農(nóng)地利用碳強(qiáng)度及可持續(xù)性動(dòng)態(tài)變化
——以山東省平度市為例

吳金鳳,王秀紅

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

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農(nóng)地利用碳強(qiáng)度及可持續(xù)性動(dòng)態(tài)變化
——以山東省平度市為例

吳金鳳1,2,王秀紅1,*

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

以中國(guó)東部山東省平度市為案例區(qū),通過識(shí)別重要的農(nóng)地利用碳排放源和構(gòu)建碳排放測(cè)算體系,包括農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)投入間接碳排放、耗能碳排放、氮肥施用后導(dǎo)致的土壤直接N2O釋放、秸稈燃燒碳排放和牲畜養(yǎng)殖CH4和N2O排放,測(cè)算了1995—2013年農(nóng)地利用的碳排放量；結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值分析了農(nóng)地利用碳強(qiáng)度變化特征,結(jié)合農(nóng)作物碳吸收分析了農(nóng)地利用的碳可持續(xù)指數(shù)的變化規(guī)律。研究得出：(1)1995—2013年平度年均碳排放量的次序是：農(nóng)資投入22.50萬t>牲畜養(yǎng)殖17.41萬t>秸稈燃燒6.62萬t,其中秸稈燃燒碳排放呈逐年增加態(tài)勢(shì),而農(nóng)資投入和畜牧養(yǎng)殖均呈逐年減少趨勢(shì)。(2)平度農(nóng)地利用碳強(qiáng)度變化結(jié)果表明,農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值增加速度超過農(nóng)地利用碳排放速度,單位產(chǎn)值碳排放已從1995年的1.24 t/元降至2013年的0.35 t/元。(3)碳可持續(xù)性指數(shù)變化特征表明,平度農(nóng)地利用過程中碳吸收大于碳排放,且碳可持續(xù)性指數(shù)以年均7.12%速率增長(zhǎng),故平度農(nóng)作物生產(chǎn)期的碳吸收能夠完全消納農(nóng)地利用過程中所產(chǎn)生碳排放。該研究不僅為中小尺度以及我國(guó)東部區(qū)域的農(nóng)地利用碳排放及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù),而且有益于推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的碳減排,并為國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃中LUCC、碳循環(huán)等重大問題的研究提供基本素材。

農(nóng)地利用；碳排放；碳吸收；可持續(xù)性

土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)、全球碳循環(huán)是國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃下的重大環(huán)境問題。在國(guó)家和社會(huì)的資助下,我國(guó)已在LUCC、碳循環(huán)等多個(gè)領(lǐng)域做了諸多有益探討[1]。如劉紀(jì)遠(yuǎn)等對(duì)中國(guó)LUCC有很深入的研究,通過土地覆蓋動(dòng)態(tài)度模型、區(qū)域分析模型和隨機(jī)過程模型等進(jìn)行變化研究以及大量算法程序開發(fā)和試驗(yàn),揭示了中國(guó)20世紀(jì)80年代末到90年代末LUCC的特點(diǎn)[2- 4]。陳廣生等全面地綜述了全球和區(qū)域水平的LUCC格局以及LUCC對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存和碳通量的影響,評(píng)述了LUCC引起生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)改變的研究方法,同時(shí)指出該領(lǐng)域研究中的幾點(diǎn)問題和今后的發(fā)展方向[5]。這些重要研究為我國(guó)在資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略問題上的宏觀決策、參與聯(lián)合國(guó)氣候變化框架合約談判等提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

農(nóng)地利用既是LUCC也是全球碳循環(huán)研究的一個(gè)重要內(nèi)容,但從世界上已經(jīng)或正在進(jìn)行的有關(guān)LUCC的研究項(xiàng)目來看,我國(guó)農(nóng)地利用研究目前仍較多的集中在區(qū)域尺度上農(nóng)地利用變化、空間特征、集約程度等方面[6- 8]；而并未深入研究農(nóng)地利用過程中所導(dǎo)致碳排放變化以及引發(fā)的環(huán)境問題。與此同時(shí),有關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放研究成果均是以中國(guó)作為實(shí)證研究對(duì)象,或是兼顧國(guó)家、省域?qū)用鎸?duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放的時(shí)空變化與結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析[9- 11],包括農(nóng)地利用碳排放、農(nóng)業(yè)能源碳排放、畜禽養(yǎng)殖碳排放以及農(nóng)作物在全生育期的碳吸收對(duì)農(nóng)地利用過程中碳排放的消納。這些研究成果的取得不僅極大地豐富了我國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放問題的研究體系,而且也為識(shí)別中小尺度農(nóng)業(yè)主要碳排放源和碳吸收主體以及碳排放的測(cè)算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此,基于已有的研究基礎(chǔ),本文選取了東部地區(qū)山東省最大的農(nóng)業(yè)縣級(jí)市,平度市作為案例區(qū)域,從農(nóng)地集約利用評(píng)價(jià)入手,依據(jù)區(qū)域農(nóng)地利用現(xiàn)狀及農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)全過程,識(shí)別重要的農(nóng)地利用碳排放源和碳吸收主體,針對(duì)性地構(gòu)建農(nóng)地利用碳排放測(cè)算體系,測(cè)算并把握碳可持續(xù)指數(shù)的變化規(guī)律。研究中小尺度以及典型區(qū)域的農(nóng)地利用碳強(qiáng)度及可持續(xù)性動(dòng)態(tài)變化特征,可推進(jìn)農(nóng)地利用的碳減排,也可為我國(guó)東部地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)為國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃中LUCC、碳循環(huán)等重大問題研究提供基礎(chǔ)素材。

1 研究區(qū)概況

平度市位于我國(guó)東部沿海地區(qū),是山東省最大的縣級(jí)行政區(qū),地理坐標(biāo)為119°31′30″—120°19′13″E,36°28′15″—37°02′46″N,土地面積約3.17×105hm2,2013年總?cè)丝诩s138.1萬人,其中農(nóng)業(yè)人口占87.04%。因其北部有大澤山脈穿過,故平度境內(nèi)地形是由東北向西南呈傘形傾斜[12]。北部地面高程均在100 m以上,西部是丘陵區(qū),一般地面高程在50—100 m左右,中部、東南部為平原,高程多在20—50 m之間,西南部高程多在10 m以下。2013年全市耕地面積仍最大,約占土地面積的70%,種植的主要農(nóng)作物包括小麥、玉米、棉花、花生和蔬菜[13]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

化肥、農(nóng)田灌溉面積、農(nóng)作物播種面積、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出及產(chǎn)值數(shù)據(jù)均源于《2000—2013年青島統(tǒng)計(jì)年鑒》和《1996—2013年山東統(tǒng)計(jì)年鑒》,農(nóng)藥和農(nóng)膜數(shù)據(jù)在山東省平度市土壤肥料工作站調(diào)研獲得。其中化肥是指氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥折純量施用量。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出數(shù)據(jù),包括主要糧食作物產(chǎn)量：小麥、谷子、玉米、高粱、地瓜、大豆、其它糧食作物；主要經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量：棉花、花生、煙葉、蔬菜；也包括牲畜養(yǎng)殖年末存欄量：奶牛、非奶牛、馬、驢、騾、豬、山羊、綿羊、家禽。本文給出的產(chǎn)值是按可比價(jià)格計(jì)算的農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)總產(chǎn)值,其可比價(jià)格指數(shù)出自《1996—2013年中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放的測(cè)算方法

2.2.1 農(nóng)資投入碳排放

本文核算的農(nóng)資投入碳排放主要涉及兩個(gè)方面：一是農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)投入間接碳排放,包括化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜；二是農(nóng)地灌溉和耕作耗能所引起的碳排放。

化肥原料的開采、運(yùn)輸、制造和產(chǎn)品的包裝成型等都隱含著碳排放。不同種類、階段化肥碳排放系數(shù)也存在很大的不同,本文采用陳舜等[14]的研究結(jié)果,中國(guó)平均水平氮磷鉀肥制造的碳排放系數(shù)分別為2.116 kg C/kg N、0.636 kg C/kg P2O5、0.180 kg C/kg K2O,計(jì)算農(nóng)地化肥投入間接碳排放。

目前生產(chǎn)農(nóng)藥的原料主要是原油和天然氣,Lal等[15]根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝和原料分別測(cè)算并得到了生產(chǎn)除草劑、殺蟲劑和殺菌劑3種類型的農(nóng)藥隱含的碳排放系數(shù)的范圍,本研究結(jié)合我國(guó)農(nóng)藥的使用特點(diǎn)和已有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)藥投入碳排放研究[16],取6.00 kg C/kg作為農(nóng)藥碳排放系數(shù),進(jìn)而測(cè)算農(nóng)地利用農(nóng)藥投入間接碳排放。與化肥和農(nóng)藥一樣,農(nóng)膜生產(chǎn)全過程也都離不開碳排放,但是有關(guān)我國(guó)農(nóng)膜生產(chǎn)過程中碳排放量的研究很少,因此本文取黃祖輝等[17]對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料有限公司的調(diào)研結(jié)果,農(nóng)膜全生命周期隱含CO2排放為9.44 t CO2/t,即碳排放為2.58 kg C/kg作為農(nóng)地利用農(nóng)膜投入間接碳排放系數(shù)。

由于難于區(qū)別大農(nóng)業(yè)能源利用在種植業(yè)中的分配,又由于國(guó)內(nèi)沒有灌溉耗能和耕作耗能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因此絕大部分相關(guān)研究利用國(guó)外文獻(xiàn)的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本研究采用有重要影響的Dubey,Lal和West T O,Marland G的相關(guān)研究成果[16，18],其中灌溉耗能碳排放當(dāng)量為25.00 kg C/hm2,耕作耗能為31.06 kg C/hm2。

2.2.2 氮肥施用直接N2O釋放

氮肥施用會(huì)產(chǎn)生大量N2O,與溫室氣體相比,N2O具有增溫潛勢(shì)大、滯留時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)?！?006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》[19]和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》[20]給出了山東農(nóng)地N2O直接排放因子為0.0057 kg N2O-N/kg N。為了測(cè)算區(qū)域農(nóng)地利用的碳強(qiáng)度,本研究依據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告(2007)測(cè)算值1 t N2O=81.27 t C,將N2O都折算成碳當(dāng)量。

2.2.3 秸稈燃燒碳排放

秸稈系數(shù)是作物田間秸稈產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值,故秸稈產(chǎn)量依據(jù)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和秸稈系數(shù)測(cè)算得到。又依據(jù)秸稈收集系數(shù)、秸稈燃燒率[21-23]和主要農(nóng)作物秸稈含碳量平均值為0.24[24],可以獲得單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量秸稈燃燒碳排放量(表1)。已有研究給出了青島市秸稈資源利用情況,其中生活燃料16.5%、焚燒3.1%[25],因此研究將平度市的秸稈燃燒率設(shè)定為19.6%。

表1 秸稈燃燒碳排放

2.2.4 牲畜養(yǎng)殖CH4和N2O排放

畜牧業(yè)養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中CH4、N2O排放的重要源頭,其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的GHG排放,有38%是源自于畜牧業(yè)養(yǎng)殖[26],主要包括動(dòng)物腸道發(fā)酵CH4排放和糞便CH4、N2O排放。IPCC[19]界定了畜牧業(yè)養(yǎng)殖溫室氣體排放源和排放因子,《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》[20]計(jì)算給出了我國(guó)不同動(dòng)物在不同區(qū)域下腸道發(fā)酵CH4排放系數(shù)和糞便管理CH4和N2O排放系數(shù)[27-29](表2)。同理,為了方便后文碳排放量的分析,本研究依據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告(2007)可知1 t CH4=6.82t C,1 t N2O=81.27 t C,將CH4和N2O都折算成碳當(dāng)量。

表2 畜牧業(yè)養(yǎng)殖CH4和N2O排放系數(shù)

2.3 農(nóng)作物生長(zhǎng)期碳吸收的測(cè)算方法

農(nóng)作物碳吸收,指農(nóng)作物通過光合作用吸收CO2,釋放O2,形成的生物產(chǎn)量的過程。由于農(nóng)作物生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量間存在一定關(guān)系,因此可以通過經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量計(jì)算作物的生物產(chǎn)量,進(jìn)而推算出作物含碳量,即作物在生長(zhǎng)季的碳吸收量。農(nóng)作物生長(zhǎng)期碳吸收的計(jì)算公式如下：

(1)

Cd=Cf×Dw

(2)

Dw=Yw×(1-r)÷Hi

(3)

式中,SC為農(nóng)作物生長(zhǎng)期的碳吸收量,Cd為作物i的碳儲(chǔ)量,Cf為作物i合成單位有機(jī)質(zhì)(干重)所需要吸收的碳,Yw為作物i的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,Dw為作物i的生物產(chǎn)量(總干物質(zhì)),Hi為作物i的經(jīng)濟(jì)系數(shù),r為作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品部分的含水率。主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率[30-31]表3。

表3 主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)、含水率和碳吸收率

2.4 農(nóng)地利用碳強(qiáng)度及碳可持續(xù)性指數(shù)

農(nóng)地利用碳排放涉及許多過程、方面和內(nèi)容,本研究把它分類為農(nóng)資投入碳排放、氮肥施用土壤N2O釋放、秸稈燃燒碳排放和牲畜養(yǎng)殖CH4和N2O排放,其總值設(shè)為EC。農(nóng)地碳吸收主要是農(nóng)作物碳吸收,設(shè)為SC。單位產(chǎn)值的碳排放,即碳強(qiáng)度Q=EC/V,式中,V為農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和畜牧業(yè)產(chǎn)值的和；同時(shí)為了使各年的產(chǎn)值具有可比性,研究根據(jù)當(dāng)?shù)乜杀葍r(jià)格指數(shù)計(jì)算出了以1995年不變價(jià)格的產(chǎn)值。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際是一個(gè)碳排-碳匯動(dòng)態(tài)變化過程,故農(nóng)地利用應(yīng)該強(qiáng)調(diào)碳減排,注重碳增匯,關(guān)注可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的模式?；谵r(nóng)地利用碳排放和碳吸收,本文引用國(guó)外學(xué)者Lal R提出了碳可持續(xù)性指數(shù)(I)[15],分析研究區(qū)農(nóng)地利用碳可持續(xù)指數(shù)的變化特征，其計(jì)算公式為

I=(SC-EC)/EC

(4)

3 研究結(jié)果與分析

3.1 平度農(nóng)地集約利用變化

隨著人口的增加,在有限的土地上,尤其是面臨著耕地的不斷減少趨勢(shì),為了保證區(qū)域農(nóng)作物的產(chǎn)量,增加化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)投入以及提高機(jī)械化程度已成為了必要手段。測(cè)算表明從1995年到2013年平度主要農(nóng)作物產(chǎn)量從201.27萬t增加到397.88萬t,年平均增長(zhǎng)率達(dá)4%；與此同時(shí),耕地面積從172412 hm2減少到165364 hm2,年平均減少率為0.24%。單位耕地面積的投入強(qiáng)度變化表明,平度在研究時(shí)段的農(nóng)業(yè)機(jī)械投入強(qiáng)度年均增長(zhǎng)速率最大,為7.52%；農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)投入和有效灌溉強(qiáng)度均次之,分別為0.19%、0.52%；而勞動(dòng)力投入強(qiáng)度呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),年均減少率達(dá)2.37%(圖1)。

圖1 平度農(nóng)地集約利用投入強(qiáng)度變化Fig.1 Change in input intensity of farmland intensive use in Pingdu

通過產(chǎn)量與耕地面積、農(nóng)資投入、鄉(xiāng)村人數(shù)、勞動(dòng)力、機(jī)械總動(dòng)力和有效灌溉面積的Pearson相關(guān)性分析和顯著性檢驗(yàn),可以得出,在置信度(雙側(cè))為0.05時(shí),產(chǎn)量與農(nóng)資投入量、鄉(xiāng)村人數(shù)、機(jī)械總動(dòng)力呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)(表4)。同時(shí)它們的年均增長(zhǎng)率變化表明,農(nóng)資投入量和機(jī)械總動(dòng)力的年均增長(zhǎng)率都大于產(chǎn)量,分別為0.56%、7.85%；鄉(xiāng)村人數(shù)年均增長(zhǎng)率也達(dá)到了0.15%,雖然小,但不容忽視,因?yàn)樵黾愚r(nóng)作物產(chǎn)量,最基本的目的是滿足區(qū)域人口的物質(zhì)需求。

表4 平度產(chǎn)量與相關(guān)因子的Pearson相關(guān)性分析

* 在0.05的水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

3.2 平度農(nóng)地利用碳排放

從1995年到2013年,平度農(nóng)地利用過程中農(nóng)資投入所產(chǎn)生的間接碳排放的波動(dòng)較小。如圖2所示,從數(shù)值上可知,碳排放是從1995年的19.05萬t減少到2013年的18.71萬t,減少了0.34萬t,年平均減少率為0.01%。其中農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)投入所產(chǎn)生的間接碳排放是農(nóng)地灌溉和耕作耗能的15倍,各自年均碳排放分別為17.71萬t、1.15萬t;農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)碳排放的變化趨勢(shì)與農(nóng)資投入總碳排放的一致,都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),其變化率為-0.02%,耗能碳排放卻呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),且年均增長(zhǎng)率相對(duì)較大,為0.36%。

測(cè)算農(nóng)資投入對(duì)農(nóng)地利用間接碳排放的貢獻(xiàn)比例表明,氮肥貢獻(xiàn)最大,1995—2013年年均貢獻(xiàn)率可達(dá)56.29%,其次是農(nóng)膜15.66%>磷肥10.08%>農(nóng)藥8.61%,鉀肥、灌溉耗能和耕作耗能貢獻(xiàn)相對(duì)較小,其值分別為3.27%、1.67%、4.42%。與農(nóng)地利用碳排放絕對(duì)量不同,各農(nóng)資投入所產(chǎn)生間接碳排放年均變化率差異也很大。農(nóng)膜的年均增長(zhǎng)率最大,達(dá)12.79%,其次是鉀肥2.17%>磷肥1.02%>耕作耗能0.60%。盡管氮肥對(duì)農(nóng)地利用碳排放貢獻(xiàn)最大,但是從1995年開始氮肥投入所產(chǎn)生的間接碳排放已逐年減少,年均減少率為1.78%,與此同時(shí),農(nóng)藥和灌溉耗能也呈現(xiàn)負(fù)的增長(zhǎng),其值分別為-1.22%、-0.21%。

圖2 平度農(nóng)資投入所產(chǎn)生的碳排放Fig.2 Carbon emissions for agrochemical inputs in Pingdu

表5給出了1995—2013年秸稈燃燒碳排放、氮肥施用直接N2O釋放(簡(jiǎn)稱氮肥N2O釋放)、牲畜養(yǎng)殖CH4和N2O排放,比較可知(1)秸稈燃燒碳排放波動(dòng)較大,但是整體上表現(xiàn)為增加趨勢(shì),其均值為6.62萬t,大于1995年的6.09萬t,年均增長(zhǎng)率也相對(duì)較大,為1.72%。(2)氮肥N2O釋放是逐年減少的,其均值為0.0449萬t,年均減少率為1.78%,將其換算成碳排放當(dāng)量,其均值為3.65萬t。(3)畜牧業(yè)養(yǎng)殖CH4和N2O排放較大,然而其中動(dòng)物腸道發(fā)酵CH4排放和糞便N2O排放也呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng),其年均變化率分別-8.53%、-2.66%,相對(duì)較大；然而糞便CH4排放仍在持續(xù)增加,年均增長(zhǎng)率為0.75%,將其折算成畜牧業(yè)碳排放當(dāng)量,可知均值為17.41萬t,年均變化率為-5.54%。

3.3 平度農(nóng)地利用碳吸收

從1995年到2013年平度農(nóng)作物生長(zhǎng)期碳吸收呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),已從135.43萬t增加到182.53萬t,年均增長(zhǎng)率達(dá)2.06%(表6)。就糧食和經(jīng)濟(jì)作物而言,其均呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但是糧食作物生長(zhǎng)期碳吸收遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)作物,比例達(dá)到了5.00,其均值分別124.53萬t、31.30萬t。就各作物對(duì)碳吸收的貢獻(xiàn)而言,玉米最大達(dá)39.34%,小麥為38.84%次之,經(jīng)濟(jì)作物中花生為10.33%,蔬菜為9.02%也相對(duì)較大,其它作物貢獻(xiàn)都較小,不超過1.20%。

3.4 平度農(nóng)地利用碳強(qiáng)度及可持續(xù)性

研究測(cè)算得到了1995年到2013年的單位產(chǎn)值碳排放,并對(duì)其進(jìn)行曲線擬合,發(fā)現(xiàn)指數(shù)曲線擬合最佳,決定系數(shù)R2最大為0.9729(圖3),可知碳強(qiáng)度變化是由快到慢的一個(gè)過程,從數(shù)值上來分析,碳強(qiáng)度每年平均減少0.0459 t/元,從1995年的1.24 t/元降至2013年的0.35 t/元,減少了0.89 t/元。同時(shí)從圖3的碳強(qiáng)度變化趨勢(shì)可知,自2007年開始,曲線與X軸越來越接近平行,即碳強(qiáng)度是逐漸趨近于一個(gè)定值的,這個(gè)值既能滿足產(chǎn)值較大,同時(shí)又能使碳排放較低,是區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展所需要的較理想的單位產(chǎn)值碳強(qiáng)度。

表5 秸稈燃燒碳排放、氮肥和畜牧業(yè)碳排放當(dāng)量(萬t)

Table 5 Carbon emission of straw burning, carbon equivalent emissions of N fertilizer and livestock and poultry farming(Ten thousand tons)

年份Year秸稈燃燒碳排放Carbonemissionofstrawburning氮肥Nfertilizer畜牧業(yè)LivestockfarmingN2O釋放N2Oemission碳排放當(dāng)量Carbonemissionequivalent動(dòng)物腸道發(fā)酵CH4排放CH4emissionfromanimaldigestivetract糞便CH4排放CH4emissionfromlivestock′sexcretion糞便N2O排放N2Oemissionfromlivestock′sexcretion碳排放當(dāng)量Carbonemissionequivalent19956．090．05594．543．240．4030．057429．5319975．460．05114．162．280．3120．043721．2619996．360．05354．352．700．4030．054225．5420015．250．04643．772．690．4120．055525．6720035．220．04533．681．890．3610．047619．2320057．210．03863．131．240．3240．035913．5520076．940．04233．440．790．2940．02779．6720097．990．04193．400．650．3700．03009．3920118．340．03993．240．570．3960．02958．9920137．660．03893．160．540．4150．03099．01均值Mean6．620．04493．651．690．3690．041817．41年均變化率/%Averageannualchangerate1．72-1．78-1．78-8．530．75-2．66-5．54

表6 平度農(nóng)作物生長(zhǎng)期碳吸收(萬t)

與碳強(qiáng)度不同,碳可持續(xù)發(fā)展指數(shù)是由農(nóng)地利用碳排放和碳吸收共同決定的,它既強(qiáng)調(diào)碳減排,也注重增匯和碳儲(chǔ)。從圖4可知,平度的農(nóng)地利用碳可持續(xù)性指數(shù)大于1,即農(nóng)作物生產(chǎn)期的碳吸收能夠完全消納農(nóng)地利用過程中所產(chǎn)生碳排放,且此指數(shù)一直在變大。其中1995年至2005年以及2008年至2013年是緩慢增長(zhǎng)的階段,而2005年至2008年是快速增長(zhǎng)階段,從1995年至2013年碳可持續(xù)發(fā)展指數(shù)已由1.28增加到3.74,年均增長(zhǎng)率為7.12%。

圖3 1995—2013年平度單位產(chǎn)值碳排放Fig.3 Carbon emissions per unit output value over 1995—2013 in Pingdu

圖4 1995—2013年平度碳可持續(xù)性指數(shù)Fig.4 Carbon sustainability index over 1995—2013 in Pingdu

4 結(jié)論與討論

農(nóng)地利用是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)經(jīng)濟(jì)過程,碳排放涉及很多方面,本研究計(jì)算的是主要農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)投入間接和直接碳排放、秸稈燃燒碳排放和牲畜養(yǎng)殖碳排放當(dāng)量。從1995年至2013年,平度農(nóng)地利用碳排放以年均2.21%的速度減少,已從59.28萬t,減少到38.54萬t；各大類排放年平均碳排放量的次序是農(nóng)資投入22.50萬t>牲畜養(yǎng)殖17.41萬t>秸稈燃燒6.62萬t,其中除了秸稈燃燒排放處于逐年增長(zhǎng)狀態(tài),年均變化率為1.72%,其它均是逐年減少的,農(nóng)資投入為-0.32%、畜牧養(yǎng)殖為-5.54%。然而與平度農(nóng)地利用碳排放變化趨勢(shì)與結(jié)構(gòu)不同,趙榮欽等測(cè)算的沿海地區(qū)包括山東、江蘇、浙江等在內(nèi)的農(nóng)田化肥生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)使用和灌溉過程等農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要途徑碳排放[29]表明,從1981年到2001年,沿海地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放呈迅速增長(zhǎng)趨勢(shì),碳排放總量由1981年的1166.4萬t上升至2001年的2261.6萬t,增長(zhǎng)94%,其中化肥生產(chǎn)導(dǎo)致的間接碳排放所占比例較大,且增速較快。田云等對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)用物資、土壤、稻田、牲畜養(yǎng)殖等主要農(nóng)業(yè)源碳排放進(jìn)行測(cè)算的結(jié)果[28]表明,從1995—2010年中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳排放量以年均1.03%的速率增加,而主要農(nóng)業(yè)源年均碳排放量的次序是畜牧養(yǎng)殖CH4和N2O排放碳當(dāng)量>農(nóng)資投入碳排放>水稻CH4碳當(dāng)量>土壤N2O釋放碳當(dāng)量。但是通過對(duì)平度、沿海地區(qū)和中國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放測(cè)算結(jié)果表明,在農(nóng)地利用過程中如果注重提高農(nóng)地的化肥利用率、優(yōu)化農(nóng)資投入結(jié)構(gòu)、改良種子、增加高產(chǎn)值經(jīng)濟(jì)作物的占比、加強(qiáng)農(nóng)地管理等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng),碳排放未必會(huì)增加,反而能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域農(nóng)地利用碳減排和碳增匯的目標(biāo)。平度單位產(chǎn)值碳排放從1995年到2007年逐年減小,但是自2007年后,在逐漸趨近于定值,此趨勢(shì)表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程既提高了經(jīng)濟(jì)效益,也可完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳減排目標(biāo),如此“雙贏”的結(jié)果也未嘗不可。

通過測(cè)算案例區(qū)農(nóng)地利用碳排放、農(nóng)作物碳吸收和碳可持續(xù)指數(shù)可知,平度農(nóng)地利用過程中的碳吸收是大于碳排放,從1995年至2013年碳可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均大于1,且在不斷增大,即農(nóng)作物生產(chǎn)期的碳吸收能夠完全消納農(nóng)地利用過程中所產(chǎn)生碳排放。相關(guān)研究表明,中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和沿海地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的碳吸收也能完全消納農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的碳排放,這些結(jié)果與平度的一致。

推動(dòng)節(jié)能減排和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已是國(guó)際社會(huì)的大趨勢(shì),正是在這一政治經(jīng)濟(jì)背景下,有關(guān)碳排放與碳減排的經(jīng)濟(jì)學(xué)研究日益增加,然而上述測(cè)算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放均是以統(tǒng)計(jì)資料為主,并且只是對(duì)部分碳排放進(jìn)行了估算,因此難免會(huì)存在一定誤差。因此,本文認(rèn)為碳減排的關(guān)鍵還是應(yīng)該認(rèn)清楚碳排放源和碳吸收主體、正確估算碳排放和碳吸收系數(shù)。雖然我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放的研究,在空間和結(jié)構(gòu)特征揭示、影響因素闡釋等研究?jī)?nèi)容不斷深化[32-33],但是還應(yīng)該加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究工作。如農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)中農(nóng)藥和農(nóng)膜碳排放系數(shù)還存模糊性,其今后研究可以借鑒陳舜等給出化肥碳排放的測(cè)算方法[14],從生產(chǎn)原料和工藝出發(fā),測(cè)算其碳排放。國(guó)內(nèi)農(nóng)地利用的灌溉和耕作耗能碳排放系數(shù)還是借鑒國(guó)外的數(shù)據(jù),以后應(yīng)區(qū)分時(shí)間和地點(diǎn)模擬研究我國(guó)農(nóng)地利用過程中的灌溉和耕作耗能碳排放。有關(guān)土壤N2O排放,本文僅根據(jù)《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》[19]和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》[20],測(cè)算了氮肥施用產(chǎn)生的直接N2O排放；然而土壤N2O排放是受作物排放、耕地本底排放、肥料釋放以及地下水和地表水中N2O的排放影響的[34],故作物排放、耕地本底排放還需大量實(shí)測(cè)探究。此外,我國(guó)園地發(fā)展迅速,其農(nóng)業(yè)投入也在逐步增加,如何合理估算多年生植物的碳吸收,也是急需解決的問題。

致謝：山東平度市土壤肥料工作站姜曉燕給予幫助，特此致謝。

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Dynamic changes in the carbon intensity and sustainability of farmland use: A case study in Pingdu County, Shandong Province, China

WU Jinfeng1,2, WANG Xiuhong1,*

1KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

During 1995—2013, the carbon emissions for farmland uses in Pingdu County (in Shandong Province, China) were calculated by selecting the main sources of emissions and establishing a measurement system for the sources, including indirect carbon emissions for agrochemical inputs, direct N2O emissions for N fertilization, carbon emissions for energy consumption and straw burning, and CH4and N2O emissions for livestock farming. The changes in carbon intensity were calculated based on the changes in agricultural output value, and the changes in the carbon sustainability index were calculated based on the carbon emissions of the main sources and carbon absorption by the main crops. The results were as follows: (1) The order of annual mean carbon emissions was agrochemical materials (22.50 ten thousand tons) > livestock farming (17.41 ten thousand tons) > straw burning (6.62 ten thousand tons). The carbon emissions for straw burning showed an increasing trend, whereas the emissions from the other sources showed a decreasing trend. (2) The increasing rate for the agricultural output value exceeded that of total carbon emissions, with the carbon emissions per agricultural output value decreasing from 1.24 t/Yuan in 1995 to 0.35 t/Yuan in 2013 (annual average decrease of 0.0459 t/Yuan). (3) The carbon sustainability index had an annual average increasing rate of 7.12%. This trend indicated that the carbon absorption by crops was greater than the carbon emissions from the farmland processes. Overall, this study not only provides an understanding of carbon emissions and a scientific basis for sustainable development of farmland in small-or medium-scale regions in eastern China, but it also promotes the reduction of agricultural carbon emissions in China. In addition, this study could provide basic information for the investigation of Land-Use and Land-Cover Change and Carbon Cycle of International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change.

farmland use; carbon emissions; carbon absorption; sustainability

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“東西部土地集約利用變化及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)比研究”[41371531(2014- 2017)]

2016- 01- 18; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601180120

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangxh@igsnrr.ac.cn

吳金鳳,王秀紅.農(nóng)地利用碳強(qiáng)度及可持續(xù)性動(dòng)態(tài)變化——以山東省平度市為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(9):2904- 2912.

Wu J F, Wang X H.Dynamic changes in the carbon intensity and sustainability of farmland use: A case study in Pingdu County, Shandong Province, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):2904- 2912.