基于碳足跡分析國家級重點生態功能區農田種植業特征

張變華，靳東升，郜春花

（1.忻州師范學院，山西忻州 034000；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原 030031）

目前，關于碳如碳循環、碳排放、低碳發展是學術界的研究熱點。碳足跡可以度量因某種活動而引起直接或間接的CO2排放量[1]。從碳足跡的視角研究碳排放、低碳減排措施，可以為全球氣候變化提供一定的理論幫助[2]。而農田生態系統是大氣的重要碳源與碳匯，研究其碳足跡及其變化可以為農業低碳化、可持續發展提供理論參考。

當前，已有許多國內外學者從不同層面、不同角度對農田生態系統碳足跡進行了研究。SOVACOOL等[3]，HERTWICH等[4]利用模型從國家及城市的層面對碳足跡進行了研究，并提出相應的減少碳排放的措施；WEST等[5]對農田生態系統種植業中化肥、農藥等使用量的能源消耗和碳排放進行了研究。國內有許多學者也從多角度對影響碳足跡的因子、碳排放的空間分布、結構特征與強度變化等進行了深入研究[6-11]。但很少有學者從碳足跡的視角來研究國家級重點生態功能區的農田生態系統種植業特征。

本研究主要以國家級重點生態功能區山西省偏關縣為研究對象，從小尺度范圍內探討農田生態系統種植業碳足跡特征，旨在為國家級重點生態功能區偏關縣開展節能減排工作、發展低碳農業提供一定的指導和理論依據。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

偏關縣位于山西省忻州市西北部，是黃河入境第1縣。該縣東西長60 km，南北寬58 km，總面積1 682 km2，境內黃土丘陵起伏、梁塬峁廣布，溝壑縱橫，地勢東高西低，呈偏頭狀；屬于溫帶大陸性氣候，年均溫約為7.9℃，年均降水量約為413.2 mm，降水量主要集中于夏秋季節；2016年耕地面積約3.6萬hm2；人口約11.6萬，其中，農業人口約占總人口的52.6%；GDP生產總值為25億元，農業產值約占GDP的15%，糧食總產量54 132 t，農村居民年人均收入約6 030元。

1.2 數據來源

本研究中所使用的相關數據如作物經濟產量、農膜、農藥等均來自于2008—2017年的《山西統計年鑒》和《忻州統計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 種植業碳匯估算 作物在生長期內進行光合作用時的碳吸收量是通過農作物的經濟產量以及相應的經濟系數進行計算。

其中，GT為所有農作物的碳吸收量；Gi表示第i類農作物合成單位質量干物質的碳吸收量；TW為第i類作物的經濟產量；H為第i類作物的經濟系數。1.3.2 碳排放估算 農田生態系統中種植業碳排放主要包括3個部分[12]：種植期間的化學物質投入，主要包括化肥（氮磷鉀肥）、農藥、農膜的施用量；能源消耗所導致的碳排放，主要包括用電量及農用機械使用導致的碳排放，因其主要體現為農業耕作與灌溉，所以可將其轉換為灌溉耗能和耕作耗能；農作物收獲后秸稈燃燒釋放到大氣中的碳量。

農田生態系統種植業碳排放量公式如下。

其中，E為總碳排放量；Ei為各類碳源碳排放量；Ki為各碳排放源的量；Vi為各碳排放源的排放系數。

各類碳源碳排放量主要包括化肥（氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥）、農藥、農膜、農業機械作業過程、灌溉、秸稈焚燒過程中的碳排放量。

農田生態系統中各類碳源碳排放量的計算公式如下。

化肥碳排放量＝氮肥碳排放量+磷肥碳排放量+鉀肥碳排放量＋復合肥碳排放量。其中，氮肥碳排放量=氮肥純用量×氮肥間接碳排放系數＋氮肥純用量×氮肥氧化亞氮排放系數×44÷28×298×12÷44；磷肥碳排放量=磷肥使用量×磷肥碳排放系數；鉀肥碳排放量=鉀肥使用量×鉀肥碳排放系數；復合肥碳排放量=1/3×復合肥使用量×氮肥碳排放量＋1/3×復合肥使用量×磷肥碳排放量＋1/3×復合肥使用量×鉀肥碳排放量。

農藥碳排放量＝農藥使用量×農藥碳排放系數；農膜碳排放量＝農膜使用量×農膜碳排放系數；農耕碳排放量＝農作物播種面積×農耕碳排放系數；農田灌溉碳排放量＝灌溉面積×灌溉碳排放系數；農作物秸稈燃燒的碳排放量為農作物秸稈量×農作物含碳量×秸稈燃燒率[12]；農作物秸稈量＝農作物經濟產量×草谷比×秸稈收集系數[12]。

農田生態系統種植業碳足跡可以反映農作物的固碳能力。

其中，CEF為碳足跡；NEP為農作物固碳能力；C為碳排放總量；S為耕地面積；GT為農作物碳吸收總量。若CEF－S＜0，說明碳足跡盈余；若CEFS＞0，說明碳足跡赤字。

1.4 數據分析

依據表1，2不同碳源排放系數、不同農作物碳吸收率、經濟系數等數據，用Excel，SPSS軟件對偏關縣農田種植業碳足跡進行數據整理與回歸分析。

表1 偏關縣種植業碳源及排放系數情況

表2 我國不同農作物碳吸收率、經濟系數、草谷比、秸稈收集系數情況[12]

2 結果與分析

2.1 偏關縣農田生態系統種植業固碳量的動態特征

由圖1可知，2007—2016年偏關縣種植業固碳量呈波動變化，2007年作物固碳量總計為63381t，2008年作物固碳量最大，為75 593 t，2015年最低，為33 796 t。各碳吸收源在不同年份呈現不同程度的變化，蔬菜的碳吸收量呈倒V字型由2007年的1 210 t增至2010年的4 005 t，后逐年降至2016年的2159t；瓜果的吸收量呈現逐年降低趨勢，2016年瓜果產量為872 t，比2007年下降4 368 t；油料、胡麻及其他作物均呈波動下降趨勢；然而，2007—2016年玉米的碳吸收量呈波動變化但變幅不大，2015年外基本處于主導地位；谷物、豆類、薯類呈波動增長趨勢，胡麻、油料及其他作物呈現波動降低趨勢，2016年種植業各要素的固碳量中谷子貢獻率最大，為28.94%，其次為玉米（25.16%），瓜果最低，僅為1.4%。

表3 偏關縣種植業作物碳吸收量回歸分析結果

依據2007—2016年不同農作物的固碳量，利用SPSS軟件進行回歸分析。從表3可以看出，只有作物玉米進入回歸方程，回歸方程為Y＝24 971.4＋2.320X1，其中，X1為玉米固碳量。說明影響偏關縣種植業固碳量的因素主要為玉米。

2.2 偏關縣農田生態系統中農作物碳排放量的動態特征

從圖2，3可以看出，2007—2016年偏關縣農田生態系統中各類碳源碳排放量的變化幅度不大，2007年偏關縣農田生態系統中種植業的總碳排放量為14 231 t，其中，化學物質投入貢獻率最大，為67.2%，其次為秸稈焚燒占26.5%，能源消耗最小，僅占6.3%。2016年碳排放量較2007年增長了452t，其中，化學物質碳排放量貢獻率較2007年增長了10.4%，能源消耗貢獻率較2007年增長了0.5%，秸稈焚燒貢獻率較2007年下降了0.7%；化學物質投入中以氮肥在碳排放總量中貢獻率較大，達44%；農膜、農藥投入在碳排放總量中貢獻率變幅較大，2016年農膜、農藥投入較2007年分別增加了5%，1.9%。

表4 偏關縣種植業碳源排放回歸分析結果

利用SPSS軟件對偏關縣農業活動中碳源排放數據進行回歸分析。由表4可知，偏關縣種植業碳源排放量的回歸方程為Y（碳排放量）＝-6 298.61＋0.758X1＋15.061X2＋0.654X3＋0.409X4。其中，X1，X2，X3，X4分別表示秸稈焚燒、耕作耗能、氮肥、農膜。從回歸方程可以看出，影響偏關縣種植業碳排放量的主要因素為秸稈焚燒、耕作、氮肥施用量和農膜使用量，耕作耗能的系數最大，為15.061，說明農業耕作包括犁地、機械化作業對種植業碳排放量的影響最大。

2.3 偏關縣農田生態系統種植業碳足跡動態特征

表5 2007—2016年偏關縣農田生態系統種植業碳足跡及其效益

從表5和圖4，5可以看出，2007—2016年偏關縣農田生態系統中種植業碳排放量小于碳吸收量，處于碳盈余狀態，2008年碳排放量與碳吸收量的比值最小，為1∶5.3，而2015年最大，為1∶2.5。2007—2016年偏關種植業的總碳吸收量、碳足跡占耕地面積均呈波動變化，近10 a種植業平均碳足跡占耕地面積的比例為23.5%，說明耕地面積可以容納因化學物質投入和能源消耗所致的碳排放，對偏關縣低碳農業可持續發展具有積極作用。同時，從表5可以看出，2007年偏關種植業單位碳足跡產值效益為4259元/hm2；而2016年為8890元/hm2，2016年單位碳足跡產值效益比2007年增加4631元/hm2；2015年雖然單位碳足跡產值比較低，但是仍然高于2007年，說明近10 a偏關縣農田生態系統中種植業要素的投入效率和單位土地效益變化明顯提高。

3 結論與討論

3.1 結論

本研究表明，國家級重點生態功能區偏關縣種植業結構受區域自然地理條件與經濟發展水平的影響偏向糧食作物，種植業的碳吸收量明顯大于碳排放量。玉米是當地的主要適耕品種，也是全縣種植業碳吸收量的主導因子；谷子的碳吸收量呈波動上升，10 a期間增長了14%。

國家級重點生態功能區偏關縣農田生態系統種植業碳排放中，化學物質投入年均貢獻率67%，其中，氮肥年平均貢獻率為45%，農膜對碳排放的貢獻率呈上升態勢，10 a增長5%，能源消耗波動不大且貢獻率較低，但其中的耕作耗能仍為影響偏關縣種植業碳排放的主要因子。秸稈焚燒碳排放量雖然呈現下降趨勢，但因其基數較大，導致了嚴重的環境污染和資源浪費。

近10 a偏關縣單位碳足跡產值效益不斷增加，種植業處于碳生態盈余狀態，表明國家級重點生態功能區偏關縣農田種植業具有較強的固碳能力[17]。

3.2 討論

本研究重點分析了近10 a國家級重點生態功能區偏關縣種植業中農作物的碳吸收對化學物質投入及能源消耗產生的碳排放的消納狀況，而沒有考慮在農田種植過程中的固定資產投入及其年損耗的碳排放，且各種投入要素的碳排放系數及農作物的碳吸收率隨著研究的深入與技術的發展將會不斷更新。

雖然國家級重點生態功能區山西省偏關縣農田生態系統中種植業處于碳盈余狀態，但如果化學物質和能源投入越來越多，日積月累將會導致不可再生資源的損耗不斷增加，面源污染風險隨之增加，農作物碳吸收潛力將逐漸減小。因此，應因地制宜，優化種植結構，科學施肥，降低化學物質使用量，開展秸稈循環利用等固碳減排措施，實現低碳農業可持續發展[18-21]。