湖北省農業碳排放的時序特征與影響因素分析

張金鑫，胡婉玲，王紅玲

（1.湖北大學商學院，武漢 430062；2.湖北省宏泰國有資本投資運營集團有限公司，武漢 430077）

由于溫室氣體排放過量而造成的全球氣候變暖問題已經成為全球關注的焦點。2016年在紐約簽署的《巴黎協定》中，全球170 多個國家承諾減少溫室氣體排放，控制氣溫升高。聯合國政府間氣候變化組織委員會（IPCC）的研究表明，農業活動產生的溫室氣體占到了全球溫室氣體排放總量的13.5%。而根據聯合國糧食及農業組織的報告，“農業、林業和土地用途改變約占全球溫室氣體排放的20%”。從這些數據可以看出，農業是重要的溫室氣體排放源。中國是一個傳統的農業大國，尚處于粗放式發展階段，農業活動產生的溫室氣體占溫室氣體總量的17%。減少農業碳排放，對于中國來說，是完成減排目標的必要措施之一。

對于農業碳排放的現有研究主要包括兩個方面。第一個方面是農業碳排放量的測算，包括全國、以及分區域（分省市甚至分地市、縣市）農業碳排放量的測算。田云等［1］測算了中國1993—2008年農地利用碳排放量，并通過Kaya 恒等式分解了影響農業碳排放的因素。李波等［2］從投入視角分析了中國1993—2008年農業碳排放，并分析了農業碳排放與經濟增長的脫鉤關系。田云等［3］測算了中國31 個省（市）2002—2011年農業碳排放，并利用基尼系數及核密度的方法分析了各省（市）農業碳排放的時空差異。陳煒等［4］測算了中國種植業1997—2015年的碳排放，并比較了不同區域之間的差異。第二個方面是農業碳排放影響因素的研究，主要是基于Kaya 恒等式和回歸模型分析影響農業碳排放的影響因素。李波等［5］利用Kaya 恒等式，以加和分解的形式研究了中國1993—2008年農業碳排放的影響因素，結果發現農業發展是農業碳排放的主要推動因素。顏廷武等［6］以1991—2012年中國農業碳排放與農業經濟強度的時間序列驗證了環境庫茲涅茨曲線的存在。文清等［7］利用LMDI 模型研究了中國1993—2012年30 個省（市）農業碳排放的影響因素。史常亮等［8］從中國農業能源消費的角度分析了1980—2014年農業能源消費的碳排放情況，并運用LMDI 模型分析了影響因素。

湖北省是農業大省，科學地測算湖北省農業碳排放并有效地識別其農業碳排放的驅動因素是促進湖北省農業低碳發展的必要之舉。因此，本研究以湖北省為研究對象，測算湖北省1993—2017年農業碳排放的變化情況并進行LMDI 分解，以期探討有效的減排對策。

1 研究方法

1.1 農業碳排放的測算

結合IPCC（2006）推薦指南中的方法以及已有學者們的研究［4，5，9，10］，對農業碳排放進行測算。

式中，E為農業碳排放總量；Ei為各類碳源排放量；Ti表示各類碳源的量；δi表示第i類碳源的排放系數。

農業碳排放的碳源主要分為化肥、農藥、農用薄膜、農用柴油、農業播種面積、農業灌溉面積6 類碳源，其中，化肥、農藥排放系數分別為0.895 6、4.934 1 kg∕kg（美國橡樹嶺國家實驗室），農用薄膜排放系數為5.180 0 kg∕kg（南京農業大學農業資源與生態環境研究所），農用柴油排放系數為0.592 7 kg∕kg（IPCC，2006），農業播種面積排放系數為3.126 0 kg∕hm2（中國農業大學生物與技術學院），農業灌溉面積排放系數為25.000 0 kg∕hm2（Dubey，2009）。

1.2 Mann-Kendall和滑動T 檢驗

1.2.1 Mann-Kendall 檢驗 采用Mann-Kendall 非參數檢驗的方法來檢驗湖北省農業碳排放的趨勢性和突變點。Mann-Kendall 非參數檢驗不要求樣本滿足正態分布，也不受少數異常點的影響，因此，本研究運用Mann-Kendall 非參數檢驗得出的結果具有一定的科學性。

設x1,x2,x3,…,xn是長度為n的時間序列，則在Mann-Kendall 非參數檢驗中統計量Z的公式如下。

當n大于10 時，Z是標準的正態分布，則當|Z|≥Z1-α∕2，表明在顯著性水平α下，時間序列有顯著的下降趨勢或上升趨勢，當Z> 0 則是上升趨勢，Z< 0 則是下降趨勢。

同時也可以構造Mann-Kendall 非參數檢驗的統計量UF的曲線來判斷整體趨勢和突變點是否存在。統計量UF可以通過式（4）至式（6）來構造。

則可以得到Sk的均值和方差：

E(Sk)=k(k-1)∕4,Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)∕72 1 ≤k≤n

所以，

因為UFk為標準的正態分布，所以當 ||UFk>Uα，表明在顯著性水平α下，時間序列有顯著的下降趨勢或上升趨勢。可以計算出時間序列逆序列的UFk，并令UBk= -UFn-k+1。如果UBk和UFk在置信區間內有交點，則該交點可能是突變點。

1.2.2 滑動T檢驗 運用Mann-Kendall 檢驗出可能的突變點之后，需要運用滑動T檢驗來進一步確定該突變點是否真實可靠。滑動T檢驗的基本思路是在突變點之前和之后各取n1、n2個連續樣本，然后計算統計量T。

1.3 LMDI分解

根據Kaya 恒等式的基本形式，借鑒田云等［1］、李波等［5］、胡婉玲等［11］的研究，將農業碳排放進行如下的分解。

在式（2）、式（3）中，E、PGDP、AGDP、GDP、TP和P分別表示農業碳排放量、種植業GDP、農牧漁林業GDP、地區GDP、地區總人口和農村總人口。EI、AI、IS、EDL、URB、P分別表示農業生產效率、農業產業結構、產業結構、地區經濟發展水平、城鎮化和農村人口。

為了進一步分析農業碳排放的影響因素，對式（9）、式（10）進行分解。Ang［12］指出LMDI 是一種相對合理的分解方法，可以滿足加和分解的殘差項為0，且因素可逆。本研究采用LMDI 加和分解的方式對湖北省農業碳排放的影響因素進行分解，具體如下：

式中，t表示時間，0 表示基期時間，ΔE表示農業碳排放在基期到t時間的變化量。ΔEI、ΔΑΙ、ΔIS、ΔEDL、ΔURB、ΔP分別表示農業生產效率、農業產業結構、產業結構、地區經濟發展水平、城鎮化和農村人口對農業碳排放在基期到t時間變化量的貢獻值，即農業碳排放的影響因素。根據LMDI 的分解方法，可以得到ΔEI、ΔΑΙ、ΔIS、ΔEDL、ΔURB、ΔP的計算公式。

2 數據來源及處理方法

本研究所使用的數據均來源于《湖北省統計年鑒》（1994—2018年）和《中國農村統計年鑒》（1994—2018年），獲得1993—2017年湖北省化肥、農藥、農用薄膜、農用柴油、農業播種面積、農業灌溉面積、種植業GDP、農牧漁林業GDP、地區GDP、地區總人口和農村總人口的數據，對于種植業GDP、農牧漁林業GDP 及地區GDP 分別以1990年為基期進行平減，獲得可以比較的數據，最后運用Excel 2016 和Python 3.7 對數據依照式（1）至式（18）進行處理。

3 結果與分析

3.1 湖北省1993—2017年農業碳排放量

根據式（1），可以計算出湖北省1993—2017年農業碳排放量，結果見表1。從表1 可以看出，湖北省農業碳排放量從1993年的237.40 萬t 增長到2017年的420.71 萬t，年平均增長率為2.41%，年平均碳排放量為383.71 萬t。單位GDP 碳排放量從1993年的536.57 kg∕萬元下降到2017年的111.70 kg∕萬元，年平均值為319.61 kg∕萬元，年平均增長率為-6.33%。單位耕地碳排放量從1993年的699.75 kg∕hm2增長到2017年的1 218.58 kg∕hm2，年平均值為1 161.50 kg∕hm2，年平均增長率為2.34%。

從表1 還可以看出，化肥、農藥、薄膜、柴油、灌溉面積和播種面積引起的碳排放依次減少，且化肥導致的碳排放量占有絕對支配地位，而灌溉面積和播種面積導致的碳排放量占比幾乎可以忽略。具體來看，化肥、農藥、薄膜、柴油在1993—2017年年平均值分別為290.34 萬、11.48 萬、5.81 萬、49.04 萬t，年均增長率分別為2.33%、2.54%、2.50%、3.46%，播種面積和灌溉面積年平均值分別為748.518 萬、222.905 萬hm2，年均增長率分別為0.46%、0.26%，由此導致1993—2017年的化肥、農藥、薄膜、柴油、播種面積和灌溉面積碳排放量年平均值分別為260.03 萬、56.63 萬、30.08 萬、29.06 萬、2.34 萬、5.57萬t，導致的碳排放量年平均值占比依次為67.77%、14.76%、7.84%、7.57%、0.61%、1.45%，其導致的碳排放年均增長率分別為2.33%、2.54%、2.50%、3.46%、0.46%、0.26%。

表1 湖北省1993—2017年農業投入與碳排放量

3.2 湖北省1993—2017年農業碳排放時序特征

3.2.1 湖北省1993—2017年農業碳排放趨勢變化 湖北省1993—2017年農業碳排放量及增量時序見圖1。湖北省農業碳排放量在2012年達到頂峰（472.54 萬t），從趨勢線來看，整體上呈上升趨勢。湖北省農業碳排放量增量波動較大，從趨勢線來看，整體上呈下降趨勢。

圖1 湖北省1993—2017年農業碳排放量及增量

湖北省1993—2017年單位GDP 碳排放量及增量時序見圖2。湖北省單位GDP 碳排放量在1993—2004年是不穩定的波動，在2005—2017年則持續下降，從趨勢線來看，整體呈下降趨勢。湖北省單位GDP 碳排放量增量排除幾個異常點外，從趨勢線來看，整體上沒有呈現出明顯的趨勢。

圖2 湖北省1993—2017年單位GDP 碳排放量及增量

湖北省1993—2017年單位耕地碳排放量及增量時序見圖3。湖北省單位耕地碳排放量在2012年達到頂峰（1 393.89 kg∕hm2），從趨勢線來看，整體呈上升趨勢。湖北省單位耕地碳排放量增量波動較大，從趨勢線來看，整體呈下降趨勢。

圖3 湖北省1993—2017年單位耕地碳排放量及增量

利用式（2）和式（3）可以計算出湖北省1993—2017年農業碳排放量及增量、單位GDP 碳排放量及增量、單位耕地碳排放量及增量6 個時間序列的Mann-Kendall 非參數檢驗中統計量Z，結果如表2所示。湖北省農業碳排放總量呈顯著上升趨勢，農業碳排放增量呈顯著下降趨勢，單位GDP 碳排放量及增量都呈顯著下降趨勢，單位耕地碳排放量呈顯著上升趨勢，單位耕地碳排放量增量呈顯著下降趨勢。

表2 Mann-Kendall 趨勢檢驗

3.2.2 湖北省1993—2017年農業碳排放突變檢測 利用式（4）至式（6）對湖北省1993—2017年農業碳排放量及增量、單位GDP 碳排放量及增量、單位耕地碳排放量及增量6 個時間序列進行突變檢驗，結果如圖4 至圖9 所示。

圖4 農業碳排放總量M-K 統計曲線

圖5 農業碳排放總量增量M-K 統計曲線

圖6 單位GDP 碳排放量M-K 統計曲線

圖7 單位GDP 碳排放量增量M-K 統計曲線

圖8 單位耕地碳排放量M-K 統計曲線

圖9 單位耕地碳排增量M-K 統計曲線

由圖4 至圖9 可以看出，農業碳排放總量、單位GDP 碳排放量、單位耕地碳排放量UBk和UFk在臨界值（-1.96，1.96）內沒有交點，說明這3 個序列沒有突變點。而農業碳排放量增量、單位GDP 碳排放量增量、單位耕地碳排放量增量UBk和UFk在臨界值（-1.96，1.96）內有交點，說明這3 個序列可能存在突變點，觀察圖5、圖7、圖9 可以得到可能的突變點，結果如表3 所示。

表3 可能存在的突變點

利用式（7）和式（8）對表3 可能存在的突變點進行滑動T檢驗，結果如表4 所示。從檢驗結果（表4）可以看出，農業碳排放量增量存在2 個突變點，即1998年和2013年，單位GDP 碳排放量增量不存在突變點，單位耕地碳排放量增量存在2 個突變點，即1998年和2013年。

表4 滑動T 檢驗結果

3.3 湖北省1993—2017年農業碳排放影響因素的分解

利用式（9）至式（18）對湖北省1993—2017年農業碳排放的影響因素進行分解，結果如表6 所示。從表6 的數據可以得出如下結論。

1）從1993—2017年來看，農業生產效率、農業產業結構、產業結構、地區經濟發展水平、城鎮化和農村人口6 個因素共實現183.29 萬t 農業碳排放的增加量，其中，農業生產效率、農業產業結構、產業結構和農村人口是4 個減排因素，共減排1 296.62萬t，而地區經濟發展水平和城鎮化是農業碳排放增加的主要貢獻因素，共導致1 479.94 萬t 農業碳排放的增加。

2）農業生產效率、農業產業結構、產業結構和農村人口4 個減排因素一共實現了546.17%（與基期1993年碳排放量相比）農業碳減排。在4 個因素中，農業生產效率減排貢獻最大，共實現558.93 萬t農業碳減排，貢獻率為235.43%，表明在其他因素不變的情況下，湖北省農業生產效率的改善可以使其年均農業碳排放減少23.29 萬t；產業結構減排貢獻次之，一共實現了484.32 萬t 的農業碳減排，貢獻率占204.00%，表明在其他因素不變的情況下，湖北省產業結構的優化可以使其年均農業碳排放減少20.18 萬t；農村人口減排貢獻排在第三位，一共實現了202.76 萬t 的農業碳減排，貢獻率占85.41%，表明在其他因素不變的情況下，湖北省農村人口的增加可以使其年均農業碳排放減少8.45 萬t；農業產業結構減排貢獻最小，共實現了50.61 萬t 的農業碳減排，貢獻率占21.32%，表明在其他因素不變的情況下，湖北省農業產業結構的增加可以使其年均農業碳排放減少2.11 萬t。

3）地區經濟發展水平和城鎮化2 個因素共實現了623.37%（與基期1993年碳排放量相比）農業碳排放的增加。其中，地區經濟發展水平是導致湖北省農業碳排放增加的主要因素，在1993—2017年共導致了1 259.91 萬t 農業碳排放的增加，增排率達530.69%（與基期1993年碳排放量相比），表明在其他因素不變的情況下，湖北省經濟發展水平的提升可以使湖北省農業碳排放年均增加52.50 萬t。城鎮化是導致湖北省農業碳排放增加的次要因素，在1993—2017年共導致了220.03 萬t 農業碳排放的增加，增排率為92.68%（與基期1993年碳排放量相比），表明在其他因素不變的情況下，湖北省城鎮化水平的提升可以使湖北省農業碳排放年均增加9.17萬t。

與田云等［1］、賀亞亞等［13］的研究相比，在碳源的選取上，本研究選取的6 類碳源更為全面；采用Mann-Kendall 非參數和滑動T檢驗來檢測農業碳排放的趨勢與突變點，比前人的分析更為可靠，在碳排放影響因素的分解上，進行了一定的創新。

表6 湖北省1993—2017年農業碳排放影響因素分解結果 （單位：萬t）

4 小結與啟示

以湖北省為研究對象，測算了湖北省1993—2017年農業碳排放，并利用Mann-Kendall 非參數和滑動T檢驗進行了時序特征的分析，最后運用LMDI 分解來研究其影響因素，研究發現，湖北省農業碳排放量在1993—2017年總體上是處于先上升后下降的過程，且在2012年農業碳排放量達到頂點，為472.54 萬t，但具有顯著的上升趨勢，農業碳排放增量則具有顯著的下降趨勢，單位GDP 碳排放量及增量具有顯著下降趨勢，單位耕地碳排放量具有顯著上升趨勢，單位耕地碳排放量增量具有顯著下降趨勢；農業碳排放量增量和單位耕地碳排放量增量的2 個突變點是1998年和2013年；在影響因素的分解中發現，農業生產效率、農業產業結構、產業結構和農村人口是4 個減排因素，且減排的貢獻由小到大依次是農業產業結構、農村人口、產業結構、農業生產效率，地區經濟發展水平和城鎮化是導致湖北省農業碳排放增加的2 個因素。綜上所述，提出如下的農業減排政策建議。

1）發展綠色農業。從碳源來看，化肥、農藥、薄膜、柴油的增加是導致湖北省農業碳排放增加的主要因素，因此湖北省應該發展綠色農業，加大投入，推廣使用可降解的農膜、新能源農業機械，科學種植，減少化肥、農藥使用量，以便減少農業碳排放。

2）提高農業生產效率。農業生產效率是湖北省農業減排的最重要因素，需要進一步加強，可以采取政府引導、企業主導、農民參與的“政府-企業-農民”新型的農業生產方式，以實現規模經濟、機械化生產，提高農業生產效率，同時政府要加大農業現代化、物聯網化的發展，促進湖北省農業的技術進步。

3）促進傳統農業的轉型升級。促進傳統農業轉型升級以優化湖北省的產業結構，進而減少農業碳排放。湖北省可以發展一些具有高附加值的農業，例如有機蔬菜、中藥種植等，這樣既可以減少農業碳排放，還可以增加農業的產出。

4）優化農業產業結構。農業產業結構是湖北省農業碳減排的一大影響因素，且從現實來看，湖北省種植業GDP 占農業GDP 的比例依然在55% 左右（根據《湖北省統計年鑒》計算得到），這說明產業結構的優化依然具有較大的潛力。湖北省應大力發展漁業、畜牧業等低碳農業，且對現有的種植業要加大高附加值農產品的種植，以提高農業產出，減少農業碳排放。

5）加強宣傳，樹立低碳農業意識。生態興，則文明興。生態文明建設的一個核心措施就是要發展低碳農業，首先要求對農民進行廣泛地宣傳，讓農民意識到減少農業碳排放的重要意義，且對于農業企業要進行農業減排的宣傳教育，對支持農業減排的企業可以予以減稅、公開表彰等獎勵。