江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯、碳足跡動(dòng)態(tài)變化

許萍萍, 趙言文, 陳顥明, 段曉芳, 陳方園, 王 程

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

工業(yè)革命以來，人類向大氣中排放的溫室氣體不斷增加，導(dǎo)致全球變暖等氣候問題越來越顯著[1]。在全球溫室氣體排放總量中，約有13.5%來自農(nóng)業(yè)[2]，農(nóng)業(yè)活動(dòng)及其相關(guān)過程產(chǎn)生的溫室氣體中約有20%的CO2，70%的CH4，90%的N2O[3]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人類進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的主要場所，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。有研究表明陸地生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)是最重要的碳排放的來源之一[4-6]，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放具有較大的貢獻(xiàn)，是重要的大氣碳源和碳匯。

在此背景下，很多學(xué)者[7-16]對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源、碳匯問題進(jìn)行了研究。其中楊皓然等[10]利用估算模型對山東省濰坊市的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的變動(dòng)和影響因素進(jìn)行了分析；李甜甜等[11]對江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源碳匯的分布特征和影響因素進(jìn)行了研究，此外還有王梁等[9]、孟成民等[15]學(xué)者都對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)碳源碳匯問題進(jìn)行了研究。

江蘇省作為中國重要的農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平不斷提高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中碳排放問題一直制約農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，近年來江蘇省出臺了一系列有利于農(nóng)業(yè)的低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策，總體來看都產(chǎn)生了一定的生態(tài)效益。為探索識別江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)低碳化發(fā)展現(xiàn)狀，本研究從區(qū)域?qū)用娴慕嵌瘸霭l(fā)，以江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合前人的研究，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯、碳足跡進(jìn)行研究，分析了江蘇省近16 a以來碳排放和碳吸收的變化趨勢和主要影響因素。本研究將為江蘇省發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考信息，也將為今后更好地了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)，對促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展具有重要意義。從長遠(yuǎn)來看，對江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源和碳匯的研究能夠?yàn)槠渌貐^(qū)提供借鑒意義，也有利于中國節(jié)能減排工作的進(jìn)展，還能為保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

江蘇省位于中國東部沿海，東經(jīng)116°18′—121°57′，北緯30°45′—35°20′，是中國綜合發(fā)展水平最高的省份之一。江蘇省屬東亞季風(fēng)氣候區(qū)，處在亞熱帶和暖溫帶的氣候過渡地帶，全省土地面積1.07×105km2，至2016年全省耕地面積達(dá)7.68×104km2，占全國農(nóng)作物種植總面積4.61%，其中糧食作物、油料作物、蔬菜瓜果種植面積分別占農(nóng)作物種植總面積的70.77%，5.71%，20.68%，糧食作物主要以種植小麥、稻谷為主，農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值達(dá)7.23×1011元，其中種植業(yè)3.71×1011元，占農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值的51.34%[17]。在近幾年發(fā)展江蘇省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提升，農(nóng)業(yè)發(fā)展正在朝著新的方向前進(jìn)。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中所利用的數(shù)據(jù)主要來源于《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》中2001—2016年的數(shù)據(jù)，包括了化肥施用量、農(nóng)藥施用量、農(nóng)膜和農(nóng)用柴油用量、農(nóng)作物機(jī)耕面積、各類農(nóng)作物播種面積和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等指標(biāo)。

2.2 研究方法

2.2.1 碳源、碳匯和碳足跡的概念 碳源和碳匯問題簡單地說就是碳的流量問題，也就是碳在大氣、海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)(包括植物和土壤等)3個(gè)碳庫之間進(jìn)行的連續(xù)交換的問題，碳源是指向大氣圈釋放碳的通量、過程或系統(tǒng)；碳匯則理解為從大氣圈中清除碳的通量、系統(tǒng)、過程或機(jī)制[18]。碳足跡這個(gè)概念來源于生態(tài)足跡，生態(tài)足跡的概念由Wackernagel[19]提出。目前對碳足跡主要有2種定義[20-21]：一是指某種活動(dòng)引起的直接或間接的CO2排放量或溫室氣體轉(zhuǎn)化的CO2等價(jià)物排放量，即碳排放量(t)；二是指使用化石燃料排放的CO2所需的生產(chǎn)性土地面積，即碳排放的占地面積(hm2)。本研究將“農(nóng)田碳足跡”定義為吸收農(nóng)田生產(chǎn)投入引起的直接或間接的化石燃料燃燒排放的CO2所需的生產(chǎn)性土地面積(hm2)。

2.2.2 碳排放源的計(jì)算方法 本研究匯總了以往部分學(xué)者[22-23]對碳排放源的分類，把農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放源按農(nóng)業(yè)資源投入和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)分類，主要包括化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、土地翻耕和農(nóng)業(yè)有效灌溉面積。

本文對江蘇省農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的碳排放核算采用估算模型[10]，估算模型如下：

T=∑Ti=∑Ei×δi

(1)

式中：T——農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的總碳排放量(t)；Ti——第i類碳排放源的碳排放量(t)；Ei——第i類碳排放源的數(shù)量(t)；δi——第i類碳排放源的碳排放系數(shù)。

農(nóng)業(yè)碳排放源的碳排放系數(shù)主要來自IPCC等機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)[21]。這里將6類碳排放源的碳排放系數(shù)歸納如表1所示。

表1 江蘇省農(nóng)業(yè)碳排放源系數(shù)

2.2.3 碳匯的計(jì)算方法 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯是，農(nóng)田中農(nóng)作物全生育期過程中的碳吸收量與農(nóng)業(yè)投入所產(chǎn)生的碳排放量的差值。凈碳匯一般用Nt表示，當(dāng)凈碳匯Nt大于0時(shí)，表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)碳匯狀態(tài)；反之，當(dāng)凈碳匯Nt小于0時(shí)，表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)碳源。其計(jì)算[9]公式如下，公式中計(jì)算系數(shù)見表2。

(2)

式中：i——第i種農(nóng)作物；Ct——農(nóng)田系統(tǒng)的總碳吸收量(t)；Cd——第i類作物全生育期的碳吸收量(t)；Cf——第i類作物合成單位質(zhì)量干物質(zhì)需要吸收的碳(t)；Dw——生物產(chǎn)量；Y——第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；Wi——作物的含水率；Hi——第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

凈碳匯(Nt)是農(nóng)田中農(nóng)作物全生育期過程中的碳吸收量與農(nóng)業(yè)投入所產(chǎn)生的碳排放量的差值。Nt>0時(shí)，表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)碳匯狀態(tài)；Nt<0時(shí)，表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)碳源狀態(tài)。其計(jì)算公式如下：

Nt=Ct-Et

(3)

式中：Nt——農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳匯(t)；Ct——碳吸收量(t)；Et——碳排放量(t)。

2.2.4 碳足跡的計(jì)算方法 本研究碳足跡估算依據(jù)段華平[8]等人的計(jì)算方法，計(jì)算公式為：

CEF=Et/NEPNEP=Ct/S

(4)

式中：CEF——農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡；Et——農(nóng)田投入碳排放總量(t)；NEP——農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積的碳吸收能力〔t/(hm2·a)〕；Ct——碳吸收量(hm2)；S——作物種植總面積(hm2)。

表2 中國主要農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)、含水率和碳吸收率

3 結(jié)果與分析

3.1 江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放動(dòng)態(tài)分析

由表3可以看出，江蘇農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量總體趨向于增加，2001年江蘇省碳排放量4.44×106t，2016年碳排放量4.60×106t，增幅為3.4%。根據(jù)近16 a據(jù)碳排放總量的變化趨勢，將碳排放總量按照量的多少分為3個(gè)階段進(jìn)行討論分析，第一階段為2001—2003年，此階段碳排放呈現(xiàn)減少趨勢，主要是由化肥、農(nóng)藥施用量減少造成的；第2階段為2004—2010年，碳排量隨農(nóng)膜、農(nóng)藥和柴油的使用量的增加總體呈現(xiàn)快速增加趨勢；第3階段為2011—2016年，此階段碳排放量總體呈現(xiàn)下降趨勢，主要是因?yàn)檫@一階段江蘇省推廣使用有機(jī)肥等農(nóng)業(yè)政策使化肥施用量降低導(dǎo)致的。

碳排放強(qiáng)度總體表現(xiàn)為下降趨勢，各階段碳排放強(qiáng)度均低于1 t/hm2，在段華平的研究中，中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度在2001—2009年為0.54～0.71 t/hm2，與之對比，發(fā)現(xiàn)江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放水平處于全國碳排放水平之內(nèi)。本研究將江蘇省農(nóng)田碳排放強(qiáng)度分為2個(gè)階段分析：第1階段，2001—2006年，碳排放強(qiáng)度隨著農(nóng)業(yè)投入的增加而增大；第2階段，2007—2016年，碳排放強(qiáng)度隨播種面積的增加而減小。但總體來說江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放水平較低。

表3 江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量和碳排放強(qiáng)度

圖1顯示，在所有的農(nóng)業(yè)碳排放源中，化肥碳排放量對總碳排放量的貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率約為64.77%，其余依次為柴油、農(nóng)膜、農(nóng)藥、灌溉和機(jī)耕，碳排放貢獻(xiàn)率分別為11.65%，10.26%，9.46%，3.52%和0.34%。在2001—2016年化肥和農(nóng)藥產(chǎn)生的碳排放量總體呈現(xiàn)降低的趨勢，這主要是與江蘇省近幾年推廣使用有機(jī)肥和生物、物理防治病蟲害有關(guān)；農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、機(jī)耕和灌溉產(chǎn)生的碳排放量整體有增加趨勢，但增幅不大，較為平穩(wěn)，這與江蘇省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不斷提高有關(guān)。

圖1 2001-2016年江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各類碳排放源碳排放情況

3.2 江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收動(dòng)態(tài)變化分析

由表4可知，江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量總體呈現(xiàn)增加趨勢，2001—2016年農(nóng)作物總碳吸收量增加了3.57×107t，年均復(fù)合增長率約為2.2%。本研究將碳吸收總量的變化分為2個(gè)階段進(jìn)行討論分析：第一階段為2001—2008年，碳吸收總量波動(dòng)變化，除2003，2007年外其余年份碳吸收總量均為增長趨勢，這一階段各年份碳吸收總量小于1.00×108t。2003年碳吸收量減少主要是因?yàn)椴シN面積和糧食、園藝作物產(chǎn)量降低導(dǎo)致作物全生育期碳吸收量減少導(dǎo)致的，2007年則主要與播種面積和園藝作物產(chǎn)量減少相關(guān)；第二階段為2009—2016年，這一階段碳吸收量呈現(xiàn)逐年增加趨勢，各年份碳吸收總量均大于108t，這主要與江蘇省種植結(jié)構(gòu)改變和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)變化有關(guān)。

表4 2001-2016年江蘇省主要農(nóng)作物碳吸收量及碳吸收強(qiáng)度

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)近16 a單位面積碳吸收量呈整體增加趨勢。在第一階段，2001—2008年單位面積碳吸收量呈現(xiàn)波動(dòng)變化，變化范圍為11～14 t/hm2，第一階段單位面積碳吸收能力相對較低，主要是因?yàn)榧Z食作物和園藝作物產(chǎn)量較低使作物生育期吸收的碳較少。第二階段，2009—2016年單位面積碳吸收量總體為增加趨勢，并在13～17 t/hm2之間波動(dòng)，表明隨著農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量的提高，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收強(qiáng)度也在穩(wěn)步提高。

圖2顯示，可以看出在3類農(nóng)作物中，園藝作物的碳吸收量明顯高于糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，且園藝作物碳吸收量的年變化幅度相對較大，但總體呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。2001—2016年，園藝作物的碳吸收量由5.40×108t增長到了8.50×108t，增加量分別為3.03×107t，年均復(fù)合增長率0.3%；糧食作物的碳吸收量2001年為3.30×108t，到2016年碳吸收量為4.10×108t，增加量分別為8.33×106t，年均復(fù)合增長率0.3%，糧食作物和園藝作物的碳吸收量都有一定程度的增長，增加量分別為8.33×106和3.030×107t，年均復(fù)合增長率分別為0.2%和0.3%，經(jīng)濟(jì)作物的碳吸收量則呈現(xiàn)下降趨勢，減少了3.39×106t，年均復(fù)合增長率約為-0.56%。

圖2 2001-2016年江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同作物碳吸收量變化趨勢

3.3 江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡動(dòng)態(tài)分析

如圖3所示，2001—2016年江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡總體呈現(xiàn)不斷下降趨勢。2001年生態(tài)碳足跡為3.90×105hm2，2016年生態(tài)碳足跡為3.32×105hm2，碳足跡減少5.81×104hm2，降幅為17.53%，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)碳足跡約占同期播種面積的4%～6%。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡均小于同期耕地面積，表明江蘇省的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)碳生態(tài)盈余狀態(tài)，因此可用來補(bǔ)充部分工業(yè)和生活的碳生態(tài)赤字。單位面積碳足跡為逐年下降趨勢，且均小于0.06 hm2/hm2，低于段華平[8]計(jì)算的全國范圍的單位面積碳足跡，表明江蘇省農(nóng)田低碳化水平較好。

圖3 2001-2016年江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡及碳足跡強(qiáng)度變化

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

化肥是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放的主要貢獻(xiàn)因子，施用化肥產(chǎn)生的碳排放量占到總碳排放量的64.77%，雖然2001—2016年化肥施用量呈現(xiàn)一定的下降趨勢，但與其它但排放源相比化肥仍是最大的碳排放源，化肥在生產(chǎn)和使用過程中會產(chǎn)生CO2和N2O，一般來講，每產(chǎn)1 t的氮肥大約需要耗費(fèi)9.20×104kJ的熱量，相當(dāng)于3 t標(biāo)煤大概要產(chǎn)6 tCO2；隨著江蘇省農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不斷提高，擁有的農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)柴油使用量增加，柴油在使用燃燒過程中會產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體；農(nóng)膜和農(nóng)藥在生產(chǎn)過程中會消耗化石能源，排放二氧化碳等溫室氣體，進(jìn)入到環(huán)境中，也會對環(huán)境造成影響；灌溉對農(nóng)田碳排放的影響主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：土壤水分、灌溉量、灌溉頻率與灌溉方式，在一定的土壤水分范圍內(nèi)，農(nóng)田CO2和CH4等氣體的通量與土壤水分具有相關(guān)性，灌溉量與灌溉頻率對土壤呼吸產(chǎn)生影響，進(jìn)而會增加土壤的碳排放強(qiáng)度；耕作過程中會改變土壤的孔隙連續(xù)狀況、機(jī)械強(qiáng)度、氣熱通量等特性，對土壤碳循環(huán)產(chǎn)生影響，免耕處理CO2排放量明顯低于翻耕處理，因?yàn)榉铀倭送寥烙袡C(jī)質(zhì)的分解速度，導(dǎo)致農(nóng)田CO2排放量顯著增加，同時(shí)翻耕次數(shù)越多對土壤的擾動(dòng)會越大，土壤通透性越好，對土壤呼吸的影響就越大，對CO2產(chǎn)生通量的影響就越顯著。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的作物產(chǎn)量對碳吸收量影響顯著，因?yàn)樵谵r(nóng)作物生長過程中，能夠通過光合作用將二氧化碳固定在其體內(nèi)，農(nóng)作物的固碳量隨著作物產(chǎn)量的增加而增加；作物的種類會造成光合速率的差異，從而影響到作物的碳吸收速率。C4植物與C3植物相比，CO2補(bǔ)償點(diǎn)低得多，在較低的濃度達(dá)到較高的光合同化能力，光照較強(qiáng)的環(huán)境中，產(chǎn)量較高，可充分利用光能，且C4植物比C3植物更能適應(yīng)高溫、光照強(qiáng)烈和干旱的環(huán)境。

4.2 結(jié) 論

本研究通過對農(nóng)田系統(tǒng)碳源、碳匯和碳足跡的測算，對比分析江蘇省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放、碳吸收、碳匯和碳足跡后得出以下結(jié)論：江蘇省農(nóng)田系統(tǒng)碳吸收量明顯高于碳排放量，具備較強(qiáng)的碳匯能力；碳吸收量及碳匯量在時(shí)間序列上呈現(xiàn)出增加的趨勢，園藝作物對碳吸收量的貢獻(xiàn)最大，其余依次為糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物；碳排放量及碳排放強(qiáng)度逐年增長，增勢穩(wěn)定，增幅較小，在主要的農(nóng)業(yè)碳排放源中以化肥對碳排放的貢獻(xiàn)最大；碳足跡及單位面積碳足跡強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢，碳足跡小于同期耕地面積，表現(xiàn)出較大的碳生態(tài)盈余，可為本地區(qū)工業(yè)發(fā)展和社會生活碳生態(tài)赤字提供綠色補(bǔ)償，對于保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)生態(tài)建設(shè)具有重要意義。同時(shí)，本研究對影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放和碳吸收的主要因素進(jìn)行了簡單的分析，有利于指導(dǎo)我們?yōu)榘l(fā)展低碳農(nóng)業(yè)提供途徑。