中國農田生態系統碳收支動態
——以2010—2020年為例

李夢琦肖輝張慧程文娟趙杰王立艷董昱辰

(1.天津市農業科學院，天津 300384；2.天津大學環境科學與工程學院，天津 300350；3.天津亞派綠肥生物科技發展有限公司，天津 301600)

人類進入工業革命以來，大量使用化石燃料，過度開墾森林，使大氣中CO2濃度增加43%[1]。CO2等溫室氣體的過量排放導致了全球氣候異常和一系列環境問題。溫室氣體減排在全球范圍內越來越受到重視。

農田生態系統是溫室氣體的重要排放源之一。20%的CO2、70%的CH4以及90%的N2O均來源于農業及其相關過程[2]。同時，農田生態系統又是重要的碳匯。農作物通過光合作用吸收大氣中的CO2，合成有機物固定在作物體內，并利用農田土壤進行固碳[3]。農田生態系統碳儲存量約占全球碳儲存量的10%，全球耕地總固碳潛力達0.75～1.0Pg·a-1[4]。農田是陸地生態系統中最活躍的碳庫，碳積蓄過程周期短、儲量大[5]，并且能通過人為因素加以調控[6]。實現農田生態系統固碳減排對“雙碳”目標的達成具有重要意義。

對農田碳吸收和碳排放進行全面測算，是研究農田固碳減排問題的基礎[7]，而目前對農田碳收支進行測算的相關文獻資料仍比較少。本研究根據中國2010—2020年相關統計資料，估算中國農田生態系統碳收支情況，以期為實現我國農田固碳減排和農業可持續發展提供參考和數據支持。

1 材料與方法

1.1 數據來源

2010—2020年中國農田生態系統主要農作物產量、播種面積、耕地灌溉面積、化肥施用量、農藥、農膜、柴油使用量等統計數據來源于相關年度《中國統計年鑒》和《中國農村統計年鑒》。

1.2 農田生態系統碳收支估算

以農田生產的技術系統為邊界，估算農田生態系統碳吸收和碳排放。碳吸收只考慮作物生產過程中最終表現的生物量上所能吸收的碳，碳排放只考慮農用物資投入、能源消耗等引起的間接排放。

1.2.1 農田生態系統碳吸收估算

參考前人研究[8，9]，根據農作物產量數據、經濟系數和碳吸收率估算碳吸收量。中國主要農作物經濟系數(H)和碳吸收率(Cf)見表1。農田生態系統碳吸收量的計算公式：

表1 中國主要農作物的經濟系數和碳吸收率

(1)

式中，Ct為農田生態系統碳吸收總量；i為第i類農作物；Cd為第i類農作物全生育期的碳吸收量；Cf為第i類農作物合成單位質量干物質需要吸收的碳(碳吸收率)；Dw為第i類農作物的總生物量；Yw為第i類農作物的經濟產量；H為第i類農作物的經濟系數。農田碳吸收強度為單位面積碳吸收量。

1.2.2 農田生態系統碳排放估算

農田碳排放的主要來源包括化肥、農藥、農膜的生產和使用導致的直接或間接碳排放，農業機械消耗柴油產生的碳排放，灌溉過程中消耗電能所產生的碳排放等。農田生態系統碳排放量的計算公式：

C=∑Ci=∑Tiδi

(2)

式中，C為農田生態系統碳排放總量；Ci為各碳源的碳排放量；Ti為各碳排放源的量；δi為各碳排放源的碳排放系數。參考前人的研究參數[10-14]，確定本研究的碳排放系數。灌溉的碳排放系數為25kg·hm-2，氮肥、磷肥、鉀肥和復合肥的碳排放系數分別為857.54kg·t-1、165.09kg·t-1、120.28kg·t-1和380.97kg·t-1，農藥、農膜、柴油的碳排放系數分別為4.93kg·kg-1、5.18kg·kg-1、0.5927kg·kg-1。農田碳排放強度為單位面積碳排放量。

2 結果與分析

2.1 農田生態系統碳吸收變化

根據相關統計數據，計算得到2010—2020年中國農田生態系統主要農作物碳吸收情況，見表2。2010—2020年中國農田生態系統碳吸收量呈逐年上升的趨勢，其中2010—2013年增長更為明顯。2010年碳吸收量最低，為75389.3萬t，2020年碳吸收量最高，為88867.8萬t，漲幅約18%。碳吸收強度在2010—2013年逐年增加，增幅明顯，2013—2020年緩慢增加，略有起伏。

表2 2010—2020年中國農田生態系統主要農作物碳吸收量和碳吸收強度

對碳吸收貢獻最高的作物是玉米，約為總量的30%～36%。主要糧食作物玉米、水稻、小麥的碳吸收量變化規律類似，均為前期增加，后期基本穩定，略有波動。豆類和薯類的碳吸收量均為前期呈降低趨勢，后期逐年增加。花生的碳吸收量基本上逐年增加。棉花的碳吸收量基本保持穩定。其它作物的碳吸收量并無明顯規律。

2020年不同省市自治區的碳吸收量和碳吸收強度差異明顯，見圖1。2020年北京的碳吸收量最低，為35.4萬t，河南的碳吸收量最高，為8695.4萬t。2020年碳吸收強度最低的是西藏(1.36t·hm-2)、貴州(2.08t·hm-2)、青海(2.49t·hm-2)、福建(3.04t·hm-2)、重慶(3.28t·hm-2)。2020年碳吸收強度最高的是廣西(13.22t·hm-2)、新疆(7.12t·hm-2)、吉林(7.01t·hm-2)、遼寧(6.26t·hm-2)、山東(6.24t·hm-2)。

圖1 2020年中國各省市自治區農田生態系統的碳吸收量及碳吸收強度

2.2 農田生態系統碳排放變化

根據相關統計數據，計算得到2010—2020年中國農田生態系統碳排放情況，見表3。中國農田生態系統碳排放2010—2015年逐年上升，2015—2020年逐年下降，后期降幅高于前期增速，碳排放量2020年較2010年降低約8%。碳排放強度2010—2014年逐年上升，增幅約4%；2014—2020年逐年降低，降幅約16%。

表3 2010—2020年中國農田生態系統碳排放量和碳排放強度

灌溉的碳排放量逐年上升，2010—2020年增幅約為15%?；?、農藥、農膜、柴油的碳排放量都是先增加后降低?；侍寂欧帕?014年最高，為3074.8萬t，2020年較2010年降低約11%。農藥碳排放量2014年最高，為890.9萬t，2020年較2010年降低約25%。農膜碳排放量2015年最高，為1348.9萬t，2020年較2010年增加約10%，較最高值降低了約8%。柴油碳排放量2015年最高，為1302.6萬t，2020年較2010年降低約9%。

化肥的碳排放量占比遠高于其他碳排放源，約為總量的45%～47%?；手械蕦μ寂欧帕控暙I最高，氮肥碳排放量為化肥的61%～69%，占比逐年降低。農膜和柴油的碳排放量較為接近，占比分別為18%～22%和19%。農藥碳排放量占比11%～14%。灌溉的碳排放量占比最低，為2%～3%。

2020年不同省市自治區碳排放量及碳排放強度差異明顯，見圖2。2020年碳排放量最低的是西藏，為6.37萬t，碳排放量最高的為河南，為502.1萬t。2020年碳排放強度最低的為貴州(0.14t·hm-2)、黑龍江(0.18t·hm-2)、青海(0.21t·hm-2)、江西(0.22t·hm-2)、四川(0.23·hm-2)。2020年碳排放強度最高的為浙江(1.02t·hm-2)、北京(0.96t·hm-2)、福建(0.89t·hm-2)、上海(0.82t·hm-2)、海南(0.80t·hm-2)。

圖2 2020年中國各省市自治區農田生態系統的碳排放量及碳排放強度

2.3 農田生態系統凈碳匯變化

農田生態系統凈碳匯是碳吸收量與碳排放量的差值。2010—2020年中國農田生態系統碳吸收量遠大于碳排放量，表現為碳匯，且凈碳匯逐年增加，見圖3。2010年凈碳匯為69139.9萬t，2020年凈碳匯為83122.7萬t，增加了20%。

圖3 2010—2020年中國農田生態系統凈碳匯情況

2020年各省市自治區農田生態系統均表現為碳匯，但凈碳匯差異明顯，見圖4。凈碳匯最低的是北京(25.9萬t)、西藏(30.6萬t)、上海(66.2萬t)，凈碳匯最高的是河南(8193.4萬t)、黑龍江(7953.2萬t)、廣西(7872.6萬t)。

圖4 2020年中國各省市自治區農田生態系統的凈碳匯情況

3 討論

農田生態系統的碳吸收主要靠作物光合作用吸收空氣中的CO2，形成有機物固定在作物體內。作物的碳吸收量很大程度上是作物產量的反映。農田管理措施、環境條件、作物品種等均會對作物產量造成影響。2010—2020年中國農田生態系統碳吸收量的增加，與主要農作物的增產增收關系密切。我國始終將農業發展視為重中之重。實施多種補貼政策，強化農民收益保障，提高了農民種植積極性；推動農業科技創新，推進機械化，培育優良品種，提高了作物種植效率和單產。

農田生態系統碳排放包括直接排放和間接排放。直接排放指植物和土壤向大氣中釋放的溫室氣體，因數據獲取困難，本研究并未估算這部分碳排放。間接排放包括化肥、農藥、農膜的生產和使用導致的碳排放，農機消耗柴油產生的碳排放，灌溉的碳排放等。估算時利用的是化肥、農藥、農膜、柴油的使用量和灌溉面積。化肥、農藥、農膜、柴油對碳排放的總貢獻高達97%，使用量和碳排放量均先增加后降低，這與中國農田生態系統碳排放量的變化是基本一致的。因為這些農用物資的投入可以明顯起到增產的效果，所以前期使用量不斷增加。但化肥、農藥等過度使用，存在環境污染、生態破壞以及食品安全等問題，我國開始重視農業綠色發展。在保障糧食安全和重要農產品有效供給的前提下，推進化肥農藥減量增效，提出化肥農藥零增長的長遠目標；推進農膜減量和回收，控制農田“白色污染”；推進廢棄物資源化利用，采取資源節約、環境友好的生產方式，維護農業生態系統的健康穩定。隨著國家對低碳農業的重視，后期化肥、農藥、農膜、柴油的使用量均有所降低，也降低了農田生態系統的碳排放。

2010—2020年中國農田生態系統以及2020年各省市農田生態系統碳收支均表現為碳匯，即碳吸收。為了維持或增強農田碳匯，更好實現農田固碳減排，提出幾點對策：培育和引進優良品種，促進作物生物量和產量的提升；推行保護性耕作技術，減少對土壤的擾動和破壞，降低土壤直接碳排放；提高肥料利用效率，增施有機肥，降低化肥尤其是氮肥的使用量；減少農藥使用，以生物技術和物理防治為基礎，防控治理病蟲害；推進秸稈等農業廢棄物的資源化利用；推廣節水灌溉，節約水資源的同時降低碳排放。

4 結論

2010—2020年中國農田生態系統碳吸收量呈逐年上升的趨勢，漲幅約18%，其中2010—2013年增長更為明顯。碳吸收強度逐年增加，2010—2013年增幅明顯，2013—2020年增長緩慢。各作物中玉米對碳吸收貢獻最高，約為總量的30%～36%。2020年不同省市自治區的碳吸收量和碳吸收強度差異明顯。北京的碳吸收量最低，河南的碳吸收量最高，西藏的碳吸收強度最低，廣西的碳吸收強度最高。

2010—2020年中國農田生態系統碳排放先逐年上升，后逐年下降，后期降幅高于前期增速，總降幅約8%。碳排放強度2010—2014年逐年上升，增幅約4%，2014—2020年逐年降低，降幅約16%。各碳源對碳排放量的貢獻為化肥>農膜≈柴油>農藥>灌溉?；?、農藥、農膜、柴油的碳排放量均為先增加后降低，灌溉的碳排放量逐年上升。2020年不同省市自治區碳排放量及碳排放強度差異明顯。西藏的碳排放量最低，河南的碳排放量最高，貴州的碳排放強度最低，浙江的碳排放強度最高。

2010—2020年中國農田生態系統的碳吸收明顯大于碳排放，表現出較強的碳匯功能，且凈碳匯逐年增加。2020年各省市自治區農田生態系統均表現為碳匯，凈碳匯差異明顯。