基于GIS的湖南省農(nóng)地利用碳排放時(shí)空格局研究

趙先超　宋麗美　古黃玲

摘要：基于化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、灌溉、翻耕、柴油等6類農(nóng)地利用碳排放源，測(cè)算1999—2014年湖南省農(nóng)地利用碳排放量和碳排放強(qiáng)度，分析湖南省農(nóng)地利用碳排放時(shí)序特征，并基于GIS研究湖南省農(nóng)地利用碳排放量、碳排放強(qiáng)度的空間格局。結(jié)果表明：（1）1999—2014年，湖南省農(nóng)地利用碳排放量和碳排放強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，碳排放量從1999年的317.40萬(wàn)t增加到2014年的446.99萬(wàn)t，碳排放強(qiáng)度從1999年的987.79 kg/hm2增加到2016年的 1 076.26 kg/hm2;（2）湖南省農(nóng)地利用碳排放量和碳排放強(qiáng)度在空間上均呈現(xiàn)“東高西低”的特征，且集聚效應(yīng)明顯，2個(gè)年份排名前五的碳排放量總和分別占全省碳排放總量的54.34%和53.64%;（3）2010年和2014年，湖南省農(nóng)地利用碳排放量與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平在空間格局分布上重合率達(dá)到100%，二者有著直接的影響關(guān)系。

關(guān)鍵詞：農(nóng)地利用碳排放;時(shí)空格局;GIS;湖南省

中圖分類號(hào)： S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）09-0307-05

近50年來(lái)，我國(guó)經(jīng)歷了與全球基本相一致的氣候變暖過(guò)程，我國(guó)氣溫增暖要明顯高于全球或北半球同期平均水平[1]。而近年來(lái)的眾多研究表明，二氧化碳排放量的增加是全球氣候變暖的主要根源。從我國(guó)來(lái)看，在諸多碳排放源中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的溫室氣體達(dá)到全國(guó)總量的17%，已成為引發(fā)碳排放的主要來(lái)源之一;從湖南省來(lái)看，1961—2010年，湖南省年平均氣溫增暖趨勢(shì)較為顯著，年平均氣溫存在著明顯的上升趨勢(shì)，年平均氣溫上升速率為0.015 3 ℃/年[2]。在此背景下，削減區(qū)域碳排放、謀求區(qū)域低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展，以及從土地利用角度開(kāi)展碳排放研究、全面了解人類活動(dòng)對(duì)碳排放的影響機(jī)制、引導(dǎo)區(qū)域低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展等問(wèn)題已經(jīng)引起了各國(guó)政府和學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。從整體上看，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果主要集中在人類活動(dòng)對(duì)全球碳循環(huán)的影響[3]、碳排放的構(gòu)成[4-7]、碳排放與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系[8-11]、土地利用下的碳排放效率研究[12]等方面。

農(nóng)業(yè)作為關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重大基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)必須實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，農(nóng)業(yè)碳減排對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，因此研究農(nóng)業(yè)碳排放的時(shí)空演變特征，增強(qiáng)對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)碳排放空間格局的認(rèn)識(shí)，有利于準(zhǔn)確把握各地區(qū)農(nóng)業(yè)碳排放狀況，進(jìn)而有利于針對(duì)性地提出農(nóng)業(yè)碳減排策略。與此同時(shí)，當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)于農(nóng)業(yè)碳排放的相關(guān)研究雖然逐漸增多，但現(xiàn)有成果對(duì)于中西部廣大省份的農(nóng)業(yè)碳排放研究涉足較少。本研究即以此為切入點(diǎn)，以中部典型省份湖南省為例，分析湖南省農(nóng)地利用碳排放時(shí)序特征，基于GIS研究湖南省農(nóng)地利用碳排放量、碳排放強(qiáng)度的空間格局，對(duì)準(zhǔn)確把握區(qū)域農(nóng)業(yè)碳排放的空間分布特征及變化趨勢(shì)，引導(dǎo)低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展具有較為重要的戰(zhàn)略意義。

1 研究區(qū)概況

湖南省位于我國(guó)中南部，長(zhǎng)江中游以南，東臨江西，西接重慶、貴州，南毗廣東、廣西，北連湖北，地處108°47′～114°15′E，24°38′～30°08′N之間，東西寬667 km，南北長(zhǎng) 774 km，土地總面積211 829 km2，占全國(guó)土地總面積的2.21%。湖南省是全國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，主要農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)量如糧食、棉花、油料、苧麻、烤煙以及豬肉等均位居全國(guó)前列。2014年，湖南省農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值為5 304.82億元，其中農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值2 884.73億元，全省糧食總產(chǎn)量292.55億kg，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力5 680.34萬(wàn)kW。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 農(nóng)地利用碳排放量的測(cè)算方法

本研究主要采用碳排放系數(shù)法來(lái)測(cè)算湖南省農(nóng)地利用碳排放，即以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的人為農(nóng)田經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)投入行為所導(dǎo)致的直接或間接的碳排放為主要碳源類型，主要包括化肥、農(nóng)膜、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)業(yè)翻耕等。農(nóng)地利用碳排放估算公式如下：

式中：E為農(nóng)田系統(tǒng)利用的碳排放量，t;Ef為化肥生產(chǎn)和使用過(guò)程中導(dǎo)致的碳排放量，t;Ep為農(nóng)藥生產(chǎn)和使用過(guò)程中導(dǎo)致的碳排放量，t;Em為農(nóng)膜生產(chǎn)和使用過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放量，t;Ei為農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程中間接消耗能源所引致的碳排放量，t;Et為農(nóng)業(yè)翻耕破壞土壤有機(jī)碳庫(kù)所引致的碳排放量，t;Es為農(nóng)業(yè)機(jī)械使用柴油直接或間接產(chǎn)生的碳排放量，t。各類別農(nóng)地利用碳排放量計(jì)算公式如下：

Ef=Gf×a;（2）

Ep=Gp×b;（3）

Em=Gm×c;（4）

Ei=Ai×d;（5）

Et=At×e;（6）

Es=Gs×f。（7）

式中：a、b、c、d、e、f分別為各碳源的碳排放系數(shù)，主要參考IPCC和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有文獻(xiàn)成果[13-16]確定（a=0.895 6 kg/hm2，b=4.934 1 kg/kg，c=5.18 kg/kg，d=266.48 kg/hm2，e=312.6 kg/hm2，f=0.592 7 kg/kg）。Gf為化肥施用量，t;Gp為農(nóng)藥使用量，t;Gm為農(nóng)膜使用量，t;Ai為灌溉面積，hm2;At為農(nóng)業(yè)翻耕面積，hm2;Gs為農(nóng)業(yè)柴油用量，t。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究涉及到的湖南省農(nóng)地利用碳排放測(cè)算和分析相關(guān)數(shù)據(jù)資料主要來(lái)源于《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2000—2015年）、《湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》（2015年）和最新的湖南省矢量數(shù)據(jù)。其中，14個(gè)地州市的農(nóng)地利用碳排放測(cè)算選取各市2010年以及2014年的化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)業(yè)翻耕、柴油6類農(nóng)資投入數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖南省農(nóng)業(yè)碳排放時(shí)序特征分析

根據(jù)上述農(nóng)地利用碳排放測(cè)算公式（1）及碳排放系數(shù)值測(cè)算出1999—2014年湖南省各類農(nóng)資投入的碳排放量、碳排放總量、碳排放量環(huán)比增速、碳排放強(qiáng)度（耕種1 hm2農(nóng)地所投入的生產(chǎn)要素產(chǎn)生的碳排放量）、碳排放強(qiáng)度環(huán)比增速（表1）。

3.1.1 總量演變特征

由表1和圖1可知，一方面，湖南省農(nóng)地利用碳排放總量由1999年的317.40萬(wàn)t增加到2014年的446.99萬(wàn)t，增長(zhǎng)率40.83%，年平均增速2.25%，農(nóng)地利用碳排放量整體呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)。另一方面，湖南省農(nóng)地利用碳排放的年際變化具有較大的波動(dòng)性，尤其是2002年到2008年間，波動(dòng)最大。其中，2004—2007年環(huán)比增速回升的原因可能來(lái)自于中央以及湖南省自2004年連續(xù)頒布的惠農(nóng)型文件，使得省域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模得到復(fù)蘇與較大提升。

3.1.2 強(qiáng)度演變特征

由表1和圖1可知，1999—2014年，湖南省農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度變化與其碳排放總量的變化保持一致，除2000年和2006年外，碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)整體上升的趨勢(shì)，由1999年的987.79 kg/hm2增加到2014年的 1 076.26 kg/hm2，15年間碳排放強(qiáng)度增幅為8.22%。湖南省農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度環(huán)比增速波動(dòng)較大，增速最大的年份達(dá)到17.33%，但有4個(gè)年份的碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)逆增長(zhǎng)，分別為-16.56%、-11.44%、-5.57%和-1.45%。

3.2 湖南省農(nóng)地利用碳排放空間差異分析

根據(jù)農(nóng)業(yè)碳排放測(cè)算公式（1）測(cè)算2010年、2014年2個(gè)年份湖南省14個(gè)地州市農(nóng)地利用碳排放量和碳排放強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。

3.2.1 碳排放總量的空間差異分析

為更好地展示湖南省各地區(qū)之間農(nóng)地利用碳排放量的差異和空間分布特征的演變，運(yùn)用ArcGIS軟件，把各地市的農(nóng)地利用碳排放量劃分為5個(gè)不同等級(jí)，得出2個(gè)年份湖南省農(nóng)地利用碳排放量的空間分布（圖2-a和圖2-b）。基于ArcGIS的湖南省農(nóng)地利用碳排放總量空間差異分析表明，2010年湖南省農(nóng)地利用碳排放量排名前五的地區(qū)為常德、岳陽(yáng)、衡陽(yáng)、益陽(yáng)、長(zhǎng)沙，它們的農(nóng)地利用碳排放總量為226.269 9萬(wàn)t，占全省碳排放總量的54.34%;2014年湖南省農(nóng)地利用碳排放量排名前五的地區(qū)為常德、岳陽(yáng)、衡陽(yáng)、益陽(yáng)、永州，它們的農(nóng)地利用碳排放總量為239.768 2萬(wàn)t，占全省碳排放總量的53.64%。一方面，湖南省各地區(qū)農(nóng)地利用碳排放量差異明顯，碳排放水平與地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相一致，以第一產(chǎn)業(yè)為主的岳陽(yáng)、常德、衡陽(yáng)地區(qū)農(nóng)地利用碳排放量也較大，而以工業(yè)為主的株洲和以旅游業(yè)為主的張家界、湘西州等城市，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較小，故農(nóng)地利用碳排放量較低;另一方面，從2010年、2014年2個(gè)年份農(nóng)地利用碳排放量的空間分布演變來(lái)看，湖南省農(nóng)地利用高碳排放區(qū)始終分布在東北部和東南部，而且2個(gè)年份排名靠前的地區(qū)也大致相同，這些地區(qū)是農(nóng)業(yè)碳減排的重點(diǎn)區(qū)域。

3.2.2 碳排放強(qiáng)度的空間差異分析

農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度是單位種植面積產(chǎn)生的碳排放量，能夠有效反映地區(qū)農(nóng)地利用的碳排放水平，便于地區(qū)之間進(jìn)行橫向比較。為進(jìn)一步清晰地展示湖南省各地區(qū)之間農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度的空間差異和空間分布特征的演變，也運(yùn)用ArcGIS軟件，把各地州市的農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度劃分為5個(gè)不同等級(jí)，2個(gè)年份湖南省農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度的空間分布如圖2-c和圖2-d所示。

基于ArcGIS的湖南省農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度空間差異分析表明，2010年湖南省農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度排名前五的地區(qū)分別為張家界、湘西州、益陽(yáng)、長(zhǎng)沙、郴州，它們的農(nóng)地利用碳排放總強(qiáng)度為7 953.690 2 kg/hm2，占全省農(nóng)地利用碳排放總強(qiáng)度的48.79%;2014年湖南省農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度排名前五的地區(qū)分別為岳陽(yáng)、 湘潭、郴州、益陽(yáng)、長(zhǎng)沙，它們的農(nóng)地利用碳排放總強(qiáng)度為7 354.548 8 kg/hm2，占全省農(nóng)地利用碳排放總強(qiáng)度的47.58%，其中岳陽(yáng)的農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度最大，為 1 606.9 kg/hm2。

進(jìn)一步分析，2010年碳排放強(qiáng)度最大的地區(qū)為張家界和湘西州，是因?yàn)檫@2個(gè)地區(qū)的耕地面積都較少，雖然總的碳排放量較低，但是碳排放強(qiáng)度增加了。所以控制總的碳排放量才是降低農(nóng)地利用碳排放的關(guān)鍵。湖南省農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度在區(qū)域的空間分布集聚效應(yīng)明顯，在地理位置上相鄰的岳陽(yáng)、益陽(yáng)、長(zhǎng)沙、湘潭均為農(nóng)地利用高碳排放強(qiáng)度地區(qū)。由此可知，湖南省農(nóng)業(yè)碳減排戰(zhàn)略可以重點(diǎn)考慮加強(qiáng)地區(qū)間合作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)，進(jìn)而提高區(qū)域整體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，以減少農(nóng)業(yè)碳排放量。

3.2.3 碳排放量與農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的組合空間格局分析

為進(jìn)一步探究影響湖南省農(nóng)地利用碳排放空間格局的相關(guān)因素，基于GIS的圖層疊加功能，將2010年、2014年2個(gè)年份的湖南省農(nóng)地利用碳排放量的空間分布圖分別與各地州市的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)疊加，其結(jié)果如圖2-e和圖2-f所示。

可以看出，如果把各地區(qū)碳排放量與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平進(jìn)行排名，并將二者排名順序都進(jìn)入前十的地區(qū)個(gè)數(shù)與總的地區(qū)個(gè)數(shù)比進(jìn)行重合率分析，則2個(gè)年份的重合率均可達(dá)到100%。一方面，湖南省農(nóng)地利用碳排放量較高的區(qū)域，其區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平級(jí)別也較高，進(jìn)一步驗(yàn)證了地區(qū)農(nóng)地利用碳排放水平與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的投入和運(yùn)用有著直接的關(guān)系。由此可知，下一步，湖南省農(nóng)業(yè)碳減排可以重點(diǎn)從調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和改善提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料使用效率入手。另一方面，從2010—2014年湖南省農(nóng)地利用碳排放量和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的年均增長(zhǎng)率來(lái)看，農(nóng)地利用碳排放水平是相對(duì)減弱的。因?yàn)檗r(nóng)地利用碳排放量年均增長(zhǎng)率為1.76%，而農(nóng)業(yè)產(chǎn)值年均增長(zhǎng)率為11.22%。這主要是由于湖南省近年來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和生態(tài)文明意識(shí)的提高，特別是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的大力推廣，有效降低了區(qū)域農(nóng)地利用碳排放量。

4 結(jié)論

本研究基于化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、灌溉、翻耕、柴油6類農(nóng)業(yè)碳排放源，測(cè)算了1999—2014年湖南省農(nóng)地利用碳排放量和碳排放強(qiáng)度，分析了湖南省農(nóng)地利用碳排放時(shí)序特征，基于GIS研究了湖南省農(nóng)地利用碳排放量、碳排放強(qiáng)度的空間格局，主要研究結(jié)論如下：

（1）1999—2014年，湖南省農(nóng)地利用碳排放量與碳排放強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中農(nóng)地利用碳排放量由1999年的317.40萬(wàn)t增加到2014年的446.99萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)率為2.25%，農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度由1999年的987.79 kg/hm2增加到2014年的1 076.26 kg/hm2，農(nóng)地利用碳排放量與農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度年均增長(zhǎng)率分別為2.25%和0.52%。對(duì)于湖南省來(lái)說(shuō)仍然要注意農(nóng)業(yè)碳排放量不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，湖南省農(nóng)業(yè)碳減排壓力仍然存在。

（2）湖南省各地州市的農(nóng)地利用碳排放量在空間上呈現(xiàn)“東高西低”的特征，農(nóng)地利用碳排放總量排名前五的地區(qū)分別為常德、岳陽(yáng)、衡陽(yáng)、益陽(yáng)、長(zhǎng)沙，與地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相一致，農(nóng)業(yè)比重大的地區(qū)農(nóng)地利用碳排放量也較大;農(nóng)地利用碳排放強(qiáng)度排名前五的地區(qū)分別為岳陽(yáng)、湘潭、郴州、益陽(yáng)、長(zhǎng)沙，集聚效應(yīng)明顯;湖南省農(nóng)地利用高碳排放區(qū)始終分布在東北部和東南部，是未來(lái)農(nóng)業(yè)碳減排的重點(diǎn)區(qū)域。

（3）基于GIS圖層疊加功能的湖南省農(nóng)地利用碳排放與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平值空間格局演變特征表明，湖南省農(nóng)地利用碳排放量水平與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的投入和運(yùn)用有著直接的關(guān)系。從2010年到2014年農(nóng)地利用碳排放量和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的年均增長(zhǎng)率可以看出，湖南省農(nóng)地利用碳排放水平是相對(duì)減弱的。

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