低碳背景下德州市農田生態(tài)系統碳源匯變化及其影響因素分析

祁興芬

（德州學院地理系，山東德州253023）

目前國內研究低碳經濟，主要側重于城市與工業(yè)領域，對農村、農業(yè)領域的碳排放、農業(yè)碳匯功能等相對關注較少[1]。事實上，農田生態(tài)系統是陸地生態(tài)系統的重要組成部分，與人類關系最為密切，同時也是重要的大氣碳源和碳匯[2]。農業(yè)活動是重要的溫室氣體排放源，20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O來源于農業(yè)活動及其相關過程[3]；同時，全球農田也是巨大的碳庫，其碳儲量達170Pg，占全球陸地碳儲量的10%以上[4]。據研究，1990－2005年農業(yè)源溫室氣體排放增長了14%，平均每年相當于排放4.9×107tCO2[5]；據Cole估計，在未來的50-100年內，全世界農田可固碳20 Pg-30Pg[6]。另據Lal等研究，全球耕地每年總固碳潛力為0.75 Pg-1.0 Pg[7]。中國作為世界上一個重要的農業(yè)大國，農田生態(tài)系統對全球大氣CO2濃度的影響不可忽視。國內對于農田生態(tài)系統碳源匯的研究較多，針對城市未進行較長時序的時空格局研究；同時在考慮農田生態(tài)系統碳排放時也沒有將碳排放途徑深入細化，在一定程度上影響了定量測算結果的精確性。本文以農業(yè)發(fā)展歷史悠久的德州市為例，通過對2001-2010年德州市農田生態(tài)系統主要農作物碳吸收量和主要農業(yè)生產活動碳排放量的估算，分析德州市農田生態(tài)系統碳源匯的時空格局及影響因素，以期提供更精確的農業(yè)源碳排放清單，為德州市農業(yè)產業(yè)結構調整和農業(yè)生產固碳減排提供科學依據。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 區(qū)域概況

德州市位于北緯 36°24′-38°0′，東經 115°45′-117°24′之間，地處山東省西北部，黃河下游北岸，是顯著的大陸性季風氣候，四季分明、干濕季明顯，光照資源豐富，物產資源十分豐富。德州市土地總面積104萬hm2，耕地占德州市總面積的52%，總人口564.2萬人，其中農業(yè)人口403.6萬人，農村居民451.5萬人，農村人口占總人口的80%，是典型的農業(yè)大市。德州市耕地面積廣闊，地下水資源豐富，具有發(fā)展農業(yè)的良好條件。全市主要種植小麥、玉米、棉花等，全國重要的糧食生產基地和優(yōu)質棉生產基地。全市11個縣（市、區(qū)）中7個縣被國家授予糧食生產大縣的稱號，人均糧食居山東首位。

1.2 數據來源

2001-2010年德州市主要農作物產量、播種面積、耕地面積及歷年化肥施用量、農作物播種面積和各類作物產量、農業(yè)機械總動力、灌溉面積等數據，均來自2001-2010年《德州統計年鑒》。

1.3 農田生態(tài)系統碳吸收量估算

碳吸收主要依據農作物產量數據、經濟系數和碳吸收率進行估算。

農作物生育期碳吸收量公式[8]：

式中，i為第i種農作物的種類；Cd為某種作物全生育期對碳的吸收量；Cf為作物合成單位有機質干質量所吸收的碳；Dw為生物產量；Yw為經濟產量；Hi為經濟系數(表1)。

表1 我國主要農作物經濟系數與碳吸收率[9]

1.4 農田生態(tài)系統碳排放量估算

農田利用的碳排放主要來源是：化肥生產使用過程中所導致的碳排放；農藥生產和使用過程中所導致的碳排放；農膜生產和使用過程中所引起的碳排放；農業(yè)機械使用消耗化石燃料所產生的碳排放；農業(yè)灌溉過程中的碳排放；農田土壤碳庫動態(tài)變化而引起的碳直接排放。本文僅考慮前5種主要的間接碳排放途徑，碳排放估算公式為：

式中：Ef、Ep、Em、Ee、Ei分別為化肥、農藥、農業(yè)機械生產、農膜、灌溉過程中產生的碳排放。Gf為化肥使用量；Gp為農藥使用量；Am為農作物種植面積；Wm為農業(yè)機械總動力；Ge為農膜使用量；Ai為灌溉面積；A、B、C、D、F、G為轉換系數，分別 為 857.54g/kg、4.9341kg/kg、16.47kg/hm2、0.18kg/kw、5.18kg/kg和266.48kg/hm2[10]。

2 結果與分析

2.1 德州市農田生態(tài)系統碳吸收量變化

2.1.1 碳吸收總量時間變化 2001-2010年德州市農田生態(tài)系統碳吸收總量總體呈上升趨勢，農作物碳吸收總量呈現兩個階段，第一階段2001-2003年為緩慢增長期，由2001年485.3萬t增加到2003年的516.2萬t，年均增速逐年下降，農作物種植面積減少，單產增加，總產量增幅較慢；第二階段2004-2010年為快速增長期，碳吸收總量從2004年的480.10萬t增加到2010年的956.20萬t，年均增速呈波動式變化，2005-2006年增速為12.59%，2007-2008年為3.64%（圖1）。表明推行合村并居工程使得農作物種植面積不斷增加，農作物生育期碳吸收水平在不斷提升，農業(yè)生態(tài)系統的碳匯明顯。

2.1.2 各縣市的不同農作物碳吸收總量變化 德州市2010年主要種植的農作物為小麥、玉米和棉花，由于農作物單產和種植面積不同，碳吸收總量存在一定差異（表2）。2010年德州市各縣市農作物生育期總碳吸收量中，吸收總量最大的是齊河和陵縣，分別是122.33萬t、99.50萬t，最小的是德城區(qū)為31.38萬t。德州市不同農作物碳吸收量不同，其中禹城以小麥吸收為主，占禹城總碳吸收量的84.8%，夏津主要以棉花吸收為主，占夏津總碳吸收量的47.9%，其余各縣市均以小麥、玉米吸收為主，占各縣市小麥、玉米碳吸收總量的40%以上。這主要是由于農作物的種植結構差異造成的。

表2 2010 年德州市各縣市不同農作物碳吸收量對比 （單位：萬t）

2.1.3 農作物碳吸收量和單位面積碳吸收量的時間變化 通過分析德州市2001-2010年農作物生育期碳吸收量和單位面積碳吸收量，結果顯示（表3）：小麥和玉米的碳吸收量明顯高于其他農作物，從2001年的205.8萬t、180.3萬t分別增加到2010年的417.2萬t、434.8萬t，增幅明顯；農作物碳吸收量比較大的還有棉花，由于作物近幾年種植面積的減少，雖然單產有所增加，但碳吸收持平穩(wěn)狀態(tài)；其他幾種農作物碳吸收量比較低，總的吸收量僅占全部吸收量的0.2%。這主要是德州市主要的糧食作物是小麥、玉米，且種植面積逐年增加，棉花雖然是經濟作物，但農民種植的積極性不高。單位播種面積碳吸收量一直處于波動式增加狀態(tài)，從2001年的6.4 t/hm2波動上升到2003年的7.3 t/hm2，2004年以后波動上升到2007年的7.9 t/hm2，而后又波動上升到2010年的8.9 t/hm2，表明德州市農作物單位面積產量處于增加趨勢。

表3 2001-2010年德州市主要農作物生育期碳吸收量變化

2.2 德州市農田生態(tài)系統碳排放量的變化

2.2.1 碳排放總量時間變化 2001-2010年德州市農田生態(tài)系統碳排放呈先增后減的變化（圖2）。碳排放量自2001年55.66萬t增加到2003年68.02萬t；2004年農田生態(tài)系統的碳排放為56.41萬t，主要是由于德州市遭受自然災害的影響，農作物的單產減少造成的；從2004-2008年，由于農業(yè)投入的增加及農業(yè)機械化水平的提高，碳排放量呈現增加的趨勢（2008年68.32萬t）；2008-2010年，德州市農田生態(tài)系統碳排放量呈減少的趨勢，2010年僅68.80萬t；從年均碳排放增速情況來看，2001-2002年年均增速為2.92%，2006-2007年年均增速為9.67%，2009-2010年年均增速為-12.25%。以上表明德州市調整農業(yè)結構，碳排放總量有一定程度降低。

圖2 德州市農田生態(tài)系統碳排放量及年均增速變化（2001-2010年）

2.2.2 各縣市的碳排放區(qū)域差異 根據德州市2010年各縣市農藥、農膜、灌溉面積、肥料生產、農業(yè)機械化等計算各縣市碳排放量和排放強度（圖3）。從圖3中看出德州市各縣市農田生態(tài)系統碳排放總量的區(qū)域差異明顯，排放量最大的是齊河（9.12萬t），其次為樂陵（7.66萬 t），碳排放最小的是德城區(qū)（2.42萬t），這主要是農作物的種植面積和產量的差異造成的。碳的排放強度最大的是慶云（1.46 t/hm2），其次平原碳排放強度為1.30t/hm2，排放強度最小的是寧津（0.87 t/hm2）。這表明德州市不同縣市在農業(yè)發(fā)展方向和發(fā)展特色上的差異。

圖3 2010年德州各縣市碳排放量和排放強度對比

2.2.3 農田生態(tài)系統主要碳排放途徑的比較 通過分析德州市各年份農田生態(tài)系統主要碳排放途徑（表4），結果顯示，五種途徑碳排放中，化肥施用碳排放所占比例較大，占整個過程的50.1%；其次是灌溉，農膜的碳排放也占有一定的比例，農業(yè)機械生產的碳排放所占比例最小，占2.9%。化肥、農膜、農藥三種途徑產生的碳排放量呈先增后減趨勢，表明為提高單位面積產量，農民加大對化肥農藥的使用；另一方面德州市發(fā)展有機農業(yè)、綠色食品、無公害食品，種植面積增加而農藥化肥施用逐漸減少。農用機械過程碳排放量由2001年的1.73萬t增加到2010年的2.12萬t，增幅為22.9%；灌溉過程碳排放量由2001年的11.87萬t增加到2010年的13.48萬t，增幅為13.5%。表明近年來德州市大力發(fā)展農業(yè)生產，農業(yè)基礎設施建設和農業(yè)機械化水平提高的同時，碳排放量也在增加。

表4 德州市主要碳排放途徑比較 （單位：萬t）

3.3 德州市碳源/碳匯影響因素分析

3.3.1 德州市碳吸收量影響因素分析 德州農田生態(tài)系統碳吸收量主要與小麥、玉米和棉花的產量有顯著的正相關，其中與小麥、玉米的相關系數大于0.9，棉花的相關系數為0.2795（表5），從固碳的角度應增大棉花種植面積；農田生態(tài)系統碳吸收與水稻、高粱、谷子等農作物有顯著的負相關，主要是由于德州市這些農作物的種植面積少、產量低導致碳吸收能力相對較差。因此，應一方面增加復種，提高單產，提高農作物產量；另一方面，增強作物生產力和優(yōu)化種植結構，提升肥料利用率以提高作物單位面積產量，以保持或提高農田生態(tài)系統碳吸收能力[11]。

表5 農田生態(tài)系統碳吸收量與主要農作物產量的相關性分析

3.3.2 德州市碳排放量影響因素分析 德州市的碳排放量與農用化學品投入和燃料動力使用及耕作灌溉管理均顯著正相關，與農藥使用量的相關系數最大，為0.8647，其次是化肥的使用量，為0.7780（表6），說明農藥和化肥的使用量是影響農田生態(tài)系統碳排放量的主要因素；同時農業(yè)機械動力、灌溉面積、種植面積等的相關性相對較小，在0.45-0.55之間。因此，在農業(yè)投入持續(xù)增加和機械化程度不斷提高的大背景下，需要從改變肥料施用方式、優(yōu)化能源利用結構以及調整耕作和灌溉制度等方面入手，通過科學施肥，減少化肥的使用量、采用免耕或少耕技術、應用精確滴灌技術、發(fā)展生物質能等措施，發(fā)展品質農業(yè)，強化農產品的質量，從而達到有效降低農田生態(tài)系統碳排放量的目標[12]。

表6 農田生態(tài)系統碳排放量與主要碳排放途徑的相關性分析

3 討論

農田生態(tài)系統碳匯除與農作物的種植面積有關外，與農作物的單位面積產量和農業(yè)投入有關，農業(yè)投入的增加會相應的提高農作物的產量，從而使農作物碳吸收量得到增加。德州市2001-2010年十年碳吸收總量為6347.4萬t，碳排放總量為647.3萬t，碳吸收量與碳排放量的比是10∶1，這說明德州市農作物單位面積產量不斷增加，農田生態(tài)系統碳吸收量多而碳排放量少。因此，對于一個地區(qū)來說，要減小其碳吸收量，首先需要保護生態(tài)環(huán)境，構建良好的農田生態(tài)系統，使農作物產量品質提高，增強碳吸收能力；其次需要積極推行生態(tài)農業(yè)建設，形成農田生態(tài)系統良性物質循環(huán)，合理使用化肥、農藥等農用化學品，增施有機肥，減少化石能源的消耗，減少碳排放。

本研究僅是對德州市農田生態(tài)系統碳源/匯的估算，是以統計資料為主，沒有將涉及碳排放的所有農業(yè)生產活動計算在內，只計算主要農作物類型的碳吸收和主要農業(yè)生產活動的碳排放，從總體上來說，本研究基本反映了德州市農田生態(tài)系統碳源匯時空變化格局。此外，本研究碳吸收量的計算公式中農作物生物產量是由經濟產量推算而來，不可避免會產生一些誤差，而碳排放量的計算尚未將作物和土壤呼吸排放量納入計算范圍，從而影響了本研究的估算精度，需在今后的工作中進一步補充完善本研究成果。

4 結論

通過德州市2001-2010年農田生態(tài)系統碳源/碳匯及影響因素分析，得出以下結論：

（1）德州市2001-2010年農田生態(tài)系統的碳吸收總量呈增加的趨勢；小麥、玉米作為主要的糧食作物，吸收量明顯高于其他農作物，棉花作為主要經濟作物，由于種植面積及單產的限制，吸收量不高。

（2）2001-2010年德州市農田生態(tài)系統碳排放呈現先增后減的變化；幾種途徑碳排放過程中，化肥施用過程中碳排放所占的比例較大且呈減少的趨勢。

（3）碳源匯影響因素分析表明：德州市農田生態(tài)系統碳吸收量與小麥、玉米、棉花的產量有正相關；德州市的碳排放量與農用化學品投入和燃料動力使用以及耕作灌溉管理均顯著正相關。

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