黑龙江省农田生态系统碳源/汇变化特征及影响因素分析*

茹 艺

(1．哈尔滨师范大学;2．哈尔滨市道外区疾病预防控制中心)

0 引言

全球温室效应逐年加剧，从而引起的气候变化剧烈等环境生态问题已成为全球各环境保护组织和各国政府关注的焦点．控制CO2等温室气体排放是抑制温室效应的关键环节．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［1］．全球耕地面积占陆地面积的38．5%，大气中20%的CO2来源于农业活动及其相关过程［2］;同时全球农田也是巨大的碳库，其碳储量大170Pg，占全球陆地碳储量的 10% 以上［3］．LAL等指出全球耕地总固碳潜力为 0．75～1．0 Pg/a［4］．农田生态系统是陆地生态系统中最活跃的碳库，可以在短时间内通过人为活动加以调节达到增汇减排的效果，因此，开展农田生态系统碳循环研究，促进农田生态系统固碳减排，对于粮食安全与气候恶劣变化减缓和适应都具有积极意义．为此，国内外学者展开了大量研究［5-8］．

黑龙江省作为农业大省，走低碳农业、绿色农业将成为今后的必然选择，所以农田生态系统的减源增汇将成为黑龙江低碳建设的重要途径．鉴于此该研究对2004～2013年黑龙江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进行了估算，分析了黑龙江农田生态系统碳源碳汇的变化趋势及其影响因素．该研究结论对于发展黑龙江省低碳农业、生态农业，促进农业可持续发展具有重要的理论和实践意义．

1 材料与方法

1．1 研究区域

黑龙江省地处中国东北部，介于北纬43°26'～53°33'，东经 121°11'～135°05'之间，是中国位置最北、纬度最高的省份，北部和东部与俄罗斯相邻，是中国沿边开放的重要窗口．黑龙江属寒温带大陆性季风气候，四季分明，夏季雨热同季，冬季漫长．全省年平均气温在-4～5℃之间，年平均降水量多介于400～650 mm．黑龙江省土地总面积47．3万 km2，占全国土地总面积的4．9%．黑龙江省耕地总量2．39亿亩，居全国第一位，人均耕地面积0．31 hcm2，为全国人均耕地面积的 3．1倍［9］．

1．2 数据来源

2004～2013年黑龙江省主要农作物产量、化肥施用量、农机总动力、有效灌溉面积等农业统计数据均分别来自各年份《黑龙江统计年鉴》．

1．3 研究方法

1．3．1 碳吸收

农业生态系统碳吸收主要为作物生育期的碳吸收，估算方法如公式(1)所示

公式(1)中，i为农作物的种类;Ct为农田生态系统所有农作物全生育期碳吸收量;Cd为i类农作物全生育期对碳的吸收量;Cf为第i类农作物光合作用合成单位质量干物质所要吸收的碳;Dw为生物产量;Yw为第i类农作物的经济产量;Hi为i类农作物的经济系数．中国主要的农作物经济系数Hi和碳吸收率Cf经验数据见表1［10］．

表1 主要农作物经济系数和碳吸收率

1．3．2 碳排放

农田生态系统碳排放考虑化肥施用量、农业机械总动力和农田耕作灌溉等3大类主要的间接碳排放途径，估算方法见公式(2)～(5):

其中Ef、Em和Ei分别是农田化肥使用、农用机械生产使用和灌溉过程带来的碳排放．各种碳排放计算公式见公式(3)，其中 ABCD为转换系数［11］．

Gf为化肥施用量，A=857．54 kg·Mg-1．

Am为农作物种植面积，Wm为农业机械总动力，B=16．47 kg·hm-2，C=0．18 kg·kW-1．

Ai为灌溉面积，D=266．48 kg·hm-2．1．3．3 净碳汇

农作物生育期的碳吸收减去农业投入产生的碳排放，即农田生态系统的净碳吸收．

2 结果与分析

2．1 碳吸收分析

2．1．1 农田生态系统碳吸收量变化

2004～2013年黑龙江省农田生态系统碳吸收情况如图1所示．十年来黑龙江省农田生态系统碳吸收总量总体呈上升趋势，从2004年的7223．01 万t增加到2013 年的 13971．66 万 t，增幅93．43%，年均增加7．61%．单位播种面积碳吸收量呈现平稳上升的趋势，由2004年的6．45 t/hm2，升至 2013 年的 9．50 t/hm2，年平均增长率为4．39%，这是因为黑龙江省农作物播种面积在持续增加和农作物产量的不断提高所致．其中，粮食作物碳吸收量从5734．12万t增加到12731．67万 t，增幅为 122．03%，年均增加9．27%;经济作物碳吸收量从332．04万t减少到182．27 万 t，减幅为 45．10%，年均减少 6．45%;果蔬作物碳吸收量则从1156．85万 t减少到1057．71 万 t，减幅为8．56%，年均递减 0．9%．由图2可知，黑龙江省农田生态系统碳吸收比例也发生了一定的变化，粮食作物碳吸收比例基本保持在79% ～91%之间．经济作物碳吸收比例则从4．5%下降到1．3%左右，果蔬作物碳吸收比例由16%下降到7．57%左右．这说明黑龙江省近十年来依然以主要粮食作物作为农作物生产的主导，这是因为黑龙江省土壤质量高更适宜种植粮食作物，对经济作物和蔬菜、瓜果等都可引进来自优良产地的产品以满足人们的需求．

图1 2004～2013年黑龙江省农作物碳吸收量及其单位播种面积碳吸收量变化趋势

图2 2004～2013年黑龙江省不同类型农作物碳吸收比例变化

2．1．2 不同农作物碳吸收量变化

通过分析2004～2013年黑龙江省主要农作物全生育期碳吸收量的变化(见表2)，碳吸收量最大的农作物是玉米，从2004年的1937．21万t增加到2013年的7511．28万t，占碳吸收总量的38．92%．其次是水稻，从2004年的1116．45万 t增加到2013年的3187．82万t，占碳吸收总量的19．03%．碳吸收量较多的还有蔬菜和豆类，但十年来碳吸收量在逐渐减少，分别从2004年的1555．67 万 t和 1160．15 万 t减少到1455．97万 t和806．65万t．粮食作物中谷子、高粱以及经济作物中的油菜籽、葵花籽、白瓜籽、麻类和烟叶的碳吸收量较少，总的碳吸收量仅占农作物碳吸收总量的1．46%．

2．2 碳排放分析

黑龙江省农田生态系统碳排放呈逐渐增加的趋势(如图3所示)，碳排放总量从2004年的202．49 万 t增长到 2013 年的 377．50 万 t，增幅86．43%．

表2 2004～2013年黑龙江省农田生态系统不同农作物的碳吸收总量

单位播种面积碳排放量从2004年的0．18t/hm2，上升到2013年的0．26 t/hm2，年平均增长率为3．97%．这主要与化肥等农业生产资料投入的增加以及农业机械水平的提高有关．其中，化肥施用所带来的碳排放量从123．33万 t增加到210．06万 t，增幅为 70．33%，年均递增 6．10%;农用机械投入所带来的碳排放量从18．79万t增加到 25．09万 t，增幅为 33．55%，年均递增3．27%;耕作灌溉过程带来的碳排放从60．38 万 t增加到142．36 万 t，增幅为 135．77%，年均递增10%，这说明先进的灌溉方式的推广效果不佳．由图4可知，黑龙江省农田生态系统中3种途径的碳排放的比例变化较小，化肥施用、农机动力和耕作灌溉的比例分别维持在60%、10%和30%左右．这从一定程度上反映了近十年来黑龙江省依然保持着靠农业化学品投入为主，传统灌溉为辅的农业生产方式，农业生产结构没有得到改进．

图3 2004～2013年黑龙江省农田系统碳排放量及其单位播种面积碳排放量变化趋势

图4 2004～2013年黑龙江省不同途径碳吸收变化

2．3 净碳汇量分析

农田生态系统净碳汇量反映的是除去碳源后的碳固定情况．十年间黑龙江省碳吸收总量和碳排放总量分别达 102059．07万 t和2829．32万t，碳吸收总量与碳排放总量的比为36．1∶1，碳吸收量远远大于碳排放量，净碳汇量逐年呈上升趋势，说明黑龙江省农田生态系统具有较强的碳汇能力．

2．4 农田生态系统碳源汇影响因素分析

对农田生态系统碳吸收量与主要农作物产量的相关性分析表明(见表3)，碳吸收与水稻、小麦、玉米等粮食作物的产量有显著的正相关性(p＜0．01)，而与葵花籽、麻类等经济作物以及瓜果类的产量有显著的负相关性(p＜0．01)．这主要是因为玉米等粮食作物是黑龙江省的主要农作物，更适宜黑龙江省的黑土土壤类型生长，所以产量与碳吸收量会明显高于经济作物和果蔬作物，而经济作物种植面积较少，果蔬作物水分含量高、干物质含量低，所以碳吸收量要少于粮食作物，需要通过调整农田种植结构以提高农作物固碳能力，进而达到提高农田生态系统碳吸收能力的目的．

对农田生态系统碳排放量与主要碳排放途径的相关性分析表明(见表4)，碳排放与化肥施用量、农村用电量、农用柴油施用量、喷滴灌溉面积和渠道防渗灌溉面积之间有显著的正相关性(p＜0．01)，与低压管灌溉面积呈显著的负相关(p＜0．01)．这说明农用化学品投入、能源消耗和灌溉方式是影响农田生态系统碳排放量的主要原因．因此，随着农业投入持续增加和机械化程度不断提高，需要从改变肥料施用方式、优化农用能源利用结构以及推广先进灌溉方式等方面入手，促进农田生态系统生产过程中减排的目标．

表3 农田生态系统碳吸收与主要农作物产量的相关性分析

表4 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 结论与讨论

通过对黑龙江省农田生态系统碳吸收、碳排放和净碳汇量的计算与分析，得到了如下结论:

(1)黑龙江省农田生态系统的碳吸收量呈上升趋势，碳吸收总量从2004年的7223．01万t上升至2013年的13510．27万 t，上升93．43%．随着农作物产量的提高，碳吸收量也明显增加，增长幅度最大的是玉米(287．74%)，增幅较多的还有水稻和小麦，高粱、薯类、甜菜和烟叶都有少量增幅，谷子、豆类、油菜籽、葵花籽、白瓜籽、麻类和果蔬作物的碳吸收量有少量减幅．这表明农作物产量的提高有利于碳固存．

(2)农田生态系统主要粮食作物碳吸收占全省比例有所提高，由2004年的79．39%增加到2013年的91．12%，经济作物和果蔬作物碳吸收由2004年的20．61%降至8．88%．这说明随着黑龙江的经济发展，选择粮食作物作为主生产作物是更适宜黑龙江的低碳农业发展．

(3)黑龙江省碳排放呈平稳增长趋势，碳排放总量从2004年的202．49万t上升到2013年的377．50万t，增长86．43%，单位面积碳排放量在0．06 ～0．44 t/hm2之间．相比于南方地区，黑龙江冬季漫长，大部分农田属于停耕状态，所以碳排放量会少于南方地区．3种主要碳排放途径中，化肥施用所导致的间接碳排放所占比例较大，农机动力和耕作灌溉所导致的碳排放较少，但耕作灌溉导致的碳排放量有增加趋势．

(4)通过对比黑龙江省农田碳吸收量和碳排放量可以看出，碳吸收量明显大于碳排放量，碳吸收的增速也明显超过碳排放，说明黑龙江农田作物具有较大的净碳汇功能．

(5)对黑龙江省农田生态系统碳源碳汇影响因素分析表明，碳吸收与玉米、水稻、小麦等粮食作物的产量成正相关性，而与葵花籽、麻类等经济作物和瓜果类的产量有显著的负相关性;碳排放量与化肥施用、农用能源消耗、微灌灌溉面积和渠道防渗灌溉面积存在显著的正相关性，与低压管灌灌溉面积呈显著的负相关性．

因此，在黑龙江省促进农业产业结构调整的过程中，不但要追求高农业产值，也要注重农业的温室气体的减源增汇，在保证农作物产量的基础上，优化农作物种植结构和能源资源利用结构，合理配置施肥种类，提高农用化学品的利用率，合理调整耕作模式，大力推广节水灌溉农业等环境友好型农业生产技术，提升黑龙江省农田生态系统的固碳减排的能力．

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