山東省農業碳排放的時空特征與脫鉤彈性研究

曹俐 王瑩 雷歲江

摘要：為探究山東省農業碳排放與農業經濟增長間的關系，基于農藥、農膜、化肥、農用機械柴油、翻耕、灌溉等農業生產中的6個方面，采用碳轉化系數法測算山東省1997—2015年的農業碳排放量和排放強度，并選取山東省17個地級市為樣本，比較山東省各地碳排放的區域差異，最后運用Tapio脫鉤模型計算山東省農業碳排放的脫鉤彈性系數。結果表明：（1）從1997年以來，山東省農業碳排放量和排放強度總體呈現出簡單的倒“U”形變化，“上升—下降”兩階段演化特征突出;（2）山東省農業碳排放量高的地區多集中于魯西北平原區，碳排放強度高的地區多聚集在山東半島東部和膠東丘陵西部地帶;（3）山東省農業碳排放和農業經濟發展呈現出擴張負脫鉤、弱脫鉤、強脫鉤3種不同類型的彈性特征，2008年后以強脫鉤為主導，脫鉤狀態較為理想，說明近年來山東省在農業碳減排方面成效顯著。

關鍵詞：農業碳排放;時空特征;脫鉤彈性;山東省

中圖分類號： F327 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）17-0250-07

溫室氣體排放導致氣候變暖成為全球性環境問題，并且嚴重威脅到糧食安全、衛生安全、能源安全、土地資源安全等。對自然資源和能源的肆意開采和濫用，直接導致了溫室氣體濃度驟增，進而成為全球氣候變暖的元兇之首。近年來，由于農業生產中的機械設備、化肥、農藥、農膜等農用物資的大量施用而引發的農業碳排放量占全國溫室氣體排放總量的17%[1]。2015年6月，我國在《聯合國氣候變化框架公約》中嚴肅表明碳減排決心和立場，承諾我國將在工業生產、農業生產等高碳排行業中持續施行碳減排政策，力求到2030年我國全行業碳排放總量在2005年的基礎上減少3/5左右，并將該行動列入“十三五”發展規劃中。黨的十九大也明確提出實施鄉村振興戰略和建設美麗鄉村的構想，而促進環境和農業經濟協調發展是鄉村振興的關鍵。因此，走低碳化農業之路對實現可持續農業具有重要意義。

發展低碳農業日益成為學者關注的焦點問題，研究點主要集中于測算農業碳排放量來進行時空特征分析和農業碳排放的驅動因素分析。實現低碳農業發展的關鍵在于對農業系統中溫室氣體排放來源的準確定位以及對農業碳排放結構特征的合理把握，這是科學發展低碳農業的前提和基礎。首先，在農業碳排放量的測算和結構特征方面，黃祖輝等研究了農業碳足跡結構，得出種植業是農業碳排放的主要源頭，且在農業生態系統中占據重要作用[2]。田云等根據農業碳排放源的多樣性和復雜性，將碳源因子歸納為：（1）農地利用碳排放，主要包括農用物資投入、農用機械燃油、土地翻耕、農業灌溉等產生的碳排放;（2）稻田碳排放，稻田種植過程中甲烷排放;（3）牲畜養殖碳排放，即動物腸道發酵和糞便所引起的甲烷排放[3]。研究者在此基礎上通過構建指標體系來測算農業碳排放總量和碳排放強度，并依據測算結果分析時空結構特征[4-5]。其次，關于農業碳排放的驅動因素研究，多數學者采用Kaya恒等式[6-7]、對數平均迪氏分解（LMDI）模型[8-9]、DEA-Malmqusit模型[10]、描述性統計[11]等方法對其影響因素進行實證分析，得出農業經濟增長是農業碳排放量增加的主要驅動因素。張志高等分別以河南省農業和黃淮海平原農業的角度探討了農業碳排放和經濟發展的脫鉤效應[12-13]。李國志等采用環境庫茲涅茨曲線（EKC）模型測算得出碳排放量與農業經濟增長間存在非均衡的“N”形曲線關系[14]。經濟增長是農業碳排放量的主要驅動因素，技術進步對農業碳減排具有較強的促進作用但具有一定的隨機性[15]，農業產業結構的優化有效地抑制了農業碳排放量的增加[16]，城鎮化水平[17]、農村基礎教育水平、種植業所占比重、畜牧業所占比重和自然災害等對農業碳排放的產生一定的影響作用[18]。

山東省素有“農業大省”的美譽，是我國的商品糧主產區，在我國農業生產中具有很強的代表作用。本研究參照張志高等測算農業碳排放量的指標選取[19]，從1997—2015年農地利用碳排放源中的6個方面構建山東省農業碳排放體系，探究山東省農業碳排放的時序特征和空間特征，并采用Tapio脫鉤模型來解析農業碳排放與農業經濟增長間的變化關系，以期根據研究結果剖析山東省低碳農業發展狀況。

1 區域狀況與研究方法

1.1 區域狀況分析

山東省成為全國最重要的優質農產品生產基地，主要歸功于其得天獨厚的地理優勢和氣候條件。山東省位于我國東部沿海、黃河下游，因居太行山以東而得名，包括濟南、青島、煙臺等17個地級市，地處34°22.9′～38°24.01′N、114°47.5′～122°42.3′E。其陸域面積約15.58萬km2，境內地貌復雜，以平原為主，約占全省面積的65.56%，主要集中在該省的西南部、北部，由黃河沖積而成。其次是丘陵和山地，分別占全省面積的15.39%和14.59%。山東省整體地勢中高周低，泰山雄踞中部為最高點。山東省氣候屬于暖溫帶季風氣候類型，降水集中、雨熱同期，年平均氣溫11～14 ℃，年平均降水量為550～950 mm，日照時長 2 290～2 890 h。肥沃的平原、豐富的水源、充足的光照等為山東省種植業的發展創造了優越的條件。但不可忽略的是，由于其獨特的地形地貌特征而導致山東省成為全國受自然災害損失最為頻繁且嚴重的省份之一，1997—2015年期間，除2003、2004、2005、2010年外，其他年份旱災成災面積占比最高，尤其2014年被譽為山東省近20年來的大旱之年，其次則為水災成災面積[20]。2017年全國總播種面積11 221.96萬hm2，其中山東省播種面積為 744.7萬hm2，全國排名第三，2017年年末全國糧食總產量為61 790.7萬t，其中山東省糧食產量為 4 723.2萬t，位居全國第三，山東省作為糧食大省，糧、棉、油等主要農產品產量均居全國前列。

1.2 研究方法分析

1.2.1 農業碳排放量以及碳排放強度的估算 目前，關于農業碳排放量的測算尚未形成一個統一的體系，國內外學者主要采用碳轉化系數法、實測法和聯合國政府間國際氣候變化專門委員會（IPCC）推薦的物料平衡算法等來測算農業碳排放量和碳排放強度[21]，本研究以此為借鑒，結合山東省農業生產活動中的主要碳排放源來自于種植業，以及數據資料的可獲得性，從農業物資投入（包括化肥、農藥、農膜、農用機械柴油）、翻耕、灌溉6個方面采用碳轉化系數法，對山東省的農業碳排放量進行測算。各要素碳排放系數的確定見表1。

農業碳排放量計算公式如下：

式中：A表示農業碳排放總量;Ai表示第i種農業碳排放源碳排放量;Ti表示第i種農業碳排放源投入量;δi表示第i種農業碳排放源排放系數。

農業碳排放強度計算公式如下：

式中：C表示農業碳排放強度;B表示耕地面積。

1.2.2 脫鉤理論及脫鉤模型的研究 脫鉤理論最早出現在物理學領域，用來分析聯系較為密切的2個變量間的關系，從逐漸淡化直至完全脫離的動態過程。后期學者將脫鉤理論廣泛應用于農業經濟學領域，用來研究農業發展與經濟增長間的聯系。用于探討脫鉤研究的模型主要有以下2種：（1）經濟合作與發展組織（OECD）脫鉤指數法，即以終期年份和基期年份的變化量為依據，來判定該時期2個研究變量是否脫鉤。（2）Tapio脫鉤模型，動態反映研究期內變量間脫鉤關系的彈性分析方法。選用脫鉤彈性理論來度量農業碳排放量變化與農業經濟增長變化間的關系，若碳排放量增速為負值或者小于經濟增速，即視為脫鉤，能夠有效直觀地反映二者之間的發展狀態，同時克服OCED脫鉤指數法在基期選擇上的不足[23]。脫鉤彈性數值以0.8、1.2作為脫鉤狀態的劃分依據，將脫鉤指標劃分為負脫鉤、脫鉤、連接3大類，再依數值大小細分為8種具體狀態（表2）。本研究選用Tapio模型對山東省的農業碳排放與農業經濟增長的脫鉤關系進行分析。

脫鉤彈性系數公式如下：

式中：e表示脫鉤彈性;C表示農業碳排放量;ΔC表示農業碳排放的增量;PGRI表示種植業總產值;ΔPGRI表示種植業總產值增量。

1.3 數據來源

本研究中，農藥、農膜、化肥、農用機械柴油、翻耕、灌溉等相關數據均來自《中國統計年鑒》《山東省統計年鑒》以及山東省農業農村廳統計公報。其中，化肥數據選取化肥折純施用量，翻耕數據用當年農作物的總播種面積替代，灌溉數據以有效灌溉面積為準。因數據的可得性和完整性，故選取1997—2015年為時間尺度，考慮到以實價計算的種植業總產值不能進行縱向對比，采用GDP可比價，以1997年作為價格基期。

2 山東省農業碳排放時空特征和脫鉤彈性分析

2.1 山東省農業碳排放時序特征分析

根據式（1）、式（2）估算出1997—2015年間山東省農地利用過程中各類碳源排放量、農業碳排放總量及碳排放強度（表3）。

由圖1可見，2015年山東省農業碳排放總量為884.166 3萬t，較1997年的720.926 7萬t增加了22.64%，年均增速1.12%，其中，土地翻耕、灌溉、化肥、農藥、農膜、農用機械柴油6種碳源排放量依次為3.446 9、136.618 4、415.110 6、74.504 9、156.215 9、98.269 7萬t，分別占農業碳排放總量的0.39%、15.45%、46.95%、8.43%、17.67%、11.11%。1997—2015年山東省農業碳排放量總體呈現出簡單的倒“U”形變化特征，分為“上升—下降”2個階段：1997—2007年為第一階段，碳排放總量不斷上升且呈現平穩遞增的速度，從1997年的720.926 7萬t增長到2007年的953.690 4萬t，年平均增長率為2.94%;2008—2015年為第二階段，碳排放量總體處于下降趨勢，從2008年的 919.678 9萬t 降低到2015年的884.166 3萬t，年平均增長率為-0.5%;其原因一方面為該期間山東省農業生產遭受嚴重自然災害，農業投入減少，導致農業碳排放量總體呈下降趨勢，另一方面是山東省在近幾年積極響應國家關于低碳農業發展政策的號召，農業發展與資源環境間的矛盾逐漸緩和，表明山東省農業碳排放總量得到了有效控制。

1997—2015年山東省農業碳排放強度與碳排放總量整體變化一致（圖1、表3），從1997年的 656.396 4 kg/hm2 增加到2015年的801.852 9 kg/hm2，增長22.16%，年均增速為1.17%。山東省農業碳排放強度的環比增速總體呈現下降趨勢。

2.2 山東省農業碳排放區域差異分析

由表4、圖2可見，2015年山東省17個地級市碳排放量差異明顯，濰坊市排放量最高，達 116.513 5萬t，萊蕪市排放量最低，為6.903萬t，僅為濰坊市的5.9%。按照碳排放的絕對量差異，將17個地區分為3類：（1）排放量低于30萬t的地區，主要包括淄博市、萊蕪市、東營市，主要分布在魯中南山地丘陵區。（2）排放量集中于30萬～70萬t的地區，主要位于山東半島和魯中地區，具體包括濟南市、青島市、棗莊市、煙臺市、泰安市、威海市、 日照市、德州市、濱州市。（3）排放量大于70萬t的地區，包括濰坊市、濟寧市、臨沂市、聊城市、菏澤市，集中于膠東丘陵西部地帶和魯西北平原區，其中魯西平原區是華北平原的一部分，由黃河沖積而成，土壤肥沃，是我國主要的棉糧生產基地。

由于不受資源總量基數的影響，農業碳排放強度相比碳排放總量而言更能直觀反映該地區的低碳農業發展水平，易于區域間進行橫向比較。由圖3可見，山東省17個地級市的農業碳排放強度表現出東西部區域差異顯著的特征，其中沿海區域碳排放強度較高。依據絕對量差異，將17個地區分為3個層次：（1）排放強度低于700 kg/hm2的地區，包括濟南市、泰安市、德州市、濱州市、菏澤市，主要位于魯西北平原區。（2）排放強度介于700～1 100 kg/hm2 的地區，包括青島市、淄博市、棗莊市、東營市、濟寧市、萊蕪市、臨沂市、聊城市，主要分布在魯中南山地區和山東半島南部。（3）排放強度大于1 100 kg/hm2的區域主要集中在山東半島東部和膠東丘陵西部等沿海地帶，具體包括煙臺市、濰坊市、威海市、日照市。

2.3 山東省農業碳排放脫鉤彈性分析

基于Tapio脫鉤模型，得到山東省1997—2015年農業碳排放變化與農業經濟發展間的脫鉤模型（表5）。整體看山東省10多年來種植業總產值呈現出持續增長，農業碳排放量和排放強度從2008年開始逐漸趨于負增長，因此衍生出擴張負脫鉤、弱脫鉤、強脫鉤3種不同類型的彈性特征，其中主要以弱脫鉤、強脫鉤為主，表明山東省的農業由“三高一低”的粗放型生產模式逐漸轉向“三低一高”的集約高效型農業發展態勢，農藥、農膜、化肥等生產資料投入量逐漸減少，可持續農業的發展理念得到有效推廣，農業發展和資源環境的矛盾也日漸緩和。根據農業碳排放、種植業總產值及二者脫鉤關系，可以分為2個階段。

（1）1997—2007年為波動期，該階段農業經濟產值不斷增加，與此同時農業碳排放總量穩步增長，隨著農業現代化進程逐漸加快，關于對農業實行減免補貼的系列政策，激發了農民生產積極性，帶動了化肥、農藥、農膜等農用物資的快速增長，且農民對環保低碳意識較為模糊，進而也導致碳排放量不斷增長。1999—2002年出現擴張負脫鉤，可能原因是“三農”問題日益凸顯使得農民喪失農業種植的積極性，其次農民外出打工，導致農村留守問題嚴重，農業勞動力明顯不足，使得種植業總產值增量低于農業碳排放量的增量。

（2）2008—2015年為平穩期，整體態勢良好，農業碳排放持續負增長且農業經濟平穩增長，除2010年表現為弱脫鉤外，隨后實現連續5年強脫鉤。可能原因有：國家惠農政策的推廣帶動了農民農業生產的積極性，農業科技推廣服務站的普及和完善使得農業經濟穩步增長;十七大以來，國家倡導以資源節約和生態環境保護為前提發展可持續農業，低碳農業觀念逐漸深入人心，循環農業、生態農業發展模式逐漸推廣，提高了農用物資的利用效率;農業科技進步帶動農業生產力提高和產業結構的調整，從而使得該階段脫鉤彈性特征以強脫鉤為主，實現最佳理想型農業生產模式。

3 結論及建議

3.1 結論

本研究首先基于農用物資投入視角，根據前人做出的碳排放系數轉化法測算出1997—2015年山東省農業碳排放情況;其次以山東省的17個地級市為樣本進行橫向比較，來分析山東省農業碳排放的時空特征;最后運用Tapio脫鉤模型來解析農業碳排放與農業經濟增長之間的變化關系。主要結論如下：

（1）山東省農業碳排放總量由1997年的 720.926 7萬t 增長到2015年的884.166 3萬t，總體呈現出簡單的倒“U”形變化特征，凸顯出“上升—下降”兩階段演化過程。農業碳排放強度與農業碳排放量的整體變化過程一致，表明近年來山東省逐漸走向發展低碳農業的新模式。

（2）橫向來看，山東省17個地區農業碳排放差異明顯。2015年農業碳排放量最大的地區為濰坊市，高達116.51萬t，萊蕪市排放量最低，為 6.9萬t，僅為濰坊市的5.9%。農業碳排放強度最高地區為煙臺市，為1 462.66 kg/hm2。縱觀整體，農業碳排放量高的地區多集中于魯西北平原區，平原面積廣闊，有利于規模化、集約化生產;碳排放強度高的地區多聚集在山東半島東部和膠東丘陵西部地帶，是典型的丘陵區，地勢崎嶇，不易于大規模種植業的發展。

（3）1998—2015年，山東省農業碳排放脫鉤彈性指數分布在-0.569 5～3.007 1之間，農業碳排放和農業經濟發展關系呈現出擴張負脫鉤、弱脫鉤和強脫鉤3種不同類型的彈性特征。具體而言，基于彈性差異，可劃分為2個階段：擴張負脫鉤、強脫鉤、弱脫鉤3種脫鉤類型并存，波動較為明顯的第一階段（1997—2007年）;脫鉤類型多為強脫鉤，平穩性特征較為突出的第二階段（2008—2015年），且脫鉤狀態逐漸趨于理想型。

3.2 建議

本研究以農藥、農膜、化肥、農用機械柴油、翻耕、灌溉6類碳源，就山東省農業碳排放的時空差異特征及其與農業經濟發展之間的脫鉤關系展開研究，通過測算可知山東省低碳農業發展取得了一定成就，主要表現在2個方面：（1）農業碳排放量和排放強度的逐漸降低;（2）碳排放與農業經濟之間的脫鉤關系以強脫鉤為主。以上說明山東省農業生產與資源環境之間的矛盾逐漸緩和。山東省作為我國的農業大省，糧食主產基地，在低碳農業發展模式方面起到了模范作用，是發展我國農業碳減排的主力軍。

與此同時也暴露出一些問題，如區域間的碳排放差異較為明顯，自然災害、種植業規模發展等因素對山東省發展低碳農業產生一定的阻礙作用，所以在未來山東省農業碳減排仍具有較大壓力。整體而言，應根據當地地形氣候特征優化農業產業結構，科學合理規劃山東省農業用地，實現土地集約化經營模式，完善農業基礎措施、改進農業生產技術，同時注重增強農業抵御自然災害的能力。就局部而言，需依據不同地區實際情況制定因地制宜的整治措施，重點以農業碳排放強度較高的地區為抓手，為早日實現農業減碳和農業現代化奠定堅實的基礎，同時有助于解決“三農”中的農業環境和生態的統籌問題。

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