我國(guó)農(nóng)作物碳匯的階段特征與空間差異研究

李波，張俊飚

摘要：農(nóng)作物碳匯對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及全球氣候變化有著不容忽視的影響。測(cè)算并分析了中國(guó)主要農(nóng)作物碳匯的歷史階段特征和空間差異，結(jié)果表明，1991～2008年中國(guó)農(nóng)作物碳匯量呈現(xiàn)“蝙蝠型”波動(dòng)上升趨勢(shì)，由1991年的55 345.2萬(wàn)t增加至2008年的74 386.8萬(wàn)t，增長(zhǎng)了34.41%。2008年農(nóng)作物碳匯的空間差異特征明顯：第Ⅰ類主要為農(nóng)業(yè)大省或者是糖類作物大省，主要分布于東北、華東、華中及西南地區(qū)，碳匯量在3 000萬(wàn)t以上；第Ⅱ類主要為農(nóng)業(yè)次發(fā)達(dá)區(qū)域，主要分布于華中、西北及西南地區(qū)，碳匯量在1 000萬(wàn)～3 000萬(wàn)t；第Ⅲ類主要為直轄市、農(nóng)業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)或耕地緊缺地區(qū)，主要分布于東南沿海、西南及西北地區(qū)，碳匯量在1 000萬(wàn)t以下。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物碳匯；階段特征；空間差異

中圖分類號(hào)：S181；S314 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）05-1229-04

Study on Phase Characteristics and Spatial Differences of Chinese Agricultural

Carbon Sinks

LI Bo1，ZHANG Jun-biao2

（1. College of Economics， South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China；

2. College of Economics & Management，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract： Crop carbon cycle for terrestrial ecosystem carbon cycle and global climate change impact can not be ignored. The paper estimates and analyzes the history of the main crops carbon sinks stage characteristics and spatial differences. It was found that from 1991 to 2008， Chinese crop of carbon sinks present ‘bat-type wave upward trend in 1991 increased to 553.452 million tons to 743.868 million tons in 2008， that an increase of 34.41%. In 2008 Chinese agricultural carbon sinks with distinctive characteristics of spatial differences： the firstly class Ⅰ is mainly agricultural province or sugar crop province， which concentrated in the northeast， east， central and southwest regions， and the amount of carbon above 3 000 million tons； secondly class Ⅱ is agricultural underdeveloped area， which mainly distributed in central， northwest and southwest regions， and the amount of carbon between 10～30 million tons； thirdly class Ⅲ is mainly for municipalities， agricultural less developed area， shortage of arable land region， which concentrated on the southeast coast， southwest and northwest regions， and the amount of carbon under 10 million tons.

Key words： crop carbon sinks； phase characteristics； spatial differences

農(nóng)作物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的重要植被，通過(guò)光合作用吸收大量的CO2。大氣中20%的CO2、70%的CH4來(lái)源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)及其相關(guān)過(guò)程。農(nóng)作物種植是農(nóng)業(yè)土地利用的主要方式之一，在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)中CO2收支對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)大氣溫室氣體的吸收、排放以及全球氣候變化起著不容忽視的作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外逐漸開(kāi)展了農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田碳源/匯問(wèn)題的研究，一些研究結(jié)果認(rèn)為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是大氣CO2的一個(gè)源[1]；也有研究表明，在不同氣候條件和作物的不同生長(zhǎng)階段分別具有碳匯和碳源的功能[2]。國(guó)內(nèi)對(duì)于農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的CO2源/匯研究主要集中在CO2排放速率、排放特征、排放日變化和季節(jié)變化規(guī)律等方面[3]，對(duì)于區(qū)域農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的CO2收支研究很少。本研究從時(shí)序和空間兩個(gè)維度測(cè)算并分析我國(guó)主要11類農(nóng)作物生產(chǎn)中碳吸收量的波動(dòng)規(guī)律和特征，以準(zhǔn)確把握我國(guó)農(nóng)作物碳吸收的數(shù)量特征及規(guī)律，進(jìn)而為加強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理和農(nóng)作物生產(chǎn)決策提供理論依據(jù)。

1 農(nóng)作物碳匯測(cè)算方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 農(nóng)作物碳匯的估算方法

本研究參照李克讓[4]的估算方法，采用不同種類作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率來(lái)估算作物生長(zhǎng)期內(nèi)對(duì)碳的吸收量。農(nóng)作物從大氣中吸收CO2量的具體估算步驟如下：

已知作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量Yw，生物產(chǎn)量（總干物質(zhì)）Dw和經(jīng)濟(jì)系數(shù)Hi，其關(guān)系如式（1）所示，

Dw=Yw/Hi （1）

則作物全生長(zhǎng)期對(duì)碳的吸收量Cd為：

Cd=CfDw=CfYw/Hi （2）

式（2）中，Cf為作物合成1 g有機(jī)質(zhì)所需要吸收的碳，我國(guó)主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)Hi和碳吸收率Cf如表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

我國(guó)主要農(nóng)作物歷年產(chǎn)量數(shù)據(jù)以及各省（市、自治區(qū)）主要農(nóng)作物2008年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2009》。

2 我國(guó)農(nóng)作物碳匯的歷史階段特征分析

根據(jù)已知的主要農(nóng)作物的碳吸收率及其經(jīng)濟(jì)系數(shù)，將1991～2008年的農(nóng)作物產(chǎn)量代入式（1），即可得出該作物的碳吸收量（表2）。然后匯總數(shù)據(jù)，可知1991年我國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量為55 345.2萬(wàn)t，2008年則為74 386.8萬(wàn)t。

從我國(guó)農(nóng)作物碳吸收量變化趨勢(shì)（圖1）可以看出，1991～2008年，我國(guó)農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量呈現(xiàn)“蝙蝠型”波動(dòng)變化的特點(diǎn)，總體上可以分為三個(gè)階段：

第一階段為1991～1998年，我國(guó)農(nóng)作物碳匯量雖有起伏，但總體上呈上升趨勢(shì)。由于受水稻、小麥、玉米、甘蔗四大主要碳吸收作物減產(chǎn)的影響，1994年我國(guó)農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的碳匯量出現(xiàn)了回落，但其他年份都有不同程度的增長(zhǎng)，農(nóng)作物碳吸收量也由1991年的55 345.2萬(wàn)t上升至1998年的65 395.5萬(wàn)t，增長(zhǎng)了18.16%。

第二階段為1998～2003年，我國(guó)農(nóng)作物碳匯量波動(dòng)性強(qiáng)，但下降趨勢(shì)明顯。這期間，我國(guó)“三農(nóng)”問(wèn)題進(jìn)一步凸顯，農(nóng)民負(fù)擔(dān)不斷加大，農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較低，廣大農(nóng)民種田積極性受到較大沖擊，越來(lái)越多的農(nóng)民放棄務(wù)農(nóng)，轉(zhuǎn)向務(wù)工。受此影響，我國(guó)糧食產(chǎn)量連續(xù)5年出現(xiàn)減產(chǎn)，由表2可知，糧食作物是農(nóng)作物的主要碳匯來(lái)源，糧食的大幅減產(chǎn)也就導(dǎo)致了農(nóng)作物碳吸收水平的下降。而2001和2002年碳吸收量出現(xiàn)回升則得益于這兩年我國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，甘蔗對(duì)碳的吸收量由2001年的6 809.6萬(wàn)t上升到2002年的8 109.6萬(wàn)t。總體上看第二階段我國(guó)農(nóng)作物的碳匯量是下降的，由1998年的65 395.5萬(wàn)t降低至2003年的58 173.0萬(wàn)t，減少了11.04%。

第三個(gè)階段為2003～2008年，我國(guó)農(nóng)作物碳匯量反彈回升，逐年遞增。2004年中央“一號(hào)文件”又一次將重心放在了農(nóng)業(yè)上，“兩減免、三補(bǔ)貼”的政策增強(qiáng)了農(nóng)民種田積極性，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是糧食生產(chǎn)迅速得到恢復(fù)。接下來(lái)幾年惠農(nóng)政策相繼推出，我國(guó)糧食產(chǎn)量連續(xù)增長(zhǎng)，到2008年達(dá)到52 870.5萬(wàn)t，在1998年（歷史上糧食產(chǎn)量最高年份）51 229.5萬(wàn)t的基礎(chǔ)上增產(chǎn)了3.20%，而相比2003年，更是增產(chǎn)了22.76%。與此同時(shí)，另一重要碳匯作物甘蔗的產(chǎn)量也上升較為明顯，進(jìn)一步推動(dòng)這段時(shí)期農(nóng)作物碳吸收量的增加，其由2003年的58 173.0萬(wàn)t上升至2008年的74 386.8萬(wàn)t，增長(zhǎng)了27.87%。

總體而言，受多數(shù)農(nóng)作物尤其是糧食作物增產(chǎn)的影響，1991～2008年我國(guó)農(nóng)作物的碳吸收量的趨勢(shì)是上升的，由1991年的55 345.2萬(wàn)t增加至2008年的74 386.8萬(wàn)t，增長(zhǎng)了34.41%。

3 我國(guó)農(nóng)作物碳匯的空間差異分析

3.1 各省（市、自治區(qū)）的農(nóng)作物碳匯情況

已知各種主要農(nóng)作物的碳吸收率及其經(jīng)濟(jì)系數(shù)，將2008年我國(guó)31個(gè)省（市、自治區(qū)）的相關(guān)農(nóng)作物產(chǎn)量代入式（1），即可得出該作物的碳吸收量。然后匯總數(shù)據(jù)，可測(cè)算出該年我國(guó)各?。ㄊ?、自治區(qū)）的農(nóng)作物的碳吸收量，具體情況如表3所示。

由表3和圖2可以看出，2008年31個(gè)?。ㄊ?、自治區(qū)）中廣西以8 764.0萬(wàn)t的農(nóng)作物碳吸收量居于第1位，究其原因，主要是廣西甘蔗產(chǎn)量大。2008年廣西甘蔗產(chǎn)量高達(dá)8 215.6萬(wàn)t，占全國(guó)甘蔗總產(chǎn)量的66.17%，僅甘蔗產(chǎn)業(yè)就實(shí)現(xiàn)了7 394.0萬(wàn)t的碳吸收量。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大省河南、山東緊隨其后，分別位列第2、3位。其中河南省是我國(guó)頭號(hào)產(chǎn)糧大省和油料大省，2008年共實(shí)現(xiàn)糧食總產(chǎn)量5 365.5萬(wàn)t，占全國(guó)的10.15%，油料總產(chǎn)量505.3萬(wàn)t，占全國(guó)的17.11%。而山東作為我國(guó)第二糧食、棉花及油料大省，憑借著其占全國(guó)8.06%的糧食產(chǎn)量、13.89%的棉花產(chǎn)量和11.54%的油料產(chǎn)量，碳吸收量達(dá)5 789.2萬(wàn)t。

黑龍江、河北、安徽、江蘇、四川分列第4～8位，這與它們各自糧食大省的地位基本是相符的，其碳吸收量也主要得益于糧食作物生長(zhǎng)期間因光合作用對(duì)CO2的需求。

云南以3 376.3萬(wàn)t的碳吸收量位列第9位，和廣西相似，云南碳吸收量也主要來(lái)源于甘蔗，2008年，云南省實(shí)現(xiàn)甘蔗產(chǎn)量1 898.7萬(wàn)t，僅次于廣西。

3.2 農(nóng)作物碳匯的空間分布與特點(diǎn)

我國(guó)各?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量差異明顯，具體情況如表4所示。

4 結(jié)論與討論

1991～2008年我國(guó)農(nóng)作物碳吸收量的趨勢(shì)是上升的，由1991年的55 345.2萬(wàn)t增加至2008年的74 386.8萬(wàn)t，增長(zhǎng)了34.41%。1991～2008年，我國(guó)農(nóng)作物吸碳量呈現(xiàn)“蝙蝠型”波動(dòng)變化的特點(diǎn)，總體上可以分為三個(gè)階段。第一階段為1991～1998年，雖有起伏，但總體上呈上升趨勢(shì)；第二階段為1998～2003年，波動(dòng)性強(qiáng)，但下降趨勢(shì)明顯；第三個(gè)階段為2003～2008年，反彈回升，逐年遞增。

2008年我國(guó)農(nóng)作物碳匯的空間差異特征明顯：第Ⅰ類主要為農(nóng)業(yè)大省或者是糖類作物大省，主要分布于東北、華東、華中及西南地區(qū)，碳匯量在3 000萬(wàn)t以上；第Ⅱ類主要為農(nóng)業(yè)次發(fā)達(dá)區(qū)域，主要分布于華中、西北及西南地區(qū)，碳匯量在1 000萬(wàn)～3 000萬(wàn)t；第Ⅲ類主要為直轄市、農(nóng)業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)或耕地緊缺地區(qū)，分布于東南沿海、西南及西北地區(qū)，碳匯量在1 000萬(wàn)t以下。

要增大農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能，一方面要提高農(nóng)作物的生產(chǎn)力和調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，增大碳的吸收量。在不增加投入的情況下，加強(qiáng)生產(chǎn)管理、加快農(nóng)作物品種和技術(shù)創(chuàng)新，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。同時(shí)，在不影響糧食安全的前提下，調(diào)整優(yōu)化種植業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加碳匯系數(shù)較大的農(nóng)作物種植面積比重。另一方面要降低水稻土壤碳的排放量。碳增匯與減排是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，前者是從“匯”的角度來(lái)考慮，后者是以“源”作為出發(fā)點(diǎn)，即所謂“減源增匯”。雖然要以大幅度提高農(nóng)作物的生產(chǎn)力來(lái)增大碳吸收量是一個(gè)十分困難的復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題，不可能短期解決，但通過(guò)改變耕作方式、秸稈還田等管理措施和技術(shù)方法來(lái)減少農(nóng)作物土壤碳排放量還是可行的[5-7]。

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