總量的比例隨時間發生變化，從1993—2014年平均占比來看，農村用電平均占比51.56%，為最大碳源，其次為化肥，平均占比36.83%，其余依次為農用柴油、農膜和農藥，占比為4.22%、3.62%和3.59%。翻耕的碳排放最少，為0.18%，且占比呈逐年下降趨勢。

（3）根據灰色預測模型，2014—2020年，安陽市各農業碳源碳排放量將繼續增長，農業碳排放總量將由143.84×104 t增加到241.89×104 t，增長68.17%，碳排放強度將從3508.21 kg/hm2增長到5903.76 kg/hm2，增長68.28%。

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（責任編輯：丁志祥）