陕西省农业投资活动碳排放时空变化与脱钩弹性

张艳芳， 林亚辉

(陕西师范大学 旅游与环境学院， 陕西 西安 710119)



陕西省农业投资活动碳排放时空变化与脱钩弹性

张艳芳*， 林亚辉

(陕西师范大学 旅游与环境学院， 陕西 西安 710119)

摘要：基于化肥、农药、农膜、翻耕、播种、农机总动力等6项主要农业投资活动碳源，测算了陕西省1990—2012年的农资碳排放量，并运用Tapio脱钩模型对陕西省农资活动碳排放与农业经济发展间的脱钩关系进行了分析。结果表明：2012年陕西省农资活动碳排放总量和碳排放强度分别为251.85万t和879.29 kg/hm2，分别比1990年年均增长9.74%和13.07%；在空间上，农资碳排放总量区域差异明显，呈现陕南>陕北>关中的特征，碳排放强度则呈现关中>陕南>陕北的特征；农资碳排放总量与农业经济发展间主要呈现扩张负脱钩关系，各区域脱钩特征为：陕北以强、弱脱钩为主，关中以负、弱脱钩为主，陕南表现弱脱钩现象，且弱锐钩趋势逐渐增强。关键词: 陕西省； 农业投资； 碳排放； 时空变化； Tapio脱钩弹性模型

随着全球气候变暖话题的日渐凸显，关于温室气体的研究也逐渐成为热点。农业是民生之本，是我国经济发展的基础产业，生态农业研究对我国农业的可持续发展至关重要。研究发现，农业碳排放量占我国温室气体排放总量的17%[1]，已成为我国低碳研究的新热点。目前,国内对该方向的研究成果主要集中在农业碳排放的测算及时空分布特征[2-3]；分析碳排放效率的变动及影响因素的研究[4]；探讨农田生态系统碳足迹、碳源/汇，并引入相关模型研究农田碳排放的发展趋势[5-11]；从土地利用方式研究其与农业碳排放的关系及对农田生态系统碳排放的影响[12-17]，并深入探讨农田土壤呼吸及种植模式对碳排放的贡献[18-19]；运用脱钩理论，从经济发展的角度讨论农业GDP与碳排放之间的脱钩状况[20]，为我国发展低碳农业提供政策建议[21]等方面。

由于我国农业现代化的不断发展、人口的逐渐增多及土地利用的有限性，我国耕地的生产压力不断增大。提高农作物的生产效率，对土地利用的科技和物质投入越显重要，对农业生产的投入，尤其对化肥、农药、农膜和农机总动力的投入比重越来越大。农业投资活动对碳排放的贡献及其与农业经济发展间的关系特征研究尚不多见。陕西省作为西部综合发展的龙头、地处中西部过渡区，其农业的发展方向对中西部其他地区农业发展道路的选择具有良好的示范效应。鉴于此，研究并测算陕西省农业投资活动的碳排放量和碳排放强度及其与经济发展之间的脱钩关系，进一步分析不同区域之间差异，理清农业经济活动与碳排放的关系，促进低碳农业发展，对实现区域减排目标具有一定的现实意义。

1研究区概况

陕西省位于东经105°29′～111°15′，北纬31°42′～39°35′，面积2.06×105km2，地势总体特点是南北高、中部低，横跨北亚热带、暖温带和中温带三个气候带，年均降水量340～1 240 mm，比较适宜农业的发展，且以种植业为主。1990—2012年，化肥投入由67.94万t增加到239.8万t,农药投入由1.062 4×107kg增加到1.756×107kg，对农膜的投入由9.319×106kg增加到3.907 7×107kg，农机总动力投入则由7.12×106kW增加到2.146 4×107kW，农业GDP由124亿元增长到1 526亿元，分别约增加3.5、1.7、4.2、3.0、12.3倍，农业经济增长规模明显快于农业投入增长速度。而同时期陕西省耕地面积则由35 330 km2减少到28 643 km2。

2研究方法与数据来源

2.1碳排放量核算方法

农业投资活动碳排放主要是指在对耕地利用期间，农业发展的主要生产投入和生产活动过程中产生的碳排放。由于在该研究地区的农业生产发展过程中，种植业占主导地位及农业投入和农事活动的复杂性，本研究主要选取种植业的主要生产投入和生产活动(化肥、农药、农膜、翻耕、播种和农业机械总动力等6项农业投资活动)进行碳排放核算。据此，构建陕西省农业碳排放测算系数模型

E=∑Ei=∑Ti×δi，

(1)

式中：E为农业生产活动碳排放总量；Ei为第i类碳排放源的碳排放量；Ti为第i类碳排放源的使用量；δi为第i类碳排放源的碳排放系数。各主要碳排放源的排放系数如表1所示。

碳排放强度是指每单位国民生产总值的增长所带来的二氧化碳排放量，可用来衡量经济与碳排放量之间的关系，但该定义限于在研究时段内耕地面积不变及货币币值稳定的条件下才能较好地反映碳排放的程度。由于耕地面积和货币币值的不断变化，本文定义碳排放强度为单位面积的碳排放量，能够较好地反映碳排放强度的变化趋势。即

Ii=Ei/Ai

(2)

式中，Ii为第i区域碳排放强度；Ei为第i区域的碳排放总量；Ai为第i区域的面积。

2.2脱钩弹性计算公式与脱钩类型

脱钩弹性是Tapio在脱钩理论的基础上发展演变而来，即经济发展变化的幅度与二氧化碳排放量改变程度的比值，反映二氧化碳排放量变化对经济发展变化的响应程度。脱钩弹性的计算公式为

(3)

其中:ΔCCO2为CO2排放的增量;CCO2为CO2排放总量;ΔGGDP为GDP的增量;GGDP为GDP的总量。

由于本文直接对碳排放量进行核算，因此对上述公式进行修改，即

(4)

其中：ΔC为碳排放增量；C为碳排放总量。

依据弹性值的不同，将脱钩关系细分为弱脱钩、强脱钩、弱负脱钩、强负脱钩、扩张负脱钩、扩张连接、衰退脱钩与衰退连接等八类，具体等级划分标准与弹性值[5]如表2所示。

2.3 数据来源

本文的研究数据均来源于陕西省近年的统计年鉴以及IPCC统计分析数据。陕西省各年种植业GDP、化肥、农药、农膜、翻耕面积、播种面积、农业机械总动力数据来自《陕西省统计年鉴》，农业投资主要是指对化肥、农药、农膜、播种和农机动力的投入。由于各市、区的相关指标在某些年份较难获取及翻耕在碳排放总量中所占比重较小，为确保测算数据的统一性，在核算各市、区农业投资活动碳排放时选取化肥、农药、农膜、播种面积和农机总动力等作为计算指标。

碳排放系数主要采用IPCC统计分析数据。由于湖北省与陕西省的农业地域同质性较大，同时在张小平、尧波、李团胜等[23-25]文章中均采用该碳排放系数。因此，在选取碳排放系数时参考田云等[5]核算湖北省农业各碳排放源的碳排放系数，如表1所示。

需要特别说明的是，本文所选农业投资活动碳排放的碳排放源均来源于种植业，与其他农业部门无关，所以文中所涉及的GDP均选取统计数据中种植业GDP数据。

3 结果与分析

3.1 陕西省农业投资活动碳排放时序变化特征

根据公式(1)，测算1990—2012年陕西省农业投资各指标碳排放量如表3。结果表明，陕西省农业投资活动碳排放总量基本呈现上升趋势(如图1)，由1990年的80.15万t增加到2012年的251.85万t，22年间增加了171.7万t,平均每年增加9.74%。在碳排放各项指标中，化肥的碳排放量比重最大，高达75%以上，且呈增加趋势，由75.92%逐年上升到85.27%。其次，占比重较大的是播种、农膜和农药的碳排放量，并且农膜碳排量不断增加，从1990年的4.83万t增加到2012年的20.14万t。占比例最少的是翻耕和农业机械总动力的碳排放量。

陕西省农业投资活动碳排放强度亦呈逐年上升趋势(如图1)，并与其碳排放总量变化趋势基本一致。由1990年的226.870 04 kg/hm2上升到2012年的879.286 31 kg/hm2，年平均增长率为13.07%，其平均增长速率要明显快于陕西省农业投资活动碳排放总量的平均增长速率。

图11990—2012年陕西省农业投资活动碳排放

总量与碳排放强度

Fig.1Amount and intensity of carbon emission

of agricultural investment activities

in Shaanxi province from 1990 to 2012

3.2 陕西省农业投资活动碳排放的空间变化特征

根据陕西省的地理特征及行政区划界限，一般将陕西省划分为陕北、关中和陕南3个区域。其中，陕北包括榆林、延安2市；陕南包括汉中、安康和商洛3市；关中包括宝鸡、咸阳、渭南、铜川、西安5市。以下对碳排放量和碳排放强度的计算均以此区划为基准。基于公式(1)、(2)分别测算陕西省陕北、关中、陕南三大区域的碳排放量和碳排放强度，核算结果及变化趋势如图2。

由图2可知，陕西省三大区域农业投资活动碳排放总量整体上呈现陕南>陕北>关中的趋势，且各大区域的碳排放总量均具有波动上升的特征。

1999—2001年三个区域的碳排放总量均存在不同幅度的减少；2001—2012年，关中地区的碳排放总量持续增加，陕南和陕北分别在2009年和2010年出现碳排放总量减少的现象，但其变化幅度不相同，陕北地区的碳排放总量变化幅度大于陕南地区。在研究期间，陕北地区碳排放总量由1.71×108kg增加到3.07×108kg，年增加速率为9.08%；关中地区由0.99×108kg增加到1.78×108kg，年增加速率为5.7%；陕南地区由2.53×108kg增加到3.3×108kg，年增加速率为2.1%，碳排放总量变化速率表现为陕北>关中>陕南的特点。同时，陕西省农业投资活动碳排放强度的空间差异呈现如下的特征：总体上关中>陕南>陕北的特点，关中地区呈持续增大趋势，陕南和陕北分别在2009年和2010年有小幅度的减小，与两地的碳排放总量变化有直接的相关性。总体上，三大区域的碳排放强度均呈增大的趋势，增长幅度分别为101.7%、53.9%和98.8%。

3.3 陕西省农业投资活动碳排放弹性特征分析

基于公式(4)测算弹性系数，分析得出陕西省、陕北、关中和陕南历年农业生产投资活动碳排放与对应时空农业经济发展之间的脱钩类型，如表4和表5。

由表4和表5可知，1995—2012年，陕西省农业投资活动碳排放量与农业经济发展间的关系以扩张负脱钩类型为主，其次为弱脱钩类型；1998年、2007年和2010年为扩张连接类型，2000年和2001年为强脱钩类型。就各个区域而言，陕北和关中两个区域的农业投资活动碳排放量与其农业经济发展之间的脱钩类型比较复杂多样，陕北地区以弱脱钩和强脱钩类型为主，关中地区以负脱钩和弱脱钩类型为主；陕南地区的弱脱钩所占比重较大，且弱脱钩趋势增强，仅在2001年、2003年表现为强脱钩和强负脱钩。

4结论与启示

4.1结论

通过以上对陕西省农业生产投资活动碳排放量及碳排放强度时空变化特征与弹性脱钩的数据统计和结果分析，可以得出以下结论：

(1) 从时序方面讲，陕西省及各区域农业投资活动碳排放量与碳排放强度均呈现增加趋势。碳排放量与碳排放强度的年平均增长率分别为9.74%、13.07%。在农业投资活动碳排放总量中，化肥碳排放量所占比重较大，年均高达75%以上，且呈现逐年增加趋势。20世纪90年代以来，随着陕西省人口的不断增加，耕地面积不断减少，对农产品的需求量急剧升高，耕地压力增大，因此对农业生产资料投资加大，化肥、农膜、农机使用量不断增加，从而导致农业投资活动碳排放量与碳排放强度呈现不断上升的趋势。

(2)从空间领域分析，陕北、关中和陕南三大地区的农业投资活动碳排放总量表现为陕南>陕北>关中，碳排放强度则表现为关中>陕南>陕北。陕南地区分布有较大的耕地面积，因此，对农业的投资总量最多，是陕南农业投资活动碳排放总量最大的主要因素。由于关中地区人口密集，经济发达，居民的消费水平高，对农产品需求量远大于陕北和陕南地区，鉴于土地面积的有限性，因此，提高单产是农业生产的主要目标，所以对农业的投资要远高于陕北和陕南地区，是造成关中地区碳排放强度较大的主要因素。三大区域碳排放强度的增长速率明显大于碳排放总量的增长速率，说明农业增产对农业GDP的发展贡献较低，农产品主要用于人们的直接性使用，即非经济性的应用。

(3)从脱钩特征方面分析，陕西省农业投资碳排放总量与农业经济发展间的脱钩关系类型以扩展负脱钩为主，并呈现与弱脱钩交替的特征，即农业经济发展与农业投资活动碳排放总量具有一定的正相关关系，同时具有间歇性的负相关特征，与陕西省实施退耕还林还草工程、农业发展的循环间歇性和化肥等功效的持续性及增加使用有机肥和绿肥有关，进一步说明陕西省农业碳排放效率在不断提升[4]。2000—2012年间，陕北地区以强脱钩和弱脱钩为主，汉中地区和陕南地区则表现出较强的弱脱钩性，汉中地区还表现出较强的负脱钩现象。主要由于陕北地区和陕南地区人均耕地面积大于关中地区，2012年陕北、陕南地区的人均耕地面积分别为0.147 8 hm2、0.064 hm2，均明显高于关中地区的0.063 5 hm2，粮食需求压力相对于关中地区较小，且其经济发展水平及消费水平均较关中地区低，关中地区的土地利用程度及利用水平均高于陕北和陕南地区，因此关中地区对农业化学物品的投资强度远大于陕北和陕南地区。由此可知，要实现陕西省农业投资碳排放与经济发展间的脱钩转型，实现关中地区低碳农业发展是首选。农业投资活动碳排放与经济发展、农业生产资料的投入、消费水平、人口规模、土地利用程度和水平呈现负相关性。陕西省农业装备产业发展滞后，自主研发能力弱，与全国相比还有很大的差距，严重制约着农业生产效率的提高，直接影响农业经济的发展，影响碳排放强度的降低。因此，为实现陕西省农业减排的目标，需要加强对农业科技的投入。

4.2启示

本文以陕西省为例，基于化肥、农药、农膜、翻耕、播种和农业机械总动力6个方面碳源，就陕西省农业投资活动碳排放的时空特征及其与农业经济发展间的脱钩关系进行了较为深入的研究分析。结果表明，从1990年至2012年，陕西省农业投资活动碳排放总量和强度呈现增加趋势，碳减排迹象不明显，在碳排放和农业经济发展间的脱钩关系中，以扩张负脱钩为主，单位面积农地产出水平的提升在一定程度上加剧了农地碳排放强度，碳减排的压力进一步增大。陕北和陕南两个地区碳排放与农业经济发展间的脱钩关系以强脱钩和弱脱钩为主，关中地区呈现出弱脱钩和负脱钩的特征，即陕北和陕南两大地区在农业发展过程中对陕西省生态的贡献率要大于对经济的贡献率，而关中地区则对经济的贡献率较大，但也表现出低碳农业的迹象，总体来看陕西省发展低碳农业的压力较大。

研究结果显示，陕西省农业经济的发展主要依靠化肥、农药、农膜和农机总动力的大量投入而实现，在经济发展的同时，碳排放总量也呈增加趋势，且其增长速率略大于经济发展速率。表明研究区域农业经济的发展是在碳排放量增加的基础上完成的，对生态环境造成了一定的破坏。三大区域的脱钩类型差别较大，表明陕西省各区域农业经济发展与碳排放量和碳排放强度之间的关系差异显著，具体的影响因素与经济发展水平、人口数量、土地利用程度等有关。因此，为缩小地区差异，实现区域间经济与生态环境的共同发展，需要针对不同区域制定因地制宜的发展措施以实现低碳农业的持续发展。

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〔责任编辑程琴娟〕

Temporal and spatial variation of carbon emissions of agricultural investment activities and decoupling elasticity in Shaanxi province

ZHANG Yanfang*, LIN Yahui

(School of Tourism and Environment Sciences, Shaanxi Normal University,Xi′an 710119, Shaanxi, China)

Keywords：Shaanxi province; agricultural investment; carbon emission; spatial-temporal variation; Tapio decoupling elastic model

Abstract:Based on 6 categories of major carbon sources including chemical fertilizer, pesticide, agricultural film, plowing, sowing and the total power of agricultural machinery, the carbon emissions of agricultural investment activities in Shaanxi province from 1990 to 2012 were calculated, and its relation with economic development was analyze by using Tapio decoupling elastic model. Results showed that carbon emissions and carbon emission intensity of agricultural investment activities of Shaanxi province in 2012 were 2.518 5 million tons and 879.29 kg/hm2with the average annual growth rates of 9.7% and 13.07% over 1990, respectively. In spatial, the regional difference was distinct and the carbon emissions of the agricultural investment activities performed that southern Shaanxi province >northern Shaanxi province >central Shaanxi province, whereas, the carbon emission intensity of the agricultural investment activities showed the characteristic of central Shaanxi province >southern Shaanxi province >northern Shaanxi province. It appeared negative decoupling relationship between the overall carbon emissions of agricultural investment activities and the economic development of agriculture. It was strong decoupling or weak decoupling in northern Shaanxi province, and mainly negative decoupling and weak decoupling in central Shaanxi province, and weak decoupling in southern Shaanxi province with a increasing trend of weak decoupling.

文章编号：1672-4291(2016)03-0118-07

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.03.434

收稿日期：2015-10-26

基金项目：国家自然科学基金(41371523)； 国家社会科学基金(14XKS019)

*通信作者:张艳芳，女，副教授，博士。E-mail:zhangyf@snnu.edu.cn

中图分类号：F327

文献标志码：A