黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)減排增匯研究

吳曉華，賀萍

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，大慶 163319）

人類農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)如化肥投入、農(nóng)機(jī)農(nóng)具的應(yīng)用、農(nóng)田灌溉等能夠產(chǎn)生碳排放，而農(nóng)作物同屬植物，具備與其他綠色植物相同的特點(diǎn)，亦能夠吸收大氣中的二氧化碳，是碳源同時(shí)也是重要的碳匯[1]。由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人工干預(yù)形成的，因此能夠通過(guò)合理改善人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排能力。

對(duì)于目前有農(nóng)業(yè)碳源、碳匯方面的研究，一是對(duì)于農(nóng)業(yè)碳源進(jìn)行研究：在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的碳排放中，農(nóng)業(yè)碳排放可分為種植業(yè)碳排放、畜牧業(yè)碳排放[2-4]，而在農(nóng)業(yè)碳排放中，隱藏在農(nóng)用能源及所投入工業(yè)品中的才是導(dǎo)致碳排放量的最大途徑（黃祖輝等[5]）；在農(nóng)用能源及所投入的工業(yè)品中化肥及柴油的使用則為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳排放中最主要途徑（張大東等[6]）。二是農(nóng)業(yè)碳匯進(jìn)行研究：農(nóng)作物產(chǎn)量是影響碳吸收量的重要因素[7-8]。我國(guó)農(nóng)業(yè)在碳匯方面具有很大潛力，同時(shí)碳匯對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了促進(jìn)作用。三是碳源、碳匯差異性研究：基于國(guó)際的視角，從國(guó)家層面以及市域?qū)用孢M(jìn)行差異化分析[9-11]。基于國(guó)內(nèi)的視角，不同地區(qū)的碳排放源以及分布也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)西北干旱地區(qū)（張振龍等[12]）對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)碳排放源從畜牧業(yè)開(kāi)始向種植業(yè)轉(zhuǎn)變，各省域碳排放量增長(zhǎng)較快但在空間上呈現(xiàn)非均衡性，各地區(qū)間存在較大差異。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有部分文獻(xiàn)在計(jì)算碳排放時(shí)沒(méi)有考慮翻耕導(dǎo)致的碳排放，而在碳吸收的測(cè)算中僅對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)中的主要糧食作物進(jìn)行了測(cè)算，進(jìn)而存在著低估的問(wèn)題，在對(duì)黑龍江省農(nóng)田系統(tǒng)碳排放測(cè)算時(shí)加入了由翻耕而導(dǎo)致的碳排放，同時(shí)計(jì)算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中糧食作物及經(jīng)濟(jì)作物碳吸收量，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 研究區(qū)域概況

黑龍江省坐落于中國(guó)北端且年均氣溫較低，糧食產(chǎn)量在全國(guó)連續(xù)居于首位約為全國(guó)的十分之一，有著“中國(guó)糧倉(cāng)”之稱。黑龍江化肥施用量自2014 年以來(lái)略有下降并逐漸趨于平穩(wěn)。黑龍江省2017 年大中型拖拉機(jī)數(shù)量及配套農(nóng)具數(shù)量全國(guó)第一，機(jī)械化水平很高，與此同時(shí)農(nóng)用柴油強(qiáng)度沒(méi)有顯著增長(zhǎng)，能夠反映出大農(nóng)機(jī)農(nóng)具的低碳優(yōu)勢(shì)。黑龍江省作為中國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在其農(nóng)業(yè)發(fā)展中占有重要地位。黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有利于引領(lǐng)全國(guó)其他地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)合理改善人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排能力，為黑龍江省調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、農(nóng)作物布局，實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)增收的同時(shí)保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 核算方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放核算方法

碳排放計(jì)算公式如下：

式中：a，b，c，d，f，g，h，j 為碳排放系數(shù)，E 為農(nóng)田系統(tǒng)的碳排放總量；Gi為i 類化肥（氮肥、磷肥、鉀肥、復(fù)合肥）使用量，t；Gp為農(nóng)藥使用量，kg；Gm為農(nóng)膜使用量，t；Ae為農(nóng)作物播種面積，hm2；We為農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力，kw；Ai為農(nóng)田有效灌溉面積，hm2；Gs為農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油耗用量，t；Si為農(nóng)作物播種面積，hm2。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放包括：包括化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜生產(chǎn)和使用過(guò)程中導(dǎo)致的碳排放；包括農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)田灌溉、農(nóng)用柴油運(yùn)用過(guò)程中直接和間接產(chǎn)生的碳排放；以及土地翻耕所引起的碳排放。氮磷鉀肥碳排放系數(shù)借鑒了陳舜等[13]研究結(jié)果，碳排放系數(shù)的計(jì)算覆蓋了制造環(huán)節(jié)、包裝、運(yùn)輸過(guò)程及使用等主要環(huán)節(jié)（具體數(shù)值見(jiàn)表1），通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算表明我國(guó)化肥碳排放系數(shù)與歐美地區(qū)并不相同，為歐美平均水平的2 倍左右，利用國(guó)外核算的碳排放系數(shù)來(lái)對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量進(jìn)行測(cè)算將會(huì)低估化肥施用所帶來(lái)的影響，因此氮肥、磷肥、鉀肥的碳排放系數(shù)則采用其研究結(jié)果，符合中國(guó)實(shí)際情況。復(fù)合肥碳排放系數(shù)的獲取來(lái)源為中國(guó)本地化生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)（CLCD），目前CLCD 是國(guó)內(nèi)唯一可公開(kāi)獲得的中國(guó)本土生命周期評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，其數(shù)據(jù)具有代表性，能夠提供中國(guó)本土化的排放參數(shù)且被越來(lái)越多的學(xué)者所采用。其余各參數(shù)參考了國(guó)內(nèi)學(xué)者廖衛(wèi)東的研究結(jié)果[14]。

表1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放源及轉(zhuǎn)化系數(shù)Table 1 Carbon emission source and conversion coefficient of farmland ecosystem

2.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量核算方法

依據(jù)陳勇等[15]的研究，碳吸收量得到其計(jì)算公式如下：

式中：i 為農(nóng)作物的種類；Gt為所有農(nóng)作物碳吸收量；Cd為i 類農(nóng)作物碳吸收量；Cf為第i 類農(nóng)作物光合作用時(shí)合成單位質(zhì)量干物質(zhì)所吸收的碳；Dw為生物產(chǎn)量；Yw為第i 類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；Hi為第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。借鑒了近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于中國(guó)主要農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)和1 kg 干物質(zhì)所吸收的碳量進(jìn)行農(nóng)業(yè)碳匯測(cè)算，具有重要參考意義，Hi、Cf具體數(shù)值見(jiàn)表2[16-18]。

表2 中國(guó)主要農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率Table 2 Economic coefficient and carbon absorption rate of major crops in China

2.3 碳匯測(cè)算方法

式中：Nc為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的凈碳吸收量，t；Ct為農(nóng)作物的碳吸收量，t；Et指的是農(nóng)業(yè)活動(dòng)中投入碳排放量，t；Nu為在單位播種面積中的碳匯量，t·hm-2；Si為農(nóng)作物的播種面積，hm2。

2.4 碳足跡測(cè)算方法

依據(jù)其李明琦等[19]的研究結(jié)果，其碳足跡及與生態(tài)承載力比較計(jì)算公式如下為：

式中：CEF 為在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡，hm2；Et為在農(nóng)作活動(dòng)中碳排放總量，t；NEP 為每公頃農(nóng)田在一年中的碳吸收量，即為固碳能力，t·hm-2；Ct為碳吸收總量，t；S 為耕地面積，hm2。

式中：CEC 為生態(tài)承載力（耕地面積）；CEF＞CEC 即CED 為碳生態(tài)赤字；CEF＜CEC 即CER 為碳生態(tài)盈余。

相關(guān)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2008～2018 年《黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放變化分析

（1）碳排放總量上升但增速下降

由圖1 可知，2008～2017 年黑龍江省碳排放總量上升但增速下降，碳排放總量由880.18 萬(wàn)t 增至1 175.09 萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)率為3.26%。在這10 年之中的變化趨勢(shì)分為兩個(gè)階段：2008～2016 年碳排放總量上升，在此期間黑龍江省增加了農(nóng)用工業(yè)品，農(nóng)機(jī)、灌溉、柴油等的投入，其中翻耕的面積也有所增加，導(dǎo)致碳排放量提升；2016～2017 年由于黑龍江省化肥、農(nóng)膜的使用方面都有所減少，其中翻耕面積也稍有減少，碳排放量呈現(xiàn)稍有下降的趨勢(shì)。

圖1 2008～2017 年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放總量及同比增長(zhǎng)率Fig.1 Total carbon emission and the growth rate of farmland ecosystem in Heilongjiang province from 2008 to 2017

（2）以農(nóng)業(yè)翻耕、化肥、灌溉導(dǎo)致的碳排放為主

由表3 可見(jiàn)，在此10 年中，在碳排放總量方面由農(nóng)業(yè)翻耕、化肥使用、灌溉而引起的碳排放量最大，到2017 年三者共占比達(dá)83.47%，其他途徑的碳排放共占16.53%。引起上述變動(dòng)情況的主要原因是黑龍江省的農(nóng)作物總播種面積在逐年上升的同時(shí)，而使其農(nóng)業(yè)翻耕、灌溉以及化肥的投入也隨之加大，進(jìn)而導(dǎo)致的碳排放量趨勢(shì)表現(xiàn)為逐年上漲；同時(shí)農(nóng)民更多的使用相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械來(lái)進(jìn)行農(nóng)用作業(yè)達(dá)到增加農(nóng)作物產(chǎn)量的目的，也反映出了黑龍江省農(nóng)業(yè)水平的有所提高。由于在2014 年之前農(nóng)民加大了對(duì)農(nóng)藥、化肥以及農(nóng)膜的使用量進(jìn)而來(lái)提高單產(chǎn)，所以農(nóng)藥、化肥、農(nóng)膜均出表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。但在2014 年以來(lái)由于國(guó)家出臺(tái)的一系列綠色農(nóng)業(yè)政策及農(nóng)民的環(huán)保意識(shí)上升，使其因農(nóng)用工業(yè)品致使的碳排放量呈減少趨勢(shì)。

表3 2008～2017 年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放量Table 3 Carbon emissions of farmland ecosystems in Heilongjiang province from 2008 to 2017

3.2 黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收變化分析

（1）碳吸收總量波動(dòng)增加

從圖2 可看出，黑龍江省碳吸收量波動(dòng)上升，碳吸收總量由2008 年7 003.94 萬(wàn)t 升至2017 年9 449.57 萬(wàn)t；具體來(lái)看農(nóng)作物碳吸收總量2008～2009 年的表現(xiàn)趨勢(shì)為下降，而2009～2015 年的表現(xiàn)趨勢(shì)上升，且在2015 年達(dá)到峰值。

圖2 2007～2018 年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收總量及同比增長(zhǎng)率Fig.2 Total carbon absorption and year-on-year growth rate of farmland ecosystem in Heilongjiang province from 2008 to 2017

（2）農(nóng)作物碳吸收以玉米、水稻、蔬菜、大豆為主

由表4 可知，玉米在黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收中所占比最大為46.14%，其次為水稻占比27.47%，蔬菜占比12.68%，大豆占比9.8%。作為糧食大省，黑龍江省2008～2017 年的玉米、水稻、大豆的單位面積產(chǎn)量及碳吸收量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；蔬菜總產(chǎn)量較大同時(shí)經(jīng)濟(jì)系數(shù)較小導(dǎo)致碳吸收量較大。小麥、甜菜的碳吸收量在十年中兩者均表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，由于二者的經(jīng)濟(jì)效益較小，農(nóng)戶種植農(nóng)作物的意愿轉(zhuǎn)移至高收益農(nóng)作物，從而使其種植面積和產(chǎn)量都有所下降。

表4 2008～2017 年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同農(nóng)作物的碳吸收量（萬(wàn)t）Table 4 Carbon absorption of different crops in the farmland system of Heilongjiang province from 2008 to 2017

3.3 黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯、碳足跡增長(zhǎng)且存在生態(tài)盈余

黑龍江省碳匯量由2008 年6 123.76 萬(wàn)t 增加為2017 年8 274.48 萬(wàn)t，單位面積碳匯量2008 年4.94 t·hm-2增為2017 年5.60 t·hm-2，二者均上升，說(shuō)明黑龍江省的碳匯能力不斷增強(qiáng)。由表5 可知黑龍江省2008～2017 年的十年中農(nóng)作物對(duì)于碳足跡的比較情況總體表現(xiàn)為上升的狀態(tài)，表明為消化碳排放所需要的生產(chǎn)性土地由2008 年148.67 萬(wàn)hm2增加到2017 年的197.05 萬(wàn)hm2，增加了48.38 萬(wàn)hm2，增幅達(dá)32.54%。

表5 2008～2017 年黑龍江省農(nóng)作物碳足跡Table 5 Comparison of crop carbon footprint in Heilongjiang province from 2008 to 2017

其中碳足跡對(duì)于同一時(shí)期生產(chǎn)性的土地面積（耕地）的比值較不穩(wěn)定但總體呈下降趨勢(shì)，在2008～2017 年間由12.57%降至12.44%，可看出需要全省約1/10 的耕地來(lái)消納由農(nóng)田生產(chǎn)排放的CO2，2017 年達(dá)到1 387.55 萬(wàn)hm2，呈生態(tài)盈余的狀態(tài)。依據(jù)任彩鳳等[20]的研究結(jié)果可進(jìn)一步表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)生態(tài)盈余狀態(tài)，說(shuō)明處于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可承載的范圍之中，能夠補(bǔ)充黑龍江省工業(yè)發(fā)展、社會(huì)生活的碳生態(tài)赤字，具有積極意義。

4 研究結(jié)論與政策啟示

4.1 研究結(jié)論

（1）黑龍江省農(nóng)田系統(tǒng)的碳匯能力較強(qiáng)。即使農(nóng)田灌溉面積以及農(nóng)機(jī)水平的上升，導(dǎo)致碳排放量增加。但先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，促使糧食產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，進(jìn)而碳吸收總量提升。2008～2017 年碳吸收總量與碳排放總量累計(jì)比為7.93∶1，進(jìn)一步表明黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的擁有較強(qiáng)的碳匯能力。

（2）水稻、大豆、玉米、蔬菜為主要碳吸收作物，農(nóng)業(yè)翻耕和化肥碳排放貢獻(xiàn)較大。2008～2017 年黑龍江省水稻、大豆、玉米、蔬菜為主要碳吸收作物。在黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，使用農(nóng)田翻耕、化肥碳排放貢獻(xiàn)大，占比最小則為農(nóng)機(jī)的使用。

（3）黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出碳生態(tài)盈余狀態(tài)。黑龍江省的農(nóng)田生態(tài)碳足跡呈上升狀態(tài)，同時(shí)碳足跡占生產(chǎn)性土地面積（耕地面積）的比為12.44%，占比較低，可以看出其呈現(xiàn)出的狀態(tài)為碳生態(tài)盈余，可用來(lái)補(bǔ)充黑龍江省部分工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的碳赤字。為進(jìn)一步發(fā)展低碳、環(huán)保、綠色農(nóng)業(yè)，保護(hù)黑龍江省的農(nóng)田系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

4.2 政策啟示

4.2.1 減少農(nóng)業(yè)碳排放政策啟示

（1）改善農(nóng)田耕作及灌溉方式，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。由于農(nóng)業(yè)翻耕導(dǎo)致的碳排放占比較大，在農(nóng)作物耕種過(guò)程中，實(shí)行輪耕、休耕、免耕等耕作方式，采用低耗環(huán)保的智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備，如研發(fā)和使用深松耕地、高效免耕、精量播種與秧苗移栽四效合一的智能化機(jī)械，通過(guò)高效、生態(tài)的耕作制度來(lái)減少農(nóng)田碳排放；研發(fā)高效節(jié)水灌溉方式及設(shè)備，根據(jù)不同耕地，采用并推廣不同的新型灌溉方式，如旱田測(cè)灌、浸潤(rùn)灌溉、水田節(jié)水間歇灌溉等；對(duì)于農(nóng)用薄膜提倡使用新型環(huán)保可降解的材料，以期實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)低碳，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

（2）降低化肥及農(nóng)藥施用強(qiáng)度，推廣使用新技術(shù)及有機(jī)肥料。過(guò)去傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式多是采用化肥及農(nóng)藥來(lái)提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，通過(guò)對(duì)黑龍江省農(nóng)田碳排放的數(shù)據(jù)分析，化肥與農(nóng)藥碳排放貢獻(xiàn)較大，因此黑龍江省應(yīng)注重提高化肥使用率，降低農(nóng)藥、化肥使用強(qiáng)度。按照作物對(duì)肥料的需求決定施肥比例如測(cè)土配方施肥技術(shù)，該方法既能提高產(chǎn)量又能減少化肥濫用；尋找傳統(tǒng)化學(xué)肥料的替代品，一方面要增施有機(jī)肥，既能減少畜禽糞便排放和作物秸稈焚燒，又能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物再循環(huán)和資源化利用；另一方面研發(fā)新肥料，重點(diǎn)研發(fā)低風(fēng)險(xiǎn)低毒性的新型農(nóng)藥、綠色環(huán)保型農(nóng)藥等；同時(shí)改進(jìn)并推廣高效低毒的病蟲(chóng)害防治技術(shù)以及農(nóng)藥的殘留降解技術(shù)來(lái)減少農(nóng)藥投入帶來(lái)的碳排放。

（3）提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平和效率，發(fā)展現(xiàn)代化低碳農(nóng)業(yè)。黑龍江省地廣人稀，耕地廣闊且平坦，一直是我國(guó)機(jī)械化、現(xiàn)代化大規(guī)模農(nóng)業(yè)發(fā)展的典范省份，黑龍江省更應(yīng)該利用此優(yōu)勢(shì)條件來(lái)整合土地資源，推行大型農(nóng)用機(jī)械大地塊規(guī)?；鳂I(yè)，逐漸轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)機(jī)械使用方式，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平和效率，將現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)在低碳減排中的關(guān)鍵作用充分發(fā)揮出來(lái)，要求黑龍江省必須加快解決農(nóng)業(yè)配套機(jī)械落后的問(wèn)題。推廣大型農(nóng)用機(jī)械，加快淘汰高耗能低效率農(nóng)業(yè)機(jī)械，優(yōu)化農(nóng)用機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)，最大限度發(fā)揮現(xiàn)代大農(nóng)機(jī)的作用，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械直接減少碳排放。

4.2.2 增加農(nóng)業(yè)碳儲(chǔ)量政策啟示

（1）培育及推廣抗寒高產(chǎn)品種。黑龍江省地處我國(guó)北端，年平均氣溫較其他省份偏低，在溫度條件上，不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，所以一方面要改善土質(zhì)資源，另一方面則要培育更優(yōu)質(zhì)、更耐寒的高產(chǎn)品種，以提升農(nóng)作物碳儲(chǔ)量水平。在選育優(yōu)質(zhì)品種過(guò)程中，政府要明確相關(guān)主體的職責(zé)目標(biāo)，同時(shí)擴(kuò)大宣傳力度，加快優(yōu)質(zhì)高效品種在農(nóng)戶間的推廣。

（2）發(fā)展新的種植輪作方式。黑龍江省近年來(lái)小麥種植面積減少，而小麥碳吸收強(qiáng)度較高，碳吸收量有一定損失。通過(guò)合理密植進(jìn)一步降低損失，對(duì)于某些作物來(lái)說(shuō)，合理的密植，可以抑制分枝的生長(zhǎng)，促進(jìn)主莖的生長(zhǎng)，減少作物分枝部分因呼吸作用浪費(fèi)的碳匯量。在此基礎(chǔ)上，黑龍江省可以實(shí)行合理的套作，提高土地的利用率進(jìn)而增加農(nóng)作物種植面積。