江蘇省農田生態系統碳源/匯、碳足跡動態變化

許萍萍, 趙言文, 陳顥明, 段曉芳, 陳方園, 王 程

(南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京 210095)

工業革命以來，人類向大氣中排放的溫室氣體不斷增加，導致全球變暖等氣候問題越來越顯著[1]。在全球溫室氣體排放總量中，約有13.5%來自農業[2]，農業活動及其相關過程產生的溫室氣體中約有20%的CO2，70%的CH4，90%的N2O[3]。農田生態系統是人類進行農業生產活動的主要場所，也是陸地生態系統的重要組成部分。有研究表明陸地生態生態系統是最重要的碳排放的來源之一[4-6]，作為陸地生態系統的一個關鍵子系統，農田生態系統對陸地生態系統碳排放具有較大的貢獻，是重要的大氣碳源和碳匯。

在此背景下，很多學者[7-16]對農田生態系統的碳源、碳匯問題進行了研究。其中楊皓然等[10]利用估算模型對山東省濰坊市的農田生態系統碳源碳匯的變動和影響因素進行了分析；李甜甜等[11]對江蘇省農田生態系統的碳源碳匯的分布特征和影響因素進行了研究，此外還有王梁等[9]、孟成民等[15]學者都對農田生態系統的統碳源碳匯問題進行了研究。

江蘇省作為中國重要的農業大省，農業生產力水平不斷提高，在農業生產過程中碳排放問題一直制約農田生態系統的可持續發展，近年來江蘇省出臺了一系列有利于農業的低碳農業發展的政策，總體來看都產生了一定的生態效益。為探索識別江蘇省農田生態系統低碳化發展現狀，本研究從區域層面的角度出發，以江蘇省農田生態系統的統計數據為基礎，結合前人的研究，對農田生態系統的碳源/匯、碳足跡進行研究，分析了江蘇省近16 a以來碳排放和碳吸收的變化趨勢和主要影響因素。本研究將為江蘇省發展低碳農業發展提供參考信息，也將為今后更好地了解農田生態系統碳循環的規律提供科學依據，對促進農田生態系統的良性發展具有重要意義。從長遠來看，對江蘇省農田生態系統的碳源和碳匯的研究能夠為其他地區提供借鑒意義，也有利于中國節能減排工作的進展，還能為保護生態環境提供理論基礎。

1 研究區概況

江蘇省位于中國東部沿海，東經116°18′—121°57′，北緯30°45′—35°20′，是中國綜合發展水平最高的省份之一。江蘇省屬東亞季風氣候區，處在亞熱帶和暖溫帶的氣候過渡地帶，全省土地面積1.07×105km2，至2016年全省耕地面積達7.68×104km2，占全國農作物種植總面積4.61%，其中糧食作物、油料作物、蔬菜瓜果種植面積分別占農作物種植總面積的70.77%，5.71%，20.68%，糧食作物主要以種植小麥、稻谷為主，農林牧漁總產值達7.23×1011元，其中種植業3.71×1011元，占農林牧漁總產值的51.34%[17]。在近幾年發展江蘇省農業現代化水平不斷提升，農業發展正在朝著新的方向前進。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本研究中所利用的數據主要來源于《江蘇省統計年鑒》《中國農村統計年鑒》中2001—2016年的數據，包括了化肥施用量、農藥施用量、農膜和農用柴油用量、農作物機耕面積、各類農作物播種面積和經濟產量等指標。

2.2 研究方法

2.2.1 碳源、碳匯和碳足跡的概念 碳源和碳匯問題簡單地說就是碳的流量問題，也就是碳在大氣、海洋和陸地生態系統(包括植物和土壤等)3個碳庫之間進行的連續交換的問題，碳源是指向大氣圈釋放碳的通量、過程或系統；碳匯則理解為從大氣圈中清除碳的通量、系統、過程或機制[18]。碳足跡這個概念來源于生態足跡，生態足跡的概念由Wackernagel[19]提出。目前對碳足跡主要有2種定義[20-21]：一是指某種活動引起的直接或間接的CO2排放量或溫室氣體轉化的CO2等價物排放量，即碳排放量(t)；二是指使用化石燃料排放的CO2所需的生產性土地面積，即碳排放的占地面積(hm2)。本研究將“農田碳足跡”定義為吸收農田生產投入引起的直接或間接的化石燃料燃燒排放的CO2所需的生產性土地面積(hm2)。

2.2.2 碳排放源的計算方法 本研究匯總了以往部分學者[22-23]對碳排放源的分類，把農田生態系統的碳排放源按農業資源投入和農業生產活動分類，主要包括化肥、農藥、農膜、農用柴油、土地翻耕和農業有效灌溉面積。

本文對江蘇省農業系統的碳排放核算采用估算模型[10]，估算模型如下：

T=∑Ti=∑Ei×δi

(1)

式中：T——農業系統的總碳排放量(t)；Ti——第i類碳排放源的碳排放量(t)；Ei——第i類碳排放源的數量(t)；δi——第i類碳排放源的碳排放系數。

農業碳排放源的碳排放系數主要來自IPCC等機構公布的數據[21]。這里將6類碳排放源的碳排放系數歸納如表1所示。

表1 江蘇省農業碳排放源系數

2.2.3 碳匯的計算方法 農田生態系統凈碳匯是，農田中農作物全生育期過程中的碳吸收量與農業投入所產生的碳排放量的差值。凈碳匯一般用Nt表示，當凈碳匯Nt大于0時，表示農田生態系統呈現碳匯狀態；反之，當凈碳匯Nt小于0時，表示農田生態系統呈現碳源。其計算[9]公式如下，公式中計算系數見表2。

(2)

式中：i——第i種農作物；Ct——農田系統的總碳吸收量(t)；Cd——第i類作物全生育期的碳吸收量(t)；Cf——第i類作物合成單位質量干物質需要吸收的碳(t)；Dw——生物產量；Y——第i類農作物的經濟產量；Wi——作物的含水率；Hi——第i類農作物的經濟系數。

凈碳匯(Nt)是農田中農作物全生育期過程中的碳吸收量與農業投入所產生的碳排放量的差值。Nt>0時，表示農田生態系統呈現碳匯狀態；Nt<0時，表示農田生態系統呈現碳源狀態。其計算公式如下：

Nt=Ct-Et

(3)

式中：Nt——農田生態系統的凈碳匯(t)；Ct——碳吸收量(t)；Et——碳排放量(t)。

2.2.4 碳足跡的計算方法 本研究碳足跡估算依據段華平[8]等人的計算方法，計算公式為：

CEF=Et/NEPNEP=Ct/S

(4)

式中：CEF——農田生態系統碳足跡；Et——農田投入碳排放總量(t)；NEP——農田生態系統單位面積的碳吸收能力〔t/(hm2·a)〕；Ct——碳吸收量(hm2)；S——作物種植總面積(hm2)。

表2 中國主要農作物的經濟系數、含水率和碳吸收率

3 結果與分析

3.1 江蘇省農田生態系統碳排放動態分析

由表3可以看出，江蘇農田生態系統碳排放總量總體趨向于增加，2001年江蘇省碳排放量4.44×106t，2016年碳排放量4.60×106t，增幅為3.4%。根據近16 a據碳排放總量的變化趨勢，將碳排放總量按照量的多少分為3個階段進行討論分析，第一階段為2001—2003年，此階段碳排放呈現減少趨勢，主要是由化肥、農藥施用量減少造成的；第2階段為2004—2010年，碳排量隨農膜、農藥和柴油的使用量的增加總體呈現快速增加趨勢；第3階段為2011—2016年，此階段碳排放量總體呈現下降趨勢，主要是因為這一階段江蘇省推廣使用有機肥等農業政策使化肥施用量降低導致的。

碳排放強度總體表現為下降趨勢，各階段碳排放強度均低于1 t/hm2，在段華平的研究中，中國農田生態系統的碳排放強度在2001—2009年為0.54～0.71 t/hm2，與之對比，發現江蘇省農田生態系統的碳排放水平處于全國碳排放水平之內。本研究將江蘇省農田碳排放強度分為2個階段分析：第1階段，2001—2006年，碳排放強度隨著農業投入的增加而增大；第2階段，2007—2016年，碳排放強度隨播種面積的增加而減小。但總體來說江蘇省農田生態系統碳排放水平較低。

表3 江蘇省農田生態系統碳排放量和碳排放強度

圖1顯示，在所有的農業碳排放源中，化肥碳排放量對總碳排放量的貢獻最大，貢獻率約為64.77%，其余依次為柴油、農膜、農藥、灌溉和機耕，碳排放貢獻率分別為11.65%，10.26%，9.46%，3.52%和0.34%。在2001—2016年化肥和農藥產生的碳排放量總體呈現降低的趨勢，這主要是與江蘇省近幾年推廣使用有機肥和生物、物理防治病蟲害有關；農膜、農用柴油、機耕和灌溉產生的碳排放量整體有增加趨勢，但增幅不大，較為平穩，這與江蘇省農業現代化水平不斷提高有關。

圖1 2001-2016年江蘇省農田生態系統各類碳排放源碳排放情況

3.2 江蘇省農田生態系統碳吸收動態變化分析

由表4可知，江蘇省農田生態系統碳吸收量總體呈現增加趨勢，2001—2016年農作物總碳吸收量增加了3.57×107t，年均復合增長率約為2.2%。本研究將碳吸收總量的變化分為2個階段進行討論分析：第一階段為2001—2008年，碳吸收總量波動變化，除2003，2007年外其余年份碳吸收總量均為增長趨勢，這一階段各年份碳吸收總量小于1.00×108t。2003年碳吸收量減少主要是因為播種面積和糧食、園藝作物產量降低導致作物全生育期碳吸收量減少導致的，2007年則主要與播種面積和園藝作物產量減少相關；第二階段為2009—2016年，這一階段碳吸收量呈現逐年增加趨勢，各年份碳吸收總量均大于108t，這主要與江蘇省種植結構改變和農業生產技術變化有關。

表4 2001-2016年江蘇省主要農作物碳吸收量及碳吸收強度

農田生態系統近16 a單位面積碳吸收量呈整體增加趨勢。在第一階段，2001—2008年單位面積碳吸收量呈現波動變化，變化范圍為11～14 t/hm2，第一階段單位面積碳吸收能力相對較低，主要是因為糧食作物和園藝作物產量較低使作物生育期吸收的碳較少。第二階段，2009—2016年單位面積碳吸收量總體為增加趨勢，并在13～17 t/hm2之間波動，表明隨著農作物單位面積產量的提高，農田生態系統的碳吸收強度也在穩步提高。

圖2顯示，可以看出在3類農作物中，園藝作物的碳吸收量明顯高于糧食作物和經濟作物，且園藝作物碳吸收量的年變化幅度相對較大，但總體呈現顯著增加的趨勢。2001—2016年，園藝作物的碳吸收量由5.40×108t增長到了8.50×108t，增加量分別為3.03×107t，年均復合增長率0.3%；糧食作物的碳吸收量2001年為3.30×108t，到2016年碳吸收量為4.10×108t，增加量分別為8.33×106t，年均復合增長率0.3%，糧食作物和園藝作物的碳吸收量都有一定程度的增長，增加量分別為8.33×106和3.030×107t，年均復合增長率分別為0.2%和0.3%，經濟作物的碳吸收量則呈現下降趨勢，減少了3.39×106t，年均復合增長率約為-0.56%。

圖2 2001-2016年江蘇省農田生態系統不同作物碳吸收量變化趨勢

3.3 江蘇省農田生態系統碳足跡動態分析

如圖3所示，2001—2016年江蘇省農田生態系統碳足跡總體呈現不斷下降趨勢。2001年生態碳足跡為3.90×105hm2，2016年生態碳足跡為3.32×105hm2，碳足跡減少5.81×104hm2，降幅為17.53%，農田生態系統生態碳足跡約占同期播種面積的4%～6%。

農田生態系統的碳足跡均小于同期耕地面積，表明江蘇省的農田生態系統呈現碳生態盈余狀態，因此可用來補充部分工業和生活的碳生態赤字。單位面積碳足跡為逐年下降趨勢，且均小于0.06 hm2/hm2，低于段華平[8]計算的全國范圍的單位面積碳足跡，表明江蘇省農田低碳化水平較好。

圖3 2001-2016年江蘇省農田生態系統碳足跡及碳足跡強度變化

4 討論與結論

4.1 討 論

化肥是農田生態系統碳排放的主要貢獻因子，施用化肥產生的碳排放量占到總碳排放量的64.77%，雖然2001—2016年化肥施用量呈現一定的下降趨勢，但與其它但排放源相比化肥仍是最大的碳排放源，化肥在生產和使用過程中會產生CO2和N2O，一般來講，每產1 t的氮肥大約需要耗費9.20×104kJ的熱量，相當于3 t標煤大概要產6 tCO2；隨著江蘇省農業現代化的不斷發展，農業機械化水平不斷提高，擁有的農業機械數量不斷增加，導致農業柴油使用量增加，柴油在使用燃燒過程中會產生二氧化碳等溫室氣體；農膜和農藥在生產過程中會消耗化石能源，排放二氧化碳等溫室氣體，進入到環境中，也會對環境造成影響；灌溉對農田碳排放的影響主要表現在3個方面：土壤水分、灌溉量、灌溉頻率與灌溉方式，在一定的土壤水分范圍內，農田CO2和CH4等氣體的通量與土壤水分具有相關性，灌溉量與灌溉頻率對土壤呼吸產生影響，進而會增加土壤的碳排放強度；耕作過程中會改變土壤的孔隙連續狀況、機械強度、氣熱通量等特性，對土壤碳循環產生影響，免耕處理CO2排放量明顯低于翻耕處理，因為翻耕加速了土壤有機質的分解速度，導致農田CO2排放量顯著增加，同時翻耕次數越多對土壤的擾動會越大，土壤通透性越好，對土壤呼吸的影響就越大，對CO2產生通量的影響就越顯著。

農田生態系統的作物產量對碳吸收量影響顯著，因為在農作物生長過程中，能夠通過光合作用將二氧化碳固定在其體內，農作物的固碳量隨著作物產量的增加而增加；作物的種類會造成光合速率的差異，從而影響到作物的碳吸收速率。C4植物與C3植物相比，CO2補償點低得多，在較低的濃度達到較高的光合同化能力，光照較強的環境中，產量較高，可充分利用光能，且C4植物比C3植物更能適應高溫、光照強烈和干旱的環境。

4.2 結 論

本研究通過對農田系統碳源、碳匯和碳足跡的測算，對比分析江蘇省農田生態系統碳排放、碳吸收、碳匯和碳足跡后得出以下結論：江蘇省農田系統碳吸收量明顯高于碳排放量，具備較強的碳匯能力；碳吸收量及碳匯量在時間序列上呈現出增加的趨勢，園藝作物對碳吸收量的貢獻最大，其余依次為糧食作物和經濟作物；碳排放量及碳排放強度逐年增長，增勢穩定，增幅較小，在主要的農業碳排放源中以化肥對碳排放的貢獻最大；碳足跡及單位面積碳足跡強度呈現降低趨勢，碳足跡小于同期耕地面積，表現出較大的碳生態盈余，可為本地區工業發展和社會生活碳生態赤字提供綠色補償，對于保護環境、促進生態建設具有重要意義。同時，本研究對影響農田生態系統碳排放和碳吸收的主要因素進行了簡單的分析，有利于指導我們為發展低碳農業提供途徑。