基于碳足迹分析国家级重点生态功能区农田种植业特征

张变华，靳东升，郜春花

（1.忻州师范学院，山西忻州 034000；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原 030031）

目前，关于碳如碳循环、碳排放、低碳发展是学术界的研究热点。碳足迹可以度量因某种活动而引起直接或间接的CO2排放量[1]。从碳足迹的视角研究碳排放、低碳减排措施，可以为全球气候变化提供一定的理论帮助[2]。而农田生态系统是大气的重要碳源与碳汇，研究其碳足迹及其变化可以为农业低碳化、可持续发展提供理论参考。

当前，已有许多国内外学者从不同层面、不同角度对农田生态系统碳足迹进行了研究。SOVACOOL等[3]，HERTWICH等[4]利用模型从国家及城市的层面对碳足迹进行了研究，并提出相应的减少碳排放的措施；WEST等[5]对农田生态系统种植业中化肥、农药等使用量的能源消耗和碳排放进行了研究。国内有许多学者也从多角度对影响碳足迹的因子、碳排放的空间分布、结构特征与强度变化等进行了深入研究[6-11]。但很少有学者从碳足迹的视角来研究国家级重点生态功能区的农田生态系统种植业特征。

本研究主要以国家级重点生态功能区山西省偏关县为研究对象，从小尺度范围内探讨农田生态系统种植业碳足迹特征，旨在为国家级重点生态功能区偏关县开展节能减排工作、发展低碳农业提供一定的指导和理论依据。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

偏关县位于山西省忻州市西北部，是黄河入境第1县。该县东西长60 km，南北宽58 km，总面积1 682 km2，境内黄土丘陵起伏、梁塬峁广布，沟壑纵横，地势东高西低，呈偏头状；属于温带大陆性气候，年均温约为7.9℃，年均降水量约为413.2 mm，降水量主要集中于夏秋季节；2016年耕地面积约3.6万hm2；人口约11.6万，其中，农业人口约占总人口的52.6%；GDP生产总值为25亿元，农业产值约占GDP的15%，粮食总产量54 132 t，农村居民年人均收入约6 030元。

1.2 数据来源

本研究中所使用的相关数据如作物经济产量、农膜、农药等均来自于2008—2017年的《山西统计年鉴》和《忻州统计年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1 种植业碳汇估算 作物在生长期内进行光合作用时的碳吸收量是通过农作物的经济产量以及相应的经济系数进行计算。

其中，GT为所有农作物的碳吸收量；Gi表示第i类农作物合成单位质量干物质的碳吸收量；TW为第i类作物的经济产量；H为第i类作物的经济系数。1.3.2 碳排放估算 农田生态系统中种植业碳排放主要包括3个部分[12]：种植期间的化学物质投入，主要包括化肥（氮磷钾肥）、农药、农膜的施用量；能源消耗所导致的碳排放，主要包括用电量及农用机械使用导致的碳排放，因其主要体现为农业耕作与灌溉，所以可将其转换为灌溉耗能和耕作耗能；农作物收获后秸秆燃烧释放到大气中的碳量。

农田生态系统种植业碳排放量公式如下。

其中，E为总碳排放量；Ei为各类碳源碳排放量；Ki为各碳排放源的量；Vi为各碳排放源的排放系数。

各类碳源碳排放量主要包括化肥（氮肥、磷肥、钾肥、复合肥）、农药、农膜、农业机械作业过程、灌溉、秸秆焚烧过程中的碳排放量。

农田生态系统中各类碳源碳排放量的计算公式如下。

化肥碳排放量＝氮肥碳排放量+磷肥碳排放量+钾肥碳排放量＋复合肥碳排放量。其中，氮肥碳排放量=氮肥纯用量×氮肥间接碳排放系数＋氮肥纯用量×氮肥氧化亚氮排放系数×44÷28×298×12÷44；磷肥碳排放量=磷肥使用量×磷肥碳排放系数；钾肥碳排放量=钾肥使用量×钾肥碳排放系数；复合肥碳排放量=1/3×复合肥使用量×氮肥碳排放量＋1/3×复合肥使用量×磷肥碳排放量＋1/3×复合肥使用量×钾肥碳排放量。

农药碳排放量＝农药使用量×农药碳排放系数；农膜碳排放量＝农膜使用量×农膜碳排放系数；农耕碳排放量＝农作物播种面积×农耕碳排放系数；农田灌溉碳排放量＝灌溉面积×灌溉碳排放系数；农作物秸秆燃烧的碳排放量为农作物秸秆量×农作物含碳量×秸秆燃烧率[12]；农作物秸秆量＝农作物经济产量×草谷比×秸秆收集系数[12]。

农田生态系统种植业碳足迹可以反映农作物的固碳能力。

其中，CEF为碳足迹；NEP为农作物固碳能力；C为碳排放总量；S为耕地面积；GT为农作物碳吸收总量。若CEF－S＜0，说明碳足迹盈余；若CEFS＞0，说明碳足迹赤字。

1.4 数据分析

依据表1，2不同碳源排放系数、不同农作物碳吸收率、经济系数等数据，用Excel，SPSS软件对偏关县农田种植业碳足迹进行数据整理与回归分析。

表1 偏关县种植业碳源及排放系数情况

表2 我国不同农作物碳吸收率、经济系数、草谷比、秸秆收集系数情况[12]

2 结果与分析

2.1 偏关县农田生态系统种植业固碳量的动态特征

由图1可知，2007—2016年偏关县种植业固碳量呈波动变化，2007年作物固碳量总计为63381t，2008年作物固碳量最大，为75 593 t，2015年最低，为33 796 t。各碳吸收源在不同年份呈现不同程度的变化，蔬菜的碳吸收量呈倒V字型由2007年的1 210 t增至2010年的4 005 t，后逐年降至2016年的2159t；瓜果的吸收量呈现逐年降低趋势，2016年瓜果产量为872 t，比2007年下降4 368 t；油料、胡麻及其他作物均呈波动下降趋势；然而，2007—2016年玉米的碳吸收量呈波动变化但变幅不大，2015年外基本处于主导地位；谷物、豆类、薯类呈波动增长趋势，胡麻、油料及其他作物呈现波动降低趋势，2016年种植业各要素的固碳量中谷子贡献率最大，为28.94%，其次为玉米（25.16%），瓜果最低，仅为1.4%。

表3 偏关县种植业作物碳吸收量回归分析结果

依据2007—2016年不同农作物的固碳量，利用SPSS软件进行回归分析。从表3可以看出，只有作物玉米进入回归方程，回归方程为Y＝24 971.4＋2.320X1，其中，X1为玉米固碳量。说明影响偏关县种植业固碳量的因素主要为玉米。

2.2 偏关县农田生态系统中农作物碳排放量的动态特征

从图2，3可以看出，2007—2016年偏关县农田生态系统中各类碳源碳排放量的变化幅度不大，2007年偏关县农田生态系统中种植业的总碳排放量为14 231 t，其中，化学物质投入贡献率最大，为67.2%，其次为秸秆焚烧占26.5%，能源消耗最小，仅占6.3%。2016年碳排放量较2007年增长了452t，其中，化学物质碳排放量贡献率较2007年增长了10.4%，能源消耗贡献率较2007年增长了0.5%，秸秆焚烧贡献率较2007年下降了0.7%；化学物质投入中以氮肥在碳排放总量中贡献率较大，达44%；农膜、农药投入在碳排放总量中贡献率变幅较大，2016年农膜、农药投入较2007年分别增加了5%，1.9%。

表4 偏关县种植业碳源排放回归分析结果

利用SPSS软件对偏关县农业活动中碳源排放数据进行回归分析。由表4可知，偏关县种植业碳源排放量的回归方程为Y（碳排放量）＝-6 298.61＋0.758X1＋15.061X2＋0.654X3＋0.409X4。其中，X1，X2，X3，X4分别表示秸秆焚烧、耕作耗能、氮肥、农膜。从回归方程可以看出，影响偏关县种植业碳排放量的主要因素为秸秆焚烧、耕作、氮肥施用量和农膜使用量，耕作耗能的系数最大，为15.061，说明农业耕作包括犁地、机械化作业对种植业碳排放量的影响最大。

2.3 偏关县农田生态系统种植业碳足迹动态特征

表5 2007—2016年偏关县农田生态系统种植业碳足迹及其效益

从表5和图4，5可以看出，2007—2016年偏关县农田生态系统中种植业碳排放量小于碳吸收量，处于碳盈余状态，2008年碳排放量与碳吸收量的比值最小，为1∶5.3，而2015年最大，为1∶2.5。2007—2016年偏关种植业的总碳吸收量、碳足迹占耕地面积均呈波动变化，近10 a种植业平均碳足迹占耕地面积的比例为23.5%，说明耕地面积可以容纳因化学物质投入和能源消耗所致的碳排放，对偏关县低碳农业可持续发展具有积极作用。同时，从表5可以看出，2007年偏关种植业单位碳足迹产值效益为4259元/hm2；而2016年为8890元/hm2，2016年单位碳足迹产值效益比2007年增加4631元/hm2；2015年虽然单位碳足迹产值比较低，但是仍然高于2007年，说明近10 a偏关县农田生态系统中种植业要素的投入效率和单位土地效益变化明显提高。

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究表明，国家级重点生态功能区偏关县种植业结构受区域自然地理条件与经济发展水平的影响偏向粮食作物，种植业的碳吸收量明显大于碳排放量。玉米是当地的主要适耕品种，也是全县种植业碳吸收量的主导因子；谷子的碳吸收量呈波动上升，10 a期间增长了14%。

国家级重点生态功能区偏关县农田生态系统种植业碳排放中，化学物质投入年均贡献率67%，其中，氮肥年平均贡献率为45%，农膜对碳排放的贡献率呈上升态势，10 a增长5%，能源消耗波动不大且贡献率较低，但其中的耕作耗能仍为影响偏关县种植业碳排放的主要因子。秸秆焚烧碳排放量虽然呈现下降趋势，但因其基数较大，导致了严重的环境污染和资源浪费。

近10 a偏关县单位碳足迹产值效益不断增加，种植业处于碳生态盈余状态，表明国家级重点生态功能区偏关县农田种植业具有较强的固碳能力[17]。

3.2 讨论

本研究重点分析了近10 a国家级重点生态功能区偏关县种植业中农作物的碳吸收对化学物质投入及能源消耗产生的碳排放的消纳状况，而没有考虑在农田种植过程中的固定资产投入及其年损耗的碳排放，且各种投入要素的碳排放系数及农作物的碳吸收率随着研究的深入与技术的发展将会不断更新。

虽然国家级重点生态功能区山西省偏关县农田生态系统中种植业处于碳盈余状态，但如果化学物质和能源投入越来越多，日积月累将会导致不可再生资源的损耗不断增加，面源污染风险随之增加，农作物碳吸收潜力将逐渐减小。因此，应因地制宜，优化种植结构，科学施肥，降低化学物质使用量，开展秸秆循环利用等固碳减排措施，实现低碳农业可持续发展[18-21]。