近20年新疆农田生态系统碳足迹时空变化

王敬哲，刘志辉,3,4,张　波

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046； 2.新疆大学绿洲生态教育部省部共建重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046； 4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心，新疆 乌鲁木齐 830046；5.新疆环境保护科学研究院，新疆环境污染监控与风险预警重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)



近20年新疆农田生态系统碳足迹时空变化

王敬哲1,2，刘志辉1,2,3,4,张波5

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046； 2.新疆大学绿洲生态教育部省部共建重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆 乌鲁木齐 830046； 4.干旱半干旱区可持续发展国际研究中心，新疆 乌鲁木齐 830046；5.新疆环境保护科学研究院，新疆环境污染监控与风险预警重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

利用1994—2013年新疆农田生产投入和农作物产量等数据，采用碳排放系数法估算了新疆农田生态系统的碳排放量、碳吸收量及碳足迹的变化动态以及在各县市的空间分布特征。结果表明：新疆农田生态系统的碳排量从1994年的179.46万t增长到2013年的474.15万t；不同年份农业碳排放均主要源于化肥使用量的增加和不科学的灌溉方式，其最大贡献率分别为40.02%和41.56%；农田生态系统的碳吸收量20年间增加了2185.04万t，棉花对新疆农田生态系统的碳吸收量贡献最大，多年平均贡献率达47%；新疆农田生态系统的碳排放量、碳吸收量区域主要集中在南疆的县市并呈现出沿天山对称的趋势；1994—2013年，农田生态系统碳足迹呈现快速增长态势，从1994年的2 732.63×104C·hm-2·a-1增加至2013年的4 474.89×104C·hm-2·a-1，碳足迹增加了283.59×104C·hm-2·a-1，表明新疆农田生态系统存在碳生态盈余的现象，种植结构生态效益指数大于1的年份为11个，种植结构的调整迫在眉睫。

农田生态系统；碳足迹；碳排放；碳吸收；时空变化

21世纪以来，全球气候变化受到广泛关注，碳排放被认为是引起全球变暖的主导因素之一[1-2]。碳足迹(carbon footprint)分析是一种评价碳排放影响的测度方法，其从生命周期的角度揭示不同对象的碳排放过程，具体衡量某种产品全生命周期或某种活动过程中直接和间接相关的碳排放量，为探索合理有效的温室气体减排途径提供科学依据[3]。碳足迹是在生态足迹的概念基础上提出的，它是对某种活动引起的(或某种产品生命周期内积累的)直接或间接的CO2排放量的度量，它最早出现于英国，并在学界、非政府组织和新闻媒体的推动下迅速发展起来[4-5]。

随着对碳足迹的深入研究，碳足迹作为一种新的研究方法被学术界认可，作为人类活动对环境的影响和压力程度的工具，碳足迹成为近年来生态学研究的热点。Hertwich等[6]利用Mrio模型从国家尺度上分别计算了卢森堡等73个国家的碳足迹。Robertson G P等[7]认为农业中的二氧化碳、氧化亚氮和甲烷气体的排放在全球温室气体中起着重要的作用。Yantai Gan等[8-10]提出以提高作物生产力和改进耕作制度降低农作物产品的碳足迹。国内对农业碳排放研究相应较多，李波等[11]基于农业生产中 6 个主要方面的碳源，测算了我国1993—2008年农业碳排放。谷家川等[12]基于7个方面的主要碳源对皖江城市带的农业碳排放进行测算。苏洋等[13]用kaya恒等式对新疆农地的碳排放的驱动机理进行分解，得出农业经济为最主要驱动因素；农业生产效率具有较强抑制作用。近10年来，我国一些学者才引进了国外碳足迹的方法和指标，初步开展了农田系统碳足迹的研究，主要体现在耕作面积[14-15]、化肥施用[16]和农作制度[17-18]等几个方面。这些研究大多是从国家、区域或城市尺度开展的，而对县域层面碳收支的研究还有所缺乏。因此，本文以新疆为例，通过对农作物碳吸收和生产过程中碳排放的测算，分析农田生态系统的碳源/汇功能和强度的时空分布，以了解新疆在县域尺度上农田碳足迹的分布情况。

1　材料与方法

1.1研究区概况

新疆地处欧亚大陆腹地，中国西北边陲，位居73°32′～96°21′E， 34°22′～49°33′N之间，地处中温带极端干旱的荒漠带。全区总面积为166.31万km2，占全国土地总面积的1/6，是我国最大的行政省区。新疆气温温差较大，日照时间充足降水量少，气候干燥，年平均降水量为150 mm左右。新疆是我国重要的农垦地区，农作物种植品种广泛,种植历史悠久,主要有稻谷、小麦、玉米、高梁、大麦、豆类、棉花(包括长绒棉)、油料、甜菜等。占新疆土地总面积4.27%的绿洲承载着全疆95%以上的人口，是新疆经济、资源、人口综合作用的载体，绿洲农业是干旱区人类生存与发展的基本命脉，但近年来对农田生态系统破坏严重，农业的可持续发展面临严重威胁。

1.2数据来源

本研究中涉及到的新疆农地利用中的化肥、农药、农膜、柴油、灌溉等数据均取自1994—2013年《中国农村统计年鉴》，以当年新疆实际使用量为准，各县市数据由《新疆统计年鉴》和《新疆调查年鉴》数据整理得到。其中，化肥为折纯量，灌溉面积以当年新疆实际灌溉面积为准，翻耕数据以当年新疆农作物实际播种面积为准，取自《新疆统计年鉴》；新疆县域行政区划图件数据来自1∶500000国家基础地理数据。

1.3研究方法

1.3.1农田利用碳排放量估算根据相关研究成果[19-20]，结合新疆农业生产的实际情况，确定主要碳源，构建新疆农田碳排放测算体系。新疆农田利用的碳排放主要来源是：① 化肥、农药、农膜及农用柴油等农业物质投入直接或间接引发的碳排放；② 农地翻耕导致土壤有机碳释放；③ 农业灌溉耗电所引发的碳排放。各碳源排放因子及系数如表1所示。农田利用碳排放总量(C)与碳排放强度(CI)计算公式为：

C=∑Ci=∑Tiμi

(1)

CI=C/A

(2)

式中，C为碳排放总量，Ci为各种碳源的碳排放量，Ti为各种碳排放源的量，μi为各种碳源的碳排放系数，A为当年耕地总面积。

表1　各类农地利用活动的碳源、碳排放系数

1.3.2农作物年碳吸收量估算农田生态系统中所有的农作物全生育期对碳的吸收量Ci为：

(3)

式中，Cd为i类农作物全生育期对碳的吸收量；Cf为i类作物光合作用合成单位质量干物质所需要吸收的碳；Dw为i类作物生物总量；Yw为i类作物的经济产量；H为i类作物的经济系数。由于农田碳足迹研究的发展尚处在基础阶段，许多碳参数还不够完善。因此，本研究的碳吸收参数主要参考前人研究和相关的文献资料[24-26]。中国主要农作物的碳吸收率(Cf)和经济系数(H)见表2。

表2　中国主要农作物经济系数与碳吸收率

1.3.3农田生态系统碳足迹估算参照段华平等[23]的方法，本研究将碳足迹看作生态足迹的一部分，把碳足迹定义为：消纳碳排放所需要的生产性土地(植被)的面积，即碳排放的生态足迹(CEF)，单位为C·hm-2·a-1。

CEF=E/NEP,NEP=Ct/S

(4)

式中：E为农田利用的碳排放总量，含义等同于公式(1)中C；NEP反映了农作物的固碳能力，即1hm2的植被1a吸收的碳量；Ct为农田生态系统中所有农作物全生育期对碳的吸收量，含义等同于公式(3)中的Ct；S为耕地面积，在碳足迹总量的基础上，用碳足迹除以耕地面积可以得到农田生态系统单位面积碳足迹[3]。

区域农田生态系统碳足迹如果超过了区域生态承载力(耕地面积)那么就出现碳生态赤字；如果小于区域生态承载力，则表现为碳生态盈余。

CED=CEF-CEC(CEF>CEC)

(5)

CER=CEC-CEF(CEF

(6)

式中，CED为碳生态赤字；CER为碳生态盈余；CEC为生态承载力，即耕地面积。

1.3.4种植结构生态效益指数农田种植结构生态效应指数用于表征农田种植结构的变化对碳足迹的影响利弊及强弱，在前人文献[27]的基础上调整得出，其计算公式为:

(7)

I为种植结构生态效应指数；CEFe为某年农田实际中级结构情况下的碳足迹；CEFn为同年未发生种植结构改变的碳足迹。I<1时，I越小，种植结构变化的生态效应越积极，即实际种植结构越利于抑制碳足迹增长; I>1时，I越大，种植结构变化的生态效应越消极，即实际种植结构越不利于抑制碳足迹增长；I=1时，种植结构变化的生态效应不明显。

2　结果与分析

2.1农田生态系统碳排放的年际变化

由图1可知，1994—2013年新疆农田利用所引起的碳排放总量呈逐年增长趋势，由1994年179.46万t增长到2013年474.15万t，近1.64倍。农田碳排放的年际变化可以分为三个阶段：① 缓慢增长期(1994—1998年)，碳排放量由179.46万t增加至234.63万t，年平均增速为6.15%；② 波动增长期(1999—2002年)，增速在该时期内出现最大值7.29%与最小值-3.88%；③ 快速增长期(2003—2013年)，碳排放量由2003年的247.44万t增加至474.15万t。各类农业投入的碳排放量在1994—2003年呈现出不同的变化趋势，化肥的碳排放量在1998—2000年呈现下降的趋势；之后的年份呈现增加的趋势；农田灌溉的碳排放量在1994—2006年波动，之后开始上升；农用柴油和农膜利用所引起的碳排放量缓慢增长。从各类农业投入对新疆整体农田的碳排放量贡献率来看，各类型碳源的差异较大。化肥使用、农田灌溉是农田生态系统碳排放的主要来源，分别占碳排放总量的27.83%～40.02%与24.89%～41.56%。农田翻耕仅占0.43%，比重最小，其他依次为农膜使用(15.25%～24.29%)、农用柴油使用(9.28%～10.67%)、农药使用(0.22%～2.91%)。除化肥、农田灌溉所引发的碳排放表现出明显增长趋势外，其他类型的碳排放年际变化较小。新疆农地利用的碳排放强度变化与总量的变化趋势基本保持一致，总体上也呈现出三阶段增长特征。

图1　新疆各项农田投入的碳排放比较

2.2农田生态系统碳吸收的年际变化

由表4可知，新疆农田生态系统碳吸收量在1994—2013年呈先缓慢增加，然后浮动变化，最后快速增加的趋势，1994年的碳吸收量为1 431.99万t，到1998年的1 979.31万t，年均增加136.83万t，从1998年再到2004年的2 078.89万t，期间增速十分缓慢，碳吸收量在2 001.56万t浮动。2004—2013年，碳吸收量快速增长，2013年的碳排放量达到3 617.04万t。1994—2013年，整个新疆农田生态系统的碳吸收量增加2 185.04万t。各类农作物中，棉花是主要的经济作物，碳吸收量最大，对新疆农田生态系统的碳吸收量贡献率最大，高达47%以上，其贡献率呈现波动增长的趋势。其次是小麦，玉米。根据多年来的平均值计算得出，三者的贡献率高达80.16%。显然，棉花、小麦和玉米的碳吸收量在全疆碳吸收总量中居于绝对主导地位，其变动情况对全疆碳吸收量趋势影响举足轻重。因此，稳定这三种主要作物面积对于新疆农田生态系统的固碳减排、发展低碳高效农业是一项有效措施。

表4　1994—2013年新疆农田生态系统的碳吸收量/104t

2.3农田生态系统碳排放、吸收的空间格局动态特征

为确保不同时间尺度下各县域农田生态系统碳排放、吸收数据的标准性与可比性，参考王强等[28]的方法，按照当年全省县域农田生态系统的碳排放量与吸收量平均值的0.5倍、1.0倍、1.5倍，把各县市农田生态系统的碳排放量归为低碳排放区、中度排放区、较高排放区和高碳排放区4种类型；同样。把农田生态系统的碳排放强度划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级；碳吸收量及碳吸收强度的归类方法同上。

新疆农田生态系统碳排放量空间集聚特征明显，主要年份高碳排放区集中在南疆地州的县市，以1994年为例，碳排放量前五位为莎车县、伊宁县、库车县和叶城县。这与该区耕地广阔，农业发展水平较高相关，并且碳排放高值有在该区域集聚的趋势(图2)。此外，新疆农田生态系统的碳排放量的地域分布还呈现出沿天山对称的趋势。1994年，全疆范围内低碳排放区19个，中度排放区30个，较高排放区15个，高碳排放区21个；2013年分别为21个、24个、15个、24个。20年间，大部分市县多属于中度排放区，中度排放区与高碳排放区明显增多。相比农业碳排放量，农业碳排放强度更能客观地反映一个地区的碳排放水平，便于不同地区进行横向比较。从数量上来看，1994年新疆农田生态系统的农业碳排放强度Ⅰ级1个，Ⅱ级27个，Ⅲ级52个，Ⅳ级5个；2013年依次为0个、56个、19个、10个。全疆农田生态系统的碳排放强度主要为Ⅱ级水平，空间分布上较碳排放量相比更为均衡。全疆范围内农田生态系统碳排放量高值分布相对离散，1994年碳排放强度高值相对集中在南疆(和田市、和田县、墨玉县)天山南麓(轮台县)；2013年则相对集中于北疆(哈巴河县、布尔津县、阿勒泰市)、东疆(伊吾县)与南疆(塔什库尔干县，乌恰县)。

图21994与2013年新疆农田生态系统碳排放量及碳排放强度的空间格局

Fig.2Spatial pattern of farmland ecosystem carbon emissions and carbon intensity in Xinjiang (1994 and 2013)

与碳排放量一样，新疆农田生态系统的碳吸收量也呈现出明显的空间聚集和对称趋势(图3)。1994年，碳吸收量排前五位的为莎车县、伊宁市、霍城县、库车县和阿克苏市。1994年，全疆范围内低碳吸收区26个、中度吸收区23个、较高吸收区12个、高碳吸收区24个；2013年分别为24个、25个、12个、24个。20年间，主要分布在低碳吸收区和高碳吸收区。20年间，各类碳吸收区的变动不大。尤其是高碳吸收区，主要集中在塔里木河流域周边各县市和天山北麓玛纳斯河流域，其主要原因是该地区的棉花和小麦种植面积十分广阔。1994年新疆农田生态系统的农业碳吸收强度Ⅰ级15个、Ⅱ级20个、Ⅲ级37个、Ⅳ级13个；2013年依次为32个，21个，8个，24个。全疆农田生态系统的碳吸收强度主要为Ⅰ、Ⅱ级水平，空间分布上与碳吸收量的地域分布较为一致。

2.4农田生态系统碳足迹及其特征分析

根据公式(4)，对新疆农田生态系统碳足迹的计算结果表明，碳足迹整体呈现出逐年增加的趋势，1994年为391.52×104C·hm-2·a-1，2013年为675.11×104C·hm-2·a-1，增长率达72.43%。碳足迹均小于同期的耕地面积，这表明新疆农田生态系统存在碳生态盈余的现象。农田生态系统碳生态盈余从1994年的2 732.63×104C·hm-2·a-1增加至2013年的4 474.89×104C·hm-2·a-1，呈快速增长趋势。农田生态系统的碳生态盈余能够部分补充新疆工业、经济发展和社会生活的碳生态赤字，对区域的可持续发展有着积极的作用。新疆单位面积碳足迹呈波动趋势，但大致围绕0.14×104C·hm-2·a-1上下浮动。

图31994与2013年新疆农田生态系统的碳吸收量及碳排放强度的空间格局

Fig.3Spatial pattern of farmland ecosystem carbon absorption and carbon intensity in Xinjiang (1994 and 2013)

种植结构生态效益指数反映了农田种植结构变化对碳足迹的影响。从表5可以看出，除起始年1994年I=1外，1995年、1998年、2002年、2006年、2009、2011—2012年I<1，表明这9个年份的农田种植结构要优于1994年；1996—1997年、1999—2001年、2003—2004年、2007—2008年、2010年和2013年I>1；表明这11个年份的种植结构不如1994；1999年I=1，表明该年份种植结构变化导致的生态效益不明显。其中2010年的种植结构生态效益指数最大，达到1.31。总体上，新疆农田生态系统的种植结构并不十分合理，不能朝着很好地抑制碳足迹增长的方向发展。因此为了增强新疆农田生态系统碳吸收功能，调整新疆农业的种植结构迫在眉睫。

3　结论与讨论

本文以新疆农田生态系统为研究对象，碳足迹计算公式对1994—2013年全新疆及各县市农田生态系统的碳排放、碳吸收及全疆范围的碳足迹计算结果显示：

1) 1994—2013年新疆农田利用所引起的碳排放总量呈逐年增长趋势。1994年新疆农田利用所产生的碳排放量为179.46万t，2013年为474.15万t，增长近1.64倍。主要是由于化肥使用量的增加和不科学的灌溉方式引起。

表5　1994—2013年新疆农田生态系统的碳足迹与生态盈余

2) 新疆农田生态系统碳吸收量在1994—2013年呈先缓慢增加，然后浮动变化，最后快速增加的趋势。20年间，整个新疆农田生态系统的碳吸收量增加2185.04万t。各类农作物中，棉花是主要的经济作物，碳吸收量最大，对新疆农田生态系统的碳吸收量贡献率最大。

3) 从区域上看，新疆农田生态系统的碳排放量、碳吸收量区域呈现出明显的空间集聚和对称趋势。全疆农田的碳排放强度主要为Ⅱ级水平，空间分布上较碳排放量相比更为均衡。20年间，全疆各类碳吸收区的变动不大。

4) 新疆农田生态系统碳足迹整体呈现出逐年不断增加的趋势，1994—2013年，碳足迹增加了283.59×104C·hm-2·a-1，表明新疆农田生态系统存在碳生态盈余的现象。农田系统I指数大于1年份达到11个，新疆农田生态系统的种植结构并不十分合理，种植结构的调整迫在眉睫。

通过对新疆农田生态系统碳排放、吸收及碳足迹分析，可以看出碳吸收量要明显大于碳排放量，这表明新疆农田生态系统具有较强的固碳能力，同时存在碳生态盈余的现象，这与段华平等[23]的研究结果相似，但碳排放的总量估算值与李波[11]等的结果有较大差异，主要原因是对碳排放系数的选取有所差异。此外农田碳足迹受农作物种类、土壤类型、耕作方式等多个因素影响，并且各因素彼此之间有相互作用。因此，不同区域、不同种植模式，碳足迹差异显著。本研究并没有就实地情况修正，对于新疆农业中占有很大比例的特色林果业没有加以测算，不能很好的贴近新疆的实际状况。在以后的研究过程中，应深入探讨农田生态系统的碳循环和土壤呼吸，评价不同条件对碳吸收和排放的影响,提高估算的精度。同时，应加强RS技术在碳足迹估算中的应用，这些问题将于今后继续进行深入研究。

致谢：感谢新疆大学资源与环境科学学院马轩凯硕士对本研究图件绘制及成文过程中提供的帮助。

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Temporal and spatial differences in carbon footprint of regional farmland ecosystem in Xinjiang during recent 20 years

WANG Jing-zhe1,2, LIU Zhi-hui1,2,3,4, ZHANG Bo5

(1.School of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi, Xinjiang 830046, China;2.KeyLaboratoryofOasisEcologyMinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046,China;4.InternationalCenterforDesertAffairs-ResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi,Xinjiang830046,China; 5.XinjiangKeyLaboratoryforEnvironmentalPollutionMonitoringandRiskWarning,XinjiangAcademyofEnvironmentalProtectionScience,Urumqi,Xinjiang830011,China)

Statistic data on investment in farmland production and yield in Xinjiang from 1994 to 2013 were collected, and the carbon emissions coefficient method was employed to estimate the carbon emissions and absorptions of farmland ecosystems and carbon footprints in Xinjiang and their distribution in counties and cities. The results showed that the carbon emissions of farmland ecosystem in Xinjiang were increased from 1.7946 million tons in 1994 to 4.7415 million tons in 2013. Carbon emissions were mainly derived from increased agriculture fertilizer usage over years and irrational irrigation methods, with biggest contribution rates of 40.02% and 41.56%, respectively. Carbon absorption in farmland ecosystem was increased by 21.8504 million tons over 20 years, contributing the most to the carbon absorption in farmland ecosystem of Xinjiang, and its annual average contribution rate reached 47%. Farmland ecosystem carbon emissions and carbon absorption in Xinjiang area presented the obvious spatial agglomeration in some counties and cities in southern Xinjiang and displayed a trend of being symmetrical along the Tianshan mountain. Farmland ecosystem carbon footprints showed a trend of rapid growth, from 2 732.63×104C·hm-2·a-1in 1994 to 4 474.89×104C·hm-2·a-1in 2013. Carbon footprint had increased by 283.59×104C·hm-2·a-1, indicating that carbon ecological surplus was found in farmland ecosystems of Xinjiang. In 11 years, the planting structure ecological indexes were greater than 1. Therefore, adjustment of planting structure is imminent.

farmland ecosystem; carbon footprint; carbon emission; carbon absorption; spatial and temporal variations

1000-7601(2016)05-0240-09

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.37

2015-07-17

水利部公益性项目“内陆干旱区实施最严格水资源管理关键技术”(201301103)；国家自然科学基金重点项目“干旱区湖泊流域陆面过程及人类活动适应性——以艾比湖流域为例”(41130531)

王敬哲(1992—)，男，河南郑州人，硕士研究生，主要从事水文学水资源等方面的研究。E-mail:wjzf-682@163.com。

刘志辉(1957—)，男，新疆乌鲁木齐人，教授，博士，主要从事水文水资源、资源环境与空间决策支持、GIS等研究。E-mail: lzh@xju.edu.cn。

S181.3

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