里下河地區農業系統碳源匯時空特征研究

張云飛，谷 聰

(1.南京林業大學風景園林學院，江蘇 南京 210037;2.仲愷農業工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510000)

1 概述

溫室氣體是導致全球變暖的重要原因，自人類進入第二次工業革命以來，二氧化碳等溫室氣體的排放量急劇上升，引發的一系列社會、經濟、環境問題引起全世界的關注。我國大力推進生態文明建設，追求綠色發展、循環發展、低碳發展的目標，因此將生態文明建設提高到一個新的高度。研究發現，農業是當今溫室氣體排放的重要來源，政府間氣候變化委員會(IPCC)數據顯示，農業碳排放占據全球溫室氣體排放總量的13.5%[1]，并有逐年快速增長的趨勢。中國是全球重要的農業大國，糧食產量多年穩居全球第一，對外貿易中資源型農產品占據著重要的地位。作為農業大國、強國，中國在農業領域碳中和方面有著強烈的擔當意識和行動，要在2030年達到碳達峰，2060年實現碳中和，需要促進農業的高質量發展[2]。針對不同的區域條件，有針對性地開展研究，因地制宜地制定農業增匯減排政策。

當前對于農業系統的碳源匯特征的研究主要以區域視角、內部結構視角、雙重屬性視角進行[3]。區域視角多集中在大中型尺度下，主要為30個省(區、市)、重要河流帶沿線省份、濱海農業區以及重要農業省份的農業碳排放/碳吸收空間特征研究。內部結構視角主要以種植業、畜牧業碳排放碳吸收時空演變研究為主[4]。雙重視角主要以農業系統的直接碳排放和經濟視角的間接碳排放研究為主。在尺度方面，缺少對于以鄉鎮為基本單元的縣域碳源匯特征的研究，在視角上集中在種植業或畜牧業，缺乏對農業系統中農林牧漁業的綜合考量。因此，本研究以縣域為研究對象，對興化市2000—2020年農業系統內部種植業、林業、畜牧業、漁業碳源匯特征進行研究，系統分析其碳源匯的時空變化情況，以期充分了解興化市多年碳源匯特征，為有針對性地制定農業系統的增匯減排措施提供一定的理論基礎。

2 研究區域與資料來源

興化市屬江蘇省轄縣級市，泰州市代管，東臨鹽城東臺市，西鄰揚州市高郵市。2020年，興化市總面積2393.35km2，常住人口112萬，地區生產總值超900億元[5]。本研究以興化市28個鄉鎮為研究對象，所利用數據主要來源于2000—2020年興化市統計年鑒、江蘇省農村統計年鑒。根據我國現行土地分類系統將土地利用類型劃分為種植業用地、林業用地、水體、草地、建設用地、未利用地6種類型，從地理空間數據云平臺下載2000—2020年以五年為間隔的多期Landsat TM/ETM影像，分辨率為30m×30m，利用ENVI5.3進行輻射定標、大氣矯正、監督分類，最終利用Arc GIS 10.2統計得出各鄉鎮范圍內林地面積[6]。

3 研究方法

傳統農業系統包括種植業、畜牧業、林業、漁業以及農林牧漁服務業，本次研究以農林牧漁為主要研究對象，主要涵蓋種植業、畜牧業、漁業的碳排放計算，以及種植業、林業的碳吸收。

3.1 農業系統碳排放量估算

3.1.1種植業碳排放

種植業農資投入碳排放主要來自農藥、氮磷鉀等復合肥施用；農業活動來自農田澆水、翻耕以及其他農業機械使用時所釋放的碳；土壤呼吸碳排放主要來自土壤及微生物的呼吸作用。因此農資引入以及農業過程所釋放的CO2計算公式為：

E1=∑Ei=∑Qi×α×44/12

(1)

式中，E1—釋放的CO2質量，t；Ei—各項農資投入和農業活動的碳排放量，t；Qi—各項物料量和種植業活動量；α—各項投入的碳排放系數，取值參考相關文獻(表1)；44/12—C當量轉化為CO2的轉換系數[7]。

農田土壤呼吸釋放的CO2主要來自土壤中微生物呼吸作用和有機質的氧化分解活動。由于對農作物要進行全育期碳吸收計算，因此農田土壤呼吸作用要排除植物根系呼吸作用的影響。江國福[8]對長江流域及其以南區域的土壤采樣，得出研究區域內的農田土壤呼吸速率為789.5g/(m2·a)，其中農作物地下部分呼吸作用約占土壤呼吸的一半。因此，本研究將土壤呼吸去除植物地下部分呼吸作用后的值取為14.47tCO2/(hm2·a)。農田土壤呼吸CO2計算公式為：

E2=Rsoil×T×A

(2)

式中，E2—去除植物根系呼吸作用后的CO2排放量，t CO2;T—時間，a；A—種植業土地面積，hm2；Rsoil—土壤去除農作物根系呼吸作用后的呼吸速率。

3.1.2畜牧業碳排放

畜牧業碳排放主要為牲畜的腸道發酵和糞便管理所釋放的CH4和N2O，CH4的增溫勢能是CO2的25倍，N2O的增溫勢能是CO2的298倍。畜牧業釋放的CO2計算公式：

(3)

式中，E3—畜牧業導致的CO2排放量，t CO2；Ai—第i種牲畜的數量；Ci1、Ci2—第i種牲畜的腸道發酵和分辨管理的甲烷排放系數，見表1。

表1 農業碳源與溫室氣體排放系數

3.1.3漁業碳排放

興化市漁業分為捕撈、養殖和水產品深加工，其中養殖業占比最大，本次漁業碳排放計算，以養殖業為主，漁業養殖碳排放主要來自能源的消耗，漁業養殖過程中，需要進行更換水體、增加水體氧氣含量、投喂魚料、漁船運輸等活動，這些漁業活動需要消耗大量的能源。因為興化市漁業養殖以小規模家庭養殖為主，漁船消耗化石能源較少，因此本文通過對漁業養殖電力消耗，計算漁業的碳排放。參考徐皓[9]對于單位淡水池塘的能源消耗計算，可知增氧設備電力消耗360kW·h/(畝·a)，水泵電力消耗為249.75kW·h/(畝·a)。

E4=(360+249.75)×β×Afish

(4)

式中，E4—漁業導致的CO2排放量，t CO2；β—電力碳排放系數，取0.3541kg/(kW·h)；Afish—漁業養殖面積，hm2。

3.2 農業系統碳吸收量估算

3.2.1種植業碳吸收

從以農作物全育期的有機質積累計算碳吸收，根據作物的產量計算考慮植物的含水量、經濟產量、根冠比等因素。其固碳計算公式為：

Ea=∑iEi=∑iFiYi(1-wi)(1+Ri)/Hi×44/12

(5)

式中，Ea—區域種植業碳吸收總量，t；i—第i種作物；Ei—第i種作物的碳吸收量，t；Fi—第i種農作物的含碳率，%；Yi—第i種作物的年產量，t；wi—第i種作物的含水率，%；Ri—第i種作物的根冠比；Hi—第i種作物的經濟產量與整體植物產量的比值，即經濟系數；44/12—C轉化為CO2的轉換系數，研究區范圍內主要農作物參數見表2。

表2 不同農作物碳吸收估算系數

3.2.2林業碳吸收

直接碳排放系數法測算林地的碳吸收總量公式為[10]：

Eb=∑ei=∑Ai×δi

(6)

式中，Eb—林業用地的總碳吸收量，t；ei—第i種土地利用類型碳吸收量，104t；Ai—第i種土地利用類型面積，104hm2；δi—第i種土地利用類型的碳吸收系數，t/hm2，據現有研究成果確定，林地為0.644t/hm2[11]。

4 結果與分析

4.1 里下河地區農業系統碳排放特征

4.1.1農業碳排放時間變化

興化市總體碳排放量增減情況不明顯，整體上呈現出緩慢上升的局面。2020年相較于2000年總碳排放量增加了31.48萬t，增長9.5%，見表3。從碳排放內部結構看，種植業碳排放占總排放量的70%以上，占比先下降后上升，在2010年種植業碳排放占比為73.24%，2020年為78.66%，種植業投入和農業活動釋放的CO2是農業系統碳排放的重要來源；畜牧業碳排放量由2000年33.06萬t逐漸上升，在2010年達到最高峰73.84萬t，后逐漸降低至2020年36.07萬t；漁業碳排放自2000年起持續增加，由2000年的21.06萬t，增長至2020年的52.96萬t，增長率為151.47%。

表3 興化市農業系統碳排放量 單位：萬t

4.1.2農業碳排放空間變化

興化市農業系統碳排放總量總體上呈穩定增長的趨勢，碳排放情況區域差異明顯。西部鄉鎮農業系統碳排放高于東部鄉鎮，其中碳排放量較高的有安豐鎮、千垛鎮，2020年2個鎮年CO2排放量分別為37.03萬、37.71萬t，占全年排放量的8.88%、9.03%；排放量較少的為大鄒、茅山、沈倫、昭陽分別為8.28萬、7.35萬、8.81萬、2.91萬t，占全年農業系統二氧化碳排放量的1.98%、1.76%、2.11%、0.70%，顯著低于安豐鎮與千垛鎮，極差為34.80萬t，各鄉鎮農業系統碳排放量沒有出現較大波動，高碳排放區域穩定，與其它鄉鎮有明顯的差距。

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4.1.3碳排放來源比較

興化市農業系統碳排放特征由表3可知，占比最高的為種植業碳排放，其次為漁業碳排放，最少的為畜牧業碳排放，在2020年種植業碳排放總量為328.13萬t，畜牧業為36.07萬t，漁業養殖為52.96萬t。種植業中碳排放量最大的為土壤呼吸共釋放CO2204.15萬t，占總量的62.21%，其次為農藥碳排放為76.57萬t，占種植業碳排放量的23.34%，化肥、農業翻耕、農業灌溉碳排放量相似，各占比為5.29%、4.93%、4.20%；畜牧業碳排放中養豬排放量最多，為24.26萬t，其次為禽類養殖10.15萬t，養羊排放量最小為1.66萬t，三者占比分別為67.26%、28.14%、4.60%。

4.2 里下河地區農業系統碳排放特征

4.2.1農業碳吸收時間變化

農業系統碳吸收總量呈現出先上升后下降的趨勢，并在2010年達到碳吸收高峰，為573.12萬t，之后持續下降，在2020年碳吸收總量為481.22萬t，見表4。從農業系統碳吸收結構上看，由于興化市研究范圍內林地面積較少，因此林地碳吸收總量處于較低水平，占比不超過0.1%，對于碳吸收的影響作用微小。

4.2.2農業碳吸收空間變化

興化市農業系統碳吸收，空間分布不均，碳吸收總量較高區域集中在西北部鄉鎮，且呈現出四周高，中間低的空間特征，碳吸收較高的區域主要為千垛鎮、安豐鎮、興東鎮。除2020年外，其他年份，上述3個鄉鎮的碳吸收水平顯著高于其它鄉鎮。整體上看，鄉鎮碳吸收總量從2000年至2010年呈上升，2010年至2020年不斷下降，2010年千垛鎮、安豐鎮、興東鎮碳吸收總量分別為40.83萬、54.93萬、49.17萬t，碳吸收量較少的鄉鎮為中部的昭陽鎮、臨城鎮、垛田鎮分別為8.07萬、6.58萬、1.70萬t，顯著低于千垛鎮、安豐鎮、興東鎮、極差為53.23萬t。除2020年外，各鄉鎮碳吸收總量較為穩定，沒有出現較大波動。

興化市農業系統碳吸組成見表4，由表4可知，種植業碳吸收占總量的99%以上，林業碳吸收占比較小，種植業碳吸收中小麥、水稻、油菜、蔬菜碳吸收量較大，在2020年分別占種植業碳吸收的38.74%、48.60%、3.21%、6.70%，其他農作物占比較小。

表4 興化市農業系統碳吸收量 單位：萬t

4.3 凈碳排放時空分析

從整體空間上看，興化市多數鄉鎮農業系統凈碳排放量趨近于零，即碳排放量等于碳吸收量。凈碳排放量較大的鄉鎮較為集中，且多年沒有明顯變化，臨城鎮多年凈碳排放顯著高于興化市其他鄉鎮；凈吸收量較大的鄉鎮也較為集中，主要以南部鄉鎮以及北部鄉鎮為主，其中興東鎮連續四年保持著零農業系統碳排放，南部鄉鎮為周莊、戴南、張郭等為主，北部鄉鎮為安豐、釣魚、永豐等為主。凈碳排放空間分布無明顯規律，靠近興化市城區凈碳排放量存在一定的上升。2020年凈碳排放量最大的為臨城鎮為19.17萬t，凈碳吸收量最大的為21.01萬t，極差為40.18萬t，在興化市各鄉鎮中，臨城鎮一直保持較高的凈碳排放水平，從2000年至2020年，凈碳排放分別為13.86萬、13.85萬、11.65萬、11.9萬、19.17萬t，整體呈現先下降后上升的趨勢。興東鎮多年保持較高的凈碳吸收水平，從2000年至2020年，凈碳吸收分別為18.36萬、23.64萬、29.67萬、27.82萬、-4.41萬t，凈碳吸收總量呈現出先上升，后逐漸下降，最終演變為凈碳排放。

4.4 數據分析

采用碳排放系數法、農作物經濟產量法、模型估計法，根據興化市統計年鑒、江蘇省農業農村統計年鑒，對里下河地區興化市28個鄉鎮的種植業、林業、漁業、畜牧業全周期的碳排放和碳吸收總量的計算，分析2000—2020年研究范圍內鄉鎮農業系統的碳排放、碳吸收時空變化，并分析其空間凈碳排放規律。主要得出以下結論：

(1)農業系統碳排放總量呈現穩定上升的局面，年均碳排放量為399.89萬t，碳排放量較高的區域集中在西部及北部鄉鎮，碳排放差異明顯，碳排放總量由大到小依次為種植業、畜牧業、漁業。種植業中農田土壤碳排放量較大，其次為農藥、翻耕、灌溉。

(2)農業系統碳吸收總量呈現動態變化，2000—2010年呈上升趨勢，2010—2020年呈下降趨勢，年均碳吸收量為508.73萬t，碳吸收量較高的區域集中在北部鄉鎮和南部鄉鎮，區域差異較為明顯，種植業碳吸收量占總吸收量的99%以上，其中水稻、小麥、蔬菜為碳吸收量較大的3種作物。

(3)整體呈現出凈碳吸收鄉鎮多于凈碳排放鄉鎮，且凈碳吸收能力不斷上升，凈碳排放主要集中在臨城鎮和垛田鎮，全市凈碳吸收能力在2010年達到頂峰，為161.48萬t，年均碳吸收總量為108.86萬t。

5 結語

研究表明興化市的碳源匯特征明顯，為了增強農業系統的碳吸收能力，要進一步控制碳排放，增強碳吸收能力。因此，應加強以垛田鎮為中心的中部鄉鎮的碳吸收能力，同時對千垛鎮、臨城鎮、安豐鎮適當控制種植業碳排放，使用更加生態的農業措施，降低區域碳排放強度。本文在碳源匯總量的計算方面采用多樣統計方法，但也會因統計模型的不同而造成差異。如果選用相同模型，對種植業、畜牧業、林業、漁業的碳源匯總量進行計算，對了解縣域農業系統碳源匯特征更具有科學性、準確性。通過更加科學系統的方法，針對不同鄉鎮的碳源匯特征實施不同的增匯減源措施具有重要的指導意義。