遵義市近60年的農(nóng)田生態(tài)匯及碳足跡變化

張寶成，李德輝，張 麗

(1.遵義師范學(xué)院 生物與農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，貴州 遵義 563000； 2.遵義師范學(xué)院 山地生態(tài)研究所，貴州 遵義 563000)

溫室氣體排放增加造成氣候變暖，由此引發(fā)的干旱、病蟲害爆發(fā)等對(duì)農(nóng)作物的碳吸收產(chǎn)生不同程度的影響[1-2]。植物通過(guò)光合作用減少溫室氣體CO2。有關(guān)自然系統(tǒng)中森林[3-4]和草地[5-7]碳吸收的研究較多，對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)的研究集中在糧食和蔬菜為人類提供食物資源的能力，而忽視其碳匯功能。黔北山區(qū)農(nóng)業(yè)較同緯度其他區(qū)域生產(chǎn)能力低，如果不能考慮其吸收溫室CO2功能，將不能客觀評(píng)價(jià)該區(qū)域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生態(tài)價(jià)值。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，黔北山區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展已成為共識(shí)，生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)對(duì)其可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。生態(tài)足跡是評(píng)價(jià)可持續(xù)發(fā)展的重要方法[9-11]，通過(guò)利用特定區(qū)域資源消耗與產(chǎn)生廢棄物轉(zhuǎn)化為可度量的土地面積評(píng)價(jià)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的壓力。已有的研究表明，國(guó)內(nèi)關(guān)于碳足跡的研究處于初級(jí)階段[12]，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化造成區(qū)域生態(tài)壓力增加，工業(yè)CO2排放量增加是導(dǎo)致生態(tài)足跡增加的重要因子[13]。楊皓然等[12]從對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源(碳匯)影響較大的種植面積、農(nóng)業(yè)投入及農(nóng)作物產(chǎn)量等因素著手，定量測(cè)算2003—2012年濰坊市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源(碳匯)并分析其碳足跡的變化。

目前，有關(guān)農(nóng)田碳匯變化的研究大尺度較多，王敬哲等[14-20]先后對(duì)新疆、江蘇、重慶、山東及云南等地的碳匯進(jìn)行研究。但是在喀斯特區(qū)域，缺乏地級(jí)市、時(shí)間跨度大的農(nóng)田碳匯研究。鑒于此，采用農(nóng)田系統(tǒng)碳匯計(jì)算方法研究遵義市近60年農(nóng)田碳匯及碳足跡的時(shí)空變化，以期為喀斯特山區(qū)的低碳農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遵義市(E106°17′22″～107°26′25″，N27°13′15″～28°04′09″)位于貴州省北部，海拔800～1 300 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫15.1℃；丘陵和山地分別占28.35%和65.08%，1949-2008年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值平均為411.36億元，主要農(nóng)作物有水稻、玉米、油菜、薯類、烤煙和蔬菜，是全國(guó)四大優(yōu)質(zhì)烤煙產(chǎn)區(qū)之一。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

遵義市近60年(1949—2008年)的主要農(nóng)作物碳匯、播種面積、化肥用量和灌溉面積等數(shù)據(jù)，來(lái)自于《遵義60年》。

1.3 研究方法

1.3.1 遵義市的農(nóng)田碳匯 植物通過(guò)光合作用把CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)物儲(chǔ)藏于體內(nèi)的過(guò)程，是農(nóng)田系統(tǒng)碳匯的重要過(guò)程。參照文獻(xiàn)[21-23]的方法計(jì)算1949—2008年遵義市近60的農(nóng)田碳匯(T)。

式中，T表示農(nóng)田系統(tǒng)總碳匯，Wi表示第i種農(nóng)作物的含水率，Ci表示第i種農(nóng)作物的含碳率，Ri表示第i種農(nóng)作物的根冠比，Yi表示第i種農(nóng)作物的收獲產(chǎn)量，Hi表示第i種農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。不同作物用于計(jì)算農(nóng)田碳匯的各指標(biāo)值詳見表1。

表1 不同農(nóng)作物用于計(jì)算農(nóng)田碳匯的各指標(biāo)值Table 1 Various index value for different crops

1.3.2 遵義市農(nóng)田系統(tǒng)的碳排放 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中消耗碳主要是灌溉、農(nóng)機(jī)使用、化肥使用及翻耕消耗的碳。該研究?jī)H對(duì)主要的碳排放途徑進(jìn)行碳排放估算(Et)。

Et=Gf×a+[(Am×b)+(Wm×c)]+

Gs×d+Gi×e

式中，Et表示研究區(qū)總碳排放量，Gf表示農(nóng)田化肥用量，Am表示農(nóng)作物種植面積，Wm表示消耗農(nóng)機(jī)動(dòng)力，Gs表示農(nóng)機(jī)械運(yùn)輸用電量，Gi表示農(nóng)業(yè)翻耕，a～e均表示碳轉(zhuǎn)化系數(shù)[17-20](其值分別為0.895 6kg/kg、16.47kg/hm2、0.18kg/kW、0.592 7kg/kg和266.48kg/hm2)。

1.3.3 遵義市農(nóng)田的碳足跡 碳足跡(CEF)是指由企業(yè)機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品或個(gè)人的“碳耗用量”引起的溫室氣體(CO2)排放的集合。溫室氣體排放渠道主要有交通運(yùn)輸、食品生產(chǎn)和消費(fèi)、能源使用及各類生產(chǎn)過(guò)程。通常所有溫室氣體排放用二氧化碳當(dāng)量表示。碳耗用量越高，產(chǎn)生的CO2也越多，碳足跡就越大；反之，碳足跡越小。

CEF=Et/NEP

NEP=W/S

式中，Et表示農(nóng)田生態(tài)碳總排放量，NEP表示單位農(nóng)田面積每年吸收的碳量，W表示農(nóng)田系統(tǒng)全部農(nóng)作物的固碳量，S表示耕地面積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS11.5和Sigmplot10.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田碳匯

2.1.1 遵義市的農(nóng)田碳匯變化 從圖1A看出，遵義市近60年(1949—2008年)的農(nóng)田碳匯總體呈增加趨勢(shì)。其中，1949年為123.61萬(wàn)t；1961年最小，為98.14萬(wàn)t；2000年最大，為541.08萬(wàn)t。遵義市近60年農(nóng)田碳匯總體分3個(gè)階段。第一個(gè)階段(1959—1961年)：是3年自然災(zāi)害[21]，農(nóng)田碳匯分別為146.35萬(wàn)t、120.00萬(wàn)t和98.14萬(wàn)t，比1949—1957的農(nóng)田碳匯平均值分別降低9.75%、26.00%和39.48%；該階段農(nóng)田碳匯隨時(shí)間增加而增加，每年碳匯增加速率為10.04萬(wàn)t(r2=0.96，P<0.01)。第二個(gè)階段(1961—2000年)：農(nóng)田碳匯由130.41萬(wàn)t增至(最大值)541.08萬(wàn)t；該階段的農(nóng)田碳匯呈顯著增加趨勢(shì)(r2=0.83，P<0.01)，年增加速率為9.11萬(wàn)t。第三個(gè)階段(2001—2008年)：農(nóng)田碳匯由起始的436.88萬(wàn)t，增至(最大值)511.33萬(wàn)t，年平均值為468.96萬(wàn)t；該階段農(nóng)田碳匯波動(dòng)較大(r2=0.15，P=0.33)。

從圖1B看出，1949—1959年遵義農(nóng)田平均碳匯為160.71萬(wàn)t；1960—1969年農(nóng)田碳匯增長(zhǎng)較慢，平均碳匯為165.06萬(wàn)t；1970—1979增加較快，較1960—1969年增加25.55%，平均碳匯為207.23萬(wàn)t；1980—1989年，平均碳匯為274.70萬(wàn)t，較上一階段增加67.47萬(wàn)t，增加32.56%；1990—1999年較上一階段增加147.54萬(wàn)t，增幅最大，達(dá)53.70%，平均碳匯為422.24萬(wàn)t；2000—2008年年均碳匯為476.97萬(wàn)t，較上一階段增加54.73萬(wàn)t，增幅為12.97%。

2.1.2 不同農(nóng)作物對(duì)遵義市農(nóng)田碳匯的影響 從圖2可知，遵義市近60年不同農(nóng)作物對(duì)碳匯的貢獻(xiàn)存在差異。其中，水稻的貢獻(xiàn)最大，占60.89%；其次是玉米，為17.07%；第三是小麥，貢獻(xiàn)為8.29%；其余作物的貢獻(xiàn)均小于5%，依次是薯類4.46%、烤煙3.03%、油菜2.63%、蔬菜2.63%和大豆1.51%。

由圖3可知，不同農(nóng)作物碳匯貢獻(xiàn)的變化。水稻：碳匯貢獻(xiàn)最大，但呈逐年下降趨勢(shì)，即由最初的78.29%降至研究末期的50.33%。其中，1960—1969年下降7.81%，1970—1979年下降1.85%，1980—1989年下降5.63%，1990—1999年下降9.68%，2000—2008年下降2.99%。小麥：總體呈增加趨勢(shì)，由3.37%增至8.28%，其間增幅為2.25%～5.32%。其中，1990—1999年增速達(dá)5.32%，1960—1969年和2000—2008年增速分別為3.22%和3.47%，1970—1979年增速為2.09%，但1980—1989年下降2.25%。玉米：碳匯貢獻(xiàn)為12.97%～20.46%，其中，1949—1959年的貢獻(xiàn)最小，為12.97%；2000—2008年的貢獻(xiàn)最大，為20.46%；1960—1969年、1970—1979年、1980—1989年和1990—1999年的貢獻(xiàn)分別為的貢獻(xiàn)為16.71%、15.69%、16.97%和18.12%。薯類：碳匯貢獻(xiàn)呈增加趨勢(shì)，由前3個(gè)階段(1949—1959年、1960—1969年和1970—1979年)的不足2%(1.76%、1.96%和1.88%)增至1980—1989年的2.63%，其在1990—1999年和2000—2008年的增速較快，分別為4.57%和8.71%。油料：碳匯貢獻(xiàn)在前3個(gè)階段不足1%(0.72%～0.95%)，在1980年后的3個(gè)時(shí)期穩(wěn)定在2.87%～3.80%?？緹煟禾紖R貢獻(xiàn)類似油料作物，前3個(gè)階段的變幅為0.52%～0.89%；1980—1989年和2000—2008年的貢獻(xiàn)分別為3.29%和3.40%，1990—1999年的碳匯貢獻(xiàn)達(dá)5.40%。蔬菜：建國(guó)初期的碳匯貢獻(xiàn)很小，僅0.49%，1960—1969年增至0.97%；1970—1979年貢獻(xiàn)為1.51%，1980—1989年貢獻(xiàn)達(dá)2.18%；1990—1999年增至2.69%，2000—2008年的貢獻(xiàn)達(dá)3.79%。

2.1.3 遵義農(nóng)田碳匯強(qiáng)度的年際變化 從圖4看出，遵義市近60年農(nóng)田碳匯強(qiáng)度總體呈增加趨勢(shì)，農(nóng)田碳匯強(qiáng)度平均為4.55 t/hm2。其中，1959—1961年碳匯強(qiáng)度為3.30 t/hm2，該時(shí)期遵義市農(nóng)田碳匯強(qiáng)度呈顯著增加趨勢(shì)，年增加速度率為0.04 t/(hm2·a)(r2=0.96，P<0.01)；1961—2000年農(nóng)田碳匯強(qiáng)度增加速度率較快，為0.10 t/(hm2·a)(r2=0.84，P<0.0001)；2000—2008年農(nóng)田碳匯強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)(r2=0.16，P=0.27)。

2.2 不同因子對(duì)遵義農(nóng)田碳匯的影響

從表2可知，糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、化肥、播種面積、有效灌溉面積、耕地面積及農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)田碳匯之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。其中，糧食作物、播種面積、蔬菜和化肥與農(nóng)田碳匯的相關(guān)系數(shù)較高，均大于0.90，分別為0.99、0.97、0.94和0.94；經(jīng)濟(jì)作物和耕地面積與農(nóng)田碳匯的相關(guān)系數(shù)也相對(duì)較高，分別為0.86和0.80。經(jīng)濟(jì)類作物和糧食類作物是影響遵義市農(nóng)田碳匯的主要因子，可能玉米、水稻、豆類和小麥等是遵義市的主要農(nóng)作物，且播種面積大；化肥用量、有效灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)作物播種面積是影響遵義市農(nóng)田碳匯的主要因素，其相關(guān)性也極為顯著。

從圖5可知，遵義市農(nóng)田碳匯隨著農(nóng)業(yè)碳投入的增加而增加，農(nóng)業(yè)管理活動(dòng)碳增加1萬(wàn)t，碳匯的吸收增加11.34萬(wàn)t(r2=0.90，P<0.01)。當(dāng)遵義農(nóng)田管理碳投入小于20萬(wàn)t時(shí)，農(nóng)田碳匯呈顯著增加趨勢(shì)(r2=0.81，P<0.01)，增加速度為10.44萬(wàn)t/萬(wàn)t；但當(dāng)農(nóng)田管理投入碳大于20萬(wàn)t后，遵義市農(nóng)田碳匯變化不顯著(r2=0.02，P=0.57)。

表2 遵義市農(nóng)田碳匯與相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between farmland carbon sink and relative indexes in Zunyi

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。
Note:* and ** indicate significance of difference atP<0.05 andP<0.01 level respectively.

圖5遵義市農(nóng)田碳匯與投入碳的關(guān)系
Fig.5 Correlation between farmland carbon sink and carbon input in Zunyi

2.3 遵義市農(nóng)田碳足跡的變化

2.3.1 遵義農(nóng)田各時(shí)期的碳足跡和碳足跡強(qiáng)度 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1949—1952年未使用化肥，化肥用量對(duì)農(nóng)田碳匯沒有影響。1953—1975年碳匯從56.00 t增至2.62萬(wàn)t；1976—1987年呈波動(dòng)狀態(tài)；1988—1992年呈下降趨勢(shì)；1993—1994年呈上升趨勢(shì)；1995—2008年農(nóng)田碳匯的變幅為2.62～17.12萬(wàn)t。從圖6看出，遵義市近60年的碳足跡總體呈波動(dòng)式增加趨勢(shì)，平均碳足跡為2.40×104hm2。1949—1955年農(nóng)田碳足跡的變幅為1.90×103～2.09×103hm2，平均2.07×103hm2。1956年農(nóng)田碳足跡增至7.71×103hm2；其后呈增加趨勢(shì)，1960年達(dá)1.21×104hm2。1961—1971年碳足跡為0.91×104～1.93×104hm2，1975年碳足跡猛增至2.10×104hm2。1977—1979年呈小幅增加波峰，1988年增至3.18×104hm2，其后出現(xiàn)波動(dòng)，1993年增至4.65×104hm2，其后呈下降趨勢(shì)。2001年為4.60×104hm2，然后增至7.80×104hm2(2003年和2004年除外)。

從圖6看出，遵義市農(nóng)田碳足跡強(qiáng)度變化趨勢(shì)與碳足跡呈類似趨勢(shì)。1949—1955年碳足跡強(qiáng)度最小，平均為5.07×10-3hm2/hm2；1956—1975年的碳足跡強(qiáng)度增至2.85×10-2hm2/hm2，其中，1975年的碳足跡強(qiáng)度最大，為5.09×10-2hm2/hm2；1976-1993年在4.69×10-2～11.5×10-2hm2/hm2波動(dòng)，1993年達(dá)最大。1994—2008年農(nóng)田碳足跡強(qiáng)度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，均值1.21×10-1hm2/hm2，其中2008年達(dá)最高，為1.99×10-1hm2/hm2。

2.3.2 遵義市60 a的生態(tài)盈余變化趨勢(shì) 從圖7可知，遵義市60 a生態(tài)盈余可分為2個(gè)階段。前期(1950-1957年)生態(tài)盈余呈增加趨勢(shì)，每年平均增加23.61×103hm2；后期(1958-2008年)呈降低趨勢(shì)，每年平均降低1.91×103hm2?？傮w看，遵義市農(nóng)田呈生態(tài)盈余。

3 結(jié)論與討論

總體而言，遵義市近60年的農(nóng)田碳匯總體呈增加趨勢(shì)，從1949年的123.61萬(wàn)t增至最大時(shí)的541萬(wàn)t。遵義市近60年不同作物對(duì)固碳的貢獻(xiàn)以水稻的最大，占60.89%；玉米其次，為17.07%；小麥第三，為8.29%；其余作物的貢獻(xiàn)均小于5%，依次是薯類4.46%、烤煙3.03%、油菜2.63%、蔬菜2.63%和大豆1.51%。

影響遵義市農(nóng)田碳匯的因子有糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、播種面積、化肥、有效灌溉面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械。從管理和人為投入的角度看，化肥、有效灌溉面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械是重要的因子，化肥中氮是植物葉綠素組成的重要元素，其含量影響農(nóng)作物的光合作用即影響其碳的吸收。這些管理投入轉(zhuǎn)化為碳后，遵義市農(nóng)田60 a總碳匯隨著農(nóng)業(yè)碳投入的增加而增加，農(nóng)業(yè)管理活動(dòng)碳增加1萬(wàn)t，碳匯增加11.34萬(wàn)t。遵義市農(nóng)田碳投入達(dá)18.87萬(wàn) t時(shí)，農(nóng)田碳匯的投入產(chǎn)出最高，農(nóng)田碳匯為331萬(wàn)t。農(nóng)田碳匯的增加以農(nóng)田管理投入20萬(wàn)t為界限，當(dāng)農(nóng)田管理投入碳小于20萬(wàn)t時(shí)，農(nóng)田碳匯呈顯著增加趨勢(shì)，增加速度為10.44萬(wàn)t/萬(wàn)t，當(dāng)農(nóng)田管理碳投入大于20萬(wàn)t后，遵義農(nóng)田碳匯沒有顯著增加趨勢(shì)。一方面施用化肥后氮、磷、鉀補(bǔ)充了農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)了農(nóng)田碳匯的增加[24-26]。另一方面大量的化學(xué)肥料施用，超過(guò)農(nóng)作物需求閾值，對(duì)其造成負(fù)作用[27]。這些措施和自然氣候因素導(dǎo)致農(nóng)田碳匯吸收的階段性差異[28-29]。

由于貴州處于喀斯特區(qū)域，土壤瘠薄營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量低，施用肥料彌補(bǔ)土壤營(yíng)養(yǎng)不足，促進(jìn)了農(nóng)田碳匯的增加。因此，初期農(nóng)田的碳匯隨著碳投入的增加而增加。長(zhǎng)期大量的施用化肥破壞土壤團(tuán)聚體，影響土壤生物群落組成，造成農(nóng)作物容易感病。由于喀斯特區(qū)域土壤吸附營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力弱，同時(shí)，遵義市的降水中短時(shí)期的強(qiáng)降水占比大，造成土壤中氮等營(yíng)養(yǎng)流失，不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)田農(nóng)作物的生長(zhǎng)固碳，造成農(nóng)田環(huán)境污染并促進(jìn)溫室氣體的排放。因此，出現(xiàn)后期農(nóng)田碳投入的增加并不能促進(jìn)農(nóng)田的碳吸收增加。符合國(guó)內(nèi)目前農(nóng)業(yè)部門的農(nóng)田減肥措施。

不同的農(nóng)作物類型也是影響農(nóng)田碳匯增加的重要因子。不同農(nóng)作物的固碳能力有差異。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和人們健康意識(shí)的提高對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)品的需求不同，這些外在因素是驅(qū)動(dòng)農(nóng)作物種植種類差異的重要原因。因此，水稻的碳匯貢獻(xiàn)從建國(guó)初期的78.29%逐漸下降到后期的50.33%。小麥的貢獻(xiàn)變幅為3.37%～8.28%，呈增加降低增加趨勢(shì)，這可能受市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)的影響。玉米的貢獻(xiàn)較大，變幅為12.96%～20.46%，雖然政府出臺(tái)了一系列相關(guān)政策和措施，但玉米和水稻相比需水量較少，在坡地等均可種植。因此，玉米對(duì)遵義市近60年的農(nóng)田碳匯貢獻(xiàn)較大，僅次于水稻。大豆和油料作物油菜的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，大豆在2.0%以下，油菜的貢獻(xiàn)低于3.82%?？緹煂?duì)遵義市農(nóng)田碳匯的貢獻(xiàn)在1949—1979年不同時(shí)期的貢獻(xiàn)均低于1%，在1980—1989和2000—2008年的貢獻(xiàn)達(dá)3.40%左右，在1990—1999年的貢獻(xiàn)為5.41%，該時(shí)期隨著我國(guó)改革開放市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)活躍，由于特殊的環(huán)境，云貴高原成為高品質(zhì)煙葉生產(chǎn)重要基地，烤煙對(duì)遵義農(nóng)田碳匯的貢獻(xiàn)占比迅速增加。但是由于烤煙生產(chǎn)中產(chǎn)生的連作障礙，致使烤煙碳匯占農(nóng)田碳匯的比例下降。