黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯變化特征及影響因素分析*

茹 藝

(1．哈爾濱師范大學(xué);2．哈爾濱市道外區(qū)疾病預(yù)防控制中心)

0 引言

全球溫室效應(yīng)逐年加劇，從而引起的氣候變化劇烈等環(huán)境生態(tài)問題已成為全球各環(huán)境保護(hù)組織和各國政府關(guān)注的焦點(diǎn)．控制CO2等溫室氣體排放是抑制溫室效應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與人類關(guān)系最為密切，同時(shí)也是重要的大氣碳源和碳匯［1］．全球耕地面積占陸地面積的38．5%，大氣中20%的CO2來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)及其相關(guān)過程［2］;同時(shí)全球農(nóng)田也是巨大的碳庫，其碳儲(chǔ)量大170Pg，占全球陸地碳儲(chǔ)量的 10% 以上［3］．LAL等指出全球耕地總固碳潛力為 0．75～1．0 Pg/a［4］．農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫，可以在短時(shí)間內(nèi)通過人為活動(dòng)加以調(diào)節(jié)達(dá)到增匯減排的效果，因此，開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排，對(duì)于糧食安全與氣候惡劣變化減緩和適應(yīng)都具有積極意義．為此，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究［5-8］．

黑龍江省作為農(nóng)業(yè)大省，走低碳農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)將成為今后的必然選擇，所以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的減源增匯將成為黑龍江低碳建設(shè)的重要途徑．鑒于此該研究對(duì)2004～2013年黑龍江農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物碳吸收量和主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)碳排放量進(jìn)行了估算，分析了黑龍江農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的變化趨勢(shì)及其影響因素．該研究結(jié)論對(duì)于發(fā)展黑龍江省低碳農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義．

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)域

黑龍江省地處中國東北部，介于北緯43°26'～53°33'，東經(jīng) 121°11'～135°05'之間，是中國位置最北、緯度最高的省份，北部和東部與俄羅斯相鄰，是中國沿邊開放的重要窗口．黑龍江屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季雨熱同季，冬季漫長(zhǎng)．全省年平均氣溫在-4～5℃之間，年平均降水量多介于400～650 mm．黑龍江省土地總面積47．3萬 km2，占全國土地總面積的4．9%．黑龍江省耕地總量2．39億畝，居全國第一位，人均耕地面積0．31 hcm2，為全國人均耕地面積的 3．1倍［9］．

1．2 數(shù)據(jù)來源

2004～2013年黑龍江省主要農(nóng)作物產(chǎn)量、化肥施用量、農(nóng)機(jī)總動(dòng)力、有效灌溉面積等農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均分別來自各年份《黑龍江統(tǒng)計(jì)年鑒》．

1．3 研究方法

1．3．1 碳吸收

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳吸收主要為作物生育期的碳吸收，估算方法如公式(1)所示

公式(1)中，i為農(nóng)作物的種類;Ct為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所有農(nóng)作物全生育期碳吸收量;Cd為i類農(nóng)作物全生育期對(duì)碳的吸收量;Cf為第i類農(nóng)作物光合作用合成單位質(zhì)量干物質(zhì)所要吸收的碳;Dw為生物產(chǎn)量;Yw為第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;Hi為i類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)．中國主要的農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)Hi和碳吸收率Cf經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1［10］．

表1 主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率

1．3．2 碳排放

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放考慮化肥施用量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和農(nóng)田耕作灌溉等3大類主要的間接碳排放途徑，估算方法見公式(2)～(5):

其中Ef、Em和Ei分別是農(nóng)田化肥使用、農(nóng)用機(jī)械生產(chǎn)使用和灌溉過程帶來的碳排放．各種碳排放計(jì)算公式見公式(3)，其中 ABCD為轉(zhuǎn)換系數(shù)［11］．

Gf為化肥施用量，A=857．54 kg·Mg-1．

Am為農(nóng)作物種植面積，Wm為農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力，B=16．47 kg·hm-2，C=0．18 kg·kW-1．

Ai為灌溉面積，D=266．48 kg·hm-2．1．3．3 凈碳匯

農(nóng)作物生育期的碳吸收減去農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)生的碳排放，即農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳吸收．

2 結(jié)果與分析

2．1 碳吸收分析

2．1．1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量變化

2004～2013年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收情況如圖1所示．十年來黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量總體呈上升趨勢(shì)，從2004年的7223．01 萬t增加到2013 年的 13971．66 萬 t，增幅93．43%，年均增加7．61%．單位播種面積碳吸收量呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢(shì)，由2004年的6．45 t/hm2，升至 2013 年的 9．50 t/hm2，年平均增長(zhǎng)率為4．39%，這是因?yàn)楹邶埥∞r(nóng)作物播種面積在持續(xù)增加和農(nóng)作物產(chǎn)量的不斷提高所致．其中，糧食作物碳吸收量從5734．12萬t增加到12731．67萬 t，增幅為 122．03%，年均增加9．27%;經(jīng)濟(jì)作物碳吸收量從332．04萬t減少到182．27 萬 t，減幅為 45．10%，年均減少 6．45%;果蔬作物碳吸收量則從1156．85萬 t減少到1057．71 萬 t，減幅為8．56%，年均遞減 0．9%．由圖2可知，黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收比例也發(fā)生了一定的變化，糧食作物碳吸收比例基本保持在79% ～91%之間．經(jīng)濟(jì)作物碳吸收比例則從4．5%下降到1．3%左右，果蔬作物碳吸收比例由16%下降到7．57%左右．這說明黑龍江省近十年來依然以主要糧食作物作為農(nóng)作物生產(chǎn)的主導(dǎo)，這是因?yàn)楹邶埥⊥寥蕾|(zhì)量高更適宜種植糧食作物，對(duì)經(jīng)濟(jì)作物和蔬菜、瓜果等都可引進(jìn)來自優(yōu)良產(chǎn)地的產(chǎn)品以滿足人們的需求．

圖1 2004～2013年黑龍江省農(nóng)作物碳吸收量及其單位播種面積碳吸收量變化趨勢(shì)

圖2 2004～2013年黑龍江省不同類型農(nóng)作物碳吸收比例變化

2．1．2 不同農(nóng)作物碳吸收量變化

通過分析2004～2013年黑龍江省主要農(nóng)作物全生育期碳吸收量的變化(見表2)，碳吸收量最大的農(nóng)作物是玉米，從2004年的1937．21萬t增加到2013年的7511．28萬t，占碳吸收總量的38．92%．其次是水稻，從2004年的1116．45萬 t增加到2013年的3187．82萬t，占碳吸收總量的19．03%．碳吸收量較多的還有蔬菜和豆類，但十年來碳吸收量在逐漸減少，分別從2004年的1555．67 萬 t和 1160．15 萬 t減少到1455．97萬 t和806．65萬t．糧食作物中谷子、高粱以及經(jīng)濟(jì)作物中的油菜籽、葵花籽、白瓜籽、麻類和煙葉的碳吸收量較少，總的碳吸收量?jī)H占農(nóng)作物碳吸收總量的1．46%．

2．2 碳排放分析

黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放呈逐漸增加的趨勢(shì)(如圖3所示)，碳排放總量從2004年的202．49 萬 t增長(zhǎng)到 2013 年的 377．50 萬 t，增幅86．43%．

表2 2004～2013年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同農(nóng)作物的碳吸收總量

單位播種面積碳排放量從2004年的0．18t/hm2，上升到2013年的0．26 t/hm2，年平均增長(zhǎng)率為3．97%．這主要與化肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入的增加以及農(nóng)業(yè)機(jī)械水平的提高有關(guān)．其中，化肥施用所帶來的碳排放量從123．33萬 t增加到210．06萬 t，增幅為 70．33%，年均遞增 6．10%;農(nóng)用機(jī)械投入所帶來的碳排放量從18．79萬t增加到 25．09萬 t，增幅為 33．55%，年均遞增3．27%;耕作灌溉過程帶來的碳排放從60．38 萬 t增加到142．36 萬 t，增幅為 135．77%，年均遞增10%，這說明先進(jìn)的灌溉方式的推廣效果不佳．由圖4可知，黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中3種途徑的碳排放的比例變化較小，化肥施用、農(nóng)機(jī)動(dòng)力和耕作灌溉的比例分別維持在60%、10%和30%左右．這從一定程度上反映了近十年來黑龍江省依然保持著靠農(nóng)業(yè)化學(xué)品投入為主，傳統(tǒng)灌溉為輔的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)沒有得到改進(jìn)．

圖3 2004～2013年黑龍江省農(nóng)田系統(tǒng)碳排放量及其單位播種面積碳排放量變化趨勢(shì)

圖4 2004～2013年黑龍江省不同途徑碳吸收變化

2．3 凈碳匯量分析

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯量反映的是除去碳源后的碳固定情況．十年間黑龍江省碳吸收總量和碳排放總量分別達(dá) 102059．07萬 t和2829．32萬t，碳吸收總量與碳排放總量的比為36．1∶1，碳吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳排放量，凈碳匯量逐年呈上升趨勢(shì)，說明黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳匯能力．

2．4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯影響因素分析

對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量與主要農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析表明(見表3)，碳吸收與水稻、小麥、玉米等糧食作物的產(chǎn)量有顯著的正相關(guān)性(p＜0．01)，而與葵花籽、麻類等經(jīng)濟(jì)作物以及瓜果類的產(chǎn)量有顯著的負(fù)相關(guān)性(p＜0．01)．這主要是因?yàn)橛衩椎燃Z食作物是黑龍江省的主要農(nóng)作物，更適宜黑龍江省的黑土土壤類型生長(zhǎng)，所以產(chǎn)量與碳吸收量會(huì)明顯高于經(jīng)濟(jì)作物和果蔬作物，而經(jīng)濟(jì)作物種植面積較少，果蔬作物水分含量高、干物質(zhì)含量低，所以碳吸收量要少于糧食作物，需要通過調(diào)整農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)以提高農(nóng)作物固碳能力，進(jìn)而達(dá)到提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力的目的．

對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量與主要碳排放途徑的相關(guān)性分析表明(見表4)，碳排放與化肥施用量、農(nóng)村用電量、農(nóng)用柴油施用量、噴滴灌溉面積和渠道防滲灌溉面積之間有顯著的正相關(guān)性(p＜0．01)，與低壓管灌溉面積呈顯著的負(fù)相關(guān)(p＜0．01)．這說明農(nóng)用化學(xué)品投入、能源消耗和灌溉方式是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的主要原因．因此，隨著農(nóng)業(yè)投入持續(xù)增加和機(jī)械化程度不斷提高，需要從改變肥料施用方式、優(yōu)化農(nóng)用能源利用結(jié)構(gòu)以及推廣先進(jìn)灌溉方式等方面入手，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)過程中減排的目標(biāo)．

表3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收與主要農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析

表4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量與主要碳排放途徑的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收、碳排放和凈碳匯量的計(jì)算與分析，得到了如下結(jié)論:

(1)黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量呈上升趨勢(shì)，碳吸收總量從2004年的7223．01萬t上升至2013年的13510．27萬 t，上升93．43%．隨著農(nóng)作物產(chǎn)量的提高，碳吸收量也明顯增加，增長(zhǎng)幅度最大的是玉米(287．74%)，增幅較多的還有水稻和小麥，高粱、薯類、甜菜和煙葉都有少量增幅，谷子、豆類、油菜籽、葵花籽、白瓜籽、麻類和果蔬作物的碳吸收量有少量減幅．這表明農(nóng)作物產(chǎn)量的提高有利于碳固存．

(2)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要糧食作物碳吸收占全省比例有所提高，由2004年的79．39%增加到2013年的91．12%，經(jīng)濟(jì)作物和果蔬作物碳吸收由2004年的20．61%降至8．88%．這說明隨著黑龍江的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，選擇糧食作物作為主生產(chǎn)作物是更適宜黑龍江的低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展．

(3)黑龍江省碳排放呈平穩(wěn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，碳排放總量從2004年的202．49萬t上升到2013年的377．50萬t，增長(zhǎng)86．43%，單位面積碳排放量在0．06 ～0．44 t/hm2之間．相比于南方地區(qū)，黑龍江冬季漫長(zhǎng)，大部分農(nóng)田屬于停耕狀態(tài)，所以碳排放量會(huì)少于南方地區(qū)．3種主要碳排放途徑中，化肥施用所導(dǎo)致的間接碳排放所占比例較大，農(nóng)機(jī)動(dòng)力和耕作灌溉所導(dǎo)致的碳排放較少，但耕作灌溉導(dǎo)致的碳排放量有增加趨勢(shì)．

(4)通過對(duì)比黑龍江省農(nóng)田碳吸收量和碳排放量可以看出，碳吸收量明顯大于碳排放量，碳吸收的增速也明顯超過碳排放，說明黑龍江農(nóng)田作物具有較大的凈碳匯功能．

(5)對(duì)黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯影響因素分析表明，碳吸收與玉米、水稻、小麥等糧食作物的產(chǎn)量成正相關(guān)性，而與葵花籽、麻類等經(jīng)濟(jì)作物和瓜果類的產(chǎn)量有顯著的負(fù)相關(guān)性;碳排放量與化肥施用、農(nóng)用能源消耗、微灌灌溉面積和渠道防滲灌溉面積存在顯著的正相關(guān)性，與低壓管灌灌溉面積呈顯著的負(fù)相關(guān)性．

因此，在黑龍江省促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程中，不但要追求高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，也要注重農(nóng)業(yè)的溫室氣體的減源增匯，在保證農(nóng)作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和能源資源利用結(jié)構(gòu)，合理配置施肥種類，提高農(nóng)用化學(xué)品的利用率，合理調(diào)整耕作模式，大力推廣節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)等環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，提升黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排的能力．

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