南京都市農業農地利用碳排放測算及趨勢預測

王 琦, 黎孔清, 朱利群

(南京農業大學 人文與社會發展學院, 江蘇 南京 210095)

南京都市農業農地利用碳排放測算及趨勢預測

王 琦, 黎孔清, 朱利群

(南京農業大學人文與社會發展學院,江蘇南京210095)

[目的] 測算南京市都市農業農地利用碳效應，為發展都市農業的其他城市提供可借鑒的低碳經驗。 [方法] 基于化肥、農藥、農膜、農用柴油、灌溉、翻耕6個主要方面的碳源，測算南京市1996—2014年的農地利用碳排放量，綜合林地、草地、園地3個主要方面的碳匯變化特征，探索農地利用方式變化導致的碳效應。并基于灰色GM(1,1)模型預測南京市農地利用碳排放量趨勢。 [結果] 1996—2014年南京農地利用碳排放量總體呈現“上升—波動—平穩下降”的3階段特征，縱向來看，2005—2014年林地碳匯、草地碳匯有所下降，但變化趨勢不同。橫向來看，由于各區承載的城市功能不同，區域碳匯差異較大。從農地利用方式變化的碳效應來看，2000—2008年南京市因生態退耕產生碳匯呈先上升后下降的變化趨勢，建設占用導致的碳排放量變化趨勢呈現Z字形上升。基于灰色GM(1，1)模型采用等維遞補預測方法，預計到2020年該市農地利用碳排放量為1.11×105t。 [結論] 南京市農地利用碳排放的變化趨勢與經濟發展和都市農業發展進程密切相關。林地、草地面積的減少降低了原本不高的碳匯效應，并且由于經濟發展與城市建設需要，持續上升的建設占用碳排放對南京市碳效應影響巨大。

農地利用方式; 碳排放; 灰色GM(1,1)模型; 南京市都市農業

文獻參數： 王琦, 黎孔清, 朱利群.南京都市農業農地利用碳排放測算及趨勢預測[J].水土保持通報，2017,37(4)：288-294.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170510.001；WangQi,LiKongqing,ZhuLiqun.EstimationofcarbonutilizationandpredictionofagriculturallanduseinurbanagricultureofNanjingCity[J].BulletinofSoilandWaterConservation, 2017,37(4)：288-294.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170510.001

由碳排放導致的全球氣候變暖問題嚴峻，現已成為人類社會實現可持續發展的重大挑戰。隨著工業化與城鎮化的推進，農業生產的單位面積投入(化肥、農藥、農膜等)不斷增加，導致農地利用碳排放問題顯現。據測算，農業溫室氣體排放約占全球排放總量的14%，已成為僅次于電熱生產的第二大排放源(IPCC，2007)。我國作為農業大國，農業溫室氣體排放約占全國排放總量的17%(中國環境與發展國際合作委員會，2004)，正面臨著巨大的減排壓力。南京市是我國東部地區重要的中心城市，同時也是重要的農業和商品糧基地之一，于上個世紀90年代提出發展都市農業，即以現代化城市資源為依托，以資源、環境、生態、經濟、科技、社會等協調發展為宗旨的可持續現代農業系統。經過多年發展，總體上完成了城郊型農業向都市型農業的過渡[1-2]。碳效應已然成為當前的一個研究熱點，新型農業發展模式的農地利用碳效應研究更有待人們探索。

近年來，很多學者從全國范圍[3]、地區范圍[4]，以及省域范圍[5-6]對區域碳排放的階段特征及主導因素進行了研究。對于碳排放測算方法的研究，厘清各用地類型的碳流通過程，構建城市系統垂直碳通量核算體系，明確各碳通量來源的測算方法[7]，從低碳經濟角度去綜合評價和分析區域土地利用水平[8]。對于碳排放影響因素的研究，國內外研究常采用的分析方法有迪氏對數指標分解法(LMDI)、IPAT模型、STIRPAT模型、Laspeyres指數法、Kaya恒等式等[9]。經濟發展與碳排放也是專家學者研究的熱點。學者們對低碳經濟這一人類的必然選擇進行了廣泛的研究[10-12]，基于數據測算，Honltz-Eakin等[13]認為人均碳排放與人均GDP之間具有倒U形關系，而Shafik[14]研究發現人均碳排放與人均GDP之間呈現單調遞增的線性關系。已有研究主要針對碳排放量較大或生態環境脆弱的區域，基本反映碳排放現狀，能涵蓋所有影響碳排放的因素，但少有人對特定類型的區域農業農地利用碳排放進行研究。同時，基于影響因素對碳排放量趨勢進行研究，偶然因素的干擾降低了預測值的準確性。在此，本文測算南京市都市農業農地利用碳效應，并基于灰色GM(1,1)模型預測該市農地利用碳排放量趨勢。理論上，研究成果是對現有研究體系的重要補充。現實中，不僅有利于南京農地利用碳排放量的減少，也為我國發展都市農業的其他城市提供可借鑒的低碳發展經驗。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域與數據來源

南京地處我國東部地區，是國務院批復確定的中國東部地區重要的中心城市。其都市農業發展可以分為兩個階段： ① 1996—2001年，農業產業結構調整階段； ② 2001年至今，農業功能調整階段。2001年以來，南京市逐步將農業納入整個城市發展進程，推進農業產業結構調整以及功能性的完善[15]。以加強生產功能為基礎，不斷拓展其服務功能以及生態功能，該市功能性結構調整初現端倪[16]。初步實現了均衡、協調和可持續發展[17]。南京市農業生產主要分布在浦口區、棲霞區、雨花臺區、江寧區、六合區、溧水區和高淳區，2014年該市實現農林牧漁業總產值383億元，同比增長9.2%，占該市GDP的2.5%，建設“菜籃子”基地1.33×104hm2，葉菜自給率超過80%。農業服務功能發展方面，該市累計建成休閑農業景區(景點)250個，其中國家級12個，打造出高淳國際慢城、六合茉莉花村等一批休閑農業亮點，2013年休閑農業實現綜合收入46億元[18]。生態功能方面，在中國各地區低碳經濟發展進程評估研究中，江蘇省被列為有效率省市，排名僅次于上海市[19]。南京作為省會城市，在發展低碳經濟過程中的貢獻不言而喻。

所需各年份數據均來自《南京統計年鑒》、《南京國土資源公報》。其中化肥、農藥、農膜、柴油數據以南京市當年實際使用量為準；翻耕數據以南京市當年農作物實際播種面積為準，農業灌溉則以當年南京市實際灌溉面積為準。

1.2 農地利用碳效應的估算方法

農地利用的碳效應是指農業生產活動過程中直接或間接作用于農地而引發的碳排放與碳吸收。以往研究表明，耕地利用的碳排放主要來源于6個方面： ① 化肥生產和使用過程中所導致的農地直接或間接的碳排放； ② 農藥生產和使用過程中所導致的碳排放； ③ 農膜生產和使用過程中所引起的碳排放； ④ 由于農業機械運用而直接或間接消耗化石燃料(主要是農用柴油)所產生的碳排放； ⑤ 農地翻耕破壞土壤有機碳庫，大量有機碳流失到空中所形成的碳排放； ⑥ 灌溉過程中電能利用間接耗費化石燃料所形成的碳釋放。碳吸收效應主要測算林地、草地、園地3個方面，因農作物生長過程匯聚的碳元素最終通過人類的消費和秸稈焚燒轉換、釋放，所以農作物碳吸收作用不納入測算。碳排放(吸收)估算公式如下：

E=∑Ei=∑Ti·δi

式中：Ei——指各種類型土地碳排放(吸收)量；Ti——各碳排放(吸收)源的量；δi——各碳排放源的排放(吸收)系數，分別歸納出農地碳排放(吸收)系數(表1)。

表1 主要土地碳效應系數及參考來源

注：IREEA為南京農業大學農業資源與生態環境研究所； IPCC為聯合國氣候變化政府間專家委員會。

1.3 灰色GM(1,1)預測模型的建立

灰色預測模型就是將原始信息數據序列通過一定的數學方法處理后，將其轉化為動態微分方程來描述原系統的內在特征，建立抽象系統的動態演變預測模型[26]。設由n+1個原始數據組成的原始數列為X(0)，對X(0)進行一次累加生成得到X(1)。GM(1,1)模型的一階線性常系數微分方程標準型公式為：

為提高模型的預測精度以及可靠性要進行模型檢驗，包括殘差檢驗、級比偏差檢驗、關聯度檢驗和后驗差檢驗。C為方差比，P為小概率誤差，MG(1，1)模型精度等級如表2所示，精度等級越小越好，4級為不合格。

表2 MG(1，1)模型精度等級

2 結果與分析

2.1 南京市農地利用碳排放特征分析

根據上文中給出的碳排放測算公式和碳源系數，定量測算南京市1996—2014年農地利用碳排放(表3)。結果表明，南京都市農業農地利用碳排放量有所下降，由1996年的2.04×105t減少至1.26×105t，增長了-0.38倍，年均增長率達到-2.64%。從各生產要素碳排放量構成份額看，化肥、農藥、農膜、農用柴油、灌溉、翻耕碳排放量占總排放量的比重均值依次為63.8%，10.6%，14.2%，8.0%，2.7%和0.5%，其中，化肥、農藥和農膜是農地利用碳排放的主要來源。1996—2014年化肥、農藥施用所導致的碳排放量有減少的趨勢，化肥對碳排放量減少的貢獻超過百分之百；農膜1996年排放量僅為1.41×104t，到2014年增長到2.72×104t，年均增長率為3.71%，2004年碳排放量超過農藥，成為排放量占比第二的物質投入。而翻耕、農用柴油、灌溉帶來的碳排放量變化不明顯，有不同程度的增加或減少。

從總量上看，南京市都市農業農地利用碳排放量呈有所下降，并且碳排放強度變化軌跡與此基本一致(圖1)，但計算碳排放總量的環比增速可以看出，南京市農地利用碳排放總量具有階段性特點，且增加(減少)幅度呈波動趨勢(圖2)，進一步將南京市農地利用碳排放總量劃分為3個階段：

第1階段，1996—2001年南京市農地利用碳排放量呈增長態勢，年均增長率為4.51%。其中，化肥、農藥碳排放量均有所增加，農膜碳排放雖比重較小，但5 a間增長了1.41倍。該階段南京市農業正經歷從城郊農業向都市農業轉變的過程，農業產業結構調整是這一階段該市農業發展的主旋律，農業生產還處于粗放生產的狀態，對化肥、農藥以及農膜需求較高。此時的農業產值的增長是以高投入為代價的。

第2階段，2002—2011年南京市農地利用碳排放量呈現波動趨勢，碳排放量有所下降，但年際變化波動性很大，下降最快年份的環比增速為-13.63%，2012年下降程度最小，環比增速為-1.22%。其中，2003，2006和2008年下降程度較大。探究其內在原因，這與南京市經濟發展和都市農業發展進程密切相關。2002年以來，村集體經濟的興起與繁榮使得許多農民轉向二、三產業，一部分農民選擇了進城務工，農業在國民經濟中的份額不斷降低，導致農業經營者對生產資料的需求減少。同年，在南京市都市農業發展思路的指導下，生態農業、觀光農業等現代化農業發展模式開始推進，并以呈現農業豐富功能性為目標。除此之外，這一階段各種農業發展模式還在探索階段，并且受市場因素影響較大，缺少發展經驗使得農地利用產生的碳排放量變化波動明顯。

第3階段，2012—2014年南京市農地利用碳排放量雖呈現下降趨勢，但下降幅度并不大，平均下降1.5%。這主要是現代化農業改革發展到一定程度，對技術、資源等要求越來越高，農地利用碳排放量下降程度逐漸放緩。

表3 南京市1996-2014年農地利用碳排放情況

圖1 南京市1996-2014年農地利用碳排放量及排放強度

圖2 南京市1996-2014年農地利用碳排放總量和環比增速

2.2 南京市林地、草地、園地碳匯變化特征分析

南京市林地碳匯從2005年的3.62×104t下降到2014年的3.52×104t，年增長率僅為-0.32%。2005年以來林地面積呈現波動下降的態勢，多數年份間“上升—下降”趨勢交替顯現，2005—2008年下降趨勢最為明顯。南京市一直在國家“退耕還林”與“守住18億畝耕地紅線”間尋找發展的平衡。隨著南京市草地面積的減少，草地碳匯呈現下降趨勢，從1.07 t驟降至0.37 t。2001年以來南京市逐步完善城市建設，撤縣設區、加快腳步建設現代化都市。盡管南京市草地面積并不大，但經濟發展與城市建設需要威脅著草地資源，帶來的環境影響也不可小覷。南京園地碳匯從2005年的2.0×103t增長到2014年的2.30×103t，增長18.01%(表4)。南京市都市農業的發展極大的繁榮了當地的果蔬種植，與此同時，高淳國際慢城、江寧金花村、六合茉莉花村、浦口珍珠村等一批休閑農業也不斷建成，這對碳匯增加有明顯的正向促進作用。

從各區碳匯來看，由于承載的城市功能不同，區域碳匯差異較大。2014年林地碳匯最多的江寧區為1.12×104t，最少的秦淮區僅為11.75 t。草地碳匯主要集中在棲霞區、浦口區、六合區、溧水區，4區草地碳匯占南京市草地碳匯總量的98.33%。園地碳匯各區均有貢獻，其中江寧區、溧水區、高淳區等農業生產主要分布地碳匯貢獻較多，鼓樓區碳匯貢獻最少僅為1.94 t。

表4 南京市2005-2014年林地、草地、園地碳匯量

2.3 南京市農地類型變化的碳效應分析

2.3.1 農地政策變化的單位碳排放效果分析 農地利用方式變化所引起的碳效應本研究采用差值法測算。

以耕地、林地間的轉換為例可知，耕地碳排系數為α，林地碳匯系數為-β，草地的碳匯系數為-μ，建設用地的碳排系數為λ，則可得出：退耕還林的碳匯效果為-(α+β)，毀林開荒的碳排效果即為(α+β)；退耕還草的碳匯效果為-(α+μ)，毀草開荒的碳排效果為(α+μ)；建設農地轉為耕地碳減排效果為-(λ-α)，耕地轉為建設用地的碳增排效果為(λ-α)；建設用地轉為林地的碳匯效果為-(β+λ)，林地轉為建設用地的碳排效果為(β+λ)；建設用地轉為草地的碳匯效果為-(μ+λ)，草地轉為建設用地的碳排效果為(μ+λ)。計算數據方面，耕地碳排放強度數據源自表3，建設用地碳排系數以黃賢金的為準，為55.8 t/hm2。林地、草地、建設用地的碳排、碳匯系數均為固定值，而耕地碳排放強度數據采用歷年變化值。基于差值法得出耕地與林地、耕地與草地以及耕地與建設用地之間的轉變所導致的歷年碳排、碳匯的變化情況詳見表5。林地、草地、建設用地間的轉變由于采用統一標準，不存在年際差異。

表5 農地利用方式轉變單位面積碳排放/碳匯效果分析 kg/hm2

2.3.2 生態退耕與建設占用的碳效應變化分析 農地利用方式改變是導致其碳功能發生變化的重要原因，本研究結合南京市當前實際，生態退耕(近似認為是退耕還林)、建設占用(近似認為是耕地轉為建設用地)是最普遍的兩類農地利用轉換形式。鑒于不同年份生態退耕、建設占用面積以及各自轉換系數存在差異，計算歷年南京市生態退耕與建設占用碳排放變化情況。

由表6可知2000—2008年，南京市因生態退耕產生碳匯呈先上升后減少的變化趨勢，2002年達到最大值71.29 t，而2007年以來產生碳匯不足10 t；相反，建設占用導致的碳排放量由2000年的8.30×103t上升至2008年的4.49×104t，年均增長率高達23%，大量且持續增長的建設占用碳排放對南京市凈碳效應影響巨大。進一步探索可知，2000年以來由生態退耕引起的碳匯效應和由建設占用引起的碳排效應呈明顯的階段性變化。其中碳匯量變化在2002年達到極致，隨后急劇下降，2005年后平穩下降；而碳排放量變化呈現Z字形增長趨勢，前后變化趨勢相對小，中間波動劇烈。

表6 南京市2000-2008年生態退耕與建設占用碳排放變化情況

2.4 南京市農地利用碳排放趨勢預測

以2009—2014年測算出的南京市農地利用碳排放量為原始序列，通過累加生成、平均數生成等步驟建立GM(1，1)模型，進而對未來幾年南京市農地利用碳排放量進行預測。GM(1,1)模型建立詳見表7，其中n=6，σ(0)(k)∈[0.75,1.33]。

表7 GM(1,1)模型預測計算結果

模型預測精度達99.02%>90%，滿足精度要求；級比偏差值為1.37%<10%，符合要求；關聯度為0.70，根據經驗當分辨率ρ=0.5時,關聯度r>0.6便較為滿意；后驗差檢驗中，C值越小P值越大模型精度越高。

表8 基于GM(1，1)模型的2015-2020年南京市農地利用碳排放預測結果

進一步用SPSS的曲線回歸分析來進行時間序列的趨勢分析，選擇2012—2020年的碳排放量為因變量，年份為自變量(表9)。表9顯示，各模型方程的sig都不大于0.01，顯著性較強，指數曲線的擬合優度最高。農地利用碳排放量繼續保持下降趨勢，但底數過小下降程度小，遠不足以彌補建設占用導致碳排量的增加。

表9 模型匯總和參數估計值

3 結 論

(1) 南京都市農業農地利用碳排放量呈“上升—波動—平穩下降”的3階段特征，由1996年的2.04×105t減少至1.26×105t，增長了-0.38倍，年均增長率達到-2.64%。從各生產要素碳排放量構成份額看，化肥、農藥、農膜、農用柴油、灌溉、翻耕碳排放量占總排放量的比重均值依次為63.8%，10.6%，14.2%，8.0%，2.7%，0.5%。1996—2014年化肥、農藥施用量下降，并且化肥對碳排放量減少的貢獻超過百分之百；農膜使用量增加，其導致的碳排放量于2004年超過農藥，成為排放量占比第二的物質投入；翻耕、農用柴油、灌溉帶來的碳排放量變化不明顯，有不同程度的增加或減少。

(2) 縱向來看林地碳匯、草地碳匯有所下降，但變化趨勢不同，園地碳匯有所增加。林地碳匯從2005年的3.62×104t下降到2014年的3.52×104t，呈現波動下降的態勢，多數年份間“上升—下降”趨勢交替顯現，2005—2008年下降趨勢最為明顯。隨著南京市草地面積的減少，草地碳匯呈現下降趨勢，從1.07 t驟降至0.36 t。園地碳匯從2005年的2.0×103t增長到2014年的2.3×103t，增長18.01%。南京市都市農業的發展極大的繁榮了當地的果蔬種植，對碳匯增加有明顯的正向促進作用。橫向來看，由于各區承載的城市功能不同，區域碳匯差異較大。

(3) 農地利用方式改變的碳效應來看，2000—2008年，南京市因生態退耕產生碳匯呈先上升后下降的變化趨勢，2002年達到最大值71.29 t，而2007年以來產生碳匯不足10 t；相反，建設占用導致的碳排放量由2000年的8.30×103t上升至2008年的4.49×104t，年均增長率高達23%，變化趨勢呈現Z字形上升，前后變化趨勢相對小，中間波動劇烈。盡管預計到2020年該市農地利用碳排放量將下降到1.11×105t，整體保持下降趨勢，但底數過小下降程度小，遠不足以彌補建設占用導致碳排量的增加。

(4) 南京市農地利用碳排放的變化趨勢與經濟發展和都市農業發展進程密切相關。一方面，二三產業的繁榮發展減少了生產資料的需要，并且都市農業指導思路下的農業生產對化肥農藥的施用量有所控制，減少了農地利用碳排放量，園地面積擴大、休閑農業繁榮發展增加了碳匯量；另一方面，農業機械化、集約化發展，柴油、農膜等農業生產資料的使用導致的碳排放也不可忽視，林地、草地面積的減少降低了原本不高的碳匯效應，由于經濟發展與城市建設需要，持續增長的建設占用造成大量碳排放對南京市碳效應影響巨大。

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EstimationofCarbonUtilizationandPredictionofAgriculturalLandUseinUrbanAgricultureofNanjingCity

WANGQi,LIKongqing,ZHULiqun

(CollegeofHumanitiesandSocialDevelopment,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing，Jiangsu210095,China)

[Objective] The carbon effect of urban agricultural land was estimated in Nanjing City to provide development experience for other cities with urban agriculture. [Methods] The carbon emissions from agricultural land in Nanjing City were calculated from 1996 to 2014 based on six main carbon sources of chemical fertilizers, pesticides, agricultural film, agricultural diesel, irrigation and tillage. At the same time, the variations of three main carbon sinks, including forest land, grassland, garden, were explored to illustrate the carbon effects of agricultural land use changes. In the end, the trend of carbon emissions from agricultural land in Nanjing City was predicted based on the gray GM(1,1) model. [Results] From 1996 to 2014, the carbon emissions from agricultural land use in Nanjing City showed a three-stage variation of “rising-fluctuating-steady decline”. Chronically, the carbon sinks of both forest land and grass land decreased from 2005 to 2014, but their decreasing rate was different. From the view of regional comparison, due to the city carrying function was different, regional carbon sinks differed greatly. In terms of the carbon effect of the change of agricultural land use, the carbon sequestration in Nanjing City from 2000 to 2008 increased at first and then decreased; and carbon emission caused by construction occupancy experienced a Z-shaped variation. Based on the gray GM(1,1) model, the isobar metric forecasting method was used. It was estimated that the agricultural carbon use in the city will be 1.11×105t by 2020. [Conclusion] The trend of carbon use in Nanjing City was closely related to the economic development and the process of urban agriculture development. The reductions of forest land and grass land area reduced the original carbon sink effect. And as a result from economic development and urban construction needs, the continued growth in construction land have great impact, which will result in a large number of carbon emissions in Nanjing City.

agriculturallanduse;carbonemission;grayGM(1,1)model;urbanagricultureofNanjingCity

A

： 1000-288X(2017)04-0288-07

：X321

2017-02-10

：2017-02-21

教育部人文社會科學研究青年基金項目“南方稻田不同施肥措施的凈減排潛力及推廣機制優化研究”(15YJCZH246)，“基于生態文明的區域土地利用碳排放效應及減排政策研究”(14YJC630058)； 中國博士后科學基金項目(2015M570463)； 江蘇高校哲學社會科學研究項目(2015SJD087， 2014SJD072)；江蘇省自然科學基金項目(BK2015068)； 南京農業大學中央高校基本科研業務費人文社科基金育才項目(SKYC2017019)

王琦(1996—),遼寧省朝陽市人,本科生,研究方向為區域農業與低碳排放方面。E-mail:11614103@njau.edu.cn。

朱利群(1975—),江西省資溪縣人,博士，教授,主要從事區域農業發展方面研究。E-mail:zhulq@njau.edu.cn。