新疆農業碳排放空間演變與驅動力分析

李娜，石晶

（塔里木大學經濟與管理學院，新疆 阿拉爾 843300）

由二氧化碳等溫室氣體排放引起的全球氣候變化已成為全人類需要面對的重大挑戰，如何科學合理的減少溫室氣體排放已成為各國迫切需要解決的重大問題。中國是二氧化碳排放大國，2020年碳排放總量高達98.99億噸，占全球的30.7%，遠超其他國家［1］。為應對全球氣候變暖和生態環境惡化的威脅，早在2009年我國政府就作出2020年二氧化碳強度比2005年減少40%～45%的承諾［2］。2020年9月，習近平總書記更是提出力爭于2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”的“雙碳”目標［3］。這是我國積極應對氣候變化、推動構建人類命運共同體的責任擔當，也是我國貫徹新發展理念、推動高質量發展的必然要求。根據2007年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的報告，農業生產已成為全球第二大溫室氣體排放來源，占全球的14%［4］。因此，掌握農業碳排放的實際情況，洞悉農業碳排放的空間演變，進而識別農業碳排放的驅動因素，有助于合理制定減排政策，促進碳減排總目標的實現。

國外學者對農業碳排放的研究相對較早，WOOMER P L 等［5］、JOHNSON J M F 等［6］分別對塞內加爾、美國農業碳排放進行研究，得出土地利用變化和農業生產活動是農業碳排放的主要因素。國內學者主要從不同角度對農業碳排放進行研究，李強等［7］、葉文偉等［8］從碳足跡視角依次探討濱海灘涂墾區大田作物溫室氣體排量、海南島農田生態系統碳足跡時空變化及其影響因素。陳勝濤等［9］從碳排放績效視角分析出江蘇省農業碳排放與農業經濟發展之間呈現強脫鉤效應。曹俊文等［10］、楊紅娟等［11］從碳排放影響因素視角進行研究，發現農村勞動力規模和農業結構等因素抑制農業碳排放增長。張頌心等［12］、李潔等［13］從農業科技進步與碳排放視角進行研究，均發現農業科技進步與農業碳排放之間存在負相關關系。田云等［14］從低碳農業視角分析我國各省低碳農業發展水平，并在考察影響其變化機理的基礎上研究空間收斂性。

國內外學者圍繞農業碳排放的研究已取得了豐碩的成果，但鮮有學者從市域尺度對農業碳排放空間特征進行研究。新疆作為我國重要的糧棉果畜生產基地，近年來隨著農業現代化進程的加快，農業生產物資的大量投入和牲畜養殖規模的不斷擴大，導致農業碳排放量不斷增加，使原本脆弱的生態環境面臨更加嚴峻的壓力。基于此，本文以新疆14個地州（市）為研究對象，運用探索性空間數據分析和空間計量模型等方法，測算2000—2020年土地利用和牲畜養殖兩個方面產生的農業碳排放。在此基礎上從地理區域和市域尺度探究新疆各地州（市）農業碳排放的空間演變及主要驅動力。以期為新疆區域間農業碳減排，實現新疆農業低碳可持續發展提供有效借鑒，助力實現“雙碳”目標。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 農業碳排放測算方法

目前，關于農業碳排放測算主要考慮以下三個方面：一是農地利用產生的碳排放［10］；二是水稻生長發育產生的CH4氣體排放［7］；三是牲畜養殖中腸道發酵和糞便管理產生的碳排放［15］。考慮到新疆是我國重要的農牧業基地，水稻產業相對較弱，因此本文主要從農地利用和牲畜養殖兩個方面測算新疆各地州（市）的農業碳排放。依據農業碳排放源頭特征，本研究在參考田云等［16-17］學者成果的基礎上選取化肥、機械、土地翻耕、牛和羊（包括山羊和綿羊）5大碳排放源，并確定具體碳源因子及對應的碳排放系數（見表1～2），構建新疆農業碳排放計算方式如下：

表1 農地利用碳源及碳排放系數

表2 牲畜養殖碳源及碳排放系數

式（1）中：C為農業碳排放總量；Ci為各類碳源的碳排放量，Ti為各碳排放源的量，δi為各碳排放源的碳排放系數。為了方便分析，統一將甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）換成標準二氧化碳（CO2）。依據2007年IPCC第四次評估報告，1 t CH4和1 t N2O所引發的溫室效應分別等同于25 t CO2和298 t CO2所產生的溫室效應［4］。

1.1.2 探索性空間數據分析（ESDA）

全局空間自相關，采用全局Moran’s I指數來表示新疆農業碳排放在整個區域內的空間關聯程度。局部空間自相關，反映周邊區域的空間關聯和差異程度。計算方式依次為：

式（2）、（3）中：I為莫蘭指數；n為空間單元的數目，xi為地州（市）i的觀測值；x0為碳排放量的平均值；wij為空間權重矩陣，S2為方差。

1.1.3 空間計量模型構建

考慮到傳統的計量回歸模型（OLS）無法將各區域間的空間相關程度考慮在內，使得估計結果有一定的偏差。相比之下空間計量模型中，空間滯后模型（SLM）和空間誤差模型（SEM）能夠更加準確地分析出影響新疆農業碳排放的驅動因素。前者主要考察變量在各個區域的空間相關性，后者主要考察存在于誤差擾動項中的空間依賴性，通過對3種模型的模擬參數進行比較和分析，選取最優模型。

式（4）中：Y是因變量向量，X=（X1，X2，……，X6，X7）是解釋變量矩陣，ρ是空間自回歸系數，W是空間權重矩陣，ε是隨機誤差向量，WY是空間滯后因變量。

式（5）、（6）中：λ為空間誤差系數，μ為正態分布的隨機誤差向量。

1.2 數據來源

本文所采用的數據均來自《新疆統計年鑒》（2001—2021年）和《中國農村統計年鑒》（2001—2021年），化肥、機械和土地翻耕等數據以當年實際使用量和實際播種面積為準，牛、羊數量采用各年末存欄量。此外，農業總產值、農牧業總產值和農林牧漁業總產值以2000年為基準價，以剔除價格變動產生的影響。參照《新疆統計年鑒》中行政區域的劃分，將新疆劃分為北疆、南疆和東疆。其中，北疆地區包括博爾塔拉蒙古自治州（博州）、烏魯木齊市（烏魯木齊）、昌吉回族自治州（昌吉）、塔城地區（塔城）、伊犁哈薩克自治州（伊犁）、克拉瑪依市（克拉瑪依）、阿勒泰地區（阿勒泰）；南疆地區包括克孜勒蘇柯爾克孜自治州（克州）、阿克蘇地區（阿克蘇）、巴音郭楞蒙古自治州（巴州）、喀什地區（喀什）、和田地區（和田）；東疆地區包括吐魯番市（吐魯番）和哈密市（哈密）。

2 新疆農業碳排放空間演變

2.1 新疆農業碳排放空間分布

根據式（1）分別測算2000—2020年新疆各地州（市）的農業碳排放總量。如圖1，總體來看，2000—2016年新疆農業碳排放總量波動式上升，2016—2020年波動式下降。具體來看，北疆地區碳排放變化趨勢與新疆基本一致，南疆和東疆地區碳排放量呈上升趨勢。對比來看，近20年來，東疆地區的農業碳排放量明顯低于北疆和南疆，僅占全疆總量的2%。這主要因為東疆地區農業結構相對合理，種植業和畜牧業發展相對均衡。北疆和南疆地區相比，前期農業碳排放變化趨勢大體一致，2017年以后北疆地區呈下降趨勢，而南疆地區持續上漲，這與2017年自治區推動烏魯木齊市創建國家級低碳城市、高新區創建國家級低碳園區密切相關。

圖1 2000—2020年新疆各區域農業碳排放總量的變化

分別選取2000年、2007年、2014年和2020年4個代表性的年份，分析新疆農業碳排量在14個地州（市）的空間分布情況，如圖2～5所示。2000—2020年新疆農業碳排放的熱點地區主要集中在伊犁、阿克蘇和喀什。其中伊犁的農業碳排放量在2000年、2007年和2014年均最高，從2000年的883.77萬噸增加到2014年的2 063.67萬噸，增幅達134%。克拉瑪依和烏魯木齊的農業碳排放量始終低于100萬噸，屬于低碳排放區；博州、克州、昌吉和塔城的農業碳排放量較其他地區相對穩定，但仍要注意減碳減排問題。和田和巴州等地的農業碳排放量在空間分布上呈“低排放-高排放-低排放”的動態變化，農業碳排放控制效果比較明顯。從碳排放熱點地區數量來看，研究期內農業碳排放量在700萬噸以上的地區呈先增后減趨勢，表明隨著農業經濟的不斷發展，前期受碳源總量和農資投入的影響，新疆農業碳排放呈遞增趨勢，后期得益于中央一號文件和自治區減碳減排政策的實施呈現不斷下降趨勢［18］。

圖2 2000年新疆農業碳排放分布圖

圖3 2007年新疆農業碳排放分布圖

圖4 2014年新疆農業碳排放分布圖

圖5 2020年新疆農業碳排放分布圖

2.2 新疆農業碳排放空間相關性分析

2.2.1 全局空間相關性

全局空間Moran’s I指數在一定程度上反映地理空間內部呈現的集聚現象，其值介于［-1，1］之間，Moran’s I指數>0，說明各實體之間存在正相關關系，且絕對值越接近于1相關性越強。因此為了探究2000—2020年新疆農業碳排放在整個區域內的空間關聯程度，本研究根據公式（2），基于距離空間權重矩陣對2000—2020年新疆14個地州（市）農業碳排放量進行全局空間相關性檢驗。由檢驗結果可知，研究期內新疆農業碳排放的Moran’s I指數均大于零，且均通過10%的顯著性檢驗。其中2000、2018、2019和2020年的Moran’s I指數通過了5%的顯著性檢驗，可見在研究期內新疆農業碳排放的Moran’s I指數整體呈波動上升趨勢，且2018年的Moran’s I指數較之前增加明顯，這表明2000—2020年新疆各地州（市）農業碳排放空間相關性不斷加強。

2.2.2 局部空間相關性

為更加直觀地展現新疆農業碳排放的局部集聚特征，本研究列出2011年、2020年的莫蘭散點圖和LISA集聚性地圖。從圖6和圖8來看，阿克蘇、和田、喀什和塔城位于第一象限，農業碳排放量相對較高，形成“高-高”集聚；克州和博州位于第二象限，形成“低-高”集聚，即農業碳排放量低的地州（市）被農業碳排放量高的地州（市）所包圍；巴州、吐魯番、烏魯木齊、克拉瑪依、阿勒泰和哈密位于第三象限，形成“低-低”集聚，這些地州（市）的農業碳排放量相對較低，差異較小；昌吉和伊犁位于第四象限，形成“高-低”集聚，即農業碳排放量高的地州（市）被農業碳排放量低的地州（市）所包圍；從圖7和圖9來看，2020年“高-高”集聚的區域比2011年減少1個，“低-高”集聚和“低-低”集聚區域的數量沒有變化，“高-低”集聚的區域增加1個。塔城由“高-高”集聚演變為“高-低”集聚，昌吉由“高-低”集聚演變為“低-低”集聚，這表明隨著農業經濟的綠色化發展，新疆各區域間農業產業協作逐漸加強，地區減碳減排輻射帶動作用凸顯。而巴州由“低-低”集聚轉變為“高-低”集聚，其農業碳減排形勢相對嚴峻，是值得關注的重點地區。

圖6 2011年新疆農業碳排放Moran’s I散點圖

圖7 2020年新疆農業碳排放Moran’s I散點圖

圖8 2011年新疆農業碳排放LISA集聚圖

圖9 2020年新疆農業碳排放LISA集聚圖

3 新疆農業碳排放驅動力分析

3.1 變量選取與模型選擇

參考李波等［19］、楊紅娟等［20］學者對農業碳排放的相關研究，并結合新疆地區農業發展實際，本研究從要素、產業、環境3個維度考慮新疆農業碳排放的可能影響因素，相關變量說明如表3所示。農業經濟發展水平、農業生產效率的提高會促進農業生產的積極性，農業勞動力、農村用電量等人口和能源要素的投入對農業碳排放的產生有一定的影響。城鎮化水平影響農村從事農業生產的人數，進而對農業生產方式產生影響。新疆耕地面積從2000年的2 725千公頃擴大到2020年的5 242.29千公頃［21］，對土地的改良和利用影響著農業碳排放的變化；此外，由于農作物的生產周期及種植特點不同，使得各農作物所需投入要素略有差異，導致農業產業結構對農業碳排放的影響也存在差異。

表3 新疆農業碳排放影響因素變量說明

由于新疆各地區在經濟水平、產業結構和資源稟賦等方面存在差異，因此有必要對新疆農業碳排放進行驅動力分析。本研究首先對選取的各解釋變量進行多重共線性檢驗，并采用逐步回歸法（Frisch綜合分析法）消除變量的多重共線性。然后依次進行普通最小二乘法估計（OLS）、空間滯后模型（SLM）和空間誤差模型（SEM）回歸分析。由表4可知，SEM、SLM、OLS擬合判定系數依次為0.904>0.880>0.871，對數似然比值依次為2.841>2.504>2.044，且空間誤差模型的Value大于空間滯后模型，由此可見空間誤差模型的擬合回歸效果最優，故本研究選擇空間誤差模型分析新疆14個地州（市）農業碳排放的驅動力。

表4 新疆農業碳排放驅動力OLS、SLM、SEM檢驗結果

3.2 新疆農業碳排放驅動力空間計量回歸分析

由新疆農業碳排放驅動力空間誤差模型回歸結果可知，變量 LNX2、LNX3、LNX4、LNX6和 LNX7均通過顯著性檢驗。具體來看，耕地規模化程度、農業產業結構、農村用電量和農業生產效率是新疆農業碳排放增加的主要驅動因素，其中農業生產效率貢獻率最大，在保證其他要素不變的前提下，農業生產效率每提高1%，新疆農業碳排放總量相應增加2.201萬噸。這表明隨著新疆農業現代化進程的加快，化肥、農藥和機械等農用物資的投入相應增加，農業生產效率得以提高，造成了大量的農業碳排放。農村用電量和農業產業結構對農業碳排放增加的貢獻率次之。城鎮化水平是減排因素，這意味著城鎮化水平的提高可以促進農業碳減排。

表5 新疆農業碳排放驅動力SEM回歸結果

4 結論與建議

4.1 結論

本文在測算2000—2020年新疆14個地州（市）農業碳排放的基礎上探究了農業碳排放的空間演變情況，并對新疆農業碳排放的驅動力進行分析，結論如下：1）從地區差異來看，研究期內北疆地區農業碳排放呈先上升后下降趨勢，南疆和東疆地區農業碳排放總體呈上升趨勢；新疆農業碳排放的熱點地區主要集中在伊犁、阿克蘇和喀什，且農業碳排放量在700萬噸以上的熱點地區數量先增后減。2）從空間相關性來看，研究期內新疆農業碳排放的Moran’s I指數整體呈現波動上升的變化趨勢，且2018年的Moran’s I指數較之前增加明顯。2011年和2020年的局部莫蘭散點圖顯示多數地州（市）的農業碳排放形成“高-高”和“低-低”集聚態勢，且“低-低”集聚類型的地州（市）增多。3）從空間驅動力來看，耕地規模化程度、農業生產結構、農村用電量和農業生產效率是4個增排因素，城鎮化水平是減排因素，農業生產效率是新疆農業碳排放量增加的主要驅動力。

4.2 建議

根據上述分析，為因地制宜制定碳減排舉措和有效促進低碳農業發展，提出以下建議：1）立足本土實際，制定差異化的低碳農業發展政策。新疆地區農業碳排放空間差異明顯，在制定和實施政策時要充分考慮差異性，防止“一刀切”的現象。此外，政府應利用各種渠道大力宣傳低碳農業，提升農民低碳生產意識。2）制定區域環境協作計劃，形成區域協作機制。新疆各區域間要加強協作，農業碳排放低的地區要積極推廣本區域低碳農業發展經驗，凸顯其減碳減排輻射帶動作用。此外，政府部門應對伊犁、阿克蘇等高碳排放地區采取政策引導等措施，減緩溫室氣體的排放。3）提升農業種植和牲畜養殖的低碳化發展水平，推廣應用綠色低碳技術。農業生產提倡測土配方施肥技術和新型農業灌溉技術，加強牲畜糞便無害化處理，建立沼氣池等提高殘余物利用率，實現農業經濟增長和節能減排的雙重目標。