南京農田生態系統凈碳匯變化及對能源碳源的補償作用

?戴毅豪，翁翎燕，張 超，劉柄麟，張涵玥?

（1. 南京大學金陵學院，江蘇 南京 210089；2. 上海師范大學生命與環境科學學院，上海 200234；3. 清華大學環境學院，北京 100084；4. 上海師范大學城市生態與環境研究中心，上海 200234）

南京農田生態系統凈碳匯變化及對能源碳源的補償作用

戴毅豪1，翁翎燕1，張 超2,3，劉柄麟4，張涵玥1

（1. 南京大學金陵學院，江蘇 南京 210089；2. 上海師范大學生命與環境科學學院，上海 200234；3. 清華大學環境學院，北京 100084；4. 上海師范大學城市生態與環境研究中心，上海 200234）

區域農田生態系統發揮碳庫的功能對城市的低碳發展具有一定的促進作用。通過對2006～2015年南京農田生態系統的碳排放、碳吸收、碳匯和碳足跡的變化進行研究及特征分析，結果表明：（1）南京農田生態系統碳匯呈緩慢增加趨勢；（2）南京能源消費碳排放呈快速增長；（3）南京農田碳匯的增加趨勢遠小于能源碳源的增加趨勢，農田碳匯對能源碳源的補償能力在減弱。研究為南京低碳城市的建設與發展提供科學依據。

農田生態系統；碳匯；能源消費；南京

燃燒化石燃料、過度砍伐森林等人為活動導致大氣中溫室氣體含量增加，引發了全球變暖等一系列環境問題，對人類的生產生活造成了一定的影響。據研究表明，CO2是溫室氣體中所有溫室氣體中數量最大、影響最直接的因素[1]，因此控制碳排放，發展低碳經濟有利于減緩溫室效應。在減緩碳排放的途徑中，有多種方式可以實施，如開發清潔能源（太陽能等）[2]，通過發展公共交通，減少汽車旅行來減少碳排放等[3]。當前有許多人通過不同的方法進行碳源/匯及碳排放的研究，如羅海秀等[4]通過ArcGIS等技術手段對重慶市農田生態系統碳源/匯的特征進行研究，發現重慶市三大經濟區域農田生態系統碳吸收、碳排放、碳匯的總量和強度存在空間差異；董潔芳等[5]通過VEC模型對新疆碳排放、能源效率、產業結構及經濟增長之間的動態計量關系進行研究，發現非農就業結構與產值結構的變遷對碳排放存在著有效的抑制作用；杜官印[6]運用STIRPAT模型研究建設用地對碳排放的影響，發現建設用地擴張對碳排放有明顯的正向影響，進行土地利用結構的調整可以作為抑制或緩解碳排放影響的一種途徑。現有的農田生態系統碳源/匯的研究中，主要是進行碳源碳匯的核算及時空演變的分析，并提出減少碳源或增加碳匯的建議，但未將所計算的結果與區域碳平衡的維護及低碳城市建設聯系起來。同時，農田生態系統碳匯核算的研究中，仍存在許多的問題會導致結果出現一定的誤差，例如計算農田生態系統碳源、碳匯在選取指標時很多人只考慮到農業機械，灌溉等所帶來的碳排放，未考慮到農用柴油所帶來的碳排放[7]，計算農用化肥施用引起的碳排放時，并未考慮到農用化肥的種類及其對應的施用量及所引起的碳排放[8]，在計算農作物全生育期的碳吸收量時未考慮到作物的含水率[9]，這些都對農田生態系統碳源碳匯的核算造成了一定的影響。基于此，筆者以南京為研究區域，對南京2006～2015年農田生態系統碳匯及能源碳匯的變化及特征進行研究分析，將農用柴油及每種化肥施用所引起的碳排放納入南京農田生態系統碳排放的核算體系，并在計算農田生態系統碳吸收總量時將農作物含水率納入計算，旨在摸清南京農田生態系統的碳匯能力及其對能源碳源的補償作用，有利于維護南京的碳平衡，促進城市的低碳建設與發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

南京位于中國東部，長江下游中部地區，江蘇省西南部，地理坐標范圍為北緯 31°14″～32°37″，東經118°22″～119°14″。2015 年南京生產總值為 9 720.77 億元，其中第一產業生產總值232.39億元，占南京生產總值的2.4%；第二產業生產總值3 916.77億元，占南京生產總值的40.3%，第三產業生產總值5 571.61億元，占57.3%。由上述可知，南京是一座第三產業為主，第二產業為輔，第一產業所占比重低的城市。

南京位于長江兩岸，氣候濕潤，土壤肥沃，淡水資源豐富，是中國重要的農業和商品糧基地之一。糧食作物以水稻、小麥為主，經濟作物以油菜，棉花為主。截至2015年底，南京共有耕地面積約237 170 hm2，農作物的總播種面積約316 880 hm2，有效灌溉面積約218 810 hm2。

1.2 數據來源

研究數據來源于2007～2016年《南京統計年鑒》及2013年《中國能源統計年鑒》。筆者通過南京農田生態系統的農用化肥施用量、農膜用量、農藥用量、農用柴油用量、農業機械動力、有效灌溉面積及水稻、小麥等11種主要農作物和原煤、原油等11種主要能源，對2006～2015年10 a間南京農田生態系統的碳排放、碳吸收、碳匯、碳足跡以及南京主要能源消耗產生的碳排放進行計算，并對其變化及特征進行研究分析。

1.3 研究方法

1.3.1 農田利用碳排放估算 農田生態系統中農田利用導致的碳排放的主要碳排放源為：農用化肥、農膜、農藥、農用柴油、農業機械動力及有效灌溉面積等；根據王粱、祁興芬等[10-11]的研究將研究中的農田利用碳排放估算公式定義為：

式中：E為農田利用的碳排放總量；Ef、Ep、Em、Es、Ee、Ei分別為農用化肥、農藥、農膜、農用柴油、農業機械、農業灌溉的投入產生的碳排放量。

根據趙榮欽、林秀群等[10,12-14]的研究，農田生態系統各碳排放源的碳排放量估算公式如下：

式中：Gi為第i種化肥的施用量；Ai為第i種化肥的碳排放系數；Gp為農藥的使用量；B為農藥的碳排放系數； 為農膜的使用量；C為農膜的碳排放系數；Gs農用柴油的使用量；d為農用柴油的碳排放系數；Ae為主要農作物種植面積；D為農田耕作的碳排放系數；We為農業機械總動力；F為農業機械的碳排放系數；Si為有效灌溉面積；G為農業灌溉的碳排放系數。各碳排放源的碳排放系數數值如下：氮肥，857.54 kg/t；磷肥，165.09 kg/t；鉀肥，120.28 kg/t；復合肥，380.97 kg/t；農藥，4.934 1 kg/kg；農膜，5.18 kg/kg；農用柴油，0.592 7 kg/kg；農作物種植面積，16.47 kg/hm2；農業機械總動力，0.18 kg/kw；有效灌溉面積，266.48 kg/hm2[13,15-18]。

1.3.2 作物生育期碳吸收估算 作物全生育期碳吸收的估算方法如下[10]：

式中：Ct為南京農田生態系統主要農作物全生育期的碳吸收總量，Cd為作物i全生育期對碳的吸收量；Cf為作物i光合作用合成單位重量干物質所需要吸收的碳；Dw為作物i干物質產量；Yw為作物i的經濟產量；Wi為作物i的含水率；H為作物i的經濟系數。筆者共選取了水稻、玉米、小麥等11種農作物作為主要農作物用于主要農作物全生育期碳吸收總量的估算。經濟指數，農作物碳吸收率及含水率等相關數據見表1[11,19-21]。

表1 南京主要農作物的經濟指數、碳吸收率及含水率

1.3.3 碳匯計算 碳匯計算公式[12]為：

式中：E為南京農田碳排放總量；Ct為南京主要農作物全生育期碳吸收總量，碳匯（Nc）即農田生態系統的凈碳吸收，指南京農作物全生育期的碳吸收總量減去農業利用產生的碳排放總量。

1.3.4 南京農田生態系統碳足跡計算 碳足跡一詞最早起源于生態足跡，而生態足跡最先由哥倫比亞大學的Rees和Wackernagel提出。由于人們對溫室氣體排放可能導致的一系列環境問題的認識的逐步加深，很快就引起了各行各業的廣泛關注[22]。

根據段華平、張婷等[20,23]的研究，將碳足跡看作生態足跡的一部分，把碳足跡定義為碳排放的生態足跡。計算公式為：

式中：CEF為南京農田生態系統碳排放的生態足跡，即南京農田生態系統碳足跡，E為南京農田生態系統碳排放總量；NEP反映了農作物的固碳能力，即每公頃的植被1 a的碳吸收量；Ct為南京農田生態系統中主要農作物全生育期的碳吸收總量；S為南京耕地面積。

當區域的農田生態系統碳足跡小于區域生態承載力（耕地面積）時，表現為碳生態盈余；當區域農田生態系統碳足跡超過區域生態承載力時，表現為碳生態赤字。

式中：CER為碳生態盈余；CED為碳生態赤字；CEC為生態承載力，即耕地面積S。

1.3.5 南京能源消費碳排放計算 以IPCC[24]提出的計算方法為基礎，根據李想等[25]的研究，并參考了2013年《中國能源統計年鑒》，選取了原煤、原油和天然氣3種能源組成的一次能源，及洗精煤、焦炭、燃料油、汽油、煤油、柴油、液化石油氣和焦爐煤氣8種能源所組成的二次能源作為11種主要能源對南京能源消費產生的碳排放量進行估算。

式中：C為南京能源消費產生的碳排放量；ai為能源i的消費量，單位為t標準煤；bi為能源i的碳排放系數。

2 結果與分析

2.1 南京農田生態系統碳排放及碳吸收變化分析

圖1 南京農田生態系統碳排放/吸收總量及強度

由圖1可知，2006～2015年期間，南京農田生態系統碳吸收總量變化具有波動性，就時間跨度而言至2015年碳吸收總量略有增長，從2006年的138.26×104t增長至2015年的138.73×104t。通過計算得知，11種主要農作物的碳吸收中以水稻、小麥及蔬菜為主，其中水稻平均每年的碳吸收量占總量的47.25%，小麥平均每年占17.10%，蔬菜平均每年占14.14%。碳吸收強度反映了單位播種面積碳匯能力，10 a間總體呈上升趨勢，由2006年的4.47 t/hm2上升至2015年的4.84 t/hm2。碳吸收強度的增加反映了南京農田生態系統主要農作物的固碳能力在增強。

10 a間，農田生態系統碳排放總量呈持續下降趨勢，由2006年的19.22萬t降至2015年的15.66萬t，共減少了3.55萬t，年平均下降速率為2.18%。6種碳排放途徑中，以農用化肥的施用量及農藥的使用量減少的幅度最大。農用化肥施用量減少了45.02%，農藥使用量減少了53.61%。其他4種途徑中，農業機械引起的碳排放略有減少，農業灌溉、農用柴油及農膜引起的碳排放則略有增加。南京農田生態系統碳排放總量的持續減少的主要原因為農用化肥施用量的下降。通過碳排放總量除以主要農作物播種面積得到的碳排放強度[14]，由估算結果得知，南京農田生態系統碳排放強度總體呈減少趨勢。10 a間碳排放強度由0.62 t/hm2降低至0.55 t/hm2，表明10 a間南京單位主要農作物播種面積的碳排放能力不斷減弱，主要原因是南京農田利用碳排放量的降低。

2.2 南京農田生態系統碳匯及碳足跡變化及其特征分析

由表2可知，10 a間，南京農田生態系統的凈碳匯量總體呈上升趨勢，與農田生態系統碳吸收總量的變化趨勢相似，反映了南京農田生態系統的碳匯功能在不斷增強。南京農田生態系統表現為生態盈余，就時間跨度而言，生態盈余的變化趨勢與凈碳匯相同。10 a間南京農田生態系統碳生態盈余總體呈增加態勢，主要是因為碳排放的生態足跡不斷減少。通過計算可得南京農田生態系統單位面積碳足跡，2006～2015年間南京農田生態系統單位面積碳足跡波動減小，由2006年的0.11 hm2/hm2降至2015年的0.09 hm2/hm2，主要是因為南京低碳農業的發展，減少了化肥農藥等的使用，提高了農業科技進步及機械化水平，使南京農田生態系統作為碳庫的功能正在不斷加強。

2.3 南京能源碳源變化分析

表2 南京農田農田生態系統碳匯與碳足跡

由表3中可知2006～2015年期間南京能源消費所引起的碳排放呈快速增長的趨勢，由2006年的3 226.75萬t增加至2015年的4 932.82萬t，年平均增長率為4.96%。其中一次能源的消費量遠大于二次能源，說明南京對以原油、原煤及天然氣組成的一次能源的依賴性較高，對洗精煤、焦炭、液化石油氣等組成的二次能源依賴性較低。通過計算得知一次能源的消費以原煤和原油的消耗為主，在二次能源中對洗精煤和焦炭的依賴程度較高。

表3 南京主要能源消費碳排放量

2.4 南京農田碳匯與能源碳源對比分析

由表4可知，2006～2015年間南京能源碳源遠大于農田碳匯，且兩者之間的差距呈擴大趨勢，南京農田碳匯雖然呈增加趨勢，但受到耕地面積減少的影響，相比能源碳源的增長相差較遠。隨著城市的快速發展，南京對能源的需求不斷增加，這也導致了能源消費引起的碳排放不斷增加。作為人為活動引起的碳排放的主要組成部分，能源碳源的增加嚴重影響著南京的碳平衡[26]。而目前農田碳匯對能源碳源的補償的效果較小。

3 結論與建議

3.1 結 論

（1）南京農田生態系統的碳匯功能在緩慢增強。南京農田碳匯從2006年的119.04萬t增長至2015年的123.07萬t。因為受到城市建設用地擴張的影響，導致耕地面積不斷減少，生態承載力減弱，所以南京農田碳匯增長較為緩慢。

表4 南京農田生態系統碳匯及能源碳源

（2）南京能源碳源快速增長。南京能源碳源從2006年的3 226.75萬t快速增長至2015年的4 932.82萬t。城市的擴張導致了能源消費引起的碳排放不斷增加。

（3）南京農田碳匯的增長趨勢遠小于能源碳源的增長趨勢，且二者差距呈逐年擴大趨勢。農田凈碳匯占能源碳源的比例由2006年的3.69%降至2015年的2.49%。目前農田碳匯對能源碳源的補償的能力較弱，且補償能力呈減弱趨勢，城市碳循環壓力不斷增加。

3.2 建 議

（1）嚴格執行耕地保護制度。嚴格控制建設用地擴張占用耕地，切實保護耕地。

（2）促進低碳農業的發展。提高農作物產量，增加農作物的碳吸收量，增強農田生態系統的碳匯功能。提高農作物產量有利于農作物固碳能力的穩定和增加，低碳農業的發展也有利于低碳城市的實踐。

（3）改良能源消費結構。推動能源消費結構的轉型，大力開發清潔能源，如太陽能、風能等，減少石油及煤等化石燃料的使用，增加天然氣等的使用。在保持經濟穩定增長的同時，減少能源消費引起的碳排放。

（4）適度施用化肥，提升農業機械化水平，加快農業科技的發展，優化農業結構。化肥的過量施用會影響低碳農業的發展。

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Research?on?Changes?of?Farmland?Ecosystem’s?Net?Carbon?Sink?and?Its?Compensation?to?Energy?Consumption?Carbon?Source?in?Nanjing

DAI Yi-hao1，WENG Ling-yan1，ZHANG Chao2,3，LIU Bing-lin4，ZHANG Han-yue1
（1. Jinling College, Nanjing University, Nanjing 210089, PRC; 2. College of Life and Environmental Science, Shanghai 200234, PRC;3. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, PRC; 4. Urban Ecology and Environment Research Center,Shanghai Normal University, Shanghai 200234, PRC）

Regional farmland ecosystem’s carbon pool function has certain promoting effect of city’s low-carbon development. By using the data of carbon emission, carbon absorption, carbon source and carbon footprint of farm land ecosystem from 2006 to 2015 in Nanjing,the results showed: (1) The ability of carbon sink was increasing slowly in Nanjing. (2) Energy consumption carbon emissions in Nanjing were increasing rapidly. (3)The increase trend of carbon sink in farmland of Nanjing was less than that increasing trend of energy carbon source, and the compensatory ability of farmland carbon sink to energy source was weakening. The research provided a scientific basis for the construction and development of low carbon cities in Nanjing.

Farm land ecosystem; carbon sink; energy consumption; Nanjing

S181

A

1006-060X（2017）11-0033-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.010

2017-09-08

戴毅豪（1997-），男，江蘇無錫市人，本科生，主要從事資源與環境方面的研究。

翁翎燕

（責任編輯：肖彥資）