貴州喀斯特農田生態系統碳足跡時空差異研究

白義鑫，盛茂銀，胡琪娟，高夢迪

（1.貴州師范大學喀斯特研究院，貴陽 550001；2.貴州省喀斯特石漠化防治與衍生產業工程實驗室，貴陽 550001；3.國家喀斯特石漠化治理工程技術研究中心，貴陽 550001）

近年來，由溫室氣體排放引起的全球氣候變暖問題已經引起了世界各國的高度關注[1]。為應對這一問題，減源增匯成為國內外研究的熱點，也成為國內外許多生態建設項目的主要目標[2-3]。農田生態系統作為人類控制下的半自然生態系統，既是重要的碳源也是重要的碳匯[4-5]。一方面，農業活動作為重要的溫室氣體排放源，20%的CO2、70%的CH4以及90%的N2O 來源于農業及其相關過程[6-8]。另一方面，農田生態系統碳儲量達170 pg，占全球陸地碳存量的10%以上[9]。Tang X.L.等[10]研究指出我國農田生態系統在陸地生態系統碳庫中貢獻了12%的固碳量?？梢?，農田生態系統在碳吸收方面潛力巨大。因此，定量分析農田生態系統碳源、匯變化特征及其影響因素對區域農業減源增匯意義重大。

碳足跡是在生態足跡概念的基礎上提出的，指的是由某種活動（產品）生命周期內直接或間接引起的CO2排放量的度量[11-13]。農田生態系統碳足跡是指人類在農田上進行生產活動形成的碳流量[14-16]。在過去的幾十年中，碳足跡已經被廣泛應用于全球范圍內與作物生產相關的碳投入的量化評價[17-18]。目前，國內學者對國家、省級碳足跡變化進行了較多研究，其中田云、段華平、趙榮欽等對中國農田生態系統碳足跡進行了研究[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、湖南等省份農田生態系統碳足跡進行研究。楊皓然等[31]研究了濰坊市農田生態系統碳源匯及碳足跡變化，王梁等[32]對臨沂市碳源匯變化及其影響因素進行分析?？梢姡斍皣鴥葘W者對碳源匯及碳足跡進行較多研究，但多集中于沿海及農業發達省份地區，而對于西南喀斯特地區省份研究較少。喀斯特地區由于其生態系統的脆弱性以及人類不合理的土地利用等活動，石漠化問題突出，而喀斯特區域農業的低碳化對于石漠化治理以及中國乃至全球生態系統減源增匯至關重要[33-34]。貴州省作為中國南方喀斯特的中心[35]，其碳足跡較少的研究極大限制了西南喀斯特地區農業的低碳發展。張寶成等[36]對貴州省農業碳匯進行分析，但對于貴州省農田生態系統碳源、匯及碳足跡變化的綜合研究至今未見報道。據此，本文以貴州省及其所轄貴陽、遵義、六盤水三市為研究對象，從不同尺度定量分析2007—2016年貴州省農田生態系統碳排放量、碳吸收量與碳足跡的變化特征及其影響因素，以期為貴州省農田生態系統碳排放清單提供基礎，并為農業的可持續發展提供理論基礎和技術支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

貴州省地處我國大陸西南部，云貴高原東部，24°37'～29°13'N、103°36'～109°35'E 之間，全省國土總面積1.76×105km2。屬亞熱帶濕潤季風氣候，溫暖濕潤，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。貴州省境內喀斯特廣泛發育，喀斯特面積占全省面積比例高達61.9%，地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜。貴州省是全國唯一沒有平原支撐的省份，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%，這種地形特點使得可用于農業開發的土地資源較少。貴州省農作物種類較多，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、遵義、六盤水三市為研究對象，對其農業活動產生的碳排放量、碳吸收量及碳足跡進行測算，進而分析不同尺度農田生態系統碳源、匯及碳足跡變化特征，并對其影響因素進行分析。

1.2 農田碳足跡概念及邊界界定

盡管碳足跡已被廣泛應用，但其內涵卻并不完全相同。碳足跡的定義主要有兩種：一是指某種活動引起的（或某種產品生命周期內積累的）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；二是指吸收化石燃料燃燒排放的CO2所需的生產性土地面積[37-38]。具體而言，前者指碳排放量，后者指碳排放的占地面積。為便于與區域承載力比較以及與其他生態足跡組分的合并，本文選用第二種定義。本文以貴州省農田生態系統為研究對象，選擇農地翻耕、化肥、農藥、農膜、農用柴油、農田灌溉六種碳排放類型，小麥、玉米、水稻等10 種主要農作物為碳吸收類型進行農田生態系統碳源、匯核算。

1.3 農田生態系統碳排放量估算

在參考田云等[19]、趙榮欽等[21]碳排放方程建立方法的基礎上，構建農田生態系統碳排放公式如下：

式（1）中：E 為農田生態系統碳排放總量，Ei為各類碳源碳排放量，Pi為各碳排放源的數量[包括翻耕面積（hm2）、化肥用量（t）、農藥用量（kg）、農膜用量（t）、農用柴油用量（t）、灌溉面積（hm2）]，Qi為各排放源的碳排放系數，具體見表1。

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

1.4 農田生態系統碳吸收量估算

農田作物碳吸收指的是作物光合作用形成的凈初級生產量，即生物產量[23]。根據貴州省農作物生長周期和特征，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上結合張寶成等[36]對貴州省農田生態系統碳匯計量的方法，構建貴州省農田生態系統碳吸收估算公式，如下：

式中，T 為區域農田生態系統碳吸收總量，Ti為第i 種農作物碳吸收量，Ci為含碳率，Yi為第i 種農作物經濟產量，Vi為第i 種農作物的含水率，Ri為第i 種農作物的根冠比系數，Hi為第i 種農作物的經濟系數，n 為農作物種類數，本文n=10。各系數具體指標見表2[4，19，36]。

1.5 農田生態系統碳足跡估算

本研究農田生態系統碳足跡研究參考段華平等[20]的研究方法，公式如下：

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

將農田生態系統碳足跡與區域耕地面積（S）進行比較，如果前者大于后者，表現為碳生態赤字（CED）；反之，則為碳生態盈余（CER）。公式如下：

1.6 數據來源

本研究數據資料主要來源于2007—2016年《貴州省統計年鑒》《貴陽市統計年鑒》《遵義市統計年鑒》和《六盤水市統計年鑒》以及其他相關統計報表。其中化肥、農藥、農膜和農用柴油數據均以當年實際使用量為準，翻耕數據以當年實際播種面積為準，農業灌溉以當年實際灌溉面積為準。

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

2 結果與分析

2.1 貴州喀斯特農田生態系統碳排放特征

2.1.1 碳排放年度變化分析

根據前文所給公式，測算2007—2016年貴州省農田生態系統碳排放量，如表3所示。結果表明，2007—2016年，貴州省農田生態系統碳排放總量總體呈現逐年增長的趨勢，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、農藥、農膜、翻耕、農用柴油、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，貴州省農田生態系統單位面積碳排放量呈現與總量基本一致的變化趨勢，總體也呈逐年上升趨勢，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、農藥等農業投入品的增加以及農業機械化水平提高，農業產量增加的同時，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hm2增長至2016年的559.68 萬hm2，為更全面研究碳排放內容，在此分析不同碳源單位面積碳排放量。由圖1可知，貴州省農田生態系統不同碳源單位面積碳排放以化肥施用排放占主導地位，由2007年的 236.4 kg/hm2增長至 2016年的 298.23 kg/hm2。其次為農膜，由2007年56.17 kg/hm2增長至2016年的84.94 kg/hm2，不僅總量大且增速也較快。而農藥、農用柴油、翻耕及農田灌溉碳排放產生量顯著小于化肥與農膜?？梢?，對于耕地面積變化較小的貴州省，以化肥為主導的農用投入的增加是導致農田碳排放增加的主要原因。

表3 貴州省農田生態系統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

由于貴州省各地區耕地面積、種植結構等存在差異，因此討論不同尺度農田生態系統碳排放量成為研究貴州省碳排放量的必經之路。選擇貴州省農業發展程度較高、規模較大的貴陽、遵義及六盤水三市，以2016年各市化肥、農藥、農膜、農用柴油、翻耕、農田灌溉等計算碳排放總量及單位面積碳排放量。由圖2可知，貴陽、遵義、六盤水三市碳排放總量存在顯著差異，分別為貴陽（7.43×104t）＜六盤水市（7.55×104t）＜遵義（27.63×104t），這主要是由于農用化學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出與總量相反的變化趨勢，表現為貴陽＞貴州?。玖P水＞遵義。原因可能是貴陽市作為省會城市，城市化的發展導致人口劇增，對糧食需求不斷加大，因此需要在有限土地上加大農用投入以提高作物產量；而六盤水、遵義碳排放總量大主要是因為其耕地面積相對較大，以至于碳排放總量與單位面積碳排放量呈現出不同的變化趨勢，可見對于不同尺度農田生態系統應采取不同的措施進行調控。

圖2 不同尺度農田生態系統碳排放Figure 2 Carbon emissions from farmland ecosystems at different scales

2.1.3 主要碳排放途徑分析

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

2.2 貴州省喀斯特農田生態系統碳吸收分析

2.2.1 碳吸收量年度變化分析

根據2007—2016年貴州省農田生態系統主要農作物產量及播種面積計算碳吸收總量與單位面積碳吸收量，如表4。結果顯示，貴州省近10年農田生態系統碳吸收呈現先上升后下降再上升的趨勢，變化范圍為 1 399.03×104～1 921.64×104t，2011年處于低谷，較最高時期（2016年）減少了27.2%。與之相對應，單位面積碳吸收量呈現與碳吸收總量一致的變化趨勢，也表現為上升、下降再上升的趨勢，變化范圍在4.58～6.46 t/hm2，最低值出現在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的退耕還林、生態退耕等政策[40]。2011年后恢復性增長主要是因為政府對農業生產的扶持力度加大以及農業機械化水平提高促使農作物單產水平提高，此外，糧食價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，貴州省不僅耕地面積發生變化，各種農作物的播種面積亦隨之發生變化，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年不同農作物單位面積碳吸收總體上呈現增加趨勢。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，究其原因為水稻種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?。挥衩讍挝幻娣e碳吸收量由6.06 t/hm2變化為5.73 t/hm2，但2013年以后呈現增加趨勢，此外玉米種植面積較大，所以碳吸收量相對較大。此外，蔬菜由于其經濟價值高且需求量大，種植面積由2007年的527.85 萬hm2變化為2016年的1 050.92 萬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平穩。

表4 貴州省農田生態系統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

貴州省各地區耕地面積、種植結構等存在差異，因此討論不同尺度地區不同種植類型碳吸收總量及其單位面積碳吸收量具有現實意義，以2016年貴陽、遵義、六盤水三市相關數據計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、遵義、六盤水三市碳吸收總量存在顯著差異，表現為貴陽（95.94×104t）＜六盤水（118.33×104t）＜遵義市（653.24×104t），其差異主要體現在遵義市水稻碳吸收量大于六盤水市且遠大于貴陽市。而貴陽市蔬菜碳吸收量則大于遵義及六盤水兩市，原因主要為貴陽市城市化發展，人口急劇增加，對蔬菜等經濟價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出與碳排放總量不同的趨勢，表現為六盤水市＜貴陽市＜貴州?。甲窳x市，但差別不大。

2.2.3 主要碳吸收途徑分析

通過分析貴州省2007—2016年農田生態系統主要農作物全生育期碳吸收量的變化可知，不同農作物碳吸收量差異較大（表4）。其中，水稻碳吸收量遠高于其他農作物，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%，但呈現減少趨勢。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%。農作物碳吸收量較大的作物還有小麥和蔬菜，并呈增加趨勢，其中蔬菜由2007年的90.10×104t 增加至 2016年的 169.06×104t，增加了 47%，主要是由于蔬菜經濟價值較高，激發農戶種植熱情，使得蔬菜耕地面積增加。由表4、圖3、圖4可知，2016年貴陽、遵義、六盤水三市也表現出相同趨勢，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，利用國家和省政府糧食鼓勵政策積極發展水稻、玉米等傳統作物對地區農田生態系統碳匯意義重大，蔬菜、油料作物的發展增速較快，也應加大相關基礎設施建設促使其單位面積產量快速提高。

圖4 不同尺度農田生態系統碳吸收Figure 4 Carbon absorption of farmland ecosystems at different scales

2.3 貴州省喀斯特農田生態系統碳足跡分析

2.3.1 碳足跡年度變化特征分析

根據前文公式計算貴州省農田生態系統碳足跡（表5）可知，2007—2016年貴州省農田生態系統碳足跡總體呈現增長趨勢，由2007年的20.51×104hm2增加至 2016年的 28.20×104hm2，最大值出現在2011年，為33.16×104hm2。農田生態系統碳足跡占同期生產性土地面積的比例約為8.6%，但隨著時間的推移，呈現增加趨勢，2007年為6.5%，2016年為9.1%。此外，貴州省農田生態系統的碳足跡均遠小于同期耕地面積，說明貴州省農田生態系統存在生態盈余。據趙榮欽等[42]研究結果顯示，農田生態系統碳生態盈余可以補充工業發展與社會生活的碳生態赤字，這對于貴州省的可持續發展具有積極意義。2007—2016年貴州省農田生態系統單位面積碳足跡總體呈增加趨勢，2007年和2016年分別為0.066 hm2/hm2和0.091 hm2/hm2，平均增幅達到2.3%。說明隨著化肥、農藥、農膜等大量施用以及農用機械、灌溉等現代農耕技術的廣泛應用，貴州省農田生態系統碳庫作用正不斷減弱，增匯型種植以及農業的去石油化勢在必行。

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、遵義、六盤水三市碳足跡總量雖有變化，但總體呈增長趨勢。三地級市碳足跡存在差異，表現為遵義（7.08～21.02 萬 hm2）＞六盤水（2.17～8.20 萬 hm2）＞貴陽（1.47～2.98 萬 hm2）。由于貴州省以及貴陽、遵義、六盤水三市農田生態系統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農田生態系統單位面積碳足跡與碳足跡總量存在顯著差異，表現為六盤水＞貴陽＞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于貴州省農田生態系統碳足跡意義重大。

表5 2007—2016年貴州省農田生態系統碳足跡變化Table 5 Changes in carbon footprint of farmland ecosystems in Guizhou Province from 2007 to 2016

圖5 不同尺度農田生態系統碳足跡Figure 5 Carbon footprint of farmland ecosystems at different scales

3 討論與結論

2007—2016年，貴州省農田生態系統碳排放量總體呈現逐年增長的趨勢，由2007年的102.46×104t增至 2016年的 137.54×104t，年均增長 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%，呈現逐年增加的趨勢。2016年貴州省化肥使用強度為298.23 kg/hm2，雖遠低于山東、河南等[4-5]農業省份，但仍高于發達國家公認的安全警戒線225 kg/hm2。研究區域內部不同尺度地區碳排放量與單位面積碳排放量均存在差異且呈現不同的變化次序，貴陽、遵義、六盤水三市碳排放總量與單位面積碳排放量甚至呈現相反的變化順序。不同尺度地區主要碳排放途徑較為一致，均以化肥施用為主，其次為使用農膜所產生的碳排放，究其原因可能為喀斯特地區土壤貧瘠、土壤養分含量低[33-35]，因此以化肥、農膜為主體的化學投入品使用較多，這與邵計新等對畢節地區研究結果類似。此外，探究其單位面積碳排放發現，貴州省農田碳排放的增加主要原因為以化肥為主導的農地投入品增加，這與張鵬巖[5]、李明琦等[44]研究結果相似?？梢?，化肥、農膜等農用投入增加是貴州省碳排放量增加的主要原因，應引起足夠的重視。

2007—2016年，貴州省農田生態系統碳吸收量呈現先上升后下降再上升的趨勢，變化范圍為1 399.031 04～1 921.641 04t，2011年處于低谷，較最高時期（2016）年減少了27.2%，單位面積碳排放量也表現出相同的趨勢。研究區域內部不同尺度地區不同種植類型的碳吸收總量與單位面積碳吸收量也表現出不同的變化趨勢，如碳吸收量最高的遵義市與最小的的貴陽市約相差6.5 倍。不同農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，因此碳吸收量遠高于其他農作物，平均占碳吸收總量的50.9%，但呈現減少的趨勢，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、遵義、六盤水三市均表現出相同的趨勢。此外，甘蔗單位面積碳吸收量較大，但種植面積較少，因此碳吸收總量小；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。貴州省農田單位面積碳吸收總體呈增長趨勢，表明農作物產量逐年增加這與李明琦[44]、王梁[5]、袁再建等[28]研究結果相似。研究發現，貴州省農田生態系統碳吸收量明顯高于碳排放量，表明貴州省農田生態系統具備較強的固碳能力，與張鵬巖等、趙榮欽等[4，21]研究結果一致。

2007—2016年，貴州省農田生態系統碳足跡及單位面積碳足跡總體呈現不斷增加的趨勢，貴陽、遵義、六盤水三市也表現出相同的趨勢，碳足跡及單位面積碳足跡均呈現不同程度的增長。但三市內部差異較大，其中單位面積碳足跡最大的六盤水市與最小的貴州省相差5.11 倍。貴州省農田生態系統碳足跡均遠遠小于同期生產性土地面積，說明貴州省農田生態系統存在較大的碳生態盈余，這與韓召迎等[23]、段華平等[20]、張鵬巖等[4]研究結果一致。但隨著化肥、農藥等大量施用，貴州省農田生態系統單位面積碳足跡不斷增加，表明其碳庫功能有所減弱。

本研究通過對貴州省不同尺度農田生態系統碳排放量、碳吸收量以及碳足跡的測算，基本掌握貴州省農田生態系統碳源匯現狀及其影響因素，得出貴州省農田生態系統碳排放主要是由以化肥、農膜為主導的農地投入增加導致；碳吸收的主要貢獻來自于水稻、玉米和小麥。因此貴州省農業減源增匯應主要采取以下措施：基于減源視角，應控制和減少農藥、化肥等農用投入品的施用，科學配比施肥、進行有機無機配施以及采取噴灌、滴灌等現代農業技術[45-46]；基于增匯視角，首先應加強農田基礎設施建設，穩定及提高農作物單產，從而增加農田生態系統碳吸收能力?；谔甲阚E視角應加強對農田生態系統碳生態盈余的生態管護，增加生產性農田土地的固碳速率，從而補充工業發展與社會生活的碳生態赤字，促進農業可持續發展。