天門市農田生態系統碳足跡的測度分析

沈體忠 (湖北省天門市農業環境保護站，湖北 天門 431700)

天門市農田生態系統碳足跡的測度分析

沈體忠 (湖北省天門市農業環境保護站，湖北 天門 431700)

應用2003～2012年湖北省天門市耕地面積、農作物產量、農田投入等統計數據，對農田生態系統碳吸收、碳排放和碳足跡進行了定量測度分析。結果表明，10a來，農作物碳吸收量、碳吸收強度呈現出隨著年份的遞進而逐年增加的態勢，分別由2003年的787.90×103t C、7.24t C/hm2增加到2012年的1 144.01×103t C和10.35t C/hm2；農田投入碳排放量及碳排放強度則呈先升后降再上升的變化趨勢，變化范圍分別為(89.04～106.12)×103t C/a和0.82～0.98t C/(hm2·a)，化肥為主要碳排放源；農田生態系統為碳匯，其碳足跡呈現出隨著年份的遞進而逐年減少的態勢，由2003年的48.81×103hm2減少至2012年的37.70×103hm2，占同期耕地面積比重的34.12%～44.85%，明顯小于區域生態承載力。

農田生態系統；碳吸收；碳排放；碳足跡；天門市

由溫室氣體引起的全球變暖問題已引起國際社會的普遍關注，隨著全球變暖成為社會關注的熱點，碳足跡(carbon footprint)成為一個新的研究方法并迅速得到學術界的認可[1]。“足跡”這個概念最早起源于哥倫比亞大學的Rees和Wackernagel提出的生態足跡(ecological footprint)的概念，即在現有技術條件下，按空間面積計算的支持一個特定地區的經濟和人口的資源消費以及廢棄物消納所需的生物生產性土地面積(包括陸地和水域)。碳足跡源于生態足跡的概念，最先出現于英國，并在學界、非政府組織和新聞媒體的推動下迅速發展起來[2]，是目前國內外普遍認同的用于應對氣候變化、解決定量評價碳排放強度的研究方法[1]。

農田生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，與人類關系密切，它既是重要的碳源亦是碳匯。一方面，大氣中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O來源于農業活動及其相關過程[3]；另一方面，農田生態系統又是一個巨大的碳庫，主要包括土壤有機碳庫和農作物生物量碳等。據韓冰等[4]估算，中國農田土壤生態系統固碳現狀和潛力分別為101.4 Tg C/a和182.1Tg C/a；另據段華平等[5]報道，我國1990～2009年農作物年碳吸收量為525.60～676.13Tg C 。這表明農田生態系統在全球碳循環中具有突出重要的地位。近年來，我國一些學者分別從國家[5]、省[6]和地市州[7]尺度對農田生態系統碳足跡進行了研究，但鮮見縣域尺度的報道。為此，本研究以天門市為例,從縣域尺度對該市2003～2012年農田生態系統的碳足跡進行定量測度分析，以期為發展低碳農業、促進農業可持續發展提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天門市位于鄂中，地處江漢平原北部、漢江下游左岸，跨東經112°35′～113°28′，北緯30°23′～30°54′，屬北亞熱帶季風氣候區。研究區是一個農業大市，種植業發達。20世紀80年代以來就是我國優質棉、商品糧的重要生產基地。在21世紀初的我國優勢農產品區域布局中，又被列入長江流域水稻、棉花優勢區和長江中游“雙低”油菜優勢區，其主要耕作制度為小麥(油菜)-水稻和小麥(油菜)-棉花(大豆)一年兩熟制。

1.2 農田生態系統邊界界定

農田生態系統是一個受人為控制的大量物質能量輸入輸出的復雜系統，碳循環過程較為復雜，涉及到系統之間各種形式的物質循環和遷移[8]。農田生態系統包括生態過程、技術過程與經濟過程，即農田生產的生態系統、技術系統和經濟系統。碳循環主要發生在生態系統和技術系統中。目前在對碳循環的研究中多把焦點放在了生態過程的碳循環研究上，即農田土壤碳的研究，而忽略了技術過程中碳循環的研究[9]。因此，本研究在估算農田生態系統碳足跡時, 以農田生產的生態系統、技術系統為邊界,將作物生育期碳吸收量和土壤碳固定量作為主要的碳吸收途徑，而將農田投入的碳排放量和土壤呼吸碳釋放量作為主要的碳排放途徑，對農田生態系統碳足跡進行定量測度分析。

1.3 研究方法

1)農田生產投入碳排放量的估算 農田生產投入碳排放量是指在農田生產過程中投入的化石能源及電力(火電)消耗所產生的CO2。依據現有的數據資料，本研究主要考慮化肥、農藥、農膜、農用柴油在生產、運輸和使用過程中直接或間接導致的碳排放以及農田灌溉過程中耗用電能(火電部分)間接產生的碳排放，其計算公式為：

(1)

表1 主要農田投入的碳排放系數及數據來源

注：IREEA為南京農業大學農業資源與生態環境研究所。

式中，E為農田各項投入的碳排放量，tC/a；i為某項農田投入；n為農田投入的項目數；Ei為第i項農田投入的碳排放量，tC/a；Ti為第i項農田投入的數量，t或hm2(農田灌溉面積)；Ki為第i項農田投入的碳排放系數，t(kg)C/t或kgC/hm2。主要農田投入的碳排放系數及數據來源如表1所示。

2)農作物生育期碳吸收量的估算 考慮數據可獲性，作物碳吸收量采用李克讓[15]提出的根據作物產量、經濟系數以及碳吸收率來估算作物生育期內通過光合作用對碳的吸收量，其計算公式為：

(2)

表2 主要農作物經濟系數與碳吸收率

式中，C為農田作物碳吸收量,tC/a；j為某種作物；k為作物的種類數；Cj為第j種作物全生育期的碳吸收量,tC/a；Xj為第j種作物光合作用合成單位有機質干質量所吸收的碳；Yj為第j種作物的經濟產量,t/a；Hj為第j種作物的經濟系數。我國主要農作物經濟系數與碳吸收率見表2[12,15]。

3)農田土壤碳固定與碳呼吸的估算 農田土壤有機碳固定和碳呼吸由于缺少逐年的數據資料，只能根據相關研究的年平均值估算不同年份農田土壤的碳固定量與碳呼吸量。金琳等[16]通過查閱相關文獻，構建農田管理情景，分析各管理措施長期定位試驗土壤有機碳變化量的數據,估算中國農田管理土壤碳匯量,得出長江上中游區農田施化肥、施有機肥、配施化肥與有機肥、秸稈還田和免耕情景下土壤有機碳的年均增加分別為0.36、0.92、1.15、1.03、3.26tC/(hm2·a)，本研究以其平均值1.34tC/(hm2·a)為研究區農田土壤的年均固碳速率。

土壤呼吸碳釋放主要來自植物根系的自養呼吸和根際呼吸以及土壤有機碳的異養分解[17]。李潔靜等[18]在太湖地區長期不同施肥條件下，水稻—油菜輪作生態系統土壤CO2的年釋放量為3.04tC/hm2；孟磊等[19]在河南封丘中國科學院封丘農業生態國家實驗站長期定量施肥條件下，冬小麥—玉米輪作生態系統土壤CO2的年釋放量為3.02tC/hm2。根據天門市實際情況取兩者的平均值3.03tC/(hm2·a)為本研究土壤年均碳呼吸量。

4)農田生態系統碳足跡的核算 本研究將農田生態系統碳足跡看作生態足跡的一部分，將其定義為消納農田生態系統碳排放量所需的生產性土地面積，即由農田生態系統碳排放總量與單位面積碳吸收能力的比值得到，其計算公式為：

(3)

(4)

(5)

式中：CEF為農田生態系統碳足跡，hm2/a；ECE為農田生態系統碳排放總量，tC/a，包括農田投入碳排放量(E)和土壤呼吸碳釋放量(EH)；NEP為農田生態系統單位面積碳吸收能力，tC/(hm2·a)；C為作物碳吸收量，tC/a；CG為土壤碳固定量，tC/a；S為耕地面積，hm2。

農田生態系統碳足跡如果超過了生態承載力(capacity)，那么就會出現碳生態赤字；如果小于生態承載力，則表現為碳生態盈余。

(6)

(7)

式中：CED為碳生態赤字；CER為碳生態盈余；CEC為生態承載力，即耕地面積。

1.4 數據來源

本研究計算所需的耕地面積、農作物播種面積、農作物產量、化肥施用量、農藥施用量、農膜使用量、柴油使用量和農田灌溉面積等數據均來自于2003～2012年《天門統計年鑒》。

2 結果與分析

2.1 農田作物碳吸收及其特征分析

1)農田作物碳吸收量與碳吸收強度 由表3可知，天門市農作物年碳吸收量呈現出隨著年份的遞進而逐年增加的態勢，由2003年的787.90×103tC逐年增加到2012年的1144.01×103tC，增幅達45.20%，年均遞增率為1.17%。進一步分析發現，水稻、小麥2大糧食作物的碳吸收量呈明顯波動增加趨勢，其碳吸收量分別從2003年的277.68×103tC、36.27×103tC波動增加到2012年的443.87×103tC和164.63×103tC，增長59.85%與353.90%，年均遞增率1.48%和4.84%，是天門市農作物碳吸收量逐年增加的主要原因。

由于天門市耕地面積從2003年的108.83×103hm2逐年下降到2008年的106.98×103hm2，然后再逐年增加到2012年的110.48×103hm2，因此有必要分析單位耕地面積的碳吸收強度。由表3可知，單位耕地面積的碳吸收強度與農作物年碳吸收量的變化趨勢一致，由2003年的7.24tC/hm2逐年遞增到2012年的10.35tC/hm2，增幅42.96%，年均遞增率為1.12%。其碳吸收強度高于全國[5]的4.44～5.92tC/(hm2·a)、江蘇省[6]的6.04～7.71tC/(hm2·a)和上海市[12]的5.88～8.07tC/(hm2·a)。這可能與研究區一年兩熟的耕作制度，水稻、棉花、油菜等優勢農產品和小麥的規模化種植，雜交水稻、雜交棉花、雙低油菜品種的普及以及農作物高產栽培技術的推廣應用等因素有關。

表3 天門市2003～2012年農作物碳吸收量與碳吸收強度

2)不同農作物碳吸收強度及對碳吸收量的貢獻 由表4可知，水稻單位播種面積碳吸收強度最大，其平均值為6.96t C/(hm2·a)；其次是玉米和棉花，分別為5.84和5.55t C/(hm2·a)；蔬菜最低，僅為1.50t C/(hm2·a)；其余6種(類)作物則分布在3.03～3.96t C/(hm2·a)之間。經計算，10種(類)作物單位播種面積的碳吸收強度加權平均值為4.40t C/(hm2·a)。這表明，水稻具有高于旱作物的固碳能力，在同等單位耕地面積上，可以固定更多的碳。從不同農作物對碳吸收量的貢獻看(表4)，水稻的貢獻最大，貢獻率為37.86%；其次是棉花，為22.06%；再次是油菜和小麥，分別為16.11%和11.96%。這4種農作物的貢獻率高達87.99%，而水稻的貢獻率又居于主導地位，其種植面積或單產的變動對農作物碳吸收量的變化趨勢具有舉足輕重的作用。鑒于此，從固碳角度考慮，今后應以高固碳作物水稻為抓手，優化種植結構，擴大水稻播種面積，主攻單產，充分挖掘它的固碳潛力，這對農田生態系統固碳減排，發展碳匯農業，不失為一項行之有效的舉措。

表4 天門市2003～2012年不同農作物碳吸收強度與貢獻率

2.2 農田投入碳排放及其特征分析

1)農田投入碳排放量與碳排放強度 由表5可知，與農作物碳吸收不同，農田投入碳排放量呈先升后降再上升的變化趨勢，其中2003～2009年碳排放量為上升期，碳排放量由89.04×103t C逐年上升到105.55×103t C；2010年開始下降，2011年降到102.53×103t C；2012年又再度上升，并超過2009年的碳排放量,為106.12×103t C，增幅19.18%，年均遞增率為0.55%。從碳排放強度看(表5)，與農田投入碳排放量變化趨勢基本一致,由0.82t C/(hm2·a)上升到0.98t C/(hm2·a)，漲幅為19.51%。但碳排放強度高于全國[5]的0.46～0.71t C/(hm2·a)，這應引起天門市有關方面的高度重視。

表5 天門市2003～2012年農田投入碳排放量及碳排放強度

2)不同農田投入碳排放強度及對碳排放量的貢獻 由表6可知，在5種主要農田投入碳排放途徑中，其平均碳排放強度化肥>農藥>農用柴油>農膜>農田灌溉，它們分別為0.59、0.22、0.02、0.08、0.01t C/(hm2·a)，其中化肥的碳排放強度是農藥的2.68倍、農用柴油的7.38倍、農膜的2.95倍和農田灌溉的59倍，而農藥的碳排放強度則是農用柴油的2.75倍、農膜的11倍、農田灌溉的22倍。從不同農田投入對碳排放量的貢獻看(表6)，也是化肥>農藥>農用柴油>農膜>農田灌溉，其中化肥的貢獻最大，貢獻率高達63.94%，是左右碳排放總量的關鍵；農藥的貢獻率占23.78%，也是一個不可忽視的重要因素；農用柴油與農膜的貢獻率只占8.31%和2.83%，對碳排放量的貢獻有限；而農田灌溉的貢獻率僅占1.05%，可忽略不計。在當前化肥碳排放量居高不下、農藥碳排放量逐年增加和農業機械化水平不斷提高的大背景下，從減排角度考慮，今后應將關注點放在化肥、農藥的碳排放控制上。要大力推廣平衡施肥、有機無機肥配施、秸稈還田和病蟲害綠色防控等低碳農業技術，提高化肥、農藥等高碳型農業投入品的利用率，減少其使用量，達到節能減排的目的。

表6 天門市2003～2012年不同農田投入碳排放強度與貢獻率

2.3 農田生態系統碳足跡及其特征分析

1)農田生態系統凈碳匯量與凈碳匯強度 本研究中凈碳匯量是指農田生態系統碳吸收總量與碳排放總量的差值。由表7可知，天門市農田生態系統的凈碳匯量變化與農作物碳吸收量變化趨勢相同，也是隨著年份的遞進而逐年增加，由2003年的514.94×103t C增加到2012年的851.18×103t C，增幅65.30%，年均遞增率1.58%。而單位耕地面積凈碳匯強度與凈碳匯量變化趨勢一致，由2003年的4.73t C/hm2增加到2012年的7.70t C/hm2，增長62.79%，年均遞增率為1.53%。這表明，天門市農田生態系統具有較強的碳匯功能，其凈碳匯量可補償天門市工業和居民生活的碳生態赤字，具有顯著的生態效應。

2)農田生態系統碳足跡與碳足跡效率 由表7可知，天門市農田生態系統碳足跡與凈碳匯量的變化趨勢卻相反, 則隨著年份的遞進而逐年減少，由2003年的48.81×103hm2減少到2012年的37.70×103hm2，減幅達29.47%，年均遞減率為0.81%。同時，由于生態足跡的逐年減少，其碳生態盈余也逐年增加，即由2003年的60.02×103hm2增加到2012年的72.78×103hm2，增幅為21.26%，年均遞增0.60%。也就是說，農田生態系統每年排放的CO2僅需34.12%～44.85%的耕地面積來消納。韓召迎等[7]將農田碳吸收量與碳足跡的比值定義為碳足跡效率，此值越大，表示碳足跡效率越大，反之，則碳足跡效率越小。由表7可見，天門市農田生態系統碳足跡效率逐年增大，由2003年的19.13t C/hm2逐年增大到2012的34.27t C/hm2，增幅79.14%，年均遞增率為1.84%。這主要由農田生態系統單位面積碳吸收能力逐年增強所致。今后還需要在保障農田碳吸收增加的同時，有效控制農田生態系統碳排放與碳足跡的增長，充分發揮農田生態系統的生態屏障作用，以便消納更多能源活動和工業生產過程的碳排放量，促進天門市社會經濟的可持續發展。

表7 天門市2003～2012年農田生態系統凈碳匯量與碳足跡

3 討論

本研究從碳循環的角度，采用系數法初步測度分析了天門市2003～2012年農田生態系統的碳吸收、碳排放與碳足跡。由于國內相關研究較為薄弱，其估算結果尚存在一定的不確定性。首先，在農作物碳吸收上，雖然農作物經濟系數較為穩定，但隨著品種類型的更新換代，也會發生變化[6]。從研究區3大優勢農產品看，水稻品種在雜交化的基礎上，于1999年起大面積推廣超級稻，而棉花和油菜則在2003年實現了棉花雜交化和油菜雙低化，它們的經濟系數也可能會得到相應的提高，如超級稻的經濟系數已達到0.6以上[6]。但本研究計算所采用的經濟系數仍為20世紀90年代或以前的參數[15]，可見，水稻、棉花、油菜的經濟系數明顯偏低，勢必導致農作物碳吸收量被低估。

其次，在農田投入碳排放系數的選用上，本研究除氮肥、農膜和農田灌溉外，磷肥、鉀肥、復合肥和農藥的碳排放系數均選用美國橡樹嶺國家實驗室20世紀90年代的研究數據[11～13]。由于中美兩國在能源結構、化學工業工藝以及農田管理等方面存在較大的差異，必然會造成碳排放系數的誤差。如我國是世界上唯一以煤為主要原料生產氮肥的國家，生產氮肥能源消耗多，碳排放也多，而美國基于天然氣的氮肥工業的碳排放要比我國小很多[10]。逯非等[10]的研究結果顯示，我國生產1t氮肥所產生的碳排放為1.740t C，比美國[11]的0.85754t C高出2.03倍。由此可見，本研究磷肥、鉀肥、復合肥和農藥的碳排放系數可能偏低，其實際碳排放量將會更大些。

再次,在土壤碳固定與碳呼吸速率上，現有研究結果表明，土壤有機碳動態變化不但受自然因素，如溫度、降水和植被類型的影響，而且在很大程度上受施肥、秸稈還田、免耕和灌溉等農業耕作管理措施的影響[4]；而土壤碳呼吸速率與水熱因子、作物生物學特性和農業管理活動等因素相關[20]，均存在較大的不確定性，也是影響其估算結果精度的一個重要原因。

鑒于上述估算結果的不確定性，有必要進一步深入開展細致的研究，包括符合我國國情的碳排放系數推算、不同農作物的經濟系數測定、不同條件下的土壤碳呼吸速率測算以及不同農田耕作管理措施的土壤碳匯量研究等，以便為區域農田生態系統碳足跡核算提供更多、更準確的目錄清單。

4 結論

1)2003～2012年，天門市農作物碳吸收量與碳吸收強度呈現出隨著年份的遞進而逐年增加的態勢，分別從2003年的787.90×103tC、7.24t C/hm2增加到2012年1144.01×103t C和10.35t C/hm2，分別增長了45.2%和42.96%。水稻為高固碳作物，對農作物碳吸收量的貢獻居于主導地位。

2)農田投入碳排放量及碳排放強度呈先升后降再上升的變化趨勢，變化范圍分別為(89.04～106.12)×103t C/a和0.82～0.98t C/(hm2·a)，分別增長了19.18%和19.51%。其中化肥為主要碳排放源，是左右碳排放量的關鍵。

3)核算結果顯示，天門市農田生態系統為碳匯，其碳足跡呈現出隨著年份的遞進而逐年減少的態勢，由2003年的48.81×103hm2減少至2012年的37.70×103hm2，減幅達29.47%，占同期耕地面積比重的34.12%～44.85%，明顯小于區域生態承載力。但當前天門市的農業發展屬于嚴重依賴化肥、農藥等化石能源產品的高碳型發展模式。在低碳經濟時代，必須轉變現有的農業發展模式，逐步減少對高碳農業的依賴，大力推廣應用環境友好型的低碳農業技術，積極發展低碳農業，促進農業的可持續發展。

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[編輯] 余文斌

2016-02-24

沈體忠(1950-),男,高級農藝師，主要從事農業環境保護研究，cblsdr@tom.com。

S181

A

1673-1409(2017)14-0062-07

[引著格式]沈體忠.天門市農田生態系統碳足跡的測度分析[J].長江大學學報(自科版)，2017，14(14)：62～68.