河南省中北部不同土地利用類型凈碳匯及其價值

滕永忠，白保勛，陳東海，徐婷婷，宋長新，王衛(wèi)華

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，河南 鄭州 450002； 2.鄭州市農(nóng)林科學(xué)研究所，河南 鄭州 450005； 3.開封市國有林場，河南 開封 475000； 4.周口市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，河南 周口 466000)

生產(chǎn)活動與化石燃料燃燒等活動釋放了種類與數(shù)量較多的溫室氣體，改變了大氣成分。其中，CO2排放量最多，對溫室效應(yīng)作用最大[1-3]。大氣成分的變化對氣候、自然環(huán)境等造成了不良影響[4-6]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界上最大的CO2排放國[7-9]。

物資和能量投入對農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)起到積極作用，但是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動與過量的物質(zhì)投入會增加農(nóng)田碳投入量[3-4]。農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動投入形式有機械柴油與電能2 種，前者包括耕作、播種、收獲等柴油消耗，后者為灌溉電能投入；農(nóng)林業(yè)物資投入為化肥(氮、磷、鉀肥)與農(nóng)藥(殺蟲劑、除草劑)[3-12]。

農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是在一定地域內(nèi)相互作用的生物因素和非生物因素構(gòu)成的功能整體，綠色植物通過光合作用，吸收CO2釋放O2，凈化空氣[13-14]。在農(nóng)林業(yè)生態(tài)服務(wù)功能中，植物凈碳匯對生態(tài)系統(tǒng)價值的貢獻較大[15-16]。現(xiàn)有的研究主要對林木和糧經(jīng)作物凈碳匯進行探討，對果樹、設(shè)施農(nóng)業(yè)進行的研究較少。多年生林木、果樹和生長周期較短的糧經(jīng)作物在研究方法上存在較大差異，糧經(jīng)作物核算凈碳匯時扣除了碳投入，而林地、果園、城鎮(zhèn)綠地核算凈碳匯時未考慮碳投入，從而導(dǎo)致農(nóng)林業(yè)凈碳匯無法進行精確比較。農(nóng)林業(yè)一般處于同一個生態(tài)系統(tǒng)之中，故嘗試采用統(tǒng)一的方法，把碳投入納入凈碳匯計算，量化評價農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能，對進一步了解農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳收支，科學(xué)高效地經(jīng)營管理農(nóng)林業(yè)資源具有重要的現(xiàn)實意義[17-18]。

鑒于此，調(diào)查河南省中北部農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動與物資投入，確定農(nóng)林業(yè)碳投入量，測定不同種類植物凈生產(chǎn)力，計算植物固碳量，根據(jù)不同種類植物凈碳匯，用碳稅法計算不同種類植物與土地利用類型凈碳匯的價值，旨在為農(nóng)林業(yè)資源合理利用與低碳農(nóng)林業(yè)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省中北部屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期、干冷同季、災(zāi)害天氣頻繁。春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雨。年平均溫度14.0～14.3 ℃，年平均降雨量599.5～707.0 mm。

該區(qū)域東部為平原，中部為低山丘陵，西部為山地。地帶性土壤為棕壤及褐土，東西方向上變化顯著，由東向西逐漸由潮土、褐土過渡到棕壤；受地形、母質(zhì)、時間和人類活動等多種因素影響，土壤類型多樣化，主要有褐土、潮土、風(fēng)砂土、棕壤與水稻土等。

河南省中北部植被受地形和氣候的影響，呈現(xiàn)出平原到山地不同環(huán)境的過渡性，同時，受人類活動的影響較大。按照經(jīng)營目的、植物種類與生長環(huán)境的差異，把河南省中北部分為糧經(jīng)作物、露地蔬菜、溫室作物、果園、林地、城鎮(zhèn)綠地6個土地利用類型。

1.2 研究方法

1.2.1 碳投入量 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中碳投入量主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動耗能與物資投入碳排放量的總和。碳投入量按照以下公式計算[19-20]：

(1)

式中，Ct為碳投入量，單位：kg/(hm2·a)；i為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程能源消耗種類，包括柴油、電能等；Cti為第i種能源消耗碳投入量，單位：kg/(hm2·a);j為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料消耗種類，包括農(nóng)藥、化肥等；m為生產(chǎn)資料消耗量，單位：kg/(hm2·a)，β為第i種生產(chǎn)資料的碳排放參數(shù)。不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的碳排放參數(shù)：施用1 kg N，碳投入量1.56 kg；施用1 kg P2O5，碳投入量1.63 kg；施用1 kg K2O，碳投入量0.65 kg；施用1 kg除草劑，碳投入量6.3 kg；施用1 kg殺蟲劑，碳投入量5.1 kg；電能碳投入量 0.25 kg/(kW·h)；柴油碳投入量0.94 kg/kg[21-22]。

在6個土地利用類型中，林地、果園、城鎮(zhèn)綠地中植物為多年生，取年碳投入量的多年平均值作為其碳投入量；糧經(jīng)作物中植物為一年兩茬輪作的草本，碳投入量為主要植物年碳投入量平均值的2倍；露地蔬菜與溫室作物碳投入量均按照1 a內(nèi)輪作作物碳投入量總和計算。

1.2.2 固碳量 在河南省中北部不同土地利用類型中，選擇有代表性的植物，在植物生長季節(jié)設(shè)置樣地。喬木林樣地規(guī)格：10 m×10 m，灌木林樣地規(guī)格：5 m×5 m，草本群落樣地規(guī)格：2 m×2 m。用收獲法測定不同種類植物生物量，多年生植物用其總生物量除以生長年限得到凈生產(chǎn)力；生命周期不超過1 a的植物，其生物量即為凈生產(chǎn)力[23-24]。

不同種類植物固碳量用以下公式計算[23]：

G碳=1.63R碳B年

(2)

式中，G碳為植物年固碳量，單位：kg/(hm2·a)；B年為植物凈生產(chǎn)力，單位：kg/(hm2·a)；R碳為CO2中碳的含量，為27.27%。

在6個土地利用類型中，林地、果園、城鎮(zhèn)綠地取植物年固碳量的平均值，作為其固碳量；糧經(jīng)作物固碳量以主要植物固碳量平均值的2倍計算；露地蔬菜與溫室作物固碳量按照1 a內(nèi)輪作作物固碳量總和計算。

1.2.3 凈碳匯及其價值 用固碳量減去相應(yīng)的碳投入量得到不同種類植物的凈碳匯，用碳稅法評價不同種類植物凈碳匯的價值[11-12]。

U碳=C碳(G碳-Ct)

(3)

式中，U碳為植物年固碳價值，單位：元/(hm2·a)；G碳為植物年固碳量，單位：kg/(hm2·a)；Ct為碳投入量，單位：kg/(hm2·a)；C碳為碳的價格，單位：元/kg，2015年人民幣與美元的平均匯率為6.228 4，碳稅率折合人民幣為0.934 元/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類植物凈碳匯及其價值

2.1.1 碳投入量 根據(jù)調(diào)查結(jié)果，用公式(1)計算不同種類植物碳投入量。由表1可知，糧經(jīng)作物碳投入量由大到小的順序為水稻、小麥、玉米、花生；露地蔬菜碳投入量由大到小的順序為番茄、黃瓜、蓮藕、豆角、白菜、蘿卜；溫室作物碳投入量由大到小的順序為番茄、黃瓜、菜椒、菊花、辣椒；果園碳投入量由大到小的順序為柿樹、蘋果、葡萄、桃樹、棗樹、核桃；林地碳投入量由大到小的順序為金銀花、泡桐、楊樹、柳樹、國槐、油松、柏木、刺槐；城鎮(zhèn)綠地碳投入量由大到小的順序為月季、懸鈴木、紫薇、雪松、銀杏、石楠、黃山欒、女貞。

表1 不同種類植物的碳投入量 Tab.1 Carbon input of different plant species kg/(hm2·a)

續(xù)表1 不同種類植物的碳投入量 Tab.1(Continued) Carbon input of different plant species kg/(hm2·a)

2.1.2 固碳量 按照公式(2)計算不同種類植物的固碳量。由表2可知，糧經(jīng)作物固碳量由大到小的順序為水稻、玉米、小麥、花生；露地蔬菜固碳量由大到小的順序為蘿卜、白菜、蓮藕、黃瓜、番茄、豆角；溫室作物固碳量由大到小的順序為辣椒、菜椒、番茄、黃瓜、 菊花；果園固碳量由大到小的順序為柿樹、葡萄、核桃、蘋果、桃樹、棗樹；林地固碳量由大到小的順序為刺槐、國槐、楊樹、泡桐、柳樹、油松、柏木、金銀花；城鎮(zhèn)綠地固碳量由大到小的順序為懸鈴木、銀杏、石楠、雪松、女貞、黃山欒、紫薇、月季。

表2 不同種類植物的固碳量Tab.2 Carbon fixation of different plant species kg/(hm2·a)

2.1.3 凈碳匯及其價值 用不同種類植物固碳量減去其碳投入量，得到凈碳匯。由表3可知，糧經(jīng)作物凈碳匯及其價值由大到小的順序為水稻、玉米、小麥、花生；露地蔬菜凈碳匯及其價值由大到小的順序為蘿卜、白菜、蓮藕、黃瓜、豆角、番茄；溫室作物凈碳匯及其價值由大到小的順序為辣椒、菜椒、番茄、菊花、黃瓜；果園凈碳匯及其價值由大到小的順序為柿樹、葡萄、核桃、蘋果、桃樹、棗樹；林地凈碳匯及其價值由大到小的順序為刺槐、國槐、楊樹、泡桐、柳樹、油松、柏木、金銀花；城鎮(zhèn)綠地凈碳匯及其價值由大到小的順序為懸鈴木、銀杏、石楠、雪松、女貞、黃山欒、紫薇、月季。

表3 不同種類植物的凈碳匯及其價值Tab.3 Net carbon sink and their value of different plant species

2.2 不同土地利用類型凈碳匯及其價值

2.2.1 碳投入量 根據(jù)不同種類植物碳投入量，計算不同土地利用類型碳投入量。由表4可知，不同土地利用類型碳投入量，溫室作物最大，其后依次為露地蔬菜、糧經(jīng)作物、果園、城鎮(zhèn)綠地，林地最小。為了獲得較高產(chǎn)量的蔬菜產(chǎn)品，溫室作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與物資投入較多；露地蔬菜化肥與農(nóng)藥使用量較大，碳投入量較高；糧經(jīng)作物與果園碳投入量中等；城鎮(zhèn)綠地與林地以多年生木本植物為主，前者需要修剪、施肥、噴藥，后者一般除了噴藥，經(jīng)濟林與豐產(chǎn)林施用化肥之外，不采取其他管理措施，碳投入量較低。

2.2.2 固碳量 根據(jù)不同種類植物固碳量，計算不同土地利用類型固碳量。由表5可以看出，不同土地利用類型固碳量以溫室作物最大，其后依次為露地蔬菜、糧經(jīng)作物、果園、城鎮(zhèn)綠地、林地。溫室作物生長過程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與物資投入量高，即碳投入量高，植物生長加快，固碳量較高。城鎮(zhèn)綠地與林地一般生長在立地條件較差的區(qū)域，以自然生長為主，碳投入量較小，固碳量較低；果園碳投入量較高，促進結(jié)果與果實生長，因此果實生物量所占比例較大，凈生產(chǎn)力較高，固碳量較高。

2.2.3 凈碳匯及其價值 根據(jù)不同種類植物凈碳匯及其價值，計算不同土地利用類型凈碳匯及其價值。由表6可知，不同土地利用類型凈碳匯及其價值由大到小的順序為溫室作物、露地蔬菜、糧經(jīng)作物、城鎮(zhèn)綠地、林地、果園。不同土地利用類型的凈碳匯及其價值主要取決于其固碳量與碳投入量，固碳量較高，碳投入量較低的土地利用類型具有較高的凈碳匯及價值。

表4 不同土地利用類型的碳投入量Tab.4 Carbon input of different land-use types kg/(hm2·a)

表5 不同土地利用類型的固碳量Tab.5 Carbon fixation of different land-use types kg/(hm2·a)

表6 不同土地利用類型的凈碳匯及其價值Tab.6 Net carbon sink and their value of different land-use types

3 結(jié)論與討論

不同類型植物生長的環(huán)境差別較大，在河南省中北部的東部平原區(qū)，以農(nóng)作物種植為主；在中西部丘陵區(qū),林木、果樹與農(nóng)作物相間分布，在較為平坦的區(qū)域一般種植農(nóng)作物，在坡度較小的區(qū)域栽培果園，在坡度較大的區(qū)域種植林木；城鎮(zhèn)綠地主要種植多年生喬木與灌木、草本植物。糧經(jīng)作物在農(nóng)作物中所占面積較大，其次為露地蔬菜，溫室作物種植面積較小。溫室作物、露地蔬菜、糧經(jīng)作物雖然均為農(nóng)作物，但是獲取的農(nóng)產(chǎn)品差別較大，生長狀況差別較大。溫室作物與露地蔬菜生長環(huán)境有較大差別，所以分別歸為2個土地利用類型；城鎮(zhèn)綠地主要植物群落為多年生木本與草本植物，立地條件較差，受人為影響較大，生長較慢。

為了獲得更高的產(chǎn)量，溫室作物化肥和農(nóng)藥使用量較大，生產(chǎn)管理投入量較大，在不同土地利用類型中，碳投入量最大；露地蔬菜輪作茬數(shù)多于糧經(jīng)作物，化肥和農(nóng)藥使用量較多，機械耗能較高，其碳投入量僅次于溫室作物；糧經(jīng)作物能量消耗和物質(zhì)投入小于露地蔬菜，在以上3種土地利用類型中碳投入量最小。在多年生木本植物中，果園需要精細管理，能量和物質(zhì)消耗量最大，碳投入量最大。新營造的森林在成林之后，除了噴藥防治病蟲害，基本無其他碳投入，碳投入量最低。多年生木本植物碳投入量小于生長期較短的草本植物。

在某一地域，農(nóng)業(yè)和林業(yè)共處于同一個生態(tài)系統(tǒng)，不同種類植物是農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，提供生態(tài)、生產(chǎn)、生活等多種功能。綠色植物可以吸收二氧化碳，排放氧氣，對于改善城鄉(xiāng)空氣質(zhì)量具有重要作用。從觀測計算結(jié)果來看，人工種植的草本植物，包括溫室作物、露地蔬菜、糧經(jīng)作物等，生長較快、固碳量較大；在多年生木本植物中，果樹年生長量最大，其后為城鎮(zhèn)綠地、林地，因此其固碳量也依次降低。 農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動與物資投入將增加農(nóng)林業(yè)碳投入，降低了農(nóng)林業(yè)凈碳匯，過量化肥投入是農(nóng)林業(yè)碳排放的主要來源，化肥進入土壤分解釋放的氣體也是造成霧霾的原因之一[25-28]。因此，大力推廣測土配方施肥、水肥一體化、精準施肥、氮肥深施、多施有機肥等，以提高肥料利用率，達到降低碳排放目的。推廣免耕、少耕等保護性耕作措施，有利于土壤固碳，提高土壤肥力，減少作物生產(chǎn)中肥料的施用量[11]。建議在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中增加凈碳匯較大種類植物的種植面積，提高農(nóng)林業(yè)植被凈碳匯價值。當(dāng)前，對林木凈碳匯價值已經(jīng)實施了生態(tài)補償，與林木相比，農(nóng)作物凈碳匯價值更高，但是其凈碳匯價值未進行生態(tài)補償，建議把農(nóng)作物凈碳匯納入生態(tài)補償體系，減少農(nóng)作物碳投入，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，充分發(fā)揮農(nóng)作物凈化空氣的生態(tài)功能。