南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯變化及對能源碳源的補(bǔ)償作用

?戴毅豪，翁翎燕，張 超，劉柄麟，張涵玥?

（1. 南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210089；2. 上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234；3. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；4. 上海師范大學(xué)城市生態(tài)與環(huán)境研究中心，上海 200234）

南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯變化及對能源碳源的補(bǔ)償作用

戴毅豪1，翁翎燕1，張 超2,3，劉柄麟4，張涵玥1

（1. 南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210089；2. 上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234；3. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；4. 上海師范大學(xué)城市生態(tài)與環(huán)境研究中心，上海 200234）

區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮碳庫的功能對城市的低碳發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。通過對2006～2015年南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放、碳吸收、碳匯和碳足跡的變化進(jìn)行研究及特征分析，結(jié)果表明：（1）南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯呈緩慢增加趨勢；（2）南京能源消費碳排放呈快速增長；（3）南京農(nóng)田碳匯的增加趨勢遠(yuǎn)小于能源碳源的增加趨勢，農(nóng)田碳匯對能源碳源的補(bǔ)償能力在減弱。研究為南京低碳城市的建設(shè)與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；碳匯；能源消費；南京

燃燒化石燃料、過度砍伐森林等人為活動導(dǎo)致大氣中溫室氣體含量增加，引發(fā)了全球變暖等一系列環(huán)境問題，對人類的生產(chǎn)生活造成了一定的影響。據(jù)研究表明，CO2是溫室氣體中所有溫室氣體中數(shù)量最大、影響最直接的因素[1]，因此控制碳排放，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)有利于減緩溫室效應(yīng)。在減緩碳排放的途徑中，有多種方式可以實施，如開發(fā)清潔能源（太陽能等）[2]，通過發(fā)展公共交通，減少汽車旅行來減少碳排放等[3]。當(dāng)前有許多人通過不同的方法進(jìn)行碳源/匯及碳排放的研究，如羅海秀等[4]通過ArcGIS等技術(shù)手段對重慶市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)重慶市三大經(jīng)濟(jì)區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收、碳排放、碳匯的總量和強(qiáng)度存在空間差異；董潔芳等[5]通過VEC模型對新疆碳排放、能源效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)增長之間的動態(tài)計量關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非農(nóng)就業(yè)結(jié)構(gòu)與產(chǎn)值結(jié)構(gòu)的變遷對碳排放存在著有效的抑制作用；杜官印[6]運用STIRPAT模型研究建設(shè)用地對碳排放的影響，發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地擴(kuò)張對碳排放有明顯的正向影響，進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整可以作為抑制或緩解碳排放影響的一種途徑。現(xiàn)有的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的研究中，主要是進(jìn)行碳源碳匯的核算及時空演變的分析，并提出減少碳源或增加碳匯的建議，但未將所計算的結(jié)果與區(qū)域碳平衡的維護(hù)及低碳城市建設(shè)聯(lián)系起來。同時，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯核算的研究中，仍存在許多的問題會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差，例如計算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源、碳匯在選取指標(biāo)時很多人只考慮到農(nóng)業(yè)機(jī)械，灌溉等所帶來的碳排放，未考慮到農(nóng)用柴油所帶來的碳排放[7]，計算農(nóng)用化肥施用引起的碳排放時，并未考慮到農(nóng)用化肥的種類及其對應(yīng)的施用量及所引起的碳排放[8]，在計算農(nóng)作物全生育期的碳吸收量時未考慮到作物的含水率[9]，這些都對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的核算造成了一定的影響。基于此，筆者以南京為研究區(qū)域，對南京2006～2015年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯及能源碳匯的變化及特征進(jìn)行研究分析，將農(nóng)用柴油及每種化肥施用所引起的碳排放納入南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放的核算體系，并在計算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量時將農(nóng)作物含水率納入計算，旨在摸清南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力及其對能源碳源的補(bǔ)償作用，有利于維護(hù)南京的碳平衡，促進(jìn)城市的低碳建設(shè)與發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南京位于中國東部，長江下游中部地區(qū)，江蘇省西南部，地理坐標(biāo)范圍為北緯 31°14″～32°37″，東經(jīng)118°22″～119°14″。2015 年南京生產(chǎn)總值為 9 720.77 億元，其中第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值232.39億元，占南京生產(chǎn)總值的2.4%；第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值3 916.77億元，占南京生產(chǎn)總值的40.3%，第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值5 571.61億元，占57.3%。由上述可知，南京是一座第三產(chǎn)業(yè)為主，第二產(chǎn)業(yè)為輔，第一產(chǎn)業(yè)所占比重低的城市。

南京位于長江兩岸，氣候濕潤，土壤肥沃，淡水資源豐富，是中國重要的農(nóng)業(yè)和商品糧基地之一。糧食作物以水稻、小麥為主，經(jīng)濟(jì)作物以油菜，棉花為主。截至2015年底，南京共有耕地面積約237 170 hm2，農(nóng)作物的總播種面積約316 880 hm2，有效灌溉面積約218 810 hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于2007～2016年《南京統(tǒng)計年鑒》及2013年《中國能源統(tǒng)計年鑒》。筆者通過南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的農(nóng)用化肥施用量、農(nóng)膜用量、農(nóng)藥用量、農(nóng)用柴油用量、農(nóng)業(yè)機(jī)械動力、有效灌溉面積及水稻、小麥等11種主要農(nóng)作物和原煤、原油等11種主要能源，對2006～2015年10 a間南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放、碳吸收、碳匯、碳足跡以及南京主要能源消耗產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行計算，并對其變化及特征進(jìn)行研究分析。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)田利用碳排放估算 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)田利用導(dǎo)致的碳排放的主要碳排放源為：農(nóng)用化肥、農(nóng)膜、農(nóng)藥、農(nóng)用柴油、農(nóng)業(yè)機(jī)械動力及有效灌溉面積等；根據(jù)王粱、祁興芬等[10-11]的研究將研究中的農(nóng)田利用碳排放估算公式定義為：

式中：E為農(nóng)田利用的碳排放總量；Ef、Ep、Em、Es、Ee、Ei分別為農(nóng)用化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)灌溉的投入產(chǎn)生的碳排放量。

根據(jù)趙榮欽、林秀群等[10,12-14]的研究，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各碳排放源的碳排放量估算公式如下：

式中：Gi為第i種化肥的施用量；Ai為第i種化肥的碳排放系數(shù)；Gp為農(nóng)藥的使用量；B為農(nóng)藥的碳排放系數(shù)； 為農(nóng)膜的使用量；C為農(nóng)膜的碳排放系數(shù)；Gs農(nóng)用柴油的使用量；d為農(nóng)用柴油的碳排放系數(shù)；Ae為主要農(nóng)作物種植面積；D為農(nóng)田耕作的碳排放系數(shù)；We為農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力；F為農(nóng)業(yè)機(jī)械的碳排放系數(shù)；Si為有效灌溉面積；G為農(nóng)業(yè)灌溉的碳排放系數(shù)。各碳排放源的碳排放系數(shù)數(shù)值如下：氮肥，857.54 kg/t；磷肥，165.09 kg/t；鉀肥，120.28 kg/t；復(fù)合肥，380.97 kg/t；農(nóng)藥，4.934 1 kg/kg；農(nóng)膜，5.18 kg/kg；農(nóng)用柴油，0.592 7 kg/kg；農(nóng)作物種植面積，16.47 kg/hm2；農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力，0.18 kg/kw；有效灌溉面積，266.48 kg/hm2[13,15-18]。

1.3.2 作物生育期碳吸收估算 作物全生育期碳吸收的估算方法如下[10]：

式中：Ct為南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物全生育期的碳吸收總量，Cd為作物i全生育期對碳的吸收量；Cf為作物i光合作用合成單位重量干物質(zhì)所需要吸收的碳；Dw為作物i干物質(zhì)產(chǎn)量；Yw為作物i的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；Wi為作物i的含水率；H為作物i的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。筆者共選取了水稻、玉米、小麥等11種農(nóng)作物作為主要農(nóng)作物用于主要農(nóng)作物全生育期碳吸收總量的估算。經(jīng)濟(jì)指數(shù)，農(nóng)作物碳吸收率及含水率等相關(guān)數(shù)據(jù)見表1[11,19-21]。

表1 南京主要農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)指數(shù)、碳吸收率及含水率

1.3.3 碳匯計算 碳匯計算公式[12]為：

式中：E為南京農(nóng)田碳排放總量；Ct為南京主要農(nóng)作物全生育期碳吸收總量，碳匯（Nc）即農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳吸收，指南京農(nóng)作物全生育期的碳吸收總量減去農(nóng)業(yè)利用產(chǎn)生的碳排放總量。

1.3.4 南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡計算 碳足跡一詞最早起源于生態(tài)足跡，而生態(tài)足跡最先由哥倫比亞大學(xué)的Rees和Wackernagel提出。由于人們對溫室氣體排放可能導(dǎo)致的一系列環(huán)境問題的認(rèn)識的逐步加深，很快就引起了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注[22]。

根據(jù)段華平、張婷等[20,23]的研究，將碳足跡看作生態(tài)足跡的一部分，把碳足跡定義為碳排放的生態(tài)足跡。計算公式為：

式中：CEF為南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放的生態(tài)足跡，即南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡，E為南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量；NEP反映了農(nóng)作物的固碳能力，即每公頃的植被1 a的碳吸收量；Ct為南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要農(nóng)作物全生育期的碳吸收總量；S為南京耕地面積。

當(dāng)區(qū)域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡小于區(qū)域生態(tài)承載力（耕地面積）時，表現(xiàn)為碳生態(tài)盈余；當(dāng)區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡超過區(qū)域生態(tài)承載力時，表現(xiàn)為碳生態(tài)赤字。

式中：CER為碳生態(tài)盈余；CED為碳生態(tài)赤字；CEC為生態(tài)承載力，即耕地面積S。

1.3.5 南京能源消費碳排放計算 以IPCC[24]提出的計算方法為基礎(chǔ)，根據(jù)李想等[25]的研究，并參考了2013年《中國能源統(tǒng)計年鑒》，選取了原煤、原油和天然氣3種能源組成的一次能源，及洗精煤、焦炭、燃料油、汽油、煤油、柴油、液化石油氣和焦?fàn)t煤氣8種能源所組成的二次能源作為11種主要能源對南京能源消費產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行估算。

式中：C為南京能源消費產(chǎn)生的碳排放量；ai為能源i的消費量，單位為t標(biāo)準(zhǔn)煤；bi為能源i的碳排放系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放及碳吸收變化分析

圖1 南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放/吸收總量及強(qiáng)度

由圖1可知，2006～2015年期間，南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量變化具有波動性，就時間跨度而言至2015年碳吸收總量略有增長，從2006年的138.26×104t增長至2015年的138.73×104t。通過計算得知，11種主要農(nóng)作物的碳吸收中以水稻、小麥及蔬菜為主，其中水稻平均每年的碳吸收量占總量的47.25%，小麥平均每年占17.10%，蔬菜平均每年占14.14%。碳吸收強(qiáng)度反映了單位播種面積碳匯能力，10 a間總體呈上升趨勢，由2006年的4.47 t/hm2上升至2015年的4.84 t/hm2。碳吸收強(qiáng)度的增加反映了南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物的固碳能力在增強(qiáng)。

10 a間，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量呈持續(xù)下降趨勢，由2006年的19.22萬t降至2015年的15.66萬t，共減少了3.55萬t，年平均下降速率為2.18%。6種碳排放途徑中，以農(nóng)用化肥的施用量及農(nóng)藥的使用量減少的幅度最大。農(nóng)用化肥施用量減少了45.02%，農(nóng)藥使用量減少了53.61%。其他4種途徑中，農(nóng)業(yè)機(jī)械引起的碳排放略有減少，農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)用柴油及農(nóng)膜引起的碳排放則略有增加。南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量的持續(xù)減少的主要原因為農(nóng)用化肥施用量的下降。通過碳排放總量除以主要農(nóng)作物播種面積得到的碳排放強(qiáng)度[14]，由估算結(jié)果得知，南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度總體呈減少趨勢。10 a間碳排放強(qiáng)度由0.62 t/hm2降低至0.55 t/hm2，表明10 a間南京單位主要農(nóng)作物播種面積的碳排放能力不斷減弱，主要原因是南京農(nóng)田利用碳排放量的降低。

2.2 南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯及碳足跡變化及其特征分析

由表2可知，10 a間，南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳匯量總體呈上升趨勢，與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量的變化趨勢相似，反映了南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能在不斷增強(qiáng)。南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為生態(tài)盈余，就時間跨度而言，生態(tài)盈余的變化趨勢與凈碳匯相同。10 a間南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳生態(tài)盈余總體呈增加態(tài)勢，主要是因為碳排放的生態(tài)足跡不斷減少。通過計算可得南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳足跡，2006～2015年間南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳足跡波動減小，由2006年的0.11 hm2/hm2降至2015年的0.09 hm2/hm2，主要是因為南京低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展，減少了化肥農(nóng)藥等的使用，提高了農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步及機(jī)械化水平，使南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為碳庫的功能正在不斷加強(qiáng)。

2.3 南京能源碳源變化分析

表2 南京農(nóng)田農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯與碳足跡

由表3中可知2006～2015年期間南京能源消費所引起的碳排放呈快速增長的趨勢，由2006年的3 226.75萬t增加至2015年的4 932.82萬t，年平均增長率為4.96%。其中一次能源的消費量遠(yuǎn)大于二次能源，說明南京對以原油、原煤及天然氣組成的一次能源的依賴性較高，對洗精煤、焦炭、液化石油氣等組成的二次能源依賴性較低。通過計算得知一次能源的消費以原煤和原油的消耗為主，在二次能源中對洗精煤和焦炭的依賴程度較高。

表3 南京主要能源消費碳排放量

2.4 南京農(nóng)田碳匯與能源碳源對比分析

由表4可知，2006～2015年間南京能源碳源遠(yuǎn)大于農(nóng)田碳匯，且兩者之間的差距呈擴(kuò)大趨勢，南京農(nóng)田碳匯雖然呈增加趨勢，但受到耕地面積減少的影響，相比能源碳源的增長相差較遠(yuǎn)。隨著城市的快速發(fā)展，南京對能源的需求不斷增加，這也導(dǎo)致了能源消費引起的碳排放不斷增加。作為人為活動引起的碳排放的主要組成部分，能源碳源的增加嚴(yán)重影響著南京的碳平衡[26]。而目前農(nóng)田碳匯對能源碳源的補(bǔ)償?shù)男Ч^小。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

（1）南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能在緩慢增強(qiáng)。南京農(nóng)田碳匯從2006年的119.04萬t增長至2015年的123.07萬t。因為受到城市建設(shè)用地擴(kuò)張的影響，導(dǎo)致耕地面積不斷減少，生態(tài)承載力減弱，所以南京農(nóng)田碳匯增長較為緩慢。

表4 南京農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯及能源碳源

（2）南京能源碳源快速增長。南京能源碳源從2006年的3 226.75萬t快速增長至2015年的4 932.82萬t。城市的擴(kuò)張導(dǎo)致了能源消費引起的碳排放不斷增加。

（3）南京農(nóng)田碳匯的增長趨勢遠(yuǎn)小于能源碳源的增長趨勢，且二者差距呈逐年擴(kuò)大趨勢。農(nóng)田凈碳匯占能源碳源的比例由2006年的3.69%降至2015年的2.49%。目前農(nóng)田碳匯對能源碳源的補(bǔ)償?shù)哪芰^弱，且補(bǔ)償能力呈減弱趨勢，城市碳循環(huán)壓力不斷增加。

3.2 建 議

（1）嚴(yán)格執(zhí)行耕地保護(hù)制度。嚴(yán)格控制建設(shè)用地擴(kuò)張占用耕地，切實保護(hù)耕地。

（2）促進(jìn)低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展。提高農(nóng)作物產(chǎn)量，增加農(nóng)作物的碳吸收量，增強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。提高農(nóng)作物產(chǎn)量有利于農(nóng)作物固碳能力的穩(wěn)定和增加，低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展也有利于低碳城市的實踐。

（3）改良能源消費結(jié)構(gòu)。推動能源消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，大力開發(fā)清潔能源，如太陽能、風(fēng)能等，減少石油及煤等化石燃料的使用，增加天然氣等的使用。在保持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長的同時，減少能源消費引起的碳排放。

（4）適度施用化肥，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，加快農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)。化肥的過量施用會影響低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

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Research?on?Changes?of?Farmland?Ecosystem’s?Net?Carbon?Sink?and?Its?Compensation?to?Energy?Consumption?Carbon?Source?in?Nanjing

DAI Yi-hao1，WENG Ling-yan1，ZHANG Chao2,3，LIU Bing-lin4，ZHANG Han-yue1
（1. Jinling College, Nanjing University, Nanjing 210089, PRC; 2. College of Life and Environmental Science, Shanghai 200234, PRC;3. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, PRC; 4. Urban Ecology and Environment Research Center,Shanghai Normal University, Shanghai 200234, PRC）

Regional farmland ecosystem’s carbon pool function has certain promoting effect of city’s low-carbon development. By using the data of carbon emission, carbon absorption, carbon source and carbon footprint of farm land ecosystem from 2006 to 2015 in Nanjing,the results showed: (1) The ability of carbon sink was increasing slowly in Nanjing. (2) Energy consumption carbon emissions in Nanjing were increasing rapidly. (3)The increase trend of carbon sink in farmland of Nanjing was less than that increasing trend of energy carbon source, and the compensatory ability of farmland carbon sink to energy source was weakening. The research provided a scientific basis for the construction and development of low carbon cities in Nanjing.

Farm land ecosystem; carbon sink; energy consumption; Nanjing

S181

A

1006-060X（2017）11-0033-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.010

2017-09-08

戴毅豪（1997-），男，江蘇無錫市人，本科生，主要從事資源與環(huán)境方面的研究。

翁翎燕

（責(zé)任編輯：肖彥資）