我国农作物碳汇的阶段特征与空间差异研究

李波，张俊飚

摘要：农作物碳汇对陆地生态系统碳循环以及全球气候变化有着不容忽视的影响。测算并分析了中国主要农作物碳汇的历史阶段特征和空间差异，结果表明，1991～2008年中国农作物碳汇量呈现“蝙蝠型”波动上升趋势，由1991年的55 345.2万t增加至2008年的74 386.8万t，增长了34.41%。2008年农作物碳汇的空间差异特征明显：第Ⅰ类主要为农业大省或者是糖类作物大省，主要分布于东北、华东、华中及西南地区，碳汇量在3 000万t以上；第Ⅱ类主要为农业次发达区域，主要分布于华中、西北及西南地区，碳汇量在1 000万～3 000万t；第Ⅲ类主要为直辖市、农业欠发达地区或耕地紧缺地区，主要分布于东南沿海、西南及西北地区，碳汇量在1 000万t以下。

关键词：农作物碳汇；阶段特征；空间差异

中图分类号：S181；S314 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）05-1229-04

Study on Phase Characteristics and Spatial Differences of Chinese Agricultural

Carbon Sinks

LI Bo1，ZHANG Jun-biao2

（1. College of Economics， South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China；

2. College of Economics & Management，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract： Crop carbon cycle for terrestrial ecosystem carbon cycle and global climate change impact can not be ignored. The paper estimates and analyzes the history of the main crops carbon sinks stage characteristics and spatial differences. It was found that from 1991 to 2008， Chinese crop of carbon sinks present ‘bat-type wave upward trend in 1991 increased to 553.452 million tons to 743.868 million tons in 2008， that an increase of 34.41%. In 2008 Chinese agricultural carbon sinks with distinctive characteristics of spatial differences： the firstly class Ⅰ is mainly agricultural province or sugar crop province， which concentrated in the northeast， east， central and southwest regions， and the amount of carbon above 3 000 million tons； secondly class Ⅱ is agricultural underdeveloped area， which mainly distributed in central， northwest and southwest regions， and the amount of carbon between 10～30 million tons； thirdly class Ⅲ is mainly for municipalities， agricultural less developed area， shortage of arable land region， which concentrated on the southeast coast， southwest and northwest regions， and the amount of carbon under 10 million tons.

Key words： crop carbon sinks； phase characteristics； spatial differences

农作物是农田生态系统中的重要植被，通过光合作用吸收大量的CO2。大气中20%的CO2、70%的CH4来源于农业活动及其相关过程。农作物种植是农业土地利用的主要方式之一，在世界农业生产中起着举足轻重的作用，农作物生态系统中CO2收支对陆地生态系统碳循环大气温室气体的吸收、排放以及全球气候变化起着不容忽视的作用。近年来，国内外逐渐开展了农作物生态系统和农田碳源/汇问题的研究，一些研究结果认为农业系统是大气CO2的一个源[1]；也有研究表明，在不同气候条件和作物的不同生长阶段分别具有碳汇和碳源的功能[2]。国内对于农作物生态系统的CO2源/汇研究主要集中在CO2排放速率、排放特征、排放日变化和季节变化规律等方面[3]，对于区域农作物生态系统的CO2收支研究很少。本研究从时序和空间两个维度测算并分析我国主要11类农作物生产中碳吸收量的波动规律和特征，以准确把握我国农作物碳吸收的数量特征及规律，进而为加强农田生态系统管理和农作物生产决策提供理论依据。

1 农作物碳汇测算方法与数据来源

1.1 农作物碳汇的估算方法

本研究参照李克让[4]的估算方法，采用不同种类作物经济系数和碳吸收率来估算作物生长期内对碳的吸收量。农作物从大气中吸收CO2量的具体估算步骤如下：

已知作物经济产量Yw，生物产量（总干物质）Dw和经济系数Hi，其关系如式（1）所示，

Dw=Yw/Hi （1）

则作物全生长期对碳的吸收量Cd为：

Cd=CfDw=CfYw/Hi （2）

式（2）中，Cf为作物合成1 g有机质所需要吸收的碳，我国主要农作物经济系数Hi和碳吸收率Cf如表1所示。

1.2 数据来源

我国主要农作物历年产量数据以及各省（市、自治区）主要农作物2008年的产量数据来自《中国统计年鉴2009》。

2 我国农作物碳汇的历史阶段特征分析

根据已知的主要农作物的碳吸收率及其经济系数，将1991～2008年的农作物产量代入式（1），即可得出该作物的碳吸收量（表2）。然后汇总数据，可知1991年我国农田生态系统碳吸收量为55 345.2万t，2008年则为74 386.8万t。

从我国农作物碳吸收量变化趋势（图1）可以看出，1991～2008年，我国农作物生态系统的碳吸收量呈现“蝙蝠型”波动变化的特点，总体上可以分为三个阶段：

第一阶段为1991～1998年，我国农作物碳汇量虽有起伏，但总体上呈上升趋势。由于受水稻、小麦、玉米、甘蔗四大主要碳吸收作物减产的影响，1994年我国农作物生态系统的碳汇量出现了回落，但其他年份都有不同程度的增长，农作物碳吸收量也由1991年的55 345.2万t上升至1998年的65 395.5万t，增长了18.16%。

第二阶段为1998～2003年，我国农作物碳汇量波动性强，但下降趋势明显。这期间，我国“三农”问题进一步凸显，农民负担不断加大，农产品价格相对较低，广大农民种田积极性受到较大冲击，越来越多的农民放弃务农，转向务工。受此影响，我国粮食产量连续5年出现减产，由表2可知，粮食作物是农作物的主要碳汇来源，粮食的大幅减产也就导致了农作物碳吸收水平的下降。而2001和2002年碳吸收量出现回升则得益于这两年我国甘蔗产业发展迅速，甘蔗对碳的吸收量由2001年的6 809.6万t上升到2002年的8 109.6万t。总体上看第二阶段我国农作物的碳汇量是下降的，由1998年的65 395.5万t降低至2003年的58 173.0万t，减少了11.04%。

第三个阶段为2003～2008年，我国农作物碳汇量反弹回升，逐年递增。2004年中央“一号文件”又一次将重心放在了农业上，“两减免、三补贴”的政策增强了农民种田积极性，农业生产尤其是粮食生产迅速得到恢复。接下来几年惠农政策相继推出，我国粮食产量连续增长，到2008年达到52 870.5万t，在1998年（历史上粮食产量最高年份）51 229.5万t的基础上增产了3.20%，而相比2003年，更是增产了22.76%。与此同时，另一重要碳汇作物甘蔗的产量也上升较为明显，进一步推动这段时期农作物碳吸收量的增加，其由2003年的58 173.0万t上升至2008年的74 386.8万t，增长了27.87%。

总体而言，受多数农作物尤其是粮食作物增产的影响，1991～2008年我国农作物的碳吸收量的趋势是上升的，由1991年的55 345.2万t增加至2008年的74 386.8万t，增长了34.41%。

3 我国农作物碳汇的空间差异分析

3.1 各省（市、自治区）的农作物碳汇情况

已知各种主要农作物的碳吸收率及其经济系数，将2008年我国31个省（市、自治区）的相关农作物产量代入式（1），即可得出该作物的碳吸收量。然后汇总数据，可测算出该年我国各省（市、自治区）的农作物的碳吸收量，具体情况如表3所示。

由表3和图2可以看出，2008年31个省（市、自治区）中广西以8 764.0万t的农作物碳吸收量居于第1位，究其原因，主要是广西甘蔗产量大。2008年广西甘蔗产量高达8 215.6万t，占全国甘蔗总产量的66.17%，仅甘蔗产业就实现了7 394.0万t的碳吸收量。

传统农业大省河南、山东紧随其后，分别位列第2、3位。其中河南省是我国头号产粮大省和油料大省，2008年共实现粮食总产量5 365.5万t，占全国的10.15%，油料总产量505.3万t，占全国的17.11%。而山东作为我国第二粮食、棉花及油料大省，凭借着其占全国8.06%的粮食产量、13.89%的棉花产量和11.54%的油料产量，碳吸收量达5 789.2万t。

黑龙江、河北、安徽、江苏、四川分列第4～8位，这与它们各自粮食大省的地位基本是相符的，其碳吸收量也主要得益于粮食作物生长期间因光合作用对CO2的需求。

云南以3 376.3万t的碳吸收量位列第9位，和广西相似，云南碳吸收量也主要来源于甘蔗，2008年，云南省实现甘蔗产量1 898.7万t，仅次于广西。

3.2 农作物碳汇的空间分布与特点

我国各省（市、自治区）农作物生态系统碳吸收量差异明显，具体情况如表4所示。

4 结论与讨论

1991～2008年我国农作物碳吸收量的趋势是上升的，由1991年的55 345.2万t增加至2008年的74 386.8万t，增长了34.41%。1991～2008年，我国农作物吸碳量呈现“蝙蝠型”波动变化的特点，总体上可以分为三个阶段。第一阶段为1991～1998年，虽有起伏，但总体上呈上升趋势；第二阶段为1998～2003年，波动性强，但下降趋势明显；第三个阶段为2003～2008年，反弹回升，逐年递增。

2008年我国农作物碳汇的空间差异特征明显：第Ⅰ类主要为农业大省或者是糖类作物大省，主要分布于东北、华东、华中及西南地区，碳汇量在3 000万t以上；第Ⅱ类主要为农业次发达区域，主要分布于华中、西北及西南地区，碳汇量在1 000万～3 000万t；第Ⅲ类主要为直辖市、农业欠发达地区或耕地紧缺地区，分布于东南沿海、西南及西北地区，碳汇量在1 000万t以下。

要增大农作物生态系统的碳汇功能，一方面要提高农作物的生产力和调整种植结构，增大碳的吸收量。在不增加投入的情况下，加强生产管理、加快农作物品种和技术创新，增加农作物产量。同时，在不影响粮食安全的前提下，调整优化种植业产业结构，增加碳汇系数较大的农作物种植面积比重。另一方面要降低水稻土壤碳的排放量。碳增汇与减排是一个问题的两个方面，前者是从“汇”的角度来考虑，后者是以“源”作为出发点，即所谓“减源增汇”。虽然要以大幅度提高农作物的生产力来增大碳吸收量是一个十分困难的复杂科学问题，不可能短期解决，但通过改变耕作方式、秸秆还田等管理措施和技术方法来减少农作物土壤碳排放量还是可行的[5-7]。

参考文献：

[1] PAUSTIAN K，ANDREN O，JANZEN H，et al. Agricultural soil as a C sink to offset CO2 emission[J].Soil Use and Management，1997，13（4）：230-244.

[2] LAL R，BRUCE J P. The potential of world crop land soils to sequester C and mitigate the greenhouse effect[J]. Environmental Science & Policy，1999，2（2）：177-185.

[3] 朱咏莉，吴成立，吴金水，等.亚热带稻田生态系统CO2通量的季节变化特征[J].环境科学，2007，28（2）：283-288.

[4] 李克让.土地利用变化和温室气体净排放与陆地生态系统碳循环[M].北京：气象出版社，2000.

[5] 赵荣钦，秦明周.中国沿海地区农田生态系统部分碳源/汇时空差异[J].生态与农村环境学报，2007，23（2）：1-6.

[6] 李茂柏，曹黎明，程 灿，等.水稻节水灌溉技术对甲烷排放影响的研究进展[J].作物杂志，2010（6）：98-101.

[7] 胡立峰，李洪文，高焕文.保护性耕作对温室效应的影响[J].农业工程学报，2009，25（5）：308-312.