黃河流域與長江經濟帶種植業碳足跡供需平衡對比研究

摘要：種植業碳足跡供需平衡分析是明確種植業碳減排方向的前提和基礎。通過構建黃河流域及長江經濟帶種植業碳足跡及生態承載力賬戶，基于時空維度對其動態演化進行分析，并引入供需平衡指數表征其種植業碳資源供需現狀。結果表明，黃河流域種植業碳足跡基本呈“M”型變動，長江經濟帶則呈逐年上升趨勢。二者碳生態承載力均呈逐年上升趨勢，耕地碳吸收功能不斷增強，但上升幅度有所減緩。黃河流域內省際間種植業碳足跡相差較大，長江經濟帶差異值較小且總量值低于黃河流域。二者碳生態承載力中下游省份均高于上游省份。黃河流域供需平衡指數值均高于長江經濟帶，生態盈余省份所占比例均低于長江經濟帶。

關鍵詞：長江經濟帶;黃河流域;種植業碳足跡;生態承載力;供需平衡指數

中圖分類號：X24 " " " " 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2022）03-0053-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2022.03.011 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

A comparative study on the supply and demand balance of the planting industry carbon footprint between the Yellow River Basin and the Yangtze River Economic Belt

WANG Bao-ying， QI Ai-yun，WANG Zi-sha

（School of Economics and Management， North University of China，Taiyuan "030051， China）

Abstract：The supply and demand balance analysis of carbon footprint of planting industry is the premise and foundation of defining the direction of carbon emission reduction. In this paper， the carbon footprint and ecological carrying capacity accounts of planting industry in the Yellow River Basin and the Yangtze River Economic Belt were constructed， and the dynamic evolution was analyzed based on the spatial and temporal dimensions， and the supply and demand balance index was introduced to characterize the supply and demand status of carbon resources in the planting industry. The results showed that the carbon footprint of planting industry in the Yellow River Basin was basically “M” type， while that of the Yangtze River Economic Belt was increasing year by year. The carbon ecological carrying capacity of the two increased year by year， and the carbon absorption function of cultivated land increased continuously， but the rising range was slowed down. In the Yellow River Basin， there was a large difference in the carbon footprint of planting industry among provinces， and the difference value of the Yangtze River Economic Belt was small， and the total value was lower than that of the Yellow River Basin. The carbon ecological carrying capacity of the middle and downstream provinces was higher than that of the upstream provinces. The supply and demand balance index of the Yellow River Basin was higher than that of the Yangtze River Economic Belt， and the proportion of ecological surplus provinces was lower than that of the Yangtze River Economic Belt.

Key words：Yangtze River Economic Belt; Yellow River Basin; planting carbon footprint; ecological carrying capacity; supply and demand balance index

2018年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）提出“2050年凈碳排放縮減為0，升溫幅度不超過1.5 ℃”[1]。農業作為溫室氣體的重要來源，其減排效果的好壞直接影響著中國碳減排任務能否順利完成。中國作為農業生產第一大國及農業碳排放第一大國，農業經濟產值持續增長的同時也呈現出高能耗、高污染和高碳排的現象，其中由種植業產生的碳排放占比高達34.29%[2]，由此可知種植業碳減排對農業碳減排進程乃至國家碳減排目標的實現起著舉足輕重的作用[3]。若要盡快實現控制中國碳排放總量和強度等目標，則需充分發揮種植業的減排潛力[4]，而明確各地碳消耗與碳承載之間的差距，把握好種植業碳足跡供給與需求之間的平衡是發揮種植業碳減排潛力的關鍵。

近年來國內外諸多學者針對種植業碳排放問題進行了探討。國內外學者基于不同研究尺度和方法對種植業碳排放問題進行了探索，小到省市[5，6]，大到區域[7]、國家[8]層面。此外有學者采用不同測算模型和方法[9，10]對不同碳排放源進行研究[11，12]。但碳排放僅考慮到農田種植產生的碳消耗值，未能表征其對自然系統所造成的壓力及占用，因此一些學者引入種植業碳足跡概念借用面積大小衡量人類活動對生態系統造成的影響。Zhang等[13]利用生命周期法（LCA）對中國不同區域糧食行業的碳足跡進行探究，得出氮肥、秸稈燃燒、機械能耗等是控制碳排放最重要的因素且不同區域不同作物系統中的主導因子并不相同。王鈺喬等[14]采用LCA法核算國內玉米、小麥行業的碳足跡，通過模擬分析表明通過縮減種植面積或優化化肥和農藥能夠有效降低小麥、玉米的碳足跡。

黃河流域和長江經濟帶兩大流域作為中國重要的農業生產區，耕地面積分別占到全國的1/10、1/3，農業產值逐年上升的同時，在種植業生產過程中化肥、農藥等投入也帶來高碳排問題。自2019年9月黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略，使之與長江經濟帶并行成為國家戰略關注的重點，開創了流域生態環境大保護和高質量發展的新局面，“生態優先、綠色發展”成為經濟發展的重要指導思想。種植業作為兩大流域重要的農業生產部分，充分發揮種植業碳減排具有十分重要的現實意義。

基于此，以中國兩大流域為研究對象，構建黃河流域和長江經濟帶種植業碳足跡賬戶，分析省際間種植業碳足跡及碳生態承載力時空格局，進而探討其生態供需平衡關系，為發揮種植業碳減排潛力進而實現農業高質量發展提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 農業碳足跡測算

1.1.1 碳源測算模型 結合IPCC（2006）及相關研究，將化肥、農藥、農業播種面積、農業機械動力、農業灌溉面積、農膜使用量和農用柴油作為農業碳足跡的主要碳源，碳排放估算公式如下。

[C=Ci=（Ti×Qi）] " （1）

式中，[C]表示農業總碳排放量，[Ci]表示第i種碳源的碳排放量;[Ti]表示第i種碳源的總量;[Qi]表示第i種碳源的轉換系數（表 1）。

1.1.2 碳匯測算模型

[CIcrop=iCIcrop-i=iCi×1-Pi×YiHi] （2）

式中，[CIcrop]表示農作物全年碳吸收量，[iCIcrop-i]表示第i種作物的碳吸收量，這里主要計算谷子、花生、芝麻、玉米、小麥、油菜子等13種農作物的碳吸收量。[Ci]為第i種作物通過光合作用合成單位有機質的碳吸收率，[Pi]為第i種農作物的含水率，[Yi]為第i種農作物的經濟產量，[Hi]表示第i種農作物的經濟系數[15]。具體取值借鑒李克讓[16]、方精云等[17]的研究成果，如表 2所示。

1.1.3 農業碳足跡

[EF=C×PpNEPp] " " " （3）

[ef=EFN] " （4）

[efp=EFSp] " " " " " "（5）

式中，[EF]表示農業碳足跡，[Pp]表示耕地碳吸收比例，此處借鑒相關研究取值為38.10%，C同公式（1），表示農業總碳排放量，[NEPp]表示各省份耕地的固碳能力，此處取值為0.153 2 t/hm2。[ef]為人均農業碳足跡，N為年末人口數，[efp]為地均農業碳足跡，[Sp]為耕地面積。

1.2 農業碳生態承載力計算

[EC=CIcrop×PpNEPp] "（6）

[ec=ECN] " " " " " "（7）

[ecp=ECSp] " " " " " （8）

[ED=EF-EC] " " " " "（9）

式中，EC、ED分別表示農業碳生態承載力及碳生態赤字，相關取值同公式（2）至公式（5），[ec]為人均農業碳生態承載力，[ecp]為地均農業碳生態承載力。

1.3 農業碳供需平衡指數

碳供需平衡指數（ECCI）常用來反映碳需求（碳足跡）與碳生態供給（生態承載力）的對比關系。本研究在對農業碳足跡和農業碳生態承載力進行評價的基礎上，借鑒該指標用來表征農業碳的供需平衡狀態，公式如下。

[ECCI=EFEC] （10）

式中，ECCI表示農業碳供需平衡指數，EF表示農業碳足跡，EC為農業碳生態承載力。當某省ECCI取值為1時，說明該省處于可持續發展與不可持續發展的臨界點，該省工業生產方式及當地居民的生活方式一旦發生改變，極易改變地區的可持續發展狀態。由于農業碳足跡并不可能與農業碳生態承載力完全相等，因此將ECCI值上下調整10%，將0.9～1.1作為ECCI的生態臨界區。當ECCI>1.1時，農業碳足跡大于農業生態承載力，表明該地區農業生產活動對碳資本的需求已超過供給，需要消耗資源存量來維持區域農業可持續發展，由此成為生態赤字區。相反，當ECCI<0.9時，農業碳足跡小于農業生態承載力，表明區域除農業生產活動消耗的碳資本外還能剩余一定的生態資本留作未來使用，處于農業可持續發展狀態，稱為生態盈余區。此處借鑒相關研究[18]，進一步將生態盈余區劃分為高度盈余（ECCI≤0.5）、中度盈余（0.51.3）。

1.4 數據來源

土地利用數據來自《中國環境統計年鑒》，農業生產數據來源于《中國農村統計年鑒》《中國農業統計年鑒》。

2 農業碳足跡/生態承載力時空動態特征

2.1 時序特征

研究期內，黃河流域種植業碳足跡呈“M”型變動趨勢，黃河流域平均碳足跡由2005年的2 165.228萬hm2上升至2008年的3 032.200萬hm2，隨后逐漸下降至2011年的1 798.072萬hm2，此時處于碳足跡最低值，原因在于2011年由種植業生產活動釋放的碳排放總量值最低，尤其是對種植業碳排放貢獻最大的碳源（機械動力）值降低。隨后又逐漸上升至2013年的3 330.914萬hm2，稍有下降后于2015年稍有回升，2016年下降趨勢較為明顯（圖1），原因在于2015年農業農村部正式啟動“減肥減藥”行動，開始控制各類碳源的碳排放量，重點控制化肥、農藥使用量，進一步觀察各類碳源碳排放測算數據可知，2016、2017年化肥、農藥碳排放量相較于2015年明顯下降（圖 2），這也表明此項行動產生了積極的效果。

長江經濟帶農業碳足跡整體呈上升趨勢，由2005年的1 643.054萬hm2增加至2017年的2 406.892萬hm2，這主要是因為機械動力作為種植業碳排放的最主要來源，在研究期內不斷上升（圖3）。長江經濟帶內碳足跡雖呈不斷上升趨勢，但其增速呈遞減趨勢，2007年增速最高，為13.9%，而后增速不斷下降，于2014年開始呈現負增長趨勢，這主要得益于兩方面：一是國家對低碳農業、綠色農業的重視程度不斷提高，發布了多項農業低碳政策;二是農業生產技術的不斷提高，提升了農業現代化水平，特別是2015年后將長江經濟帶上升至國家重大戰略高度，長江經濟帶農業領域貫徹落實“生態優先、綠色發展”理念，有效控制了種植業碳足跡的增長速度。

黃河流域及長江經濟帶碳生態承載力均呈逐年上升的趨勢，表明耕地碳吸收功能在不斷增強，這與周嘉等[19]基于土地利用視角測量中國各省份碳吸收量所得結論基本一致。這主要得益于國家長期堅持“十分珍惜、合理利用土地和切實保護耕地”這一項基本國策，以及“退塘還耕”“退宅還耕”等政策的深入落實。總體來看，黃河流域、長江經濟帶農業碳生態承載力均高于碳足跡，其中長江經濟帶盈余值基本呈平穩趨勢，2016年達到最高峰。黃河流域盈余水平不穩定，于2011年達到盈余高值，隨后于2013年到達低值又逐年上升，未來仍有上升的趨勢。可見目前兩大流域種植業碳生態環境較為樂觀，未達生態紅線，且形勢有向好趨勢。

2.2 空間特征

2.2.1 種植業碳足跡空間特征 黃河流域各省份種植業碳足跡總量為247.416～7 023.140萬hm2（表 3、圖 4），省際間差距較大，足跡值最高的為山東省。原因在于山東省作為中國重要的糧食主產區之一，承擔著國家糧食安全的重大責任，通過不斷加大基礎設施建設推進其種植業的快速發展，與此同時農藥、化肥等物資的不斷投入導致污染問題突出，耕地質量不斷下降，農藥等利用效率低，種植業碳足跡不斷增加。最低值為青海省，總量不及山東省的1/20，青海省地理位置偏僻，氣候條件惡劣，主要以畜牧業為主，因此由種植業產生的碳足跡較低。省際間地均種植業碳足跡最大仍為山東省，最小值為甘肅省，這主要是由于其耕地面積較為廣闊，而種植業碳足跡較低。人均種植業碳足跡最大值為內蒙古，為1.100 hm2/人，最小值為四川省，為0.304 hm2/人，其種植業碳足跡總量未超過黃河流域平均值，但其是繼山東省、河南省之后人口最多的省份，致使其人均種植業碳足跡值較低。

長江經濟帶種植業碳足跡總量為142.508～

3 822.961萬hm2（表 3、圖 5），相比黃河流域省際間差異值較小，總量由高到低的省份為安徽、江蘇、湖南、湖北、四川、云南、江西、浙江、貴州、重慶、上海，其中5個省份高于長江經濟帶平均值，主要位于流域中下游，原因在于其優質的氣候條件有利于種植業的發展。人均種植業碳足跡最高為安徽省，最低值為上海市，同種植業碳足跡總量特征一致。地均種植業碳足跡最高為浙江，最低省份為貴州，均與其耕地面積相關。

對比黃河流域、長江經濟帶種植業碳足跡分布特征可知，黃河流域碳足跡總量及人均碳足跡值均高于長江經濟帶，表明長江經濟帶耕地面積普遍高于黃河流域，同時也反映出黃河流域相比長江經濟帶，種植業碳環境不容樂觀，面臨著生態威脅。

2.2.2 種植業碳生態承載力空間特征 黃河流域各省份按種植業碳生態承載力由高到低排列為河南、山東、四川、內蒙古、山西、陜西、甘肅、寧夏、青海（表 4、圖 6），基本呈現下游省份>中游省份>上游省份的空間格局，這主要與各省份氣候條件及耕地固碳能力相關，青海省、寧夏氣候條件較為惡劣，不利于植被生長，植被固碳能力薄弱，因此整體碳生態承載力最弱。長江經濟帶種植業碳生態承載力為240.746～8 287.510萬hm2，人均值為0.112～1.360 hm2/人，地均值為0.497～1.676 hm2/hm2（表4、圖7），安徽省總量及人均種植業碳生態承載力均為最高，通過進一步觀察其碳吸收數據可知，這主要得益于其小麥產量遠遠超過其他省份。而上海市總量遠遠低于安徽省，原因在于其經濟高度發展的同時占用了過多的耕地面積，使得各種農作物產量遠低于其他省份，因此固碳能力最弱。相比黃河流域，長江經濟帶擁有較高的種植業碳生態承載力，表明其未來能夠承受的種植業碳排放值高于黃河流域，流域內種植業生態環境能夠實現可持續循環。

2.3 農業碳供需平衡分析

黃河流域9個省份中6個省份屬于生態盈余省區，2個省份處于生態臨界區，僅有青海省處于生態赤字區（圖 8）。其中四川省、內蒙古、河南省13年平均處于中度盈余狀態，而山東省、山西省、陜西省相比較來說盈余值較小，若不加以控制，極有可能落入生態臨界區。甘肅省、寧夏農業碳生態承載力與農業碳足跡幾乎相近，區域流量生態資源僅能滿足其日常農業碳消耗，農業碳生態環境僅能實現自循環。若不對其農業生產活動進行整治，控制其化肥、農藥等投入量，農業碳足跡極有可能超過區域碳生態承載力，由此落入生態赤字區。青海省位于黃河流域上游，氣候及資源條件惡劣，碳生態承載力不足以吸納由種植業生產活動釋放的碳足跡，因此生態供需平衡指數大于1.1。長江經濟帶11個省份中僅有四川處于生態盈余區，其他10個省份均為生態臨界區（圖 9），因此應嚴格控制流域內各省份在種植業生產過程的碳排放，以免陷入生態赤字。

由圖 10可以看出，黃河流域生態盈余區省份數量整體呈“W”型變動，生態供需平衡指數呈“M”型變動，2008年、2013年是黃河流域種植業碳供需平衡狀況“量變”和“質變”的關鍵節點。2008年、2013年的ECCI值分別為0.969、0.953，此時間節點黃河流域碳資源供給僅有低于3.1%、4.7%的剩余，極其容易形成供需失衡。相比較而言，長江經濟帶生態供需平衡類型省份數量變化不大（圖 11），除浙江省外其他省份研究期內均處于生態盈余區，生態供需平衡指數整體呈逐步上升趨勢，但上升幅度不高，始終在0.5左右波動，表明在研究期內長江經濟帶的種植業碳供給始終有50%左右的剩余，能夠滿足省份需求。浙江省的供需指數由2005年的0.993波動上升至2017年的1.384，種植業生產活動強度與自然承載力失衡，由生態臨界區落入生態赤字區，主要在于其碳足跡呈穩步上升的同時生態承載力卻逐漸降低，這可能是因為其在經濟高度發展的過程中開發建設用地，從而占用了更多的耕地資源，導致后期不足以平衡碳足跡。因此未來浙江省在控制種植業碳足跡的同時應在合理范圍內擴大耕地面積及農產品面積，提升農產品產量，增加種植業碳生態承載能力。

對比黃河流域及長江經濟帶生態供需平衡指數可看出，黃河流域在研究期內指數值均高于長江經濟帶（圖12），且生態盈余省份所占比例均低于長江經濟帶，再一次驗證上述空間特征結論，黃河流域相較長江經濟帶，面臨著更大的生態威脅，在未來需要更加重視種植業生產活動中碳排放釋放問題。

3 結論與建議

通過構建黃河流域及長江經濟帶各省份種植業碳足跡及碳生態承載力賬戶，基于時間和空間2個維度對其時空動態進行分析，并引入供需平衡指數表征其種植業碳資源供需現狀，研究結果如下。

基于時間維度，黃河流域種植業碳足跡基本呈“M”型變動，而長江經濟帶則呈逐年上升趨勢。黃河流域和長江經濟帶種植業碳生態承載力均呈逐年上升趨勢，耕地碳吸收功能不斷增強，但上升幅度有所減緩。總體來看，兩大主體種植業碳生態承載力均高于碳足跡，表明其種植業碳生態環境較為樂觀。

基于空間維度，黃河流域內省際間種植業碳足跡相差較大，山東省平均碳足跡最高，而青海省最低，均與其種植業生產結構及氣候等自然條件密切相關。長江經濟帶省際間種植業碳足跡相比黃河流域差異值較小，且總量值低于黃河流域。黃河流域種植業碳生態承載力基本呈下游省份>中游省份>上游省份的空間格局，長江經濟帶5個省份碳生態承載力高于平均值且大多位于流域中下游，原因在于中下游省份的氣候條件相比上游更適合農作物生產，其優質的氣候條件更有利于種植業的發展。

基于供需平衡視角，黃河流域生態盈余區省份數量整體呈“W”型變動，生態供需平衡指數呈“M”型變動。長江經濟帶生態供需平衡類型省份數量變化不大，生態供需平衡指數整體呈逐步上升趨勢，但上升幅度不高，始終在0.5左右波動。總體來看，黃河流域在研究期內指數值均高于長江經濟帶，且生態盈余省份所占比例均低于長江經濟帶，因此面臨著更大的種植業生態威脅。

基于上述結論，提出以下幾點改進建議：①國家應繼續堅持“低碳農業、綠色發展”的政策理念，加大種植業科技創新政策支持，積極引導社會各組織以及科研機構研發低碳種植技術，并引導農戶在生產過程中積極使用環保技術，形成“上層鼓勵+基層落實”的模式，共同優化種植業生產結構，促進黃河流域及長江經濟帶種植業低碳發展。②始終堅持因地制宜的方針政策，黃河流域及長江經濟帶在資源及種植業產業結構等方面存在較大差異，將減少貢獻率最大的碳源為碳減排的重點（機械動力、化肥），根據區域特點不斷優化種植業投入結構，最終實現兩大區域的種植業高質量發展。③黃河流域生態“底子薄”，整體生態環境較為脆弱，對人類活動的反應較長江經濟帶敏感，生態供需趨于失衡，因此在近幾年應高度重視其省份種植業發展，盡量減少使用高碳排投入，并繼續加強耕地及農產品保護與建設。

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