糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調研究

高 鵬 鄭沃林 白福臣

農業是極易遭受氣候變化影響的產業，如果未來中長期氣候繼續惡化，將嚴重影響糧食生產〔1-2〕。農業的快速發展加速了全球氣候變化，農業直接貢獻了全球溫室氣體排放量的10%-12%〔3〕。IPCC第五次評估報告指出，農業生產已經成為全球溫室氣體第二大排放源。黨的二十大報告提出，要在保證糧食安全的基礎之上推進農業向低碳轉型。在此背景下，從碳源和碳匯兩個角度探究農業碳效應與糧食安全協調發展關系對發揮農業碳效應對糧食安全發展的正向作用，實現農業綠色發展具有重要意義。

農業碳效應與糧食安全的研究一直是學術界關注的焦點，研究成果主要圍繞農業碳效應和糧食安全單個維度。對農業碳效應的研究主要包括碳排放、碳吸收和碳減排層面。在農業碳排放層面，學者們先后運用SBM模型〔4〕、生命周期評價〔5〕等方法對我國農業碳排放進行測算并對時空演變特征進行了分析。在農業碳吸收層面，已有研究聚焦于林業碳匯的測算及產生機理分析、農業碳匯價值實現路徑、碳匯定價與公共福利、農業凈碳匯補償方式與補償額度的測算等方面〔6-7〕。在農業碳減排層面，學者們運用情景分析法〔8〕和非期望產出的影子價格〔9〕等方法測算農業碳減排潛力并提出農業碳減排路徑，比如完善水利基礎設施，合理調控農產品進出口價格、轉變農業發展方式以及固碳技術〔10〕。

對糧食安全的研究主要集中在其內涵、發展水平〔11〕、時空分布〔12〕和影響因素，并對糧食安全優化發展路徑提出建議。在對農業碳效應和糧食安全的二者關系研究中，李波(2011)〔13〕、白福臣(2022)〔14〕等學者利用Tapio脫鉤理論分析碳排放與糧食生產的短、中、長期關系。

綜上所述，目前關于農業碳問題和糧食安全取得了豐富的研究成果，但是也需要正視存在的不足：一是從研究區域來看，現有研究集中于國家、省市，較少涉及對基于地理、功能分區視角下的區域研究。二是已有研究集中于農業碳問題和糧食安全單個方面，鮮有學者探究二者之間的關系。因此，本文以我國13個糧食主產區為研究對象，在厘清農業碳效應與糧食安全耦合機理的基礎之上，分別構建農業碳效應和糧食安全評價指標體系，綜合運用熵值法、耦合協調度模型、相對發展度模型測算2010—2019年糧食主產區農業碳效應和糧食安全綜合評價指數、耦合協調度及相對發展度，探究農業碳效應和糧食安全的耦合協調發展狀況，為促進糧食主產區農業碳效應和糧食安全協調發展提供借鑒。

一、農業碳效應與糧食安全耦合機理

農業碳效應對糧食安全的影響主要是指農業作為巨大碳源和碳匯所帶來的對農業可持續發展的正(負)效應〔15〕。碳源屬性表達為農戶在農業生產中農藥、化肥、農用薄膜等農資投入帶來了大量溫室氣體排放。碳匯屬性則表達為農作物通過光合作用、呼吸作用對CO2進行吸收、加工轉化以及釋放。

從農業碳效應的碳源屬性來看，在實現我國糧食安全的戰略目標下，糧食生產的集約化水平較高，因而產生了大量溫室氣體〔16〕，而人類溫室氣體排放的增加將帶來生產環境的惡化，如氣溫上升、旱澇災害嚴重等，對人類生存、社會、經濟和環境的可持續發展構成了嚴重威脅〔17〕。加之糧食生產是一種自然再生產過程，它的發展嚴重依賴于自然界生命運動規律，是極易遭受氣候變化影響的產業〔18〕，如果未來中長期氣候繼續惡化，將嚴重影響糧食生產。從農業碳效應的碳匯屬性來看，據有關學者測算，全球耕地總固碳潛力為0.75—1.0Pg，在未來的50—100年內，全世界農田可固碳20—30Pg。這意味著農業碳匯將沖抵農業碳源，且對溫室氣體的額外吸收對于緩解全球氣候變暖壓力、應對全球氣候變化的貢獻十分顯著。

保證糧食安全對農業碳效應的影響主要通過政府出臺的相關政策等手段發揮作用。一方面，糧食主產省份往往以平原為主，適合栽培糧食作物或草本經濟作物。但是，在國家保障糧食安全的相關政策驅使下，農戶更偏向于種植經濟作物。相較于草本經濟作物，糧食作物對于農業化學品投入的依賴性往往更弱，因此對碳排放量較大的化肥、農藥等農資投入水平會降低，進而農業碳排放量會降低。另一方面，種植業的“趨糧化”也能促使農業生產的規模化和集中化，進而改善原本粗放、高碳的生產模式〔19〕。綜上所述，保證糧食安全政策引領導致的“趨糧化”，會對農業化學品投入和生產模式造成影響，進而推動農業碳減排的實現。

二、研究方法與數據來源

1.構建評價指標體系

(1)農業碳效應系統指標設定

根據上述耦合機理，農業碳效應主要分為農業作為巨大碳源和碳匯所帶來的對農業可持續發展的正(負)效應，因此從碳排放、碳吸收及碳中和三個方面選取4個指標進行測算：

農業碳排放指標：農田生態系統中的溫室氣體排放的主要源頭包括，農資投入引起的CO2排放、田間化肥施用以及秸稈還田引起的N2O排放以及稻田CH4排放，計算公式為：

E=ECO2+ENO2+ECH4

(1)

農資投入引起的碳排放測算：參考李波(2011)〔20〕等學者的研究，主要碳源界定為化肥、農藥、農用柴油、農用塑料薄膜、農作物播種、農業灌溉(包括消耗電能產生的碳排放)，對應的碳排放系數見表1，計算公式為：

表1 農業碳排放碳源、系數及參考來源

ECO2=∑i=1Ei=∑Qi×αi×44/12

(2)

式中，ECO2表示農田生態系統排放的CO2當量(t)；Ei為農資投入的碳排放量(t)；Qi為各項農資投入的數量(包括化肥、農藥施用量、農作物播種面積、灌溉面積)；αi為各項農資投入的碳排放系數；44/12是C轉化CO2的轉化系數〔21〕。

化肥施用以及秸稈還田引起的N2O排放測算：化肥施用引起的N2O排放主要包括三部分：一是N元素在硝化與反硝化過程中的N2O直接排放；二是含氮活性物質揮發后沉降導致的N2O間接排放；三是N元素淋溶和徑流導致的N2O間接排放〔22〕。計算公式為：

N2O秸稈還田=∑i∑KN2O秸稈還田，i，K=∑i∑K[(Yik/Hi-Yik)]×Ri×ji×bk+Yik/Hi×Ri×ji×bk

(3)

N2O直接=N總×EF直接

(4)

N2O沉降=N總×EF沉降×α沉降

(5)

N2O淋溶=N總×EF淋溶×α淋溶

(6)

EN2O=(N2O秸稈還田+N2O直接+N2O沉降+N2O淋溶)×298

(7)

式中，EN2O是根據N2O總排放量換算成CO2當量(t)；N2O秸稈還田、N2O直接、N2O沉降、N2O淋溶分別為N2O的秸稈還田碳排放量、化肥施用直接、沉降和淋溶導致的碳排放量；Yik為經濟產量，K為農作物種類數，ji為i省的秸稈還田率；Hi、Ri、bk、rk分別為k作物的經濟系數、根冠比、秸稈含氮量和經濟產品部分的干重比〔23〕；298是N2O轉化為CO2轉換系數〔24〕；N總為N元素總輸入量；EF直接、EF沉降、EF淋溶分別為N2O直接排放系數、沉降和淋溶導致的N2O間接排放系數，默認值分別為：0.0178、0.01和0.0075；α沉降為農田中N的揮發量，α淋溶為農田中N的淋溶和徑流率，分別為0.1和0.2〔25〕。

稻田CH4排放測算：農田生態系統中的CH4排放主要來源于稻田，計算公式為：

ECH4=(S早×EF早稻×S晚×EF晚稻)×25

(8)

式中，ECH4是根據CH4總排放量換算成CO2當量(t)；S早和S晚為早稻和晚稻的種植面積(hm2)；EF早稻和EF晚稻為早稻和晚稻CH4的排放因子，分別為0.241t/hm2和0.273t/hm2；25是CH4轉化成CO2當量的轉換系數。

農業碳排放強度指標：由于糧食主產區各地區之間種植面積存在差異，因此引入碳排放強度計算公式：

API=E/S

(9)

式中，API為農田生態系統碳排放強度(10000t CO2eq/hm2)，E為農田生態系統碳排放總量(t CO2eq)，S為種植面積(hm2)。

農業碳吸收指標：農田生態系統中，農作物通過光合作用、呼吸作用對CO2進行吸收、釋放，二者作差可以得出農作物全育期的固碳量，包括經濟產出、秸稈和根系等部分，計算公式為：

C=∑Ci=∑i=1FiYi(1-wi)(1+Ri)/Hi×44/12

(10)

式中，C為農田生態系統農作物碳吸收總量(t CO2eq)；Fi為第i種作物的含碳率(%)；Yi為第i種作物的產量(t)；wi為第i種作物的水分系數(%)；Ri為第i種作物的根冠比系數(%)；Hi為經濟系數；44/12為C轉為CO2的轉化系數。具體數值詳見表2。

表2 不同農作物碳吸收估算系數

農業碳中和指標：碳補償率為碳吸收總量與碳排放總量的比值，計算公式為：

F=X/P

(11)

式中，F為碳補償率，X為碳吸收總量，P為碳排放總量。

(2)糧食安全系統指標設定

1974年，聯合國糧農組織將糧食安全定義為人類的一種基本權利，保證任何人在任何地方都能夠得到未來生存和健康所需要的足夠食品。本文依據對糧食安全內涵的理解以及相關學者研究〔26〕，構建了產量安全、質量安全、消費安全、資源安全四個方面的指標。具體指標、屬性、權重詳見表3。

表3 糧食主產區農業碳效應與糧食安全綜合評價指標體系

2.熵權法測算權重、綜合評價指數

本文采用熵值法確定指標權重，熵值法是一種客觀賦權的方法，依據各項指標變異性大小來確定權重大小，有效克服主觀賦權法的臆斷性和隨機性〔27〕。

(1)標準化處理

由于評價指標體系中的各指標的含義不同，量綱不同，首先對各指標數據進行標準化處理。正向指標處理采用公式(12)，負向指標處理采用公式(13)：

rij=[xij-min(xij)]/[max(xij)-min(xij)]×0.99+0.01

(12)

rij=[max(xij)-xij]/[max(xij)-min(xij)]×0.99+0.01

(13)

式中，i代表評價指標，j代表年份，Xij是第i個指標在第j年的原始數據(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)。

(2)計算熵權。對應的第i個指標的熵權重wi為：

Ei=-k∑i=1Pij×lnPij

(14)

wi=(1-ei)/∑i=1(1-ei)

(15)

式中，ei是第i個指標的熵，wi是第i個指標的熵權。

(3)測算綜合評價指數。利用加權法，公式為：

Sij=∑i=1wi×rij

(16)

式中，Sij表示第i個系統的綜合評價指數，wi為第i項指標的權重，xij為第j年的第i項指標的標準化值。本文將農業碳效應與糧食安全綜合評價指數分為5個等級：<0.2，不安全；0.2-0.4，較不安全；0.4-0.6，臨界安全；0.6-0.8，較安全；>0.8，安全。

3.耦合協調度模型

借鑒物理學中的耦合協調度模型來判斷糧食主產區農業碳效應與糧食安全之間的相互協調程度〔28〕。

(1)計算耦合度。若給定P≥2個系統，耦合度一般化公式為：

C=P×[(U1U2…UP)/(U1+U2+…+UP)]1/p

(17)

(2)計算綜合協調指數。本文考慮到農業碳效應和糧食安全同等重要，因此兩個系統的主觀權重a、b均為0.5，公式為：

T=aS1+bS2

(18)

(3)計算耦合協調度：計算公式如下：

D=(C×T)1/2

(19)

其中，D為農業生態經濟系統的耦合協調度，0≤D≤1，D越大表示兩個系統之間協調關系越好，協調發展水平越高。根據實際數值分布，參考相關文獻，將農業碳效應和糧食安全耦合協調度由0-1均分為若干級別，詳見表4。

表4 農業碳效應與糧食安全耦合協調度等級分類

4.相對發展度模型

相對發展度模型是指農業碳效應與糧食安全兩個系統的相對發展狀態，根據相對發展度大小判斷兩系統的耦合發展類型，計算公式為：

F=S1/S2

(20)

參考已有文獻對相對發展度等級的劃分〔29-30〕，將農業碳效應與糧食安全耦合協調發展狀況劃分為3個階段9種類型，詳見表5。

表5 農業碳效應與糧食安全耦合協調發展階段與類型

三、結果與分析

1.糧食主產區農業碳效應時空分析

從時間維度來看，糧食主產區農業碳效應綜合評價指數呈現波動上升態勢，糧食主產區農業碳效應綜合評價指數從0.1479增長到0.9787，這說明糧食主產區農業碳效應發展情況總體向好。2010-2014年糧食主產區農業碳效應綜合評價指數增長速度較慢，僅從0.1479增長到0.2404，年均增速為0.0231，其中在2013-2014年下降了0.0138。由表6可知，黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、河南、安徽、湖南在2010-2014年農業碳效應綜合評價指數呈下降趨勢；河北、山東、江蘇、湖北、江西、四川呈上升趨勢。2014-2019年糧食主產區各個地區農業碳效應綜合評價指數均呈快速增長趨勢，整體農業碳效應狀況向好。

從空間維度來看，糧食主產區農業碳效應綜合評價指數由“北高南低”演變為“北低南高”態勢。由圖2可知，2011年呈現“北高南低”的分布特征，其中不安全的地區有山東、江蘇、湖北和四川等4個省份。2015年空間特征比較均勻，大多數省份在臨界安全和較不安全之間徘徊，不安全和臨界安全的地區范圍有所擴張，不安全等級的地區消失，不安全的地區有內蒙古和河南。2019年呈現“北低南高”的分布特征，處在安全的地區有江蘇、安徽、江西、湖南等4個省份，處在不安全的地區有內蒙古和河北2個省份。總體來看，不安全、較不安全、臨界安全等級的地區均有所下降，這充分說明糧食主產區的各個地區在保障糧食安全的同時，積極貫徹落實了低碳農業的發展理念，通過推廣種植業綠色低碳發展技術模式，優化種植結構和農資利用結構等相關措施促使農業碳效應安全等級提升到安全水平。

圖2 糧食主產區農業碳效應等級的空間分布狀況

2.糧食主產區糧食安全時空分析

從時間維度上來看，糧食主產區糧食安全水平呈現“波動上升”態勢。由圖1可知，糧食主產區糧食安全綜合評價指數從0.2938增長到0.9977，糧食安全情況總體向好，表明糧食安全水平不斷提升。究其原因，國家實施了《國家糧食安全中長期規劃綱要(2008-2020年)》，高度重視糧食安全，使其糧食安全水平得到明顯提升。2010-2016年糧食安全綜合評價指數增長緩慢，年均增速為0.0227，由表6可知，黑龍江、吉林、河南在2010-2016年糧食安全綜合評價指數有所下降；遼寧、河北、山東、江蘇、安徽、湖北、江西、湖南、四川呈上升趨勢。2016-2019年糧食主產區各個地區糧食安全綜合評價指數呈快速增長趨勢，整體糧食生產向好，在這一時期國家進行了供給側結構性改革，對糧食種植結構進行調整，促進了糧食安全發展。

圖1 糧食主產區農業碳效應、糧食安全綜合評價指數及耦合協調度

表6 糧食主產區農業碳效應和糧食安全綜合評價指數

從空間維度上來看，糧食主產區糧食安全綜合評價指數由“北高南低”演變為“南北平衡”態勢。由圖3可知，2011年糧食主產區糧食安全等級空間格局呈現“北高南低”態勢，處在不安全的地區有山東和江蘇等2個省份。2015年糧食主產區糧食安全等級空間格局趨向于“南北平衡”態勢，處在不安全的地區有河北和四川2個省份。2019年糧食主產區糧食安全等級空間格局呈現“南北平衡”態勢，大部分地區處于安全和較安全等級，僅有內蒙古和湖南省處在不安全等級上。總體來看，不安全、較不安全等級的地區均有所下降，這充分說明糧食主產區實行農業科研攻關和技術推廣、農業基礎設施建設、發展多種形式的農業規模經營等舉措成效顯著。

圖3 糧食主產區糧食安全等級的空間分布狀況

3.糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調度時空分析

根據公式(10)—(13)計算出2010—2019年各糧食主產區農業碳效應和糧食安全的耦合協調度，截取2011年、2015年、2019年各省份的耦合協調度，依據表4劃分出不同的協調類型(詳見表7)。

表7 糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調度

從時間維度來看，2010—2019年糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調度呈不斷增長發展狀態，由0.3228增長到0.7029，耦合協調類型由失調階段發展到協調階段，說明糧食主產區農業碳效應與糧食安全兩系統的相互作用持續存在且協調性不斷增強。2011年，糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調度處于0.13-0.49之間，在嚴重失調與瀕臨失調之間徘徊，協調水平較低，其中嚴重失調的省份占15.38%，分別為山東和江蘇。2015年，耦合協調度處于0.37-0.51之間，相比于2010年有所上升但大部分地區處在輕度失調和瀕臨失調階段，輕度失調的省份占15.38%，分別為內蒙古和河南。2019年，耦合協調度處于0.61-0.70之間，耦合協調類型處在初級協調和中級協調之間。初級協調的地區占92.30%，中級協調的省份僅有遼寧，占比7.70%。整體來看，失調型地區數量從2010-2019年失調省份的數量減少到0個。這說明糧食主產區農業碳效應與糧食安全協調型逐漸增強，但2019年大部分地區仍然處于初級協調階段，因而協調水平有待進一步提升。

從空間維度來看，糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調度在2010—2019年由“北高南低”向“南北平衡”演變，由表7可知，糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調度較好的分布在東北地區。2011年失調地區分布區域廣泛，其中嚴重失調地區分布在山東和江蘇2個地區。2015年大部分地區的耦合協調度均有所上升，呈“南高北低”態勢，其中輕度失調的地區有內蒙古和河南2個地區。2019年糧食主產區的13個省份均進入協調發展階段，呈“南北平衡”態勢，其中僅有遼寧進入中級協調階段，其余12個地區處在初級協調階段。

4.糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調發展階段分析

本文引入相對發展度模型探究糧食主產區農業碳效應與糧食安全協調發展階段以及階段特征。依據表(5)劃分出耦合協調發展類型及相對發展階段。由表8可知，糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調發展類型主要包括1、4、5、6、8等類型，相對發展階段主要分為高度拮抗、低度磨合、高度磨合、高度協調四個階段。

表8 糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調發展類型及階段

2011年，山東、江蘇、湖北、江西、四川等5個地區的耦合協調發展類型為第1類，處在高度拮抗階段；黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、河南等5個地區的耦合協調發展類型為第4類，處在低度磨合階段；安徽耦合協調度類型為第5類，處在高度磨合階段；河北、湖南的耦合協調發展類型為第6類，處在低度磨合階段。2015年，內蒙古、河南、山東、江西、湖南等5個地區的耦合協調發展類型為第4類，處在低度磨合階段；黑龍江、吉林、遼寧、江蘇、安徽、湖北等6個地區的耦合協調發展類型為第5類，處在高度磨合階段；河北、四川的耦合協調發展類型為第6類，處在低度磨合階段。2019年，河北的耦合協調發展類型為第4類，處在低度磨合階段；黑龍江、吉林、內蒙古、河南、山東、江蘇、湖北等7個地區的耦合協調發展類型為第5類，處在高度磨合階段；安徽、江西、湖南、四川等4個地區的耦合協調發展類型為第6類，處在低度磨合階段；遼寧的耦合協調發展類型為第8類，處在高度協調階段。

四、結論與建議

1.結論

(1)2010-2019年，糧食主產區農業碳效應綜合評價指數呈現波動上升態勢。糧食主產區農業碳效應綜合評價指數從0.1479增長到0.9787，說明糧食主產區農業碳效應發展情況總體向好，糧食主產區農業碳效應綜合評價指數由“北高南低”演變為“北低南高”態勢。

(2)2010-2019年，糧食主產區糧食安全水平呈現波動上升態勢。糧食主產區糧食安全綜合評價指數從0.2938增長到0.9977，糧食安全情況總體向好，表明糧食安全水平不斷提升，糧食主產區糧食安全綜合評價指數由“北高南低”演變為“南北平衡”態勢。

(3)2010-2019年，糧食主產區農業碳效應和糧食安全的耦合協調度呈不斷增長狀態，由0.3228增長到0.7029，耦合協調類型由失調發展到協調，說明糧食主產區農業碳效應和糧食安全的協調性增強，但大部分地區僅為初級協調，仍需進一步提升。糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調度在2010-2019年由“北高南低”向“南北平衡”演變。

(4)2010-2019年，糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調發展類型主要包括高度拮抗-農業碳效應滯后型、低度磨合-農業碳效應滯后型、高度磨合-同步發展型、低度磨合-糧食安全滯后型、高度協調-同步發展型等5類。屬于低度磨合-農業碳效應滯后型的省份有河北，農業碳效應系統發展水平明顯滯后于糧食安全發展水平，農業低碳化有待提升。屬于低度磨合-糧食安全滯后型的省份有安徽、江西、湖南和四川，糧食安全發展水平明顯滯后于農業碳效應系統發展水平，糧食安全水平有待提升。

2.建議

針對糧食主產區農業碳效應與糧食安全耦合協調發展的不同階段采取不同的應對措施：

(1)針對低度磨合-農業碳效應滯后型的地區，應鼓勵推廣種植業綠色低碳發展技術模式，優化種植結構和農資利用結構，并改善廢棄物處理方式。發展生態種植，有機配施，農作物病蟲害綠色防控技術。采取作物秸稈資源化處理措施。發揮農作物光合作用的固碳優勢，降低生產中碳排放，促使耕地利用向低碳轉型。

(2)針對低度磨合-糧食安全滯后型的地區，應處理好低碳農業與糧食安全協同發展之間的關系，立足于國家戰略需求，嚴格遏制耕地“非農化”。大力加強高標準農業建設，扎實推進種業振興行動，強化農業水利設施建設。結合自身資源稟賦，大力發展技術農業、質量農業和綠色農業，保障國家糧食安全。

(3)針對高度磨合-同步發展型和高度協調-同步發展型的地區，應繼續樹立糧食安全與農業碳效應協調發展的理念，建立長效的農業碳效應與糧食安全良好協同機制，走集約化內涵式發展道路，以發展低碳農業引領糧食安全發展，實現兩者協調發展。