云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯變化分析

萬思琦，董曉波，伏成秀，2，董云峰，鄢文光，張曉嬌，袁 媛*

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，云南 昆明 650000；2.云南省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650000）

0 引言

2010—2019年全球溫室氣體年平均排放量處于人類歷史上的最高水平，2019年達到590億t，比2010年增長了12%［1］，雖然總排放量不斷上升，但增長速度逐漸放緩。2020年我國6個區(qū)域本底站的CO2和CH4平均濃度比上年呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢［2］，因此，應對氣候變化、減少全球溫室氣體排放以及實現(xiàn)碳中和的壓力依然存在。2021年以來，中國積極落實《巴黎協(xié)定》，相關的低碳政策不斷完善。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，通過建立新的種植和養(yǎng)殖模式，促進了節(jié)能減排和資源利用，如在保證水稻產(chǎn)量的同時減少秸稈還田甲烷排放的新型水稻種植模式，降低了水稻的甲烷排放強度，實現(xiàn)了化肥減量增效。2021年，云南省農(nóng)用化肥施用折純量比2016年減少了20.49%，農(nóng)藥施用量比2016年減少了29.86%。為深入貫徹落實國家碳達峰相關政策精神，云南省全力推進碳達峰工作，在農(nóng)業(yè)用地方面，牢牢守住耕地保護紅線，在農(nóng)田建設方面，積極推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳。通過持續(xù)增加城鄉(xiāng)生態(tài)綠量、發(fā)展綠色低碳循環(huán)農(nóng)業(yè)、改進有機農(nóng)業(yè)減碳增匯技術、推廣二氧化碳氣肥技術等，促進畜禽糞污、秸稈和其他資源及藻類的能源利用，并積極實施減施化肥和農(nóng)藥的行動。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是地球土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，中國在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，人類與自然之間的復雜性受到越來越多的關注，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)低碳發(fā)展是一個重要的研究方向，因此，精準、合理地估算云南省農(nóng)田碳排放和碳吸收情況，對制定科學合理的農(nóng)田減排措施以及提供農(nóng)田低碳政策建議具有重要意義，同時為云南省農(nóng)田減排的合理評價體系提供了科學的參考依據(jù)。

近年來，相關領域的學者對不同地區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯進行了大量研究，根據(jù)IPCC 估算［3］，合理的農(nóng)業(yè)管理措施能使全球土壤碳庫提高0.4~0.9 pg C/a；師銀芳等［4］通過研究張掖市農(nóng)田碳匯發(fā)現(xiàn)，糧食作物以及經(jīng)濟作物中的大豆、棉花碳吸收量最大；張精等［5］運用空間可視化方法對安徽省碳源/匯進行了研究分析；譚美秋等［6］運用2種方法核算了河南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯，認為凈碳匯方法更適用于測算河南省的農(nóng)田碳匯；田云等［7］運用Kaya恒等式研究了我國農(nóng)地中碳排放的影響因素 ，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)規(guī)模的變化是農(nóng)地碳排放最主要因素；祁興芬［8］研究了2001—2010年德州市農(nóng)田碳匯功能，提倡農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術低碳化。

目前,學者們對農(nóng)田碳源/匯的分析因素系數(shù)仍然有待進一步明晰，對于云南省農(nóng)田碳匯的估算研究尚有空缺，因此，對云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯進行分析研究很有必要。本文以云南省耕地數(shù)據(jù)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)為基礎，采用凈碳匯法，結(jié)合前人的研究，分析2005—2021年云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的變化趨勢，以期對云南省低碳農(nóng)田發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

云南省位于97°31′~106°11′E，21°8′~29°15′N，東部與貴州、廣西為鄰，北部與四川相連，西北部緊依西藏，西部與緬甸接壤，南部和老撾、越南毗鄰。云南省最低與最高海拔之間相差大約6600 m，整體呈現(xiàn)東南低、西北高，海拔呈階梯式上升。云南省屬山地高原地形，其中山地、高原、丘陵等地形占全省總面積的94%，盆地占6%。2022年，云南省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為6635.8億元，比上年增長了5.5%；糧食作物總播種面積為421.10萬hm2，總產(chǎn)量為1957.96萬t，全省新建高標準農(nóng)田32萬hm2［9］。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放估算 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放包括兩大類：（1）農(nóng)用物資的投入引起的碳排放；（2）農(nóng)田CH4排放核算［10］。

1.2.1.1 農(nóng)用物資碳排放 根據(jù)IPCC(2006)的公開數(shù)據(jù)，將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放源按農(nóng)田利用物資與生產(chǎn)活動劃分為化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、農(nóng)業(yè)翻耕、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)業(yè)機械7類，本研究主要考慮這7種途徑的碳排放量，計算公式為：

式（1）中：E投入為云南省農(nóng)田的碳排放總量（萬t）;Ti為各類農(nóng)田生產(chǎn)要素投入的使用量（萬t）；Di為各類農(nóng)田生產(chǎn)要素的碳排放系數(shù)，本文確定的7種農(nóng)田生產(chǎn)要素投入的碳排放系數(shù)如表1所示［7］。

表1 碳排放系數(shù)及來源

1.2.1.2 農(nóng)田CH4排放核算 稻田種植是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)排放CH4的主要來源，研究表明，CH4和N2O的增溫潛勢分別是CO2的25和268倍，其排放的CH4占全球人為排放CH4總量的60%左右［3，11］。我國不同地區(qū)稻田CH4排放不同，各區(qū)域水稻CH4的排放率有差異。本研究選取均值［12］，計算公式為：

式（2）中，ECH4為云南省中季稻CH4的排放量，EFr為中季稻排放系數(shù)，取值為7.25 g/m2；Sr為水稻的種植面積（104hm2）；28為轉(zhuǎn)換系數(shù)，即CH4當量轉(zhuǎn)換為CO2。

1.2.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收估算 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯量主要包括農(nóng)作物固碳量，農(nóng)作物的碳匯能力主要是通過作物光合作用吸收CO2，形成有機物，通過將碳儲存在農(nóng)作物體內(nèi)這一過程實現(xiàn)。

本文釆用NPP的方法測算云南省農(nóng)田農(nóng)作物的碳吸收量，云南省的主要農(nóng)作物包括小麥、玉米、豆類等，根據(jù)不同農(nóng)作物的生長習性以及借鑒學者們［13-18］研究的基礎上，建立云南省農(nóng)田作物吸收的估算模型，計算公式為：

式（3）中，Ct為云南省農(nóng)作物的碳吸收總量（萬t）；Ai為第i類農(nóng)作物的碳吸收率（%）；Yi為第i類農(nóng)作物的產(chǎn)量（萬t）；Wi為第i類農(nóng)作物的水分系數(shù)（%）；Ri為第i類農(nóng)作物的根冠比；Hi為第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟系數(shù)（%）。具體指標取值如表2所示。

表2 各農(nóng)作物碳排放及碳匯量核算參數(shù)

1.2.3 凈碳匯法 選用目前學者們［19-21］普遍采用的凈碳匯法，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/碳匯的分布情況進行研究。碳匯（Nt）指農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要農(nóng)作物的碳吸收量與稻田的CH4、農(nóng)田生產(chǎn)要素投入過程中產(chǎn)生的碳排放量的差值，其計算公式為：

式（4）中，Nt為云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯（萬t）；Ct為云南省農(nóng)田碳吸收總量（萬t）；Et為云南省農(nóng)田碳排放總量（萬t）。

1.2.4 數(shù)據(jù)來源 本研究數(shù)據(jù)主要來源于2004—2022年《云南省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《云南省統(tǒng)計年鑒》、國家統(tǒng)計局等，采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈碳匯計算結(jié)果

采用凈碳匯法對2005—2021年云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收和碳排放結(jié)果進行核算，碳排放為農(nóng)用物資和稻田碳排放，碳吸收為主要農(nóng)作物的碳吸收，具體分析如下。

2.1.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放 由圖1可知，2005—2021年云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放分為2個階段：第一階段為2005—2017年，該階段碳排放呈現(xiàn)上升趨勢，年均增幅為5.57%，出現(xiàn)這一趨勢的原因可能是當時云南省一直在加強糧食供給，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物資的投入未進入綠色生產(chǎn)階段，導致農(nóng)用物資的碳排放持續(xù)增長；第二階段為2017—2021年，該階段碳排放呈現(xiàn)下降趨勢。2016年碳排放總量達到最高值，為1205萬t，2020年有所下降，降幅為17.5%，出現(xiàn)這一變化特征的原因可能是國家及云南省高度重視農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色發(fā)展，降低了化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)用物資的使用量，碳排放量得到控制，其中柴油減排量變化較大，降幅達70.46%。2005—2017年，云南省稻田甲烷排放呈現(xiàn)先略微上升又逐漸下降的趨勢，2017—2021年又出現(xiàn)略微下降的趨勢，稻田CH4排放年均增幅為2.45%，稻田CH4排放增加的原因可能是2016—2021年云南省稻田的種植面積穩(wěn)步增長，2016年的種植面積是2015年的1.3倍，相應的碳排放量也逐漸增加。

從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放來源（表3）看，2005—2021年農(nóng)用物資中的化肥、翻耕及農(nóng)業(yè)機械總動力的碳排放量占比相對較大，2021年分別占總排放量的13.36%、18.30%及42.40%。2016—2021年，農(nóng)用物資中的化肥、翻耕及農(nóng)業(yè)機械總動力的碳排放量平均降幅分別為4.10%、0.30%及3.50%，其中翻耕的降幅最低；灌溉在云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量中的占比最低。2005—2021年，化肥排放量呈先逐年增長（2005—2016年）再逐年遞減（2016—2021年）的變化趨勢，主要是因為云南省積極響應國家號召，減少了化肥使用量；翻耕和農(nóng)業(yè)機械總動力在2005—2017年也均呈逐年上升的趨勢，2017—2021年又略微下降，這一變化趨勢與低碳政策的逐步穩(wěn)定落實密切相關；2005—2021年，農(nóng)田灌溉一直處于逐年略微上升的趨勢。

表3 云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各農(nóng)用物資碳排放量 萬t

2.1.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收 由圖2可以看出，2005—2021年云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量整體呈現(xiàn)上升趨勢，由2005年的2298.53萬t增加至2021年的3054.97萬t，凈增加756.44萬t，增幅為32.91%。可能的主要原因是國家及云南省大力發(fā)展綠色低碳循環(huán)農(nóng)業(yè)，提升生態(tài)農(nóng)業(yè)減碳增匯，實施化肥農(nóng)藥減量增效行動，提高土地的利用效率，從而增強了碳匯能力。

圖2 云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯量碳吸收強度變化

由圖3可以看出，云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收比例發(fā)生了一定的變化，2005—2021年，糧食作物的碳吸收比例介于51%～60%之間，碳吸收比例變化較??；經(jīng)濟作物的碳吸收比例介于33%~44%之間，碳吸收比例變化出現(xiàn)了略微下降的趨勢，從2005年的38%下降到2021年的33%；園藝作物的碳吸收比介于4%~8%之間，碳吸收比例呈現(xiàn)出略微上升的趨勢，從2005年的4%上升到2021年的8%。云南省以糧食作物作為農(nóng)作物生產(chǎn)的主導，糧食作物的碳吸收比例相對穩(wěn)定；經(jīng)濟作物碳吸收比例出現(xiàn)略微減少的情況，可以依靠進出口貿(mào)易予以解決；園藝作物碳吸收比例出現(xiàn)略微升高，其原因是種植園藝作物經(jīng)濟效益較好，農(nóng)民種植意愿相對更高。

圖3 2005—2021年云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同類型農(nóng)作物碳吸收比例變化

由表4可知，2005—2021年，糧食作物的碳吸收量從2005年的1342.84萬t上升到2021年的1795.51萬t，增幅為33.71%，年均增幅為2.11%；經(jīng)濟作物的碳吸收量從2005年的868.30萬t上升到2021年的1012.06萬t，增幅為16.56%，年均增幅為1.03%；園藝作物的碳吸收量從2005年的87.38萬t上升到2021年的247.40萬t,增幅為183.13%，年均增幅為11.44%。其中，糧食作物中玉米的碳吸收量從2005年的491.70萬t上升到2021年的1086.30萬t，增長了1.2倍；經(jīng)濟作物中油料類的碳吸收量從2005年的54.10萬t上升到2021年的101.50萬t，增長了0.9倍，甘蔗的碳吸收量也在逐年增長；園藝作物中的蔬菜的碳吸收量從2005年的87.40萬t上升到2021年的247.40萬t，增長了1.8倍。

表4 2005—2021年云南省主要農(nóng)作物碳吸收量 萬t

2.2 云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯量

由圖4可以看出，2005—2021年云南省農(nóng)田凈碳匯量呈現(xiàn)出上下波動的變化特征，整體來看，農(nóng)田凈碳匯量從2005年的1446.66萬t上升到2021年的1849.73萬t，增幅為27.86%，年均增幅為1.74%，2017年之后出現(xiàn)了穩(wěn)定上升的趨勢。云南省天然環(huán)境資源稟賦較好，國家及云南省重視農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，制定的相關政策推動了農(nóng)地高效利用，化肥、農(nóng)藥及農(nóng)膜的綠色使用方法不斷得到提升改進，促進了碳匯穩(wěn)步增長的趨勢。

圖4 云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯量的變化趨勢

3 結(jié)論

（1）2005—2021年，云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，碳排放總量由2005年的851.86萬t上升到2017年的1416.04萬t,再下降到2021年的1205.24萬t,年均增幅為3.20%。云南省主要種植的稻谷為中季稻，一年一熟制，在云南省的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放源中，農(nóng)業(yè)機械總動力碳排放量在農(nóng)用物資中占比最大，約占50%，且有逐年增大的趨勢，其次是化肥、翻耕、稻田CH4的碳排放量。其中化肥在2017—2021年的減排速度最快，達到了4.10%；2016—2021年云南省稻田的CH4碳排放量隨著面積的增加排放不斷增加，說明在增產(chǎn)減排工作方面，還需要加大整治力度，依靠科學有效的方法實現(xiàn)高效的增產(chǎn)減排；灌溉的碳排放量呈逐年穩(wěn)定上升的趨勢，因此，在灌溉的低碳措施方面還有待加強。

（2）2005—2021年，云南省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢，從2005年的2298.53萬t上升到2021年的3054.97萬t，年均增長2.06%，其中糧食作物的碳吸收量從2005年的1342.84萬t上升到2021年的1795.51萬t,增幅為33.71%，年均增幅為2.11%；經(jīng)濟作物的碳吸收量從2005年的868.30萬t上升到2021年的1012.06萬t，增幅為16.56%，年均增幅為1.03%；園藝作物的碳吸收量從2005年的87.38萬t上升到2021年的247.40萬t,增幅為183%，年均增速為11.44%。糧食作物的碳吸收比例最高，超過了50%，經(jīng)濟作物的碳吸收比例占1/3，園藝作物的碳吸收比例每年略有上升。在一定程度上說明糧食作物對于碳吸收具有更大的優(yōu)勢。