河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的演變趨勢及其集聚特征分析*

曹志宏, 秦 帥, 郝晉珉

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河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的演變趨勢及其集聚特征分析*

曹志宏1, 秦 帥1, 郝晉珉2

(1. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 鄭州 450002; 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有碳排放和碳吸收的雙重屬性, 針對當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯研究系統(tǒng)邊界模糊不清、中觀尺度研究成果少、核算項目缺失統(tǒng)一性和完整性等問題, 本文在全面核算2000—2015年河南省傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)碳排放和碳吸收的基礎(chǔ)上, 分析了該省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的演變趨勢, 并利用基尼系數(shù)和洛倫茲曲線研究其空間集聚特征。研究結(jié)果表明, 河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)表現(xiàn)碳匯特征, 其碳匯量整體呈現(xiàn)逐漸增長趨勢, 至2015年全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量為3 235.11萬t, 相當(dāng)于當(dāng)年能源消費碳排放量的22.53%, 因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于減緩溫室效應(yīng)等方面具有一定的作用。河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量增長的主要原因在于隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的不斷提高, 其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收能力快于碳排放增長速度。自然因素是河南省農(nóng)業(yè)碳排放的主要方面, 至2015年自然因素產(chǎn)生的碳排放占河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放總量的70.15%; 而人工農(nóng)資投入碳排放增長率相對較快, 是全省碳排放量增長的主要原因, 2000—2015年全省人工農(nóng)資投入碳排放量年均增長率為3.27%, 是其自然因素碳排放年均增長率的3.85倍。河南省各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯在地域空間上表現(xiàn)增長的普遍性、相對穩(wěn)定性和較顯著集聚性特征, 呈現(xiàn)顯著的南北和東西差異, 東部和北部農(nóng)業(yè)地區(qū)碳匯數(shù)值相對較高, 而南部和西部農(nóng)業(yè)碳匯數(shù)值對較低。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn); 碳吸收; 碳排放; 碳匯; 集聚特征; 基層系數(shù); 洛倫茲曲線

溫室氣體排放增加是全球氣候變暖的重要原因, 碳排放研究成為世界各國諸多領(lǐng)域關(guān)注的熱點話題。研究表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已是除化石能源燃燒排放以外的第二大溫室氣體排放源[1]。中國是農(nóng)業(yè)大國, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)化石能源消費快速增長, 其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放也引起諸多學(xué)者的關(guān)注。據(jù)估計我國農(nóng)業(yè)活動所導(dǎo)致的溫室氣體排放約占全國碳排放總量的17%[2]。同時, 耕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫之一, 農(nóng)作物在生長過程中可以通過光合作用吸附大量的CO2, 農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)又具有較強的碳吸收能力。全球耕地僅占陸地總面積的10.62%[3], 提供著全球66%的糧食供給, 其碳吸收占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收的10%以上[4], 因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有碳吸收和碳排放的雙重作用。

綠色植物通過光合作用吸收大氣中的CO2, 并將其固定在植被和土壤中, 從而減少溫室氣體在大氣中的濃度; 同時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)是一個人工強烈干預(yù)下的自然開放系統(tǒng), 伴隨著多種方式的碳排放, 一般其碳吸收能力大于排放程度, 因此稱之為農(nóng)業(yè)碳匯。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的研究, 主要集中在對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的核算、地域空間差異及其驅(qū)動成因, 如: ACIL對美國等國家農(nóng)業(yè)碳匯進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不同是世界各國國家農(nóng)業(yè)碳匯差異的主要原因[5]; Xiong等[6]分析了農(nóng)業(yè)碳匯與經(jīng)濟(jì)政策之間的關(guān)系; Dyer等[7]論述了減少化石肥料投入對農(nóng)業(yè)碳匯的正向影響; 田云等[8]基于中國種植業(yè)碳匯進(jìn)行了核算, 并分析了其演變特征; 高鳴等[2]和程琳琳等[9]探索了我國農(nóng)業(yè)碳匯在地域空間上呈現(xiàn)一定的趨同性和“俱樂部”集聚效應(yīng); 戴小文等[10]研究認(rèn)為中國農(nóng)業(yè)碳匯在空間上也存在明顯的區(qū)域差異; 李波等[11]認(rèn)為在我國農(nóng)業(yè)碳匯主要分布在農(nóng)業(yè)大省, 其中碳排放強度較高地區(qū)主要集中在東部和中部省份。整體而言, 國內(nèi)外學(xué)者的農(nóng)業(yè)碳匯核算等研究成果日漸豐富和成熟, 但農(nóng)業(yè)碳匯研究仍存在以下問題: 1)研究系統(tǒng)邊界模糊不清: 當(dāng)前的農(nóng)業(yè)碳匯研究一般都是指傳統(tǒng)種植業(yè), 但部分研究還包括了畜牧養(yǎng)殖業(yè)腸道和糞便等部分碳排放, 因此一些學(xué)者認(rèn)為其碳匯研究歸屬為農(nóng)牧業(yè)的碳匯研究, 但對草食動物飼草資源生產(chǎn)碳吸收等方面又缺乏計量; 2)核算項目不統(tǒng)一: 當(dāng)前學(xué)者農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯核算項目尚不統(tǒng)一, 部分學(xué)者農(nóng)業(yè)碳排放方面研究的核算項目不僅包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各農(nóng)資要素的投入量, 還包含種植業(yè)生產(chǎn)過程中土壤N2O、稻田CH4、畜禽養(yǎng)殖腸道發(fā)酵和糞便管理系統(tǒng)等溫室效應(yīng)氣體的碳排放[8], 且多數(shù)研究對土壤呼吸作用自然系統(tǒng)所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體排放缺乏計量; 3)地方相關(guān)研究成果較少: 當(dāng)前農(nóng)業(yè)碳研究對集中在國家宏觀尺度上的研究較多, 核算項目逐漸豐富, 但省級中觀尺度的農(nóng)業(yè)碳排放研究較少, 且核算項目較粗放欠全面。

鑒于當(dāng)前農(nóng)業(yè)碳匯研究存在系統(tǒng)邊界模糊不清、中觀尺度研究成果欠稀少、核算項目缺失統(tǒng)一性和完整性等問題, 本文在綜合前人農(nóng)業(yè)碳匯核算研究的基礎(chǔ)上, 從農(nóng)業(yè)碳吸收和碳排放收支的視角, 分析河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的演變趨勢和集聚特征, 其研究可為完善我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放研究體系、制定農(nóng)業(yè)生態(tài)價值補償政策、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)能減排和調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)碳平衡等提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中東部、黃河中下游, 是我國重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)。2015年農(nóng)作物播種面積14 424.94 hm2, 占全國總量的8.67%, 其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對全國生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要作用。省內(nèi)18個地級市, 各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源條件差異大, 南陽市是全省耕地面積最大的地市, 耕地面積105.34萬hm2, 濟(jì)源市則是全省耕地面積最小的地市, 耕地面積4.60萬hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中數(shù)據(jù)主要包括兩個方面: 一是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收的核算, 包括小麥、稻谷、玉米、薯類、大豆、棉花、花生、煙葉、蔬菜和瓜果等作物種植業(yè)的產(chǎn)出; 二是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放的核算, 主要包括水稻田CH4排放、土壤呼吸分解和農(nóng)資投入3個方面, 其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括水稻播種面積, 小麥、玉米和其他旱地作物播種面積, 氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥折純量施用量, 以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要源于2001—2016年《河南省統(tǒng)計年鑒》和《河南省調(diào)查年鑒》的相關(guān)統(tǒng)計, 下文中的河南省各市土地和耕地面積數(shù)據(jù)分別來自《濟(jì)源統(tǒng)計年鑒》和《河南省統(tǒng)計年鑒》。

1.3 研究方法

農(nóng)業(yè)碳匯核算主要從碳吸收和碳排放兩個方面的收支進(jìn)行計量。其中農(nóng)業(yè)碳排放核算方面所涉及的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體主要包括CO2、CH4和N2O, 依據(jù)IPCC評估報告, 1 t CH4和N2O分別是1 t標(biāo)準(zhǔn)碳燃燒產(chǎn)生CO2所引發(fā)的溫室效應(yīng)的6.82倍和81.27倍[12], 以此將CH4、CO2和N2O統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)碳進(jìn)行計量。

1.3.1 農(nóng)業(yè)碳吸收量核算

農(nóng)作物碳吸收是以1年為周期核算各類作物的碳吸收量, 其計算公式為:

式中:吸收為地區(qū)各類農(nóng)作物碳吸收總量, 包括秸稈和籽粒等所有部分進(jìn)行光合作用所吸收的碳量;A為農(nóng)作物類型的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;αβ和γ分別為作物類型的經(jīng)濟(jì)系數(shù)、干重比和碳吸收率;為主要農(nóng)作物類型的個數(shù), 這里為14;為調(diào)整系數(shù), 為主要作物播種面積占農(nóng)作物播種總面積的比值, 用以調(diào)整非主要作物類型對農(nóng)業(yè)碳匯的影響, 各類農(nóng)作物的相關(guān)核算系數(shù)見表1。

表1 主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)(αj) [13]、干重比(βj)[14]及碳吸收率(γj)[15]取值

1.3.2 農(nóng)業(yè)碳排放量核算

1)稻田CH4碳排放的核算。水稻在厭氧生長環(huán)境中所產(chǎn)生的CH4溫室氣體碳排放當(dāng)量的核算參照田云等[8]的前期研究, 河南省水稻生產(chǎn)屬于中季稻, CH4排放系數(shù)為17.85 g?m-2, 河南省及其各地水稻CH4碳排放量是水稻播種面積、CH4排放系數(shù)和CH4標(biāo)準(zhǔn)碳折算系數(shù)6.82的乘積。

2)土壤呼吸分解碳排放的核算。土壤呼吸分解作用所導(dǎo)致的碳排放主要表現(xiàn)在土壤硝化和碳呼吸的自然釋放。

土壤硝化產(chǎn)生N2O的碳排放: 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土壤中N2O的排放主要產(chǎn)生于土壤表層微生物活動所引起的硝化與反硝化作用, 以溫室效應(yīng)氣體的形式排放到大氣中, 對環(huán)境具有重要影響。國內(nèi)學(xué)者通過大量的試驗, 測算了我國水稻、冬小麥、大豆、玉米、瓜蔬和其他旱地作物土壤N2O的排放系數(shù), 其值分別為0.24 kg?hm-2、2.05 kg?hm-2、0.77 kg?hm-2、2.53 kg?hm-2、4.21 kg?hm-2和0.95 kg?hm-2[16]。根據(jù)河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際, 蔬菜和瓜果的復(fù)種指數(shù)估值為3。河南省及其各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土壤硝化產(chǎn)生N2O的碳排放量是由N2O標(biāo)準(zhǔn)碳折算系數(shù)81.27、上述各類作物播種面積及其土壤N2O排放系數(shù)計算獲得。

土壤碳呼吸CO2的碳排放: 土壤呼吸CO2的排放主要來自于農(nóng)田作物根系呼吸和土壤微生物對枯枝落葉、還田秸稈和有機肥等有機質(zhì)成分的分解與氧化。尹鈺瑩等[4]對曲周縣試驗農(nóng)田土壤碳排放進(jìn)行研究, 監(jiān)測小麥-玉米輪作下的農(nóng)田土壤CO2釋放的碳排放系數(shù)為4.42 t(C)?hm-2, 曲周所在的邯鄲市與河南安陽市相鄰, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件相似, 河南省旱地CO2釋放依此進(jìn)行核算。吳賢榮等[17]的研究界定水稻種植的碳排放系數(shù)為11.45 t(C)?hm-2, 扣除水稻田CH4和N2O溫室效應(yīng)的碳排放系數(shù)后, 水稻田土壤呼吸的碳排放系數(shù)為10.23 t(C)?hm-2。

3)人工農(nóng)資投入碳排放的核算。農(nóng)資投入的碳排放核算項目及其具體系數(shù)如表2所示。

表2 各類農(nóng)資投入碳排放系數(shù)取值及其來源

1.3.3 農(nóng)業(yè)碳匯核算及其集聚分析方法

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收與碳排放之差為正值, 標(biāo)志著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳收支處于盈余狀態(tài), 稱之為碳匯; 負(fù)值表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳收支處于赤字狀態(tài), 稱之為碳源。以單位耕地面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量分析其碳匯強度?？臻g基尼系數(shù)是衡量產(chǎn)業(yè)地域空間集聚程度的一種指標(biāo), 其值<0.2表示絕對均勻, 0.2~0.3表示相對均勻, 0.3~0.4表示分布集聚效果或差異不明顯, >0.4表示集聚效果或差異較為顯著[19]。該方法首先由克魯格曼應(yīng)用于美國制造業(yè)的集聚特征研究, 后來該方法在社會經(jīng)濟(jì)許多研究領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。鑒于此, 論文將在分析河南省各市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的基礎(chǔ)上, 勾畫耕地—碳匯和土地—碳匯的洛倫茲曲線, 利用其空間基尼系數(shù)分析全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯在空間地域分布的特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)碳匯的時間變化趨勢

依據(jù)以上核算方法, 編制2000—2015年河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)碳吸收和碳排放的核算收支平衡表, 由于篇幅限制, 僅顯示奇數(shù)年狀況, 如表3所示。

表3 2000—2015奇數(shù)年河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收和碳排放核算表

河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放總量整體呈現(xiàn)相對緩慢的增加趨勢, 至2015年增長至4 810.36萬t, 是2000年的1.13倍, 其中自然作用是河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)碳排放的主要途徑, 2015年自然系統(tǒng)碳排放占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放總量的70.15%, 而人工農(nóng)資投入僅占29.85%。河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)自然碳排放中, 土壤CO2碳呼吸作用較為明顯, 2015年土壤CO2碳呼吸量為3 283.54萬t, 而CH4釋放和土壤N2O碳排放分別為39.92萬t和91.17萬t, 因此土壤CO2碳呼吸作用對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放具有重要影響。2015年河南省秸稈部分含碳量為2 276.64萬t, 隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn), 秸稈還田比例有所增長, 也是農(nóng)業(yè)碳呼吸CO2的重要來源, 因此加強延長農(nóng)業(yè)秸稈部分產(chǎn)業(yè)鏈條, 科學(xué)界定秸稈還田比例, 推廣節(jié)水灌溉技術(shù)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)將有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減排。2015年河南省農(nóng)資投入碳排放1 395.73萬t, 但其增長趨勢較為明顯, 是2000年的1.18倍。其中在全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)人工農(nóng)資投入碳排放中, 氮肥>翻耕>灌溉>農(nóng)膜>磷肥>柴油>農(nóng)藥>鉀肥, 其中氮肥和翻耕是人工農(nóng)資投入碳排放的主要因素, 2015年氮肥和翻耕碳排放量為505.00萬t和450.26萬t, 兩者合計占人工農(nóng)資投入碳排放量的80.63%, 其次是灌溉和農(nóng)膜, 2015年其碳排放分別為138.85萬t和83.92萬t。說明河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人工干預(yù)較強的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng), 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高投入對農(nóng)業(yè)高產(chǎn)出起著重要作用。雖然自然排放是河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放的主要途徑, 但相對農(nóng)業(yè)自然排放, 全省人工農(nóng)資投入碳排放增長相對較快, 2000—2015河南省人工農(nóng)資投入碳排放增長率為17.81%, 是自然因素碳排放平均增長率的1.67倍, 因此大力發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、灌溉節(jié)水、發(fā)展清潔綠色能源和循環(huán)經(jīng)濟(jì)等, 可以有效抑制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的增長態(tài)勢。

河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收量整體也呈現(xiàn)增加趨勢。2000—2003年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收量呈減少趨勢, 這主要是由于其間我國農(nóng)產(chǎn)品價格持續(xù)下降等因素, 嚴(yán)重打擊農(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)撂荒或隱形撂荒現(xiàn)象, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積減少。2003年后全國采取一些列惠農(nóng)政策, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力得到較好的恢復(fù)并持續(xù)增長, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收總量呈現(xiàn)增加趨勢, 至2015年增長至8 045.46萬t, 是2000年的1.49倍, 其中2015年河南省糧食生產(chǎn)碳吸收量為5 611.10萬t, 比2000年增長45.10%, 占其省域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收總量的69.74%, 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收中占重要地位。因此, 河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收能力的提升主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的推廣、播種面積的增加和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的大幅提高。

2000—2015年河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)表現(xiàn)為碳匯特征, 其碳匯量整體呈現(xiàn)增長態(tài)勢, 其原因主要在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收量的相對快速增長, 至2015年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量為3 235.11萬t, 單位耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳密度為3.99 t×hm-2, 是2000年的2.43倍。2015年河南省能源消耗2 3161.16萬t標(biāo)準(zhǔn)煤, 按照標(biāo)準(zhǔn)煤碳排放的系數(shù)0.62 kg(C)×kg-1, 其能源消耗碳排放量折算為14 359.92萬t, 2015年全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯占其能源消耗碳排放量的22.53%, 因此河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡具有較明顯的生態(tài)維護(hù)功能。

2.2 河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)碳匯空間演變特征分析

按照以上核算方法, 核算2000—2015年河南省各市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)碳匯量, 由于河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的波動性, 以各市若干年份耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳密度的均值變化反映其空間演變趨勢, 2000—2015年間統(tǒng)計年份共16年, 這里以8年為間隔分析其空間布局演變趨勢。2000—2007年與2008—2015年河南省各市耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、碳匯及其密度如表4所示, 各市2000—2007年與2008—2015年數(shù)據(jù)按照其碳匯密度大小由小到大進(jìn)行排列。

表4表明, 河南省各市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯在空間上表現(xiàn)出增長的普遍性和格局的相對穩(wěn)定性, 2008— 2015年河南省各地耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯密度均值相比其2000—2007年數(shù)值都有一定的增長, 其中濟(jì)源、洛陽、鄭州、三門峽和許昌5市耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯密度值增加小于1.00 t?hm-2, 增長相對較慢, 這些地區(qū)主要分布在河南省經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地市和西部太行山平原區(qū)與山區(qū)的交界地帶; 而周口、商丘、駐馬店、開封和安陽5市耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯密度值增加大于2.00 t?hm-2, 增長相對較快, 這些地區(qū)一般分布在豫東平原經(jīng)濟(jì)較為落后的地市; 其他地區(qū)耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯密度值增加介于1.00~2.00 t?hm-2, 其中三門峽市和信陽市耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯密度由原來的赤字狀態(tài)增長至盈余狀態(tài)。與2000—2007年均值相比, 2008—2015年河南省各地耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯密度均值的高低在全省中的相對位次表現(xiàn)出穩(wěn)定性, 且呈現(xiàn)出與碳匯密度量保持相對一致的趨勢, 即: 碳匯密度高的地區(qū)一般其碳匯密度增速較快, 碳匯密度低的地區(qū)其碳匯密度增長量也普遍較慢。河南省耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯密度高的地市主要有周口、開封、商丘、焦作和漯河, 這些地區(qū)在空間分布上主要位于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較慢的豫北和豫東平原地區(qū); 碳匯密度低的地市主要有信陽、三門峽、洛陽、平頂山、濟(jì)源、鄭州和南陽, 在空間分布上主要分布在豫西、豫南山地丘陵區(qū)和經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的省會。

表4 2000—2007年和2008—2015年河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯核算均值

負(fù)號表示碳源 Minus means carbon source.

2.3 河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)碳匯的空間集聚特征分析

本文利用空間基尼系數(shù)分析河南省各市農(nóng)業(yè)碳匯量的集聚特征, 首先將河南省各市農(nóng)業(yè)碳匯量按照行政區(qū)劃劃分為(=18)組, 并按照其碳密度由低到高的順序排隊, 然后將各市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量占全省碳匯量的比值由低到高進(jìn)行累加百分比作為縱軸, 并將各市土地或耕地面積占全省總量的累計百分比作為橫軸, 作圖即可得到其洛倫茨曲線, 坐標(biāo)原點與終點連接起來的直線為絕對平均線, 洛倫茨曲線和絕對平均線之間圍成面積(圖1中陰影部分面積)的2倍即得其空間基尼系數(shù)取值。2008—2015年河南省各市碳匯量均值隨轄區(qū)土地和耕地面積變化的洛倫茲曲線如圖1所示, 其中耕地-碳匯洛倫茲曲線和基尼系數(shù)主要分析河南省各市碳匯與耕地資源的關(guān)系, 而轄區(qū)土地面積-碳匯洛倫茲曲線和基尼系數(shù)主要分析河南省各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量的地域空間分布特征。

河南省各市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量與行政區(qū)劃轄區(qū)土地面積之間的基尼系數(shù)為0.43(圖1a), 依據(jù)基尼系數(shù)0.4以上集聚效果較為顯著的國際區(qū)段劃分標(biāo)準(zhǔn), 河南省各市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量在地域空間上具有較顯著集聚特征。由2008—2015年河南省各市轄區(qū)單位土地面積上的碳匯均值統(tǒng)計數(shù)據(jù)看, 周口市是單位土地面積碳匯量最大的地區(qū), 其均值為4.48 t?hm-2, 而三門峽是單位土地面積碳匯量最小的地區(qū), 均值為0.03 t?hm-2, 前者是后者的156.65倍。由于光熱等原因, 河南省農(nóng)作物生產(chǎn)碳匯量在地域空間上還呈現(xiàn)顯著的南少北多特征; 而地貌特征和耕地分布等原因, 又導(dǎo)致全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量具有顯著的東多西少特征, 因此河南省碳匯量較多的地區(qū)在地域空間上集中在全省的東部和北部, 而西部、南部和省會地區(qū)碳匯較少。三門峽、濟(jì)源、洛陽、平頂山、鄭州和南陽7市土地面積占全省的50.28%, 而其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量僅占全省的17.79%, 而周口、漯河、開封、商丘、安陽和濮陽6市土地面積僅占全省的27.06%, 但其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量卻占全省的54.42%。

圖1 2008—2015年河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年均碳匯均值地域空間分布的洛倫茲曲線圖

由2008—2015年河南省各市耕地面積-碳匯均值統(tǒng)計數(shù)據(jù)(圖1b)看, 農(nóng)業(yè)碳匯密度最大的地市是商丘市, 其單位耕地面積碳匯量為6.62 t?hm-2, 農(nóng)業(yè)碳匯密度最小的地市是三門峽市, 其單位耕地面積碳匯量為0.17 t?hm-2, 前者是后者的的39.08倍, 說明雖然各市耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯密度有一定差異, 但經(jīng)計算全省基尼系數(shù)僅為0.29, 根據(jù)基尼系數(shù)0.2~0.3相對均勻的國際區(qū)段劃分標(biāo)準(zhǔn)[19], 河南省各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量與耕地資源數(shù)量相對保持一致, 說明耕地資源保有量對于穩(wěn)定和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯能力具有重要現(xiàn)實意義。

3 討論與結(jié)論

據(jù)前文分析, 自然因素中土壤CO2分解是河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放的重要因子, 2015年河南省土壤CO2呼吸作用的碳排放量占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放的68.26%, 土壤有機質(zhì)絕大部分的碳是通過微生物作用以CO2等形式釋放到大氣中[20], 可見土壤CO2呼吸作用產(chǎn)生的碳排放不能忽略不計, 而當(dāng)前很多學(xué)者在計量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放和碳匯等相關(guān)研究中缺乏該部分的計量, 因此加強各地土壤CO2呼吸作用的監(jiān)測和省、市和縣級單位土壤CO2呼吸估算模型構(gòu)建, 有利于中等尺度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放的更精確研究。同時, 國際碳交易把CO2排放權(quán)作為一種商品, 從而形成了CO2排放權(quán)的交易貿(mào)易制度。研究表明河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收能力大于碳排放強度, 整體表現(xiàn)為碳匯特征, 因此河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對調(diào)節(jié)改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳環(huán)境具有重要作用, 同時全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯在地域空間上具有顯著的集聚特征, 主要集中分布在河南省的東部和北部的平原地區(qū), 由于資源稟賦和國家土地用途管制等原因, 這些地區(qū)又過多承擔(dān)了國家糧食安全和生態(tài)維護(hù)功能, 犧牲了自身部分非農(nóng)建設(shè)發(fā)展的機會[21], 而這些在市場經(jīng)濟(jì)體中并沒有體現(xiàn), 因此存在國家糧食安全等公共利益需求而犧牲部分地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的機會成本, 開展區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯研究, 可為當(dāng)前耕地生態(tài)價值補償機制提供一定的依據(jù)。

本文在綜合前人農(nóng)業(yè)碳匯核算研究的基礎(chǔ)上, 從農(nóng)業(yè)碳吸收和碳排放收支的視角, 分析河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的演變趨勢和集聚特征, 得出如下結(jié)論:

1)2000—2015年河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)一直表現(xiàn)為碳匯特征, 其碳匯量整體呈現(xiàn)逐漸增長趨勢。2015年河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量為3 235.11萬t, 相當(dāng)于當(dāng)年其能源消費碳排放量的22.53%, 因此其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對于減緩溫室效應(yīng)具有重要作用, 2015年單位耕地面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳匯密度為3.99 t×hm-2, 是2000年的2.43倍。

2)河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯增長主要原因是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的提升和播種面積的提高, 致使其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳吸收能力的快速增長, 2015年河南省農(nóng)業(yè)碳吸收量和碳排放量為8 045.46萬t和4 810.36萬t, 分別是2000年的1.13倍和1.49倍, 農(nóng)業(yè)碳吸收量年均增長率為3.27%, 是農(nóng)業(yè)碳排放年均增長率的3.85倍, 其中糧食等農(nóng)產(chǎn)品是農(nóng)業(yè)碳吸收的主要來源, 土壤碳呼吸等自然因素是農(nóng)業(yè)碳排放的主要途徑, 但人工農(nóng)資投入碳排放增長相對較快。

3)河南省各市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯量在空間上表現(xiàn)出普漲性、相對穩(wěn)定性和空間集聚性的特征, 雖然各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯與其耕地數(shù)量較為一致, 但碳匯在空間上呈現(xiàn)一定的地域分異性, 高值主要分布在河南省的豫東平原地區(qū), 低值主要位于豫南丘陵和豫西山區(qū), 具有顯著的南北和東西差異。

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Spatio-temporal evolution and agglomeration characteristics of agricultural production carbon sink in Henan Province*

CAO Zhihong1, QIN Shuai1, HAO Jinmin2

(1. College of Economic and Management, Zhengzhou Light Industry University, Zhengzhou 450002, China; 2. College of Resources & Environment, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

There are carbon emission and carbon absorption in agricultural production. Research on carbon sinks in agricultural production lacks clear system boundary, less medium scale researches and uniformity and integrity in accounting. To solve the above problems, this study analyzed the evolution trend and agglomeration characteristics using the Gene’s coefficient and Lorenz curve methods through determining carbon sinks in agricultural production in Henan Province. The main results showed that agricultural production systems in Henan Province generally had carbon sink characteristic, and its carbon sequestration had been increased from 2000 to 2015. Carbon sinks in agricultural production in Henan Province amounted to 3.24×107tons in 2015, which was 22.53% of carbon emission driven by energy consumption in the province. Therefore, agricultural production had a positive ecological effect on decreasing greenhouse gas. There was gradual increase in the carbon sink due to agricultural production for the period from 2000 to 2015 as carbon absorption increased much faster than carbon emission with increasing agricultural modernization and agricultural production capacity. As far as structure was concerned, agricultural production was the main aspect of the natural function of carbon emission in Henan Province, was 70.15% of total carbon emission in agricultural production in 2015. Carbon emission via artificial agricultural input increased relatively faster than the natural function of carbon emission, which was the main reason for the increase in carbon emission via agricultural production in the province. The annual growth rates of carbon emission due to artificial agricultural input were respectively 0.85% and 3.27% in 2000 and 2015, which was 3.85 times that of the natural factors of carbon emission. The spatial distribution of carbon sink due to agriculture production in Henan Province showed universality, relative stability and significant agglomeration, with significant differences between the north and south and then east and west. The values of carbon sinks for agricultural production in the eastern and northern regions were relatively high, while those for southern and western regions were relatively low.

Agricultural production; Carbon absorption; Carbon emission; Carbon sink; Agglomeration characteristics; Gene’s coefficient; Lorenz curve

, CAO Zhihong, E-mail: caozhihongczh@163.com

Nov. 15, 2017;

May 31, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.171141

S-3

A

1671-3990(2018)09-1283-08

2017-11-15

2018-05-31

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (U1504707, 41501189), the Youth Foundation for Humanities and Social Science Research of Ministry of Education, China (14YJCZH004), the Program for Science and Technology Innovation Talents in Universities of Henan Province (2017-cx-028) and the Program for Training Young Excellent Teachers in University of Henan Province (2017GGJS098).

* 國家自然科學(xué)基金項目(U1504707, 41501189)、教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項目(14YJCZH004)、河南省高?？萍紕?chuàng)新人才支持計劃(人文社科類)(2017-cx-028)和河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計劃(2017GGJS098)資助

曹志宏, 主要研究方向為資源管理和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)。E-mail: caozhihongczh@163.com

曹志宏, 秦帥, 郝晉珉. 河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳匯的演變趨勢及其集聚特征分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(9): 1283-1290

CAO Z H, QIN S, HAO J M. Spatio-temporal evolution and agglomeration characteristics of agricultural production carbon sink in Henan Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(9): 1283-1290