西南地區農業碳排放及碳匯時空差異研究

邱丫丫

（云南農業大學經濟管理學院，云南昆明 650500）

隨著全球氣候變暖和極端天氣的頻繁出現，世界各國越來越重視生態環境問題。CO2是導致全球氣候變暖和極端天氣頻繁出現的關鍵因素，為了減少CO2的釋放、增強國民的環保意識，我國提出了碳達峰和碳中和目標。要減少CO2等溫室氣體的排放，既要增加碳的吸收量（碳匯），也要減少碳排放量（碳源），而農業生產活動所排放的CO2具有很大縮減空間[1]。農業系統中存在碳源的同時也存在碳匯，農作物通過光合作用吸收和固定空氣中的CO2，并將CO2以生物能的形式貯存在農作物中[2-3]，土壤中釋放的CO260%～70%可通過農作物耕作和土地的合理利用重新固定[4]。因此，對農業碳匯和碳源進行綜合研究具有重要意義。

近年來，相關研究主要圍繞農田生態系統中土壤和農作物的碳源和碳匯，研究區域多為全球、全國及省級大城市。相關研究多圍繞濱海城市或小塊區域進行[5]，對農業生態中的碳匯和碳源的綜合研究較少。研究發現我國西南地區碳排放呈增長趨勢，而經濟發展水平是碳增排的最主要因素[6-7]。林秀群等[8]對我國西南地區農田生態系統碳源及碳匯的時空研究發現，農田生態系統碳吸收能力強于碳排放能力。為了豐富及更新我國西南地區農田生態系統碳源及碳匯的研究數據，本文在已有的研究基礎上帶入最新數據，以分析最近幾年的碳源和碳匯變化情況。

1 數據來源及研究方法

1.1 研究區域概況和數據來源

我國西南地區地形地貌復雜，多以高原、山地為主，位于97°21'～110°11'E、21°08'～33°41'N 之間，總面積達250 萬km2，生態資源豐富，該區域農業呈現如下特點：①農業機械化程度低。我國西南地區山地丘陵眾多，農作物的生產活動大都集中在山間，機械難以發揮作用，仍以傳統手工勞作居多。②旱地較多。我國西南地區因海拔較高，喀斯特地貌豐富，農業土地水土流失較嚴重，YN、GZ、CQ、SC旱地在耕地面積中的占比分別為79.37%、74.42%、62.29%和55.6%。③土壤類型多樣，氣候變化明顯，以糧食作物種植為主。

研究數據主要來源于2011—2022 年西南地區各省市自治區的統計年鑒、《2011—2022 年中國統計年鑒》《2011—2022 年中國農村統計年鑒》，以及XZ政府官網。

1.2 估算方法

碳源和碳匯是兩個相對的概念，前者表示個體向大自然中釋放出CO2的能力，后者表示個體從大自然中吸收CO2的能力。在農業生產活動中，農業化肥、農藥、農膜、農業柴油等投入要素會增加農業中的碳排放量，被視作碳源；農作物在生長發育過程會進行光合作用吸收CO2，可被視為碳匯。化肥農藥等投入要素可提高農作物產量，從而增加農作物碳吸收量，因此對農業生態的研究應從碳源和碳匯2個方面開展。

1.2.1 農作物碳排放估算方法我國西南地區的碳排放總量為GZ、SC、YN、CQ 和XZ 的碳排放量之和，即各項碳源的碳排放總量等于西南地區各省市自治區對應的各項碳源的碳排放量之和。碳源主要包括7 個指標，具體為農藥使用量、化肥折純使用量、農業塑料薄膜（農膜）使用量、農業柴油使用量、農業機械總動力、有效灌溉面積和農地翻耕面積。其中，農業機械使用和農業灌溉的碳排放主要來自機械使用和灌溉的過程中電能消耗產生的碳；農業翻耕的碳排放主要來自土壤翻耕后有機物質分解所產生的碳，用農地翻耕面積作為計算指標。農業碳排放強度為單位播種面積的農作物碳排放量，可分為我國西南地區整體碳排放強度和西南地區各省市自治區的碳排放強度。農業碳排放量和碳排放強度的估算公式如下：

其中：C為農業碳排放總量；Ci為第i個碳源的碳排放量；Ti為第i個碳源的使用量，主要有農藥使用量、農膜使用量、化肥折純使用量以及柴油使用量、有效灌溉面積和農地翻耕面積、農業機械總動力；μi為第i個碳源的碳排放系數，如表1所示；Uc為碳排放強度；S為農作物的播種面積。

表1 碳排放系數

1.2.2 農作物碳吸收估算方法我國西南地區的碳吸收總量等于GZ、SC、YN、CQ 和XZ 的碳吸收量之和。農作物通過光合作用吸收CO2，不同農作物碳吸收能力存在差異，故碳吸收率β也會有所差異；含水量也因農作物種類的不同而存在區別，由此引入含水系數ω；因為碳吸收是農作物整體進行的，于是引入經濟系數ε。我國不同農作物的β、ω、ε如表2[11-14]所示。西南地區主要種植的農作物有稻谷、玉米、小麥、蔬菜、花生、油菜、煙葉、豆類、薯類以及其他糧食作物，僅有SC、GZ 和YN 在部分年份種植棉花。農作物碳吸收強度為農作物單位播種面積的碳吸收量，本文對我國西南地區整體的碳吸收強度和西南地區各省市地區的碳吸收強度分別進行的估算。碳吸收量和碳吸收強度的估算公式如下：

表2 不同農作物的β、ω、ε指標

其中：A為農作物碳吸收總量；Ai為第i種農作物的碳吸收量；Yi為第i種農作物的產量；βi為第i種農作物的碳吸收率；ωi為第i種農作物的含水系數；εi為第i中農作物的經濟系數；Ua為碳吸收強度；S為農作物播種面積。

2 結果與分析

2.1 農業碳排放的時空差異

從表3 可知，近12 年農業碳排放總量變化趨勢為先逐年增加再逐年降低，在2016 年達到最大值2 083.32×104t。此外，2010 年農業碳排放總量為1 860.76×104t，2021年農業碳排放總量為1 888.67×104t，2016 年較2010 年碳排放總量增幅接近12%，2021 年較2010 年碳排放總量增幅接近2%，即我國西南地區農業碳排放量總體上呈上升趨勢，但是2021 年的增幅極大地減少了；同樣地，碳排放強度的變化為先波動性增加再逐年降低，碳排放強度在2015 年達到最大值0.82 t/hm2。而2010 年的碳排放強度為0.79 t/hm2，2021年該數據為0.72 t/hm2，2015年較2010年碳排放強度增幅接近4%，2021年較2010年碳排放強度則出現了下降，降幅接近9%，2021 年的碳排放強度低于2010 年。西南地區碳排放量增幅極大減少以及碳排放強度減少，原因在于近年來我國在大力發展現代化農業的同時也注重農業綠色化發展，追求低碳生產、保護生態環境。從表3 可得，我國西南地區2010—2021 年的農業碳排放總量中，占比最高的投入要素為翻耕，占比41%～44%，其次是化肥，占比為31%～34%，農膜和灌溉占比分別為8%～9%和9%～10%。

表3 碳排放情況

從區域角度看，2010—2021 年我國西南地區各省市自治區的碳排放總量和碳排放強度存在顯著差異，且均呈先增加再降低的變化趨勢（圖1～2）。分析農業碳排放量可知，排放量最大的是SC，其農業碳排放量從2010年的405.51×104t先增加2016年的423.73×104t，最大增幅接近5%，再下降到2021年的374.05×104t，降幅接近8%；碳排放量僅次于SC的是YN，其農業碳排放量從2010 年的313.96×104t先增加到2017 年的399.34×104t，最大增幅為27%，再下降到2021 年的320×104t，增幅接近2%；碳排放量低于YN 的是GZ 和CQ，兩區域農業碳排放量很接近，2010 年分別為138.87×104和139.61×104t，農業碳排放量分別于2016 和2015 年達到最大值，最大增幅分別接近26%和8%，2021 年GZ 降幅接近5%，CQ 增幅接近0.3%；農業碳排放量最少的是XZ，從2010 年的13.45×104t 先增加到2016 年的17.25×104t，最大增幅為28%，再下降到2021 年的15×104t，增幅接近12%，XZ由于農業碳排放量基數較小，農業碳排放增幅也最大。2021 年，SC 農業碳排放量是XZ的25倍，這是因為XZ農作物種植面積和產量都遠低于SC，2021年SC農作物產量為XZ 的45倍，因而XZ 農業生產投入要素低于SC。分析農業碳排放強度可知，2010—2021 年農業碳排放強度最高的為XZ，其次是YN，SC 和CQ 碳排放強度相近排在第三梯隊，碳排放強度最低的是GZ。XZ 的碳排放強度從2010 年的0.61 t/hm2增加到2015 年的0.73 t/hm2，最大增幅接近20%，再下降到2021 年的0.55 t/hm2，降幅接近10%。同樣地，YN、SC、CQ和GZ的碳排放強度分別在2016、2016、2015 和2015 年達到最大值，較2010 年碳排放強度最大增幅分別為18%、2%、2%和11%，2021 年YN、SC、CQ、GZ 碳排放強度降幅分別為10%、16%、9%和14%。

圖1 碳排放量變化情況

圖2 碳排放強度變化情況

2.2 農作物碳匯的時空差異

農作物碳吸收總量總體上呈上升趨勢，碳吸收強度呈波動性增長（表4）。農作物碳吸收總量從2010年的7 858.32×104t增加到2021 年的9 169.3×104t，增幅接近17%；碳吸收強度從2010 年的3.32 t/hm2增加到2021 年的3.5 t/hm2，增幅為5%。甘蔗的碳吸收總量先增加后下降，小麥、稻谷、煙葉和棉花的碳吸收總量呈下降趨勢，蔬菜、豆類、油菜農作物碳吸收總量都呈增長趨勢。2010—2021 年我國西南地區農作物碳吸收總量中，占比最高的為玉米和稻谷，占比分別從2010 年的27%、31%增加和下降到2021 年的29%、26%，其次是甘蔗、蔬菜和油菜，占比分別從2010 年的11%、7%、7%下降和增加到2021年的8%、11%、10%。

表4 碳吸收情況

從區域角度看，五省市自治區的農作物碳吸收量和碳吸收強度差異較大。各區域農作物碳吸收量均呈上升趨勢，除SC 和YN 碳吸收強度呈上升趨勢外，GZ、CQ 以及XZ 碳吸收強度呈下降趨勢（圖3～4）。分析農作物碳吸收量可知，吸收量最大的是SC，從2010 年的3 311.91×104t 增長到2021 年的4 012.76×104t，增幅為21%；碳吸收量僅次于SC的是YN，從2010年的2 293.01×104t 增長到2021年的2 778.34×104t，增幅為21%；碳吸收量低于YN 的是GZ 和CQ，分別從2010 年的1 141.71×104、1 005.55×104t 增長到2021 年的1 208.27×104、1 049.22×104t，增幅分別接近6%、4%；XZ 碳吸收量最少，從2010 年的106.15×104t 增長到2021 年的120.71×104t，增幅接近14%。分析碳吸收強度可知，SC 和YN 碳吸收強度呈上升趨勢，而GZ、CQ、XZ 總體呈下降趨勢。2010—2021 年，碳吸收強度最高的是XZ，該地區碳吸收強度從2010 年的4.85 t/hm2下降到2021 年的4.40 t/hm2，降幅為9%；其次是YN、SC 和CQ，2010 年的碳吸收強度分別為3.66、3.62 和3.21 t/hm2，2021 年分別為3.94、4.01 和3.08 t/hm2，增幅分別接近8%、11%和-4%。碳吸收強度最低的是GZ，該地區2021 年碳吸收強度為2.23 t/hm2，較2010年減少了4%。

圖3 碳吸收量變化情況

圖4 碳吸收強度變化情況

3 結論與討論

農業碳排放總量先逐年增加再逐年下降，并于2016 年達到了峰值，變化范圍為1 860.76×104～2 083.32×104t。碳排放強度先波動性上升再逐年下降，并于2015 年達到峰值，變化范圍為0.72～0.82 t/hm2。碳排放總量占比前三的農業生產要素投入依次為翻耕、化肥、農膜。2010—2021 年我國西南地區五省市自治區碳排放量和碳排放強度有很大差異，碳排放量由高到低依次為SC、YN、GZ、CQ、XZ，碳排放強度由高到低依次為XZ、YN、CQ、SC、GZ。

我國西南地區2010—2021 年間農作物碳吸收總量和碳吸收強度均呈上升趨勢，碳吸收總量范圍為7 858.32×104～9 169.3×104t，碳吸收強度范圍為3.19～3.5 t/hm2。在碳吸收總量中占比前三的農作物依次為玉米、稻谷、甘蔗。我國西南地區五省市自治區碳吸收量和碳排放強度有很大不同，2010—2021 年碳吸收量由高到低依次為SC、YN、GZ、CQ、XZ，碳吸收強度由高到低依次為XZ、YN、SC、CQ、GZ。

通過分別對比分析2010—2021 年我國西南地區碳吸收總量和碳排放總量，碳吸收強度和碳排放強度可知，碳吸收總量與碳吸收強度都遠大于碳排放總量與碳排放強度，表明我國西南地區的農業生態環境正朝著向好方向發展，具有較強的農業碳匯能力。以2010 年作為比較基期，2010—2021 年間碳排放總量最大增幅接近12%，碳吸收總量最大增幅17%，后者是前者的1.4 倍，碳排放強度最大增幅接近4%，碳吸收強度最大增幅5%，后者是前者的1.25 倍。與林秀群等[8]的研究結果相比，倍數關系有所下降，原因在于農業現代化戰略的推進和農業綠色發展的注重。農業生產和環境保護并重下，西南地區的農業碳源和碳匯在逐漸往積極方向發展。