基于碳足跡分析國家級重點生態(tài)功能區(qū)農(nóng)田種植業(yè)特征

張變?nèi)A，靳東升，郜春花

（1.忻州師范學院，山西忻州 034000；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原 030031）

目前，關(guān)于碳如碳循環(huán)、碳排放、低碳發(fā)展是學術(shù)界的研究熱點。碳足跡可以度量因某種活動而引起直接或間接的CO2排放量[1]。從碳足跡的視角研究碳排放、低碳減排措施，可以為全球氣候變化提供一定的理論幫助[2]。而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是大氣的重要碳源與碳匯，研究其碳足跡及其變化可以為農(nóng)業(yè)低碳化、可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

當前，已有許多國內(nèi)外學者從不同層面、不同角度對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡進行了研究。SOVACOOL等[3]，HERTWICH等[4]利用模型從國家及城市的層面對碳足跡進行了研究，并提出相應的減少碳排放的措施；WEST等[5]對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)中化肥、農(nóng)藥等使用量的能源消耗和碳排放進行了研究。國內(nèi)有許多學者也從多角度對影響碳足跡的因子、碳排放的空間分布、結(jié)構(gòu)特征與強度變化等進行了深入研究[6-11]。但很少有學者從碳足跡的視角來研究國家級重點生態(tài)功能區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)特征。

本研究主要以國家級重點生態(tài)功能區(qū)山西省偏關(guān)縣為研究對象，從小尺度范圍內(nèi)探討農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)碳足跡特征，旨在為國家級重點生態(tài)功能區(qū)偏關(guān)縣開展節(jié)能減排工作、發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)提供一定的指導和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

偏關(guān)縣位于山西省忻州市西北部，是黃河入境第1縣。該縣東西長60 km，南北寬58 km，總面積1 682 km2，境內(nèi)黃土丘陵起伏、梁塬峁廣布，溝壑縱橫，地勢東高西低，呈偏頭狀；屬于溫帶大陸性氣候，年均溫約為7.9℃，年均降水量約為413.2 mm，降水量主要集中于夏秋季節(jié)；2016年耕地面積約3.6萬hm2；人口約11.6萬，其中，農(nóng)業(yè)人口約占總?cè)丝诘?2.6%；GDP生產(chǎn)總值為25億元，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值約占GDP的15%，糧食總產(chǎn)量54 132 t，農(nóng)村居民年人均收入約6 030元。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中所使用的相關(guān)數(shù)據(jù)如作物經(jīng)濟產(chǎn)量、農(nóng)膜、農(nóng)藥等均來自于2008—2017年的《山西統(tǒng)計年鑒》和《忻州統(tǒng)計年鑒》。

1.3 研究方法

1.3.1 種植業(yè)碳匯估算 作物在生長期內(nèi)進行光合作用時的碳吸收量是通過農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量以及相應的經(jīng)濟系數(shù)進行計算。

其中，GT為所有農(nóng)作物的碳吸收量；Gi表示第i類農(nóng)作物合成單位質(zhì)量干物質(zhì)的碳吸收量；TW為第i類作物的經(jīng)濟產(chǎn)量；H為第i類作物的經(jīng)濟系數(shù)。1.3.2 碳排放估算 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中種植業(yè)碳排放主要包括3個部分[12]：種植期間的化學物質(zhì)投入，主要包括化肥（氮磷鉀肥）、農(nóng)藥、農(nóng)膜的施用量；能源消耗所導致的碳排放，主要包括用電量及農(nóng)用機械使用導致的碳排放，因其主要體現(xiàn)為農(nóng)業(yè)耕作與灌溉，所以可將其轉(zhuǎn)換為灌溉耗能和耕作耗能；農(nóng)作物收獲后秸稈燃燒釋放到大氣中的碳量。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)碳排放量公式如下。

其中，E為總碳排放量；Ei為各類碳源碳排放量；Ki為各碳排放源的量；Vi為各碳排放源的排放系數(shù)。

各類碳源碳排放量主要包括化肥（氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥）、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)機械作業(yè)過程、灌溉、秸稈焚燒過程中的碳排放量。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中各類碳源碳排放量的計算公式如下。

化肥碳排放量＝氮肥碳排放量+磷肥碳排放量+鉀肥碳排放量＋復合肥碳排放量。其中，氮肥碳排放量=氮肥純用量×氮肥間接碳排放系數(shù)＋氮肥純用量×氮肥氧化亞氮排放系數(shù)×44÷28×298×12÷44；磷肥碳排放量=磷肥使用量×磷肥碳排放系數(shù)；鉀肥碳排放量=鉀肥使用量×鉀肥碳排放系數(shù)；復合肥碳排放量=1/3×復合肥使用量×氮肥碳排放量＋1/3×復合肥使用量×磷肥碳排放量＋1/3×復合肥使用量×鉀肥碳排放量。

農(nóng)藥碳排放量＝農(nóng)藥使用量×農(nóng)藥碳排放系數(shù)；農(nóng)膜碳排放量＝農(nóng)膜使用量×農(nóng)膜碳排放系數(shù)；農(nóng)耕碳排放量＝農(nóng)作物播種面積×農(nóng)耕碳排放系數(shù)；農(nóng)田灌溉碳排放量＝灌溉面積×灌溉碳排放系數(shù)；農(nóng)作物秸稈燃燒的碳排放量為農(nóng)作物秸稈量×農(nóng)作物含碳量×秸稈燃燒率[12]；農(nóng)作物秸稈量＝農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量×草谷比×秸稈收集系數(shù)[12]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)碳足跡可以反映農(nóng)作物的固碳能力。

其中，CEF為碳足跡；NEP為農(nóng)作物固碳能力；C為碳排放總量；S為耕地面積；GT為農(nóng)作物碳吸收總量。若CEF－S＜0，說明碳足跡盈余；若CEFS＞0，說明碳足跡赤字。

1.4 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)表1，2不同碳源排放系數(shù)、不同農(nóng)作物碳吸收率、經(jīng)濟系數(shù)等數(shù)據(jù)，用Excel，SPSS軟件對偏關(guān)縣農(nóng)田種植業(yè)碳足跡進行數(shù)據(jù)整理與回歸分析。

表1 偏關(guān)縣種植業(yè)碳源及排放系數(shù)情況

表2 我國不同農(nóng)作物碳吸收率、經(jīng)濟系數(shù)、草谷比、秸稈收集系數(shù)情況[12]

2 結(jié)果與分析

2.1 偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)固碳量的動態(tài)特征

由圖1可知，2007—2016年偏關(guān)縣種植業(yè)固碳量呈波動變化，2007年作物固碳量總計為63381t，2008年作物固碳量最大，為75 593 t，2015年最低，為33 796 t。各碳吸收源在不同年份呈現(xiàn)不同程度的變化，蔬菜的碳吸收量呈倒V字型由2007年的1 210 t增至2010年的4 005 t，后逐年降至2016年的2159t；瓜果的吸收量呈現(xiàn)逐年降低趨勢，2016年瓜果產(chǎn)量為872 t，比2007年下降4 368 t；油料、胡麻及其他作物均呈波動下降趨勢；然而，2007—2016年玉米的碳吸收量呈波動變化但變幅不大，2015年外基本處于主導地位；谷物、豆類、薯類呈波動增長趨勢，胡麻、油料及其他作物呈現(xiàn)波動降低趨勢，2016年種植業(yè)各要素的固碳量中谷子貢獻率最大，為28.94%，其次為玉米（25.16%），瓜果最低，僅為1.4%。

表3 偏關(guān)縣種植業(yè)作物碳吸收量回歸分析結(jié)果

依據(jù)2007—2016年不同農(nóng)作物的固碳量，利用SPSS軟件進行回歸分析。從表3可以看出，只有作物玉米進入回歸方程，回歸方程為Y＝24 971.4＋2.320X1，其中，X1為玉米固碳量。說明影響偏關(guān)縣種植業(yè)固碳量的因素主要為玉米。

2.2 偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)作物碳排放量的動態(tài)特征

從圖2，3可以看出，2007—2016年偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中各類碳源碳排放量的變化幅度不大，2007年偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中種植業(yè)的總碳排放量為14 231 t，其中，化學物質(zhì)投入貢獻率最大，為67.2%，其次為秸稈焚燒占26.5%，能源消耗最小，僅占6.3%。2016年碳排放量較2007年增長了452t，其中，化學物質(zhì)碳排放量貢獻率較2007年增長了10.4%，能源消耗貢獻率較2007年增長了0.5%，秸稈焚燒貢獻率較2007年下降了0.7%；化學物質(zhì)投入中以氮肥在碳排放總量中貢獻率較大，達44%；農(nóng)膜、農(nóng)藥投入在碳排放總量中貢獻率變幅較大，2016年農(nóng)膜、農(nóng)藥投入較2007年分別增加了5%，1.9%。

表4 偏關(guān)縣種植業(yè)碳源排放回歸分析結(jié)果

利用SPSS軟件對偏關(guān)縣農(nóng)業(yè)活動中碳源排放數(shù)據(jù)進行回歸分析。由表4可知，偏關(guān)縣種植業(yè)碳源排放量的回歸方程為Y（碳排放量）＝-6 298.61＋0.758X1＋15.061X2＋0.654X3＋0.409X4。其中，X1，X2，X3，X4分別表示秸稈焚燒、耕作耗能、氮肥、農(nóng)膜。從回歸方程可以看出，影響偏關(guān)縣種植業(yè)碳排放量的主要因素為秸稈焚燒、耕作、氮肥施用量和農(nóng)膜使用量，耕作耗能的系數(shù)最大，為15.061，說明農(nóng)業(yè)耕作包括犁地、機械化作業(yè)對種植業(yè)碳排放量的影響最大。

2.3 偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)碳足跡動態(tài)特征

表5 2007—2016年偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)碳足跡及其效益

從表5和圖4，5可以看出，2007—2016年偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中種植業(yè)碳排放量小于碳吸收量，處于碳盈余狀態(tài)，2008年碳排放量與碳吸收量的比值最小，為1∶5.3，而2015年最大，為1∶2.5。2007—2016年偏關(guān)種植業(yè)的總碳吸收量、碳足跡占耕地面積均呈波動變化，近10 a種植業(yè)平均碳足跡占耕地面積的比例為23.5%，說明耕地面積可以容納因化學物質(zhì)投入和能源消耗所致的碳排放，對偏關(guān)縣低碳農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極作用。同時，從表5可以看出，2007年偏關(guān)種植業(yè)單位碳足跡產(chǎn)值效益為4259元/hm2；而2016年為8890元/hm2，2016年單位碳足跡產(chǎn)值效益比2007年增加4631元/hm2；2015年雖然單位碳足跡產(chǎn)值比較低，但是仍然高于2007年，說明近10 a偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中種植業(yè)要素的投入效率和單位土地效益變化明顯提高。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究表明，國家級重點生態(tài)功能區(qū)偏關(guān)縣種植業(yè)結(jié)構(gòu)受區(qū)域自然地理條件與經(jīng)濟發(fā)展水平的影響偏向糧食作物，種植業(yè)的碳吸收量明顯大于碳排放量。玉米是當?shù)氐闹饕m耕品種，也是全縣種植業(yè)碳吸收量的主導因子；谷子的碳吸收量呈波動上升，10 a期間增長了14%。

國家級重點生態(tài)功能區(qū)偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)種植業(yè)碳排放中，化學物質(zhì)投入年均貢獻率67%，其中，氮肥年平均貢獻率為45%，農(nóng)膜對碳排放的貢獻率呈上升態(tài)勢，10 a增長5%，能源消耗波動不大且貢獻率較低，但其中的耕作耗能仍為影響偏關(guān)縣種植業(yè)碳排放的主要因子。秸稈焚燒碳排放量雖然呈現(xiàn)下降趨勢，但因其基數(shù)較大，導致了嚴重的環(huán)境污染和資源浪費。

近10 a偏關(guān)縣單位碳足跡產(chǎn)值效益不斷增加，種植業(yè)處于碳生態(tài)盈余狀態(tài)，表明國家級重點生態(tài)功能區(qū)偏關(guān)縣農(nóng)田種植業(yè)具有較強的固碳能力[17]。

3.2 討論

本研究重點分析了近10 a國家級重點生態(tài)功能區(qū)偏關(guān)縣種植業(yè)中農(nóng)作物的碳吸收對化學物質(zhì)投入及能源消耗產(chǎn)生的碳排放的消納狀況，而沒有考慮在農(nóng)田種植過程中的固定資產(chǎn)投入及其年損耗的碳排放，且各種投入要素的碳排放系數(shù)及農(nóng)作物的碳吸收率隨著研究的深入與技術(shù)的發(fā)展將會不斷更新。

雖然國家級重點生態(tài)功能區(qū)山西省偏關(guān)縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中種植業(yè)處于碳盈余狀態(tài)，但如果化學物質(zhì)和能源投入越來越多，日積月累將會導致不可再生資源的損耗不斷增加，面源污染風險隨之增加，農(nóng)作物碳吸收潛力將逐漸減小。因此，應因地制宜，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，科學施肥，降低化學物質(zhì)使用量，開展秸稈循環(huán)利用等固碳減排措施，實現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[18-21]。