基于低碳经济的山东省德州市农田生态系统碳汇估算

祁兴芬

（德州学院 地理系，山东 德州253023）

进入21世纪，全球气候变化问题成为世界各国共同关注的焦点，节能减排已逐步引起全球的重视，“低碳经济”应时而生，并随之出现了低碳社会、低碳城市、低碳农村和低碳农业等理念［1－5］。农业既是全球重要的温室气体排放源，同时又是一个巨大的碳汇，农田生态系统中的碳库是全球碳库中最活跃的部分［6－8］，IPCC第二次评估报告中估计，在未来的50～100a中农田土壤可以固定40～80PgC［9－10］。近年来许多学者针对农田生态系统的碳循环及碳汇问题做了大量研究，Lal［11］从全球尺度上研究认为全球耕地总的固碳潜力为0．75～1．0Pg／a，未来50～100a农田土壤可固碳40～80Pg；刘允芬［12－13］，鲁春霞等［14］从国家尺度上对全国农田生态系统的碳循环过程和碳汇功能进行了研究，认为农业系统具有强大的碳汇功能，整个农用地生态系统是一个巨大的碳库，温室气体的减排潜力巨大；赵荣钦等［15］从流域尺度研究发现中国沿海地区农田生态系统碳吸收总量为2．25×108t，碳吸收大于碳排放；王静等［16］从省级尺度上研究认为山西省农田生态系统的碳吸收2000年以来呈波动式增加，碳排放呈现逐渐增加的趋势。

但相关研究工作主要侧重于全球、全国以及省一级的大区域碳蓄积和碳储量研究方面，具体到较小的地级市甚至县域农田生态系统碳状况研究相对较少，尚不能全面了解农田态系统的碳源／汇状况。为此，以农业发展历史悠久的德州市为例，在借鉴众多学者对农田生态系统碳源／碳汇研究的基础上，从对农作物碳吸收和生产过程中碳排放两个方面着手测算，分析农田生态系统的碳汇功能和强度的时空分布，以在小区域尺度上了解农田碳汇的分布情况，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。

1 研究区域概况

德州市位于北纬36°24′—38°00′，东经115°45′—117°24′，地处山东省西北部，黄河下游北岸，具显著的大陆季风性气候，四季分明、干湿季明显，光照资源丰富，适宜多种生物生长，物产资源十分丰富。德州市辖1区，2市，8县，土地总面积1．04×106hm2，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。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。耕地占德州市总面积的52%，农村人口占总人口的80%，是典型的农业大市。全市主要种植小麦、玉米、棉花等，是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。

2 数据来源与研究方法

以2002—2011年德州市农作物产量、种植面积、耕地面积及各地市历年化肥施用量、灌溉面积和农业机械总动力等数据为基础，所有数据主要来源于2001—2010年德州市统计年鉴统计资料，部分数据来源于德州市农业、国土资源等部门的资料。

农田生态系统是一个复杂系统，碳循环过程较为复杂，涉及到其子系统之间各种形式的物质循环和迁移［17］。本研究对碳吸收和碳排放采用分别估算的方法，建立了农田生态系统碳汇的估算模型，参考赵荣钦等［7］的估算方法仅对部分碳源／汇进行了估算，具体方法如下。

（1）作物生育期碳吸收公式：

式中：i——第i种农作物的种类；Cd——某种作物全生育期对碳的吸收量；Cf——作物合成单位有机质干质量所吸收的碳；Dw——生物产量；Yw——经济产量；Hi——经济系数。我国主要农作物的经济系数和碳吸收率如表1所示。

表1 我国主要农作物经济系数与碳吸收率［18］

（2）碳排放公式：

式中：Ef，Em和Ei——肥料生产、农业机械生产和灌溉过程中产生的碳排放 （t）；Gf——化肥使用量（kg）；Am——农作物种植面积（hm2）；Wm——农业机械总动力（kW）；Ai——灌溉面积（hm2）；A，B，C，D——转换系数，分别为0．858kg／kg，16．47kg／hm2，0．18kg／kW 和266．48kg／hm2［19］。

3 结果与分析

德州市作为全省的农业大市，主要种植的农作物有小麦、玉米、棉花、花生、大豆和薯类等（表2）。从表2看出，随着经济的发展和德州市自然条件的影响，2001—2010年小麦、玉米的种植面积逐年增加的趋势明显，10a间小麦、玉米面积的增加量分别是94．28%和98．01%；棉花作为主要的经济作物，种植面积除2002，2003年较少外，其他年份变化不大；花生、大豆等几种作物除薯类外，种植面积都是逐渐减少的。

3．1 德州市农田生态系统碳吸收量的变化

3．1．1 碳吸收总量及强度的时间变化 从图1看出，碳吸收总量由2001年4．85×106t增加到2003年的5．16×106t，特别是2004年以来碳吸收总量呈明显增加趋势，由2009年7．55×106t增加到2010年的8．98×106t，增幅达18．9%。相应地碳吸收强度也呈急剧增加的趋势，从2001年8．64t／hm2增加到2010年17．71t／hm2，增幅为105%；表明推行合村并居工程使得农作物种植面积有所增加的同时德州市农村机械化水平不断提高，农作物生育期碳吸收水平不断提升，农业生态系统的碳汇明显。

表2 德州市2001－2010年农作物的种植面积及变化 hm2

图1 德州市2001－2010年碳吸收总量及吸收强度的变化

3．1．2 各县市的碳吸收区域差异明显 德州市2010年不同县市农作物生长发育期碳吸收量和碳吸收强度不同（图2），吸收总量最大的是齐河和陵县，分别是1．22×106t，9．95×105t，最小的是德城区为3．10×105t。碳吸收强度较大的是陵县、庆云、齐河等几个县市，其中齐河的碳吸收强度最大，为1．72t／hm2；碳吸收强度较小的有武城、夏津、禹城几个县市，其中武城最小，仅为9．45t／hm2，这说明不同县市作物的种植面积及农业投入的差异，农作物产量高的县市一般来说碳的吸收强度较大。

图2 2010年德州市各县市碳吸收总量和吸收强度对比

3．1．3 不同农作物碳吸收量的差异 根据作物生育期碳吸收公式计算得出德州市2001—2010年主要农作物生育期碳吸收量变化（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2．06×106，1．80×106t分 别 增 加 到 2010 年 4．17×106，4．35×106t，增幅明显；农作物碳吸收量比较大的还有棉花，总吸收量为9．68×106t；相对小麦、玉米、棉花，其他的几种农作物的碳吸收量比较低，总的吸收量仅占全部农作物吸收量的2．98%。

3．2 德州市农田生态系统碳排放量的变化

3．2．1 碳排放总量及强度的时间变化 2001—2010年德州市农田生态系统碳排放呈先增后减的变化（图3）。碳排放量自2001年4．39×105t增加到2003年的4．54×105t；2004年农田生态系统的碳排放为4．09×105t，这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由于农业投入的增加及农业机械化水平和服务能力的提高，德州市农业产量稳步增长，碳排放量呈现增加的趋势（2008年5．04×105t）；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4．32×105t，这主要是德州市大力调整农业内部种植结构，发展优质高效农作物的结果。

相对应于碳排放量，德州市农田生态系的碳排放强度呈现相应的变化，自2001年的0．78t／hm2增加到增加到2008年0．94t／hm2，而后呈现减少的趋势，2010仅为0．73t／hm2，这说明德州市调整农业结构，发展生态农业，碳排放强度有一定程度降低，促进了农业生产健康发展。

表3 2001－2010年德州市主要农作物生育期碳吸收量变化106 t

图3 德州市2001－2010年碳排放总量及排放强度的变化

3．2．2 各县市的碳排放区域差异 图4为德州市2010年各县市碳排放量和排放强度变化，由图4可以看出，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，为6．24×104t，其次为禹城，为5．06×104t，碳排放最小的是德城区，仅为1．11×104t，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禹城，为0．99t／hm2，其次齐河碳排放强度为0．87t／hm2，排放强度最小的是德城区，仅为0．51t／hm2，其次为乐陵，为0．61t／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4 2010年德州市各县市碳排放量和排放强度对比

3．2．3 农田生态系统碳排放途径的变化 德州市各年份农田生态系统主要途径碳排放的比较如表4所示。从表4可以看出，3种途径碳排放过程中，化肥施用过程中碳排放所占比例较大，为68．4%；其次是灌溉过程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，为3．70%。灌溉过程碳排放量2001年为1．19×105t，2010年为1．35×105t，增幅为13．5%；农用机械过程碳排放量2001—2010年增幅为21．7%，这表明德州市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。化肥施用过程的碳排放量呈现出波动式的变化，由2001年3．03×105t增加到2003年3．15×105t；而后几年德州市农业投入逐步增加，2008年碳排放量为3．54×105t，从2009年到2010年呈现下降趋势，2010年为2．76×105t，这主要是德州市发展有机农业、绿色食品、无公害食品的结果。

表4 德州市各年份主要途径碳排放量的变化 104 t

3．3 德州市碳汇（碳吸收与碳排放量差值）分析

3．3．1 德州市碳汇总量分析 从总量上看，德州市碳汇2001—2010年呈增加趋势。德州市2001—2010年10a碳吸收总量为6．35×107t，碳排放总量为4．52×106t，碳吸收总量是碳排放总量的14倍，碳吸收量远远大于碳排放量。说明德州市农田生态系统具有较强的碳汇功能。从时间上看，由于农作物种植面积及自然灾害的影响，德州市2001—2010年农田生态系统碳吸收总量的低值在2004年（为4．65×106t），这与碳排放总量的低值刚好一致（2004年碳排放量为4．08×105t）。

3．3．2 德州市碳汇的区域差异分析 根据图2，图4分析，德州市不同县市2010年农田生态系统碳吸收和碳排放量呈现大致相同的波动趋势。齐河的碳排放量最大，同时齐河的碳吸收量也最大，德城区和庆云的碳排放小，碳吸收也少。这表明农田生态吸收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地提高农作物的产量，从而使农作物碳吸收量得到增加。2010年德州市农田生态系统碳汇强度最大的是齐河，最小的是武城和禹城，说明德州市农业经济区域发展的有一定差异。

3．3．3 德州市碳汇能力及碳排放途径差异分析 2001—2010年德州市农田生态系统各种农作物生育期的碳吸收量不同。总的碳吸收量最大的是小麦，2001—2010年小麦的碳吸收总量为2．64×107t，其次是玉米，为2．55×107t，棉花的碳吸收总量为9．68×106t，大豆、谷子、薯类、花生的碳吸收总量比较小，依次为4．00×105，4．70×105，3．00×105，4．30×105t，水稻、高粱、油菜等合计仅为2．70×105t。德州市是全国重要的产棉区之一，由于棉花的种植面积比较小，因此棉花的碳吸收量比较小，从固碳角度，应该加大棉花的种植力度。

由表4可以看出，2001—2010年德州市碳排放呈现波动式变化，农田水利和农业基础设施的建设，增加了碳排放，但近几年德州市大力发展品质农业，强化农产品的质量，减少化肥的使用量，对减少农田生态系统的碳排放增加碳汇起了一定的积极作用。

4 结 论

德州市2001—2010年农田生态系统的碳吸收总量和吸收强度呈增加的趋势；小麦、玉米碳吸收量高于其他农作物，棉花吸收量不高。碳排放呈现先增后减的变化，不同县市具有不同的碳排放；3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。碳吸收量远远大于碳排放量，德州市农田生态系统具有较强的碳汇功能。

德州市为增加农田生态系统的碳汇功能采取的措施：选育推广优良作物品种，减少农药、化肥的使用量，突出重点区域，发展精品农业，提升农业整体素质和综合生产能力，更多地注重基于低碳和生态的环境友好型农业生产技术和推广应用，这些对促进温室气体减排具有的重要意义。

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