綿陽市1985-2015年農田作物碳儲量動態(tài)研究

王藝積

(1.四川師范大學 地理與資源科學學院，四川 成都 610068；

2.四川師范大學 西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室，四川 成都 610068)

20世紀70年代以來全球氣候變化成為熱點話題，自然和社會科學家開始研究全球氣候變化。20世紀90年代，隨著美國全球變化研究計劃的制定，越來越多的科學家開始著手研究全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)。作為全球碳循環(huán)中最復雜的同時受人類活動影響最大的方面，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其變化已成為國際地圈生物圈計劃(IGBP)、世界氣候研究計劃(WCRP)和國際全球環(huán)境變化人文因素計劃(IHDP)等國際重大科學計劃的主題[1，2]。隨著經濟社會的發(fā)展，人類對資源的需求不斷增大，在發(fā)展過程中不斷的開發(fā)利用自然環(huán)境中的土地、糧食、森林和能源等，利用自然資源同時也給自然環(huán)境和自然資源帶來了眾多的問題。環(huán)境關乎人類的生存和發(fā)展，解決環(huán)境問題如今已經成為迫在眉睫的任務。而人類不斷的使用化石原料、開墾、秸稈焚燒等活動增加了空氣中(CO2)的濃度，對陸地生態(tài)系統(tǒng)以及人類的生存和發(fā)展帶來了嚴重的影響[3，4]，陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量研究也成為一個地區(qū)和一個國家研究的重要課題[5]。近年來大量的科學家對森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫[6，8]、草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫[8，9]、土壤碳儲量[10]、城市植被碳固存[11-13]等進行了分析研究。中國作為一個農業(yè)大國，農田面積廣闊，從20世紀90年代起中國學者就開始對農田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)進行綜合研究和論證[14-17]。對中國農田生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域碳儲量的研究不僅有助于深化農田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)理論，同時對于探索低碳農業(yè)發(fā)展道路以及農田生態(tài)系統(tǒng)增碳減排具有重要意義[18-20]。在這樣的背景下，本文以四川省綿陽市為研究對象，以四川省綿陽市主要農作物碳儲量為研究內容，在借鑒以往研究的基礎上，對當地基本概況進行分析，調查和收集相關數據，利用農田植被碳庫估算方法對四川省綿陽市主要農作物植被碳儲量、碳密度動態(tài)以及植被碳儲量的構成進行分析，為該地區(qū)農業(yè)生產結構調整、種植業(yè)低碳化發(fā)展提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然條件

綿陽市位于四川省西北部，介于30°42′N～33°03′N、103°45′E～105°43′E，坐落在涪江中上游地帶。全市呈西北東南向條帶狀，東西寬約144 km，南北長約296 km，轄區(qū)面積20 248.4 km2。境內多山區(qū)丘陵，地形起伏大，地勢為西北部高，東南部低，平均海拔700 m。屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣候總體平穩(wěn)，年內光熱充足、大部地區(qū)雨水調勻、暴雨天氣偏少、洪澇災害偏輕。

1.2 社會經濟條件

綿陽市轄1市3區(qū)5縣。1市為江油市，3區(qū)為涪城區(qū)、游仙區(qū)、安州區(qū)，5縣為三臺縣、梓潼縣、鹽亭縣、平武縣、北川羌族自治縣。2015年綿陽市總人口545.48萬人，其中農業(yè)人口355.47萬人。全年實現(xiàn)地區(qū)生產總值1 700.33億元，人均地區(qū)生產總值35 754元；農作物總播種面積66.36×104hm2，耕地面積28.23×104hm2，糧食總產量220.90×104t。綿陽市土壤以肥沃的沖積土、水稻土或紫色土為主，土壤結構類型好，土層深厚、理化性狀好，有利于農作物的生長，該區(qū)域種植業(yè)農作物種類繁多，以糧食生產為主，其中水稻、玉米等是該地區(qū)的主要大春作物，該地區(qū)小春作物主要為小麥、油菜等。

表1 綿陽市2015年土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of land use status in Mianyang City in 2015 /hm2

2 材料與方法

2.1 數據來源

本研究以30年(1985～2015年)為研究時段。所涉及的耕地面積、各類種植作物播種面積及產量等數據資料來源于《綿陽市統(tǒng)計年鑒2010年版》、1999～2016年《綿陽市統(tǒng)計年鑒》和其他相關文獻?！毒d陽市統(tǒng)計年鑒》是一部全面反映綿陽經濟和社會發(fā)展情況的綜合性年刊，由綿陽市統(tǒng)計局編輯發(fā)布。

2.2 研究方法

2.2.1 模型計算法

本文主要采用模型計算法，該方法將農作物產量、農作物經濟系數、農作物平均含碳率、農作物果實水分系數等通過一定的轉換系數換算成碳儲量[14]。農田生態(tài)系統(tǒng)碳儲量是區(qū)域內農田生態(tài)中農作物碳元素的總儲備量，單位面積上的碳儲量既是碳密度，利用含碳率轉換作物樣方生物量進而估算樣地尺度的作物植被碳儲量，根據相關作物的估算參數以及統(tǒng)計數據來估算其余尺度作物植被碳儲量。其計算公式如下[14]：

(1)

(2)

式中：S為區(qū)域作物碳儲量(t)；Si為第i類作物的碳儲量(t)；n為物種數；Ci為第i類作物的含碳率(%)；Qi為第i類作物的作物產量(t)；fi為第i類作物收獲部分(果實)水分系數；Ei為第i類作物的經濟系數(收獲指數)(%)；D為區(qū)域作物平均碳密度(t·hm-2)；A為區(qū)域耕地面積(hm2)。

國內外學者對農田植被的平均含碳率以及經濟和水分系數的研究測量中，由于農業(yè)生產的地區(qū)性，在不同條件下的不同作物，其經濟系數是不一樣的[21]。但是同一種植被農作物，在同一區(qū)域內盡管受到不同時間內地形、土壤、氣溫、光照和降水等因素的影響，但是單位面積上植被的生物量、經濟系數和收獲部分(果實)水分系數相對固定，通過查閱文獻[1，22-24]選取相近區(qū)域內各項參數并結合生產實際得到綿陽市農田生態(tài)系統(tǒng)主要農作物碳儲量估算主要參數(果實水分系數、含碳率、經濟系數、)如表2。

表2 綿陽市主要農作物植被碳儲量估算參數Tab.2 Estimation parameters of vegetation carbon storage for main crops in Mianyang

注：①其它作物包括花生、高粱、棉花、豆類(胡豆、大豆和豌豆).②表中數據參考相關文獻[1，23-25]取值.

2.2.2 數理統(tǒng)計分析

本文主要采用變異系數法并結合當地實際情況，對綿陽市30年來農田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)發(fā)展特征進行研究。變異系數又叫標準離差率，為標準差與平均值之比，其可以反映序列的離散程度。本文根據綿陽市30年來(1985-2015年)主要農作物的單產數據，通過求取主要農作物單產的變異系數，分析綿陽市農田種植業(yè)發(fā)展水平的變化特征，其具體計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

3 結果與分析

3.1 農田種植業(yè)發(fā)展總體特征

通過統(tǒng)計綿陽市30年來(1985～2015年)耕地面積，并計算相對應的復種指數，得到復種指數和耕地面積變化情況(圖1)。

從圖1看出，綿陽市近30年來耕地面積呈明顯下降趨勢，而復種指數總體呈上升趨勢。耕地面積由1985年的35.281 2×104hm2下降到2015年的28.227 3×104hm2，總體減少19.99%，這主要是由于該市經濟發(fā)展促進了城鎮(zhèn)建設，加速了城市化進程的結果。另一方面該市復種指數由1985年的183.44 %增長到2015年的235.09 %，增長幅度為28.16%，表明其耕地利用愈加合理化，集約化程度較初期有所提高。從該市近30年來作物種植構成變化統(tǒng)計表(表3)中可以看出綿陽市種植結構以糧食作物為主，經濟作物為輔，糧經結構穩(wěn)定，糧經比總體保持在75∶25水平。其中，糧食作物以水稻、小麥、玉米為主，3者種植面積合計占全市種植面積長年保持在一半以上；經濟作物以油菜、花生為主，二者30年平均種植面積占全市種植面積的23.59%?？偨Y綿陽市近30年來作物種植構成得出在該市的主要農作物是水稻、小麥、玉米、豆類、油菜、花生。

圖1 綿陽市30年耕地面積及復種指數變化Fig.1 Change of cropland area and multiple cropping index in Mianyang during 30 years

表3 綿陽市30年來作物種植構成變化統(tǒng)計Tab.3 Statistics of crop composition change in Mianyang during 30 years /%

3.2 主要農作物生產水平變化

統(tǒng)計綿陽市30年來(1985～2015年)主要作物單產，得到綿陽市1985～2015年作物單產變化。再利用公式(5)計算得到綿陽市6種主要作物的單產變異系數，其結果見表4、圖2。

表4 綿陽市30年來主要農作物單產變化Tab.4 Changes of main crop yield in Mianyang during 30 years

圖2 綿陽市30年來主要作物單產變化
Fig.2 Changes of main crop yield in Mianyang during 30 years

通過圖2和表4可以看出近25年來綿陽市6種主要作物單產中，水稻多年平均單產最高(7.67 t/hm2)，豆類多年平均單產最低(1.82 t/hm2)。6種主要作物在單產變化上均呈現(xiàn)波動上升趨勢，其中花生增長幅度最大(126.19%)，小麥增長幅度最小(15.74%)。由表4中變異系數值可知，綿陽市30年來6種主要農作物中花生、玉米和豆類的單產波動程度較大，其中花生的變異系數高達25.12%；水稻、小麥和油菜波動較小，變異系數均在10%以下。

3.3 主要農作物碳儲量與碳密度的動態(tài)變化

將綿陽市30年(1985～2015年)作物產量數據和該區(qū)主要農作物碳儲量估算參數(表2)帶入公式(1)可以得到綿陽市30年(1985～2015年)農田生態(tài)系統(tǒng)主要農作物碳儲量動態(tài)變化，再將該地區(qū)主要農作物碳儲量歷年估算值與綿陽市30年來(1985～2015年)歷年耕地面積數據代入式(2)，即得到該區(qū)30年農田生態(tài)系統(tǒng)主要農作物碳密度的動態(tài)變化(圖3)。

圖3 主要農作物作物碳儲量和碳密度動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes in carbon storage and carbon density of major crop crops in Mianyang during 30 years

對圖3進行分析得出，由于受農作物播種面積變化、單產波動以及農田種植業(yè)結構調整等綜合因素的影響，綿陽市30年(1985～2015年)主要農作物碳儲量動態(tài)出現(xiàn)較明顯的波動?？傮w上，該市農田主要農作物碳儲量和碳密度呈波動增長趨勢，從表5看出主要農作物碳儲量從20世紀90年代的235.38×104t增長到近幾年的264.54×104t；碳密度從20世紀90年代的4.83 t/hm2增長到近幾年的5.36 t/hm2。主要農作物碳儲量與碳密度最高值均出現(xiàn)在2015年，達277.12×104t、5.50 t/hm2；最低值均在1986年，為201.47×104t、4.15 t/hm2，相差達75.65×104t、1.35 t/hm2。在20世紀90年代，該市主要農作物碳儲量與碳密度波動劇烈。從碳儲量整個波動趨勢來看，1986年到1992年該地區(qū)的主要農作物碳儲量呈緩慢上升的趨勢，這與該地區(qū)耕地面積變化和農作物的結構調整有關；1992年～1994年，該地區(qū)出現(xiàn)了碳源的特征，這主要與該地區(qū)水稻、玉米和豆類作物的單產減少有關；1994年～2001年，該地區(qū)主要農作物碳儲量微弱增長，1994年到1995年增長、1995年到2000年持平、2000年到2001年下降，基本回到1994年水平，期間變化趨勢與主要作物單產變化趨勢大致相同；從2001年～2010年這10年間，綿陽市的主要農作物碳儲量呈現(xiàn)緩慢、持續(xù)和穩(wěn)定增長的碳匯的特征，這樣的特征與該地區(qū)經濟發(fā)展水平的提高，農業(yè)生產技術改進以及農作物復種指數不斷的提高有關。從碳密度的增長走向來看，碳密度的主要增長期在1987到1992年、1994年到2000年，2001年以后則出現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，這與21世紀以來不斷提高和農業(yè)生產技術的改進，農業(yè)產業(yè)結構調整，農業(yè)管理加強和農作物單位面積生物量增大有關。

表5 綿陽30年來主要農作物碳儲量及碳密度變化Table5 Dynamic changes in carbon storage and carbon density of major crop crops in Mianyang during 30 years

30年來綿陽市種植業(yè)呈耕地面積減少的趨勢，與此同時農作物碳密度卻呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，其中的主要影響因素有農田種植業(yè)結構調整、農業(yè)生產技術的提升、集約化程度提高促使復種指數的增長以及單位面積的生物量增多，從而導致農作物碳密度提高。

3.4 主要農作物碳儲量的構成

根據綿陽市主要農作物碳儲量和植被碳密度值，可以得到綿陽市30年來(1985年～2015年)農田主要農作物碳儲量構成特征(圖4)以及碳密度動態(tài)(圖5)。

圖4 綿陽市主要農作物碳儲量構成Fig.4 Carbon storage composition of main crops in Mianyang

從圖4可以看出在整個農作物碳儲量中水稻占比最大，其次是小麥和油菜，各種農作物碳儲量占比由大到小依次是：水稻(33.83%)、小麥(26.55%)、油菜(20.40%)、玉米(14.78%)、花生(2.52%)、豆類(1.92%)。其中大春作物主要以水稻為主，在幾類農作物中碳儲量所占比重最高，小春作物主要是小麥、玉米和油菜，所占的比重相對較小，這與綿陽市主要位于秦嶺淮河以南的亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。熱量充足，氣溫年較差較小；降水豐富，雨熱同期，且位于四川盆地土壤肥沃的紫色土地帶、地勢平坦，又有涪江、安昌江、鄧河流灌溉水源充足有利于水稻的種植，種植面積大等有關。其次小麥和油菜的植被碳儲量較高，是因為由于氣溫、降水和地形等因素的影響，四川也是主要的冬小麥和油菜種植較廣的地區(qū)有關。

圖5 綿陽30年來主要農作物碳密度動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of carbon density of main crops in Mianyang during 30 years

通過分析圖5可知，從多年平均碳密度來看是水稻(6.44 t/hm2)>油菜(5.61 t/hm2)>小麥(5.25 t/hm2)>玉米(3.62 t/hm2)>花生(2.69 t/hm2)>豆類(2.13 t/hm2)；從年際變化來看，主要農作物碳密度均呈波動增長趨勢，其中增長幅度最大的是花生(126.19%)，增長幅度最小的是小麥(15.74%)。

圖6 綿陽市30年來不同類型農作物碳儲量占比Fig.6 Carbon storage ratio of different types of crops in Mianyang during 30 years

綜合圖4和圖6可以看出，30年綿陽市糧食作物與經濟作物碳儲量占比前期呈現(xiàn)波動趨勢，其中糧食作物碳儲量占比在70%～80%波動，經濟作物碳儲量占比在20%～30%波動。近期年糧食作物占比逐年減小，但減小幅度不大，總體呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢。其中糧食作物與經濟作物最大比在1997年，分別占比81.54%和18.46%；最小比在2015年，分別占比69.9%和30.1%。從1998年至今，經濟作物碳儲量占比呈上升趨勢.可見在農業(yè)產業(yè)結構調整、農業(yè)管理深化改革等因素影響下，種植業(yè)結構在保持糧食作物主要成分的同時也正向經濟作物偏移。

4 結論與討論

通過對綿陽市農田生態(tài)系統(tǒng)主要農作物碳儲量以及碳密度動態(tài)變化估算與分析，可以看出30年來該市農田生態(tài)系統(tǒng)植被總碳儲量和碳密度都有一定程度的提高，具有碳匯效應，但同時增長趨勢又呈現(xiàn)波動，較不穩(wěn)定。

根據以上研究結果，對綿陽市種植業(yè)發(fā)展提出以下建議：第一，該區(qū)農田生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量的構成以水稻為主，為了維持和穩(wěn)定該區(qū)農田植被碳儲量，應加大對水稻種植技術的研究，提高水稻的單位面積產量，既滿足人民基本的糧食需要，又能增加農田植被的碳產量；第二，提高經濟作物的種植面積，適當增加小麥，油菜等作物的面積，在保障農業(yè)經濟發(fā)展的同時，提高綿陽市農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的植被碳儲量；第三，大力引進先進農業(yè)生產技術，改變傳統(tǒng)耕作方式，普及農業(yè)機械化生產，提高農業(yè)生產集約化程度。結合先進土壤科學技術，通過改良土壤、培養(yǎng)地力，提高耕地質量，從根本上夯實農業(yè)發(fā)展基礎，從而提高土壤的碳匯能力和農田植被的碳儲量和碳密度。進一步調整農田種植業(yè)產業(yè)結構，加強農業(yè)生產管理，提高農田作物單產與復種指數，發(fā)展低碳農業(yè)；第四，人居環(huán)境與農業(yè)生產環(huán)境相結合，大力發(fā)展現(xiàn)代化農業(yè)，實現(xiàn)農旅結合。按照種植種類和產業(yè)結構進行布局規(guī)劃，發(fā)展生態(tài)農業(yè)、環(huán)保農業(yè)。結合鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，加大對現(xiàn)代化、規(guī)范化、可持續(xù)化的生產活動的支持，不僅是地養(yǎng)人，更要人養(yǎng)地。合理布置種植模式，種出糧食的同時也要種出風景，將農業(yè)與旅游相結合，推進觀光農業(yè)和生態(tài)旅游。