中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支動態(tài)
——以2010—2020年為例

李夢琦肖輝張慧程文娟趙杰王立艷董昱辰

(1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300384；2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；3.天津亞派綠肥生物科技發(fā)展有限公司，天津 301600)

人類進入工業(yè)革命以來，大量使用化石燃料，過度開墾森林，使大氣中CO2濃度增加43%[1]。CO2等溫室氣體的過量排放導(dǎo)致了全球氣候異常和一系列環(huán)境問題。溫室氣體減排在全球范圍內(nèi)越來越受到重視。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體的重要排放源之一。20%的CO2、70%的CH4以及90%的N2O均來源于農(nóng)業(yè)及其相關(guān)過程[2]。同時，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)又是重要的碳匯。農(nóng)作物通過光合作用吸收大氣中的CO2，合成有機物固定在作物體內(nèi)，并利用農(nóng)田土壤進行固碳[3]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲存量約占全球碳儲存量的10%，全球耕地總固碳潛力達0.75～1.0Pg·a-1[4]。農(nóng)田是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫，碳積蓄過程周期短、儲量大[5]，并且能通過人為因素加以調(diào)控[6]。實現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排對“雙碳”目標(biāo)的達成具有重要意義。

對農(nóng)田碳吸收和碳排放進行全面測算，是研究農(nóng)田固碳減排問題的基礎(chǔ)[7]，而目前對農(nóng)田碳收支進行測算的相關(guān)文獻資料仍比較少。本研究根據(jù)中國2010—2020年相關(guān)統(tǒng)計資料，估算中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支情況，以期為實現(xiàn)我國農(nóng)田固碳減排和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物產(chǎn)量、播種面積、耕地灌溉面積、化肥施用量、農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油使用量等統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于相關(guān)年度《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》。

1.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支估算

以農(nóng)田生產(chǎn)的技術(shù)系統(tǒng)為邊界，估算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收和碳排放。碳吸收只考慮作物生產(chǎn)過程中最終表現(xiàn)的生物量上所能吸收的碳，碳排放只考慮農(nóng)用物資投入、能源消耗等引起的間接排放。

1.2.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收估算

參考前人研究[8，9]，根據(jù)農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)、經(jīng)濟系數(shù)和碳吸收率估算碳吸收量。中國主要農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)(H)和碳吸收率(Cf)見表1。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量的計算公式：

表1 中國主要農(nóng)作物的經(jīng)濟系數(shù)和碳吸收率

(1)

式中，Ct為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量；i為第i類農(nóng)作物；Cd為第i類農(nóng)作物全生育期的碳吸收量；Cf為第i類農(nóng)作物合成單位質(zhì)量干物質(zhì)需要吸收的碳(碳吸收率)；Dw為第i類農(nóng)作物的總生物量；Yw為第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量；H為第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟系數(shù)。農(nóng)田碳吸收強度為單位面積碳吸收量。

1.2.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放估算

農(nóng)田碳排放的主要來源包括化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜的生產(chǎn)和使用導(dǎo)致的直接或間接碳排放，農(nóng)業(yè)機械消耗柴油產(chǎn)生的碳排放，灌溉過程中消耗電能所產(chǎn)生的碳排放等。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的計算公式：

C=∑Ci=∑Tiδi

(2)

式中，C為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量；Ci為各碳源的碳排放量；Ti為各碳排放源的量；δi為各碳排放源的碳排放系數(shù)。參考前人的研究參數(shù)[10-14]，確定本研究的碳排放系數(shù)。灌溉的碳排放系數(shù)為25kg·hm-2，氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥的碳排放系數(shù)分別為857.54kg·t-1、165.09kg·t-1、120.28kg·t-1和380.97kg·t-1，農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油的碳排放系數(shù)分別為4.93kg·kg-1、5.18kg·kg-1、0.5927kg·kg-1。農(nóng)田碳排放強度為單位面積碳排放量。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收變化

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算得到2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物碳吸收情況，見表2。2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量呈逐年上升的趨勢，其中2010—2013年增長更為明顯。2010年碳吸收量最低，為75389.3萬t，2020年碳吸收量最高，為88867.8萬t，漲幅約18%。碳吸收強度在2010—2013年逐年增加，增幅明顯，2013—2020年緩慢增加，略有起伏。

表2 2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物碳吸收量和碳吸收強度

對碳吸收貢獻最高的作物是玉米，約為總量的30%～36%。主要糧食作物玉米、水稻、小麥的碳吸收量變化規(guī)律類似，均為前期增加，后期基本穩(wěn)定，略有波動。豆類和薯類的碳吸收量均為前期呈降低趨勢，后期逐年增加?；ㄉ奶嘉樟炕旧现鹉暝黾印Ｃ藁ǖ奶嘉樟炕颈３址€(wěn)定。其它作物的碳吸收量并無明顯規(guī)律。

2020年不同省市自治區(qū)的碳吸收量和碳吸收強度差異明顯，見圖1。2020年北京的碳吸收量最低，為35.4萬t，河南的碳吸收量最高，為8695.4萬t。2020年碳吸收強度最低的是西藏(1.36t·hm-2)、貴州(2.08t·hm-2)、青海(2.49t·hm-2)、福建(3.04t·hm-2)、重慶(3.28t·hm-2)。2020年碳吸收強度最高的是廣西(13.22t·hm-2)、新疆(7.12t·hm-2)、吉林(7.01t·hm-2)、遼寧(6.26t·hm-2)、山東(6.24t·hm-2)。

圖1 2020年中國各省市自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量及碳吸收強度

2.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放變化

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算得到2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放情況，見表3。中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放2010—2015年逐年上升，2015—2020年逐年下降，后期降幅高于前期增速，碳排放量2020年較2010年降低約8%。碳排放強度2010—2014年逐年上升，增幅約4%；2014—2020年逐年降低，降幅約16%。

表3 2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量和碳排放強度

灌溉的碳排放量逐年上升，2010—2020年增幅約為15%?；?、農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油的碳排放量都是先增加后降低?；侍寂欧帕?014年最高，為3074.8萬t，2020年較2010年降低約11%。農(nóng)藥碳排放量2014年最高，為890.9萬t，2020年較2010年降低約25%。農(nóng)膜碳排放量2015年最高，為1348.9萬t，2020年較2010年增加約10%，較最高值降低了約8%。柴油碳排放量2015年最高，為1302.6萬t，2020年較2010年降低約9%。

化肥的碳排放量占比遠高于其他碳排放源，約為總量的45%～47%。化肥中氮肥對碳排放量貢獻最高，氮肥碳排放量為化肥的61%～69%，占比逐年降低。農(nóng)膜和柴油的碳排放量較為接近，占比分別為18%～22%和19%。農(nóng)藥碳排放量占比11%～14%。灌溉的碳排放量占比最低，為2%～3%。

2020年不同省市自治區(qū)碳排放量及碳排放強度差異明顯，見圖2。2020年碳排放量最低的是西藏，為6.37萬t，碳排放量最高的為河南，為502.1萬t。2020年碳排放強度最低的為貴州(0.14t·hm-2)、黑龍江(0.18t·hm-2)、青海(0.21t·hm-2)、江西(0.22t·hm-2)、四川(0.23·hm-2)。2020年碳排放強度最高的為浙江(1.02t·hm-2)、北京(0.96t·hm-2)、福建(0.89t·hm-2)、上海(0.82t·hm-2)、海南(0.80t·hm-2)。

圖2 2020年中國各省市自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放量及碳排放強度

2.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯變化

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯是碳吸收量與碳排放量的差值。2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量遠大于碳排放量，表現(xiàn)為碳匯，且凈碳匯逐年增加，見圖3。2010年凈碳匯為69139.9萬t，2020年凈碳匯為83122.7萬t，增加了20%。

圖3 2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯情況

2020年各省市自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳匯，但凈碳匯差異明顯，見圖4。凈碳匯最低的是北京(25.9萬t)、西藏(30.6萬t)、上海(66.2萬t)，凈碳匯最高的是河南(8193.4萬t)、黑龍江(7953.2萬t)、廣西(7872.6萬t)。

圖4 2020年中國各省市自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳匯情況

3 討論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收主要靠作物光合作用吸收空氣中的CO2，形成有機物固定在作物體內(nèi)。作物的碳吸收量很大程度上是作物產(chǎn)量的反映。農(nóng)田管理措施、環(huán)境條件、作物品種等均會對作物產(chǎn)量造成影響。2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量的增加，與主要農(nóng)作物的增產(chǎn)增收關(guān)系密切。我國始終將農(nóng)業(yè)發(fā)展視為重中之重。實施多種補貼政策，強化農(nóng)民收益保障，提高了農(nóng)民種植積極性；推動農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，推進機械化，培育優(yōu)良品種，提高了作物種植效率和單產(chǎn)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放包括直接排放和間接排放。直接排放指植物和土壤向大氣中釋放的溫室氣體，因數(shù)據(jù)獲取困難，本研究并未估算這部分碳排放。間接排放包括化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜的生產(chǎn)和使用導(dǎo)致的碳排放，農(nóng)機消耗柴油產(chǎn)生的碳排放，灌溉的碳排放等。估算時利用的是化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油的使用量和灌溉面積?；省⑥r(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油對碳排放的總貢獻高達97%，使用量和碳排放量均先增加后降低，這與中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的變化是基本一致的。因為這些農(nóng)用物資的投入可以明顯起到增產(chǎn)的效果，所以前期使用量不斷增加。但化肥、農(nóng)藥等過度使用，存在環(huán)境污染、生態(tài)破壞以及食品安全等問題，我國開始重視農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。在保障糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給的前提下，推進化肥農(nóng)藥減量增效，提出化肥農(nóng)藥零增長的長遠目標(biāo)；推進農(nóng)膜減量和回收，控制農(nóng)田“白色污染”；推進廢棄物資源化利用，采取資源節(jié)約、環(huán)境友好的生產(chǎn)方式，維護農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定。隨著國家對低碳農(nóng)業(yè)的重視，后期化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油的使用量均有所降低，也降低了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放。

2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)以及2020年各省市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支均表現(xiàn)為碳匯，即碳吸收。為了維持或增強農(nóng)田碳匯，更好實現(xiàn)農(nóng)田固碳減排，提出幾點對策：培育和引進優(yōu)良品種，促進作物生物量和產(chǎn)量的提升；推行保護性耕作技術(shù)，減少對土壤的擾動和破壞，降低土壤直接碳排放；提高肥料利用效率，增施有機肥，降低化肥尤其是氮肥的使用量；減少農(nóng)藥使用，以生物技術(shù)和物理防治為基礎(chǔ)，防控治理病蟲害；推進秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用；推廣節(jié)水灌溉，節(jié)約水資源的同時降低碳排放。

4 結(jié)論

2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量呈逐年上升的趨勢，漲幅約18%，其中2010—2013年增長更為明顯。碳吸收強度逐年增加，2010—2013年增幅明顯，2013—2020年增長緩慢。各作物中玉米對碳吸收貢獻最高，約為總量的30%～36%。2020年不同省市自治區(qū)的碳吸收量和碳吸收強度差異明顯。北京的碳吸收量最低，河南的碳吸收量最高，西藏的碳吸收強度最低，廣西的碳吸收強度最高。

2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放先逐年上升，后逐年下降，后期降幅高于前期增速，總降幅約8%。碳排放強度2010—2014年逐年上升，增幅約4%，2014—2020年逐年降低，降幅約16%。各碳源對碳排放量的貢獻為化肥>農(nóng)膜≈柴油>農(nóng)藥>灌溉?；省⑥r(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油的碳排放量均為先增加后降低，灌溉的碳排放量逐年上升。2020年不同省市自治區(qū)碳排放量及碳排放強度差異明顯。西藏的碳排放量最低，河南的碳排放量最高，貴州的碳排放強度最低，浙江的碳排放強度最高。

2010—2020年中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收明顯大于碳排放，表現(xiàn)出較強的碳匯功能，且凈碳匯逐年增加。2020年各省市自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳匯，凈碳匯差異明顯。