低碳背景下德州市农田生态系统碳源汇变化及其影响因素分析

祁兴芬

（德州学院地理系，山东德州253023）

目前国内研究低碳经济，主要侧重于城市与工业领域，对农村、农业领域的碳排放、农业碳汇功能等相对关注较少[1]。事实上，农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，与人类关系最为密切，同时也是重要的大气碳源和碳汇[2]。农业活动是重要的温室气体排放源，20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O来源于农业活动及其相关过程[3]；同时，全球农田也是巨大的碳库，其碳储量达170Pg，占全球陆地碳储量的10%以上[4]。据研究，1990－2005年农业源温室气体排放增长了14%，平均每年相当于排放4.9×107tCO2[5]；据Cole估计，在未来的50-100年内，全世界农田可固碳20 Pg-30Pg[6]。另据Lal等研究，全球耕地每年总固碳潜力为0.75 Pg-1.0 Pg[7]。中国作为世界上一个重要的农业大国，农田生态系统对全球大气CO2浓度的影响不可忽视。国内对于农田生态系统碳源汇的研究较多，针对城市未进行较长时序的时空格局研究；同时在考虑农田生态系统碳排放时也没有将碳排放途径深入细化，在一定程度上影响了定量测算结果的精确性。本文以农业发展历史悠久的德州市为例，通过对2001-2010年德州市农田生态系统主要农作物碳吸收量和主要农业生产活动碳排放量的估算，分析德州市农田生态系统碳源汇的时空格局及影响因素，以期提供更精确的农业源碳排放清单，为德州市农业产业结构调整和农业生产固碳减排提供科学依据。

1 区域概况与研究方法

1.1 区域概况

德州市位于北纬 36°24′-38°0′，东经 115°45′-117°24′之间，地处山东省西北部，黄河下游北岸，是显著的大陆性季风气候，四季分明、干湿季明显，光照资源丰富，物产资源十分丰富。德州市土地总面积104万hm2，耕地占德州市总面积的52%，总人口564.2万人，其中农业人口403.6万人，农村居民451.5万人，农村人口占总人口的80%，是典型的农业大市。德州市耕地面积广阔，地下水资源丰富，具有发展农业的良好条件。全市主要种植小麦、玉米、棉花等，全国重要的粮食生产基地和优质棉生产基地。全市11个县（市、区）中7个县被国家授予粮食生产大县的称号，人均粮食居山东首位。

1.2 数据来源

2001-2010年德州市主要农作物产量、播种面积、耕地面积及历年化肥施用量、农作物播种面积和各类作物产量、农业机械总动力、灌溉面积等数据，均来自2001-2010年《德州统计年鉴》。

1.3 农田生态系统碳吸收量估算

碳吸收主要依据农作物产量数据、经济系数和碳吸收率进行估算。

农作物生育期碳吸收量公式[8]：

式中，i为第i种农作物的种类；Cd为某种作物全生育期对碳的吸收量；Cf为作物合成单位有机质干质量所吸收的碳；Dw为生物产量；Yw为经济产量；Hi为经济系数(表1)。

表1 我国主要农作物经济系数与碳吸收率[9]

1.4 农田生态系统碳排放量估算

农田利用的碳排放主要来源是：化肥生产使用过程中所导致的碳排放；农药生产和使用过程中所导致的碳排放；农膜生产和使用过程中所引起的碳排放；农业机械使用消耗化石燃料所产生的碳排放；农业灌溉过程中的碳排放；农田土壤碳库动态变化而引起的碳直接排放。本文仅考虑前5种主要的间接碳排放途径，碳排放估算公式为：

式中：Ef、Ep、Em、Ee、Ei分别为化肥、农药、农业机械生产、农膜、灌溉过程中产生的碳排放。Gf为化肥使用量；Gp为农药使用量；Am为农作物种植面积；Wm为农业机械总动力；Ge为农膜使用量；Ai为灌溉面积；A、B、C、D、F、G为转换系数，分别 为 857.54g/kg、4.9341kg/kg、16.47kg/hm2、0.18kg/kw、5.18kg/kg和266.48kg/hm2[10]。

2 结果与分析

2.1 德州市农田生态系统碳吸收量变化

2.1.1 碳吸收总量时间变化 2001-2010年德州市农田生态系统碳吸收总量总体呈上升趋势，农作物碳吸收总量呈现两个阶段，第一阶段2001-2003年为缓慢增长期，由2001年485.3万t增加到2003年的516.2万t，年均增速逐年下降，农作物种植面积减少，单产增加，总产量增幅较慢；第二阶段2004-2010年为快速增长期，碳吸收总量从2004年的480.10万t增加到2010年的956.20万t，年均增速呈波动式变化，2005-2006年增速为12.59%，2007-2008年为3.64%（图1）。表明推行合村并居工程使得农作物种植面积不断增加，农作物生育期碳吸收水平在不断提升，农业生态系统的碳汇明显。

2.1.2 各县市的不同农作物碳吸收总量变化 德州市2010年主要种植的农作物为小麦、玉米和棉花，由于农作物单产和种植面积不同，碳吸收总量存在一定差异（表2）。2010年德州市各县市农作物生育期总碳吸收量中，吸收总量最大的是齐河和陵县，分别是122.33万t、99.50万t，最小的是德城区为31.38万t。德州市不同农作物碳吸收量不同，其中禹城以小麦吸收为主，占禹城总碳吸收量的84.8%，夏津主要以棉花吸收为主，占夏津总碳吸收量的47.9%，其余各县市均以小麦、玉米吸收为主，占各县市小麦、玉米碳吸收总量的40%以上。这主要是由于农作物的种植结构差异造成的。

表2 2010 年德州市各县市不同农作物碳吸收量对比 （单位：万t）

2.1.3 农作物碳吸收量和单位面积碳吸收量的时间变化 通过分析德州市2001-2010年农作物生育期碳吸收量和单位面积碳吸收量，结果显示（表3）：小麦和玉米的碳吸收量明显高于其他农作物，从2001年的205.8万t、180.3万t分别增加到2010年的417.2万t、434.8万t，增幅明显；农作物碳吸收量比较大的还有棉花，由于作物近几年种植面积的减少，虽然单产有所增加，但碳吸收持平稳状态；其他几种农作物碳吸收量比较低，总的吸收量仅占全部吸收量的0.2%。这主要是德州市主要的粮食作物是小麦、玉米，且种植面积逐年增加，棉花虽然是经济作物，但农民种植的积极性不高。单位播种面积碳吸收量一直处于波动式增加状态，从2001年的6.4 t/hm2波动上升到2003年的7.3 t/hm2，2004年以后波动上升到2007年的7.9 t/hm2，而后又波动上升到2010年的8.9 t/hm2，表明德州市农作物单位面积产量处于增加趋势。

表3 2001-2010年德州市主要农作物生育期碳吸收量变化

2.2 德州市农田生态系统碳排放量的变化

2.2.1 碳排放总量时间变化 2001-2010年德州市农田生态系统碳排放呈先增后减的变化（图2）。碳排放量自2001年55.66万t增加到2003年68.02万t；2004年农田生态系统的碳排放为56.41万t，主要是由于德州市遭受自然灾害的影响，农作物的单产减少造成的；从2004-2008年，由于农业投入的增加及农业机械化水平的提高，碳排放量呈现增加的趋势（2008年68.32万t）；2008-2010年，德州市农田生态系统碳排放量呈减少的趋势，2010年仅68.80万t；从年均碳排放增速情况来看，2001-2002年年均增速为2.92%，2006-2007年年均增速为9.67%，2009-2010年年均增速为-12.25%。以上表明德州市调整农业结构，碳排放总量有一定程度降低。

图2 德州市农田生态系统碳排放量及年均增速变化（2001-2010年）

2.2.2 各县市的碳排放区域差异 根据德州市2010年各县市农药、农膜、灌溉面积、肥料生产、农业机械化等计算各县市碳排放量和排放强度（图3）。从图3中看出德州市各县市农田生态系统碳排放总量的区域差异明显，排放量最大的是齐河（9.12万t），其次为乐陵（7.66万 t），碳排放最小的是德城区（2.42万t），这主要是农作物的种植面积和产量的差异造成的。碳的排放强度最大的是庆云（1.46 t/hm2），其次平原碳排放强度为1.30t/hm2，排放强度最小的是宁津（0.87 t/hm2）。这表明德州市不同县市在农业发展方向和发展特色上的差异。

图3 2010年德州各县市碳排放量和排放强度对比

2.2.3 农田生态系统主要碳排放途径的比较 通过分析德州市各年份农田生态系统主要碳排放途径（表4），结果显示，五种途径碳排放中，化肥施用碳排放所占比例较大，占整个过程的50.1%；其次是灌溉，农膜的碳排放也占有一定的比例，农业机械生产的碳排放所占比例最小，占2.9%。化肥、农膜、农药三种途径产生的碳排放量呈先增后减趋势，表明为提高单位面积产量，农民加大对化肥农药的使用；另一方面德州市发展有机农业、绿色食品、无公害食品，种植面积增加而农药化肥施用逐渐减少。农用机械过程碳排放量由2001年的1.73万t增加到2010年的2.12万t，增幅为22.9%；灌溉过程碳排放量由2001年的11.87万t增加到2010年的13.48万t，增幅为13.5%。表明近年来德州市大力发展农业生产，农业基础设施建设和农业机械化水平提高的同时，碳排放量也在增加。

表4 德州市主要碳排放途径比较 （单位：万t）

3.3 德州市碳源/碳汇影响因素分析

3.3.1 德州市碳吸收量影响因素分析 德州农田生态系统碳吸收量主要与小麦、玉米和棉花的产量有显著的正相关，其中与小麦、玉米的相关系数大于0.9，棉花的相关系数为0.2795（表5），从固碳的角度应增大棉花种植面积；农田生态系统碳吸收与水稻、高粱、谷子等农作物有显著的负相关，主要是由于德州市这些农作物的种植面积少、产量低导致碳吸收能力相对较差。因此，应一方面增加复种，提高单产，提高农作物产量；另一方面，增强作物生产力和优化种植结构，提升肥料利用率以提高作物单位面积产量，以保持或提高农田生态系统碳吸收能力[11]。

表5 农田生态系统碳吸收量与主要农作物产量的相关性分析

3.3.2 德州市碳排放量影响因素分析 德州市的碳排放量与农用化学品投入和燃料动力使用及耕作灌溉管理均显著正相关，与农药使用量的相关系数最大，为0.8647，其次是化肥的使用量，为0.7780（表6），说明农药和化肥的使用量是影响农田生态系统碳排放量的主要因素；同时农业机械动力、灌溉面积、种植面积等的相关性相对较小，在0.45-0.55之间。因此，在农业投入持续增加和机械化程度不断提高的大背景下，需要从改变肥料施用方式、优化能源利用结构以及调整耕作和灌溉制度等方面入手，通过科学施肥，减少化肥的使用量、采用免耕或少耕技术、应用精确滴灌技术、发展生物质能等措施，发展品质农业，强化农产品的质量，从而达到有效降低农田生态系统碳排放量的目标[12]。

表6 农田生态系统碳排放量与主要碳排放途径的相关性分析

3 讨论

农田生态系统碳汇除与农作物的种植面积有关外，与农作物的单位面积产量和农业投入有关，农业投入的增加会相应的提高农作物的产量，从而使农作物碳吸收量得到增加。德州市2001-2010年十年碳吸收总量为6347.4万t，碳排放总量为647.3万t，碳吸收量与碳排放量的比是10∶1，这说明德州市农作物单位面积产量不断增加，农田生态系统碳吸收量多而碳排放量少。因此，对于一个地区来说，要减小其碳吸收量，首先需要保护生态环境，构建良好的农田生态系统，使农作物产量品质提高，增强碳吸收能力；其次需要积极推行生态农业建设，形成农田生态系统良性物质循环，合理使用化肥、农药等农用化学品，增施有机肥，减少化石能源的消耗，减少碳排放。

本研究仅是对德州市农田生态系统碳源/汇的估算，是以统计资料为主，没有将涉及碳排放的所有农业生产活动计算在内，只计算主要农作物类型的碳吸收和主要农业生产活动的碳排放，从总体上来说，本研究基本反映了德州市农田生态系统碳源汇时空变化格局。此外，本研究碳吸收量的计算公式中农作物生物产量是由经济产量推算而来，不可避免会产生一些误差，而碳排放量的计算尚未将作物和土壤呼吸排放量纳入计算范围，从而影响了本研究的估算精度，需在今后的工作中进一步补充完善本研究成果。

4 结论

通过德州市2001-2010年农田生态系统碳源/碳汇及影响因素分析，得出以下结论：

（1）德州市2001-2010年农田生态系统的碳吸收总量呈增加的趋势；小麦、玉米作为主要的粮食作物，吸收量明显高于其他农作物，棉花作为主要经济作物，由于种植面积及单产的限制，吸收量不高。

（2）2001-2010年德州市农田生态系统碳排放呈现先增后减的变化；几种途径碳排放过程中，化肥施用过程中碳排放所占的比例较大且呈减少的趋势。

（3）碳源汇影响因素分析表明：德州市农田生态系统碳吸收量与小麦、玉米、棉花的产量有正相关；德州市的碳排放量与农用化学品投入和燃料动力使用以及耕作灌溉管理均显著正相关。

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