貴州喀斯特農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡時(shí)空差異研究

白義鑫，盛茂銀，胡琪娟，高夢(mèng)迪

（1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴陽(yáng) 550001；2.貴州省喀斯特石漠化防治與衍生產(chǎn)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550001；3.國(guó)家喀斯特石漠化治理工程技術(shù)研究中心，貴陽(yáng) 550001）

近年來(lái)，由溫室氣體排放引起的全球氣候變暖問(wèn)題已經(jīng)引起了世界各國(guó)的高度關(guān)注[1]。為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，減源增匯成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，也成為國(guó)內(nèi)外許多生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目的主要目標(biāo)[2-3]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為人類控制下的半自然生態(tài)系統(tǒng)，既是重要的碳源也是重要的碳匯[4-5]。一方面，農(nóng)業(yè)活動(dòng)作為重要的溫室氣體排放源，20%的CO2、70%的CH4以及90%的N2O 來(lái)源于農(nóng)業(yè)及其相關(guān)過(guò)程[6-8]。另一方面，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量達(dá)170 pg，占全球陸地碳存量的10%以上[9]。Tang X.L.等[10]研究指出我國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)中貢獻(xiàn)了12%的固碳量?？梢?jiàn)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在碳吸收方面潛力巨大。因此，定量分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源、匯變化特征及其影響因素對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)減源增匯意義重大。

碳足跡是在生態(tài)足跡概念的基礎(chǔ)上提出的，指的是由某種活動(dòng)（產(chǎn)品）生命周期內(nèi)直接或間接引起的CO2排放量的度量[11-13]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡是指人類在農(nóng)田上進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)形成的碳流量[14-16]。在過(guò)去的幾十年中，碳足跡已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于全球范圍內(nèi)與作物生產(chǎn)相關(guān)的碳投入的量化評(píng)價(jià)[17-18]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)國(guó)家、省級(jí)碳足跡變化進(jìn)行了較多研究，其中田云、段華平、趙榮欽等對(duì)中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡進(jìn)行了研究[19-21]，王靜[22]、張鵬巖[4]、王梁[5]、韓召迎[23]、錢小雍[24]、田云[25]、謝淑娟[26]、張燕[27]、袁再建[28]、黃曉敏[29]、Tian J.X.等[30]分別對(duì)山西、河南、山東、江蘇、上海、武漢、廣東、安徽、河北、黑龍江、湖南等省份農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡進(jìn)行研究。楊皓然等[31]研究了濰坊市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯及碳足跡變化，王梁等[32]對(duì)臨沂市碳源匯變化及其影響因素進(jìn)行分析?？梢?jiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)碳源匯及碳足跡進(jìn)行較多研究，但多集中于沿海及農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)省份地區(qū)，而對(duì)于西南喀斯特地區(qū)省份研究較少?？λ固氐貐^(qū)由于其生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性以及人類不合理的土地利用等活動(dòng)，石漠化問(wèn)題突出，而喀斯特區(qū)域農(nóng)業(yè)的低碳化對(duì)于石漠化治理以及中國(guó)乃至全球生態(tài)系統(tǒng)減源增匯至關(guān)重要[33-34]。貴州省作為中國(guó)南方喀斯特的中心[35]，其碳足跡較少的研究極大限制了西南喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)的低碳發(fā)展。張寶成等[36]對(duì)貴州省農(nóng)業(yè)碳匯進(jìn)行分析，但對(duì)于貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源、匯及碳足跡變化的綜合研究至今未見(jiàn)報(bào)道。據(jù)此，本文以貴州省及其所轄貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市為研究對(duì)象，從不同尺度定量分析2007—2016年貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量、碳吸收量與碳足跡的變化特征及其影響因素，以期為貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放清單提供基礎(chǔ)，并為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省地處我國(guó)大陸西南部，云貴高原東部，24°37'～29°13'N、103°36'～109°35'E 之間，全省國(guó)土總面積1.76×105km2。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，雨熱同期，年均氣溫14.8 ℃，年平均降水在983～1 380 mm 之間。貴州省境內(nèi)喀斯特廣泛發(fā)育，喀斯特面積占全省面積比例高達(dá)61.9%，地勢(shì)西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜。貴州省是全國(guó)唯一沒(méi)有平原支撐的省份，土地資源以山地、丘陵為主，平壩地較少，分別為108 740 km2、54 197 km2、13 230 km2，其中山地、丘陵占全省土地總面積的92.8%，這種地形特點(diǎn)使得可用于農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)的土地資源較少。貴州省農(nóng)作物種類較多，主要有水稻、玉米、小麥、花生、油菜、烤煙等。本文以貴州省及其所轄貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市為研究對(duì)象，對(duì)其農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放量、碳吸收量及碳足跡進(jìn)行測(cè)算，進(jìn)而分析不同尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源、匯及碳足跡變化特征，并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。

1.2 農(nóng)田碳足跡概念及邊界界定

盡管碳足跡已被廣泛應(yīng)用，但其內(nèi)涵卻并不完全相同。碳足跡的定義主要有兩種：一是指某種活動(dòng)引起的（或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)積累的）直接或間接的CO2排放量或溫室氣體轉(zhuǎn)化的CO2等價(jià)物排放量；二是指吸收化石燃料燃燒排放的CO2所需的生產(chǎn)性土地面積[37-38]。具體而言，前者指碳排放量，后者指碳排放的占地面積。為便于與區(qū)域承載力比較以及與其他生態(tài)足跡組分的合并，本文選用第二種定義。本文以貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，選擇農(nóng)地翻耕、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、農(nóng)田灌溉六種碳排放類型，小麥、玉米、水稻等10 種主要農(nóng)作物為碳吸收類型進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源、匯核算。

1.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量估算

在參考田云等[19]、趙榮欽等[21]碳排放方程建立方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放公式如下：

式（1）中：E 為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量，Ei為各類碳源碳排放量，Pi為各碳排放源的數(shù)量[包括翻耕面積（hm2）、化肥用量（t）、農(nóng)藥用量（kg）、農(nóng)膜用量（t）、農(nóng)用柴油用量（t）、灌溉面積（hm2）]，Qi為各排放源的碳排放系數(shù)，具體見(jiàn)表1。

表1 碳排放源類型及系數(shù)Table 1 Carbon source types and coefficients

1.4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量估算

農(nóng)田作物碳吸收指的是作物光合作用形成的凈初級(jí)生產(chǎn)量，即生物產(chǎn)量[23]。根據(jù)貴州省農(nóng)作物生長(zhǎng)周期和特征，選取小麥、玉米、水稻、油菜籽、蔬菜、甘蔗、花生、烤煙、豆類、薯類10 種種植類型，在參考田云等[19]，張鵬巖等[4]碳吸收估算方程基礎(chǔ)上結(jié)合張寶成等[36]對(duì)貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯計(jì)量的方法，構(gòu)建貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收估算公式，如下：

式中，T 為區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量，Ti為第i 種農(nóng)作物碳吸收量，Ci為含碳率，Yi為第i 種農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，Vi為第i 種農(nóng)作物的含水率，Ri為第i 種農(nóng)作物的根冠比系數(shù)，Hi為第i 種農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)，n 為農(nóng)作物種類數(shù)，本文n=10。各系數(shù)具體指標(biāo)見(jiàn)表2[4，19，36]。

1.5 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡估算

本研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡研究參考段華平等[20]的研究方法，公式如下：

式中，CEF 為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡，E 為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量，NEP 為1 hm2的植被1年吸收的碳量，T 為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中所有農(nóng)作物全生育周期對(duì)碳的吸收量，S 為耕地面積。在碳足跡總量分析的基礎(chǔ)上，碳足跡與耕地面積之比即單位面積碳足跡。

將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡與區(qū)域耕地面積（S）進(jìn)行比較，如果前者大于后者，表現(xiàn)為碳生態(tài)赤字（CED）；反之，則為碳生態(tài)盈余（CER）。公式如下：

1.6 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)資料主要來(lái)源于2007—2016年《貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒》《貴陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒》《遵義市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《六盤(pán)水市統(tǒng)計(jì)年鑒》以及其他相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。其中化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜和農(nóng)用柴油數(shù)據(jù)均以當(dāng)年實(shí)際使用量為準(zhǔn)，翻耕數(shù)據(jù)以當(dāng)年實(shí)際播種面積為準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)灌溉以當(dāng)年實(shí)際灌溉面積為準(zhǔn)。

表2 不同農(nóng)作物碳吸收估算系數(shù)Table 2 Estimation factors for carbon absorption of different crops

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州喀斯特農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放特征

2.1.1 碳排放年度變化分析

根據(jù)前文所給公式，測(cè)算2007—2016年貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量，如表3所示。結(jié)果表明，2007—2016年，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量總體呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，由2007年的102.46×104t增至2016年的137.54×104t，年平均增幅為3.31%。其中，化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、翻耕、農(nóng)用柴油、灌溉的碳排放量分別由 2007年的 73.48×104、5.28×104、3.22×104、1.41×104、17.46×104、1.6×104t 變化為 2016年的92.85×104、6.75×104、6.58×104、1.74×104、26.45×104、3.18×104t。此外，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳排放量呈現(xiàn)與總量基本一致的變化趨勢(shì)，總體也呈逐年上升趨勢(shì)，分別從2007年的330 kg/hm2上升到2016年的442 kg/hm2。這表明隨著化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)投入品的增加以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增加的同時(shí)，其碳排放量也在不斷增加。

由于貴州省的耕地面積由2007年的446.45 萬(wàn)hm2增長(zhǎng)至2016年的559.68 萬(wàn)hm2，為更全面研究碳排放內(nèi)容，在此分析不同碳源單位面積碳排放量。由圖1可知，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同碳源單位面積碳排放以化肥施用排放占主導(dǎo)地位，由2007年的 236.4 kg/hm2增長(zhǎng)至 2016年的 298.23 kg/hm2。其次為農(nóng)膜，由2007年56.17 kg/hm2增長(zhǎng)至2016年的84.94 kg/hm2，不僅總量大且增速也較快。而農(nóng)藥、農(nóng)用柴油、翻耕及農(nóng)田灌溉碳排放產(chǎn)生量顯著小于化肥與農(nóng)膜。可見(jiàn)，對(duì)于耕地面積變化較小的貴州省，以化肥為主導(dǎo)的農(nóng)用投入的增加是導(dǎo)致農(nóng)田碳排放增加的主要原因。

表3 貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量與單位面積碳排放量Table 3 Carbon emissions and carbon emissions per unit area of farmland ecosystems in Guizhou Province

圖1 不同碳源類型單位面積碳排放量Figure 1 Carbon emissions per unit area of different carbon sources

2.1.2 不同空間尺度碳排放分析

由于貴州省各地區(qū)耕地面積、種植結(jié)構(gòu)等存在差異，因此討論不同尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量成為研究貴州省碳排放量的必經(jīng)之路。選擇貴州省農(nóng)業(yè)發(fā)展程度較高、規(guī)模較大的貴陽(yáng)、遵義及六盤(pán)水三市，以2016年各市化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油、翻耕、農(nóng)田灌溉等計(jì)算碳排放總量及單位面積碳排放量。由圖2可知，貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市碳排放總量存在顯著差異，分別為貴陽(yáng)（7.43×104t）＜六盤(pán)水市（7.55×104t）＜遵義（27.63×104t），這主要是由于農(nóng)用化學(xué)品的投入以及資源能源消耗總量的不同引起的。單位面積碳排放則呈現(xiàn)出與總量相反的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為貴陽(yáng)＞貴州?。玖P(pán)水＞遵義。原因可能是貴陽(yáng)市作為省會(huì)城市，城市化的發(fā)展導(dǎo)致人口劇增，對(duì)糧食需求不斷加大，因此需要在有限土地上加大農(nóng)用投入以提高作物產(chǎn)量；而六盤(pán)水、遵義碳排放總量大主要是因?yàn)槠涓孛娣e相對(duì)較大，以至于碳排放總量與單位面積碳排放量呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，可見(jiàn)對(duì)于不同尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)采取不同的措施進(jìn)行調(diào)控。

圖2 不同尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放Figure 2 Carbon emissions from farmland ecosystems at different scales

2.1.3 主要碳排放途徑分析

通過(guò)分析貴州省2007—2016年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)6 種主要碳排放途徑（表3、圖1），結(jié)果表明，施用化肥產(chǎn)生的碳排放量占總排放量的比例最大，平均為68%，而且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。2016年貴州省化肥使用強(qiáng)度為298.23 kg/hm2，雖遠(yuǎn)低于山東省的430.61 kg/hm2及河南省的763.54 kg/hm2，但仍高于發(fā)達(dá)國(guó)家公認(rèn)的安全警戒線225 kg/hm2，因此，農(nóng)田化肥的施用應(yīng)引起足夠的重視[4-5]。其次為農(nóng)膜使用產(chǎn)生的碳排放量，占總排放量的19%，原因可能是在生境脆弱的喀斯特地區(qū)，使用農(nóng)膜可以有效起到保土保墑的作用。農(nóng)藥、農(nóng)用柴油產(chǎn)生量占比均為5%，而翻耕、灌溉產(chǎn)生量共占碳排放總量的3%。結(jié)合表3、圖1和圖2可知，貴州省與貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市主要碳排放途徑表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，均為化肥所占比例最高，依次為68%、73%、81%、72%，其次為農(nóng)膜使用產(chǎn)生的碳排放量，分別占碳排放總量的19%、16%、10%、14%，兩者所產(chǎn)生碳排放量占總排放量比分別為87%、89%、91%和86%。因此，優(yōu)化肥料施用的種類及方式、減少并科學(xué)地進(jìn)行農(nóng)膜使用應(yīng)是未來(lái)碳減排的重點(diǎn)，對(duì)于貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)減源增匯意義重大。

2.2 貴州省喀斯特農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收分析

2.2.1 碳吸收量年度變化分析

根據(jù)2007—2016年貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物產(chǎn)量及播種面積計(jì)算碳吸收總量與單位面積碳吸收量，如表4。結(jié)果顯示，貴州省近10年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì)，變化范圍為 1 399.03×104～1 921.64×104t，2011年處于低谷，較最高時(shí)期（2016年）減少了27.2%。與之相對(duì)應(yīng)，單位面積碳吸收量呈現(xiàn)與碳吸收總量一致的變化趨勢(shì)，也表現(xiàn)為上升、下降再上升的趨勢(shì)，變化范圍在4.58～6.46 t/hm2，最低值出現(xiàn)在2011年的4.58 t/hm2，其中，碳吸收總量與單位面積碳吸收量下降的原因主要是糧食播種面積下降，而糧食播種面積下降則主要是由于貴州省喀斯特地區(qū)的退耕還林、生態(tài)退耕等政策[40]。2011年后恢復(fù)性增長(zhǎng)主要是因?yàn)檎畬?duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的扶持力度加大以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高促使農(nóng)作物單產(chǎn)水平提高，此外，糧食價(jià)格提高也是一大因素，在一定程度的促使糧食播種面積增加。

在研究期間內(nèi)，貴州省不僅耕地面積發(fā)生變化，各種農(nóng)作物的播種面積亦隨之發(fā)生變化，因此，研究不同種植類型單位面積碳吸收量變化十分必要。由圖3可知，貴州省2007—2016年不同農(nóng)作物單位面積碳吸收總體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中，水稻單位面積碳吸收量較大但增速緩慢，由2007年的13.78 t/hm2變化至2016年的13.31 t/hm2，究其原因?yàn)樗痉N植面積較大且研究期間耕地面積變化較??；其次為甘蔗和玉米，甘蔗單位面積碳吸收量較大且增速較快，由 2007年的 6.36 t/hm2變化為 2016年的 9.54 t/hm2，但其種植面積較小，碳吸收總量較??；玉米單位面積碳吸收量由6.06 t/hm2變化為5.73 t/hm2，但2013年以后呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，此外玉米種植面積較大，所以碳吸收量相對(duì)較大。此外，蔬菜由于其經(jīng)濟(jì)價(jià)值高且需求量大，種植面積由2007年的527.85 萬(wàn)hm2變化為2016年的1 050.92 萬(wàn)hm2，但其單位面積碳吸收量較小，僅為1.61 t/hm2，故碳吸收總量不大。其余種植類型單位面積碳吸收量較小且變化趨勢(shì)平穩(wěn)。

表4 貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量與單位面積碳吸收量Table 4 Carbon absorption and Carbon absorption per unit area of farmland ecosystems in Guizhou Province

圖3 不同種植類型單位面積碳吸收量Figure 3 Carbon absorption per unit area of different planting types

2.2.2 不同空間尺度碳吸收量比較分析

貴州省各地區(qū)耕地面積、種植結(jié)構(gòu)等存在差異，因此討論不同尺度地區(qū)不同種植類型碳吸收總量及其單位面積碳吸收量具有現(xiàn)實(shí)意義，以2016年貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算三市不同種植類型碳吸收總量及其單位面積碳吸收量。由圖4可知，貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市碳吸收總量存在顯著差異，表現(xiàn)為貴陽(yáng)（95.94×104t）＜六盤(pán)水（118.33×104t）＜遵義市（653.24×104t），其差異主要體現(xiàn)在遵義市水稻碳吸收量大于六盤(pán)水市且遠(yuǎn)大于貴陽(yáng)市。而貴陽(yáng)市蔬菜碳吸收量則大于遵義及六盤(pán)水兩市，原因主要為貴陽(yáng)市城市化發(fā)展，人口急劇增加，對(duì)蔬菜等經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的作物需求加大，使得蔬菜種植面積增加。單位面積碳吸收量則表現(xiàn)出與碳排放總量不同的趨勢(shì)，表現(xiàn)為六盤(pán)水市＜貴陽(yáng)市＜貴州?。甲窳x市，但差別不大。

2.2.3 主要碳吸收途徑分析

通過(guò)分析貴州省2007—2016年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物全生育期碳吸收量的變化可知，不同農(nóng)作物碳吸收量差異較大（表4）。其中，水稻碳吸收量遠(yuǎn)高于其他農(nóng)作物，由2007年的931.88×104t 到2016年的 897.03×104t，平均占碳吸收總量的50.9%，但呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。其次為玉米，2016年碳吸收量為424.13×104t，占碳吸收總量的23%，2007—2016年水稻和玉米碳吸收量占總吸收量比重平均為69%。農(nóng)作物碳吸收量較大的作物還有小麥和蔬菜，并呈增加趨勢(shì)，其中蔬菜由2007年的90.10×104t 增加至 2016年的 169.06×104t，增加了 47%，主要是由于蔬菜經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，激發(fā)農(nóng)戶種植熱情，使得蔬菜耕地面積增加。由表4、圖3、圖4可知，2016年貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市也表現(xiàn)出相同趨勢(shì)，水稻、玉米兩者碳吸收量占總碳吸收量的比例分別為63%、76%、88%。因此，利用國(guó)家和省政府糧食鼓勵(lì)政策積極發(fā)展水稻、玉米等傳統(tǒng)作物對(duì)地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯意義重大，蔬菜、油料作物的發(fā)展增速較快，也應(yīng)加大相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)促使其單位面積產(chǎn)量快速提高。

圖4 不同尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收Figure 4 Carbon absorption of farmland ecosystems at different scales

2.3 貴州省喀斯特農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡分析

2.3.1 碳足跡年度變化特征分析

根據(jù)前文公式計(jì)算貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡（表5）可知，2007—2016年貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，由2007年的20.51×104hm2增加至 2016年的 28.20×104hm2，最大值出現(xiàn)在2011年，為33.16×104hm2。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡占同期生產(chǎn)性土地面積的比例約為8.6%，但隨著時(shí)間的推移，呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，2007年為6.5%，2016年為9.1%。此外，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡均遠(yuǎn)小于同期耕地面積，說(shuō)明貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)存在生態(tài)盈余。據(jù)趙榮欽等[42]研究結(jié)果顯示，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳生態(tài)盈余可以補(bǔ)充工業(yè)發(fā)展與社會(huì)生活的碳生態(tài)赤字，這對(duì)于貴州省的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。2007—2016年貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳足跡總體呈增加趨勢(shì)，2007年和2016年分別為0.066 hm2/hm2和0.091 hm2/hm2，平均增幅達(dá)到2.3%。說(shuō)明隨著化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等大量施用以及農(nóng)用機(jī)械、灌溉等現(xiàn)代農(nóng)耕技術(shù)的廣泛應(yīng)用，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)作用正不斷減弱，增匯型種植以及農(nóng)業(yè)的去石油化勢(shì)在必行。

2.3.2 不同空間尺度碳足跡特征分析

由圖5可知，2007—2016年貴州省和貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市碳足跡總量雖有變化，但總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。三地級(jí)市碳足跡存在差異，表現(xiàn)為遵義（7.08～21.02 萬(wàn) hm2）＞六盤(pán)水（2.17～8.20 萬(wàn) hm2）＞貴陽(yáng)（1.47～2.98 萬(wàn) hm2）。由于貴州省以及貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)耕地面積及播種面積的差異，有必要分析單位面積的碳足跡。貴州省不同尺度地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳足跡與碳足跡總量存在顯著差異，表現(xiàn)為六盤(pán)水＞貴陽(yáng)＞遵義＞貴州省，2016年四地單位面積碳足跡分別為0.46、0.21、0.12、0.09 hm2/hm2。其中單位面積碳足跡最大的六盤(pán)水市與最小的貴州省相差5.11 倍，表明貴州省省市間、市市間碳足跡差異較大，且碳足跡增減差異也較大。因此，不同尺度碳足跡的深入研究對(duì)于貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡意義重大。

表5 2007—2016年貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡變化Table 5 Changes in carbon footprint of farmland ecosystems in Guizhou Province from 2007 to 2016

圖5 不同尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡Figure 5 Carbon footprint of farmland ecosystems at different scales

3 討論與結(jié)論

2007—2016年，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量總體呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，由2007年的102.46×104t增至 2016年的 137.54×104t，年均增長(zhǎng) 3.31%，其中化肥施用引起的碳排放量占總碳排放量的比例最高，平均為68%，呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。2016年貴州省化肥使用強(qiáng)度為298.23 kg/hm2，雖遠(yuǎn)低于山東、河南等[4-5]農(nóng)業(yè)省份，但仍高于發(fā)達(dá)國(guó)家公認(rèn)的安全警戒線225 kg/hm2。研究區(qū)域內(nèi)部不同尺度地區(qū)碳排放量與單位面積碳排放量均存在差異且呈現(xiàn)不同的變化次序，貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市碳排放總量與單位面積碳排放量甚至呈現(xiàn)相反的變化順序。不同尺度地區(qū)主要碳排放途徑較為一致，均以化肥施用為主，其次為使用農(nóng)膜所產(chǎn)生的碳排放，究其原因可能為喀斯特地區(qū)土壤貧瘠、土壤養(yǎng)分含量低[33-35]，因此以化肥、農(nóng)膜為主體的化學(xué)投入品使用較多，這與邵計(jì)新等對(duì)畢節(jié)地區(qū)研究結(jié)果類似。此外，探究其單位面積碳排放發(fā)現(xiàn)，貴州省農(nóng)田碳排放的增加主要原因?yàn)橐曰蕿橹鲗?dǎo)的農(nóng)地投入品增加，這與張鵬巖[5]、李明琦等[44]研究結(jié)果相似?？梢?jiàn)，化肥、農(nóng)膜等農(nóng)用投入增加是貴州省碳排放量增加的主要原因，應(yīng)引起足夠的重視。

2007—2016年，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì)，變化范圍為1 399.031 04～1 921.641 04t，2011年處于低谷，較最高時(shí)期（2016）年減少了27.2%，單位面積碳排放量也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。研究區(qū)域內(nèi)部不同尺度地區(qū)不同種植類型的碳吸收總量與單位面積碳吸收量也表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，如碳吸收量最高的遵義市與最小的的貴陽(yáng)市約相差6.5 倍。不同農(nóng)作物碳吸收量差異較大。水稻單位面積碳吸收量較大，且種植面積大，因此碳吸收量遠(yuǎn)高于其他農(nóng)作物，平均占碳吸收總量的50.9%，但呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，其次為玉米，占碳吸收總量的23%，2007—2016年水稻和玉米碳吸收量平均占總吸收量的69%，且貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市均表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。此外，甘蔗單位面積碳吸收量較大，但種植面積較少，因此碳吸收總量??；蔬菜種植面積較大，但單位面積碳吸收量小，故碳吸收量較小。貴州省農(nóng)田單位面積碳吸收總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明農(nóng)作物產(chǎn)量逐年增加這與李明琦[44]、王梁[5]、袁再建等[28]研究結(jié)果相似。研究發(fā)現(xiàn)，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量明顯高于碳排放量，表明貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的固碳能力，與張鵬巖等、趙榮欽等[4，21]研究結(jié)果一致。

2007—2016年，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡及單位面積碳足跡總體呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，貴陽(yáng)、遵義、六盤(pán)水三市也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，碳足跡及單位面積碳足跡均呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)。但三市內(nèi)部差異較大，其中單位面積碳足跡最大的六盤(pán)水市與最小的貴州省相差5.11 倍。貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同期生產(chǎn)性土地面積，說(shuō)明貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)存在較大的碳生態(tài)盈余，這與韓召迎等[23]、段華平等[20]、張鵬巖等[4]研究結(jié)果一致。但隨著化肥、農(nóng)藥等大量施用，貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳足跡不斷增加，表明其碳庫(kù)功能有所減弱。

本研究通過(guò)對(duì)貴州省不同尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量、碳吸收量以及碳足跡的測(cè)算，基本掌握貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯現(xiàn)狀及其影響因素，得出貴州省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放主要是由以化肥、農(nóng)膜為主導(dǎo)的農(nóng)地投入增加導(dǎo)致；碳吸收的主要貢獻(xiàn)來(lái)自于水稻、玉米和小麥。因此貴州省農(nóng)業(yè)減源增匯應(yīng)主要采取以下措施：基于減源視角，應(yīng)控制和減少農(nóng)藥、化肥等農(nóng)用投入品的施用，科學(xué)配比施肥、進(jìn)行有機(jī)無(wú)機(jī)配施以及采取噴灌、滴灌等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)[45-46]；基于增匯視角，首先應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，穩(wěn)定及提高農(nóng)作物單產(chǎn)，從而增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力?；谔甲阚E視角應(yīng)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳生態(tài)盈余的生態(tài)管護(hù)，增加生產(chǎn)性農(nóng)田土地的固碳速率，從而補(bǔ)充工業(yè)發(fā)展與社會(huì)生活的碳生態(tài)赤字，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。