南京农田生态系统净碳汇变化及对能源碳源的补偿作用

 戴毅豪，翁翎燕，张 超，刘柄麟，张涵玥 

（1. 南京大学金陵学院，江苏 南京 210089；2. 上海师范大学生命与环境科学学院，上海 200234；3. 清华大学环境学院，北京 100084；4. 上海师范大学城市生态与环境研究中心，上海 200234）

南京农田生态系统净碳汇变化及对能源碳源的补偿作用

戴毅豪1，翁翎燕1，张 超2,3，刘柄麟4，张涵玥1

（1. 南京大学金陵学院，江苏 南京 210089；2. 上海师范大学生命与环境科学学院，上海 200234；3. 清华大学环境学院，北京 100084；4. 上海师范大学城市生态与环境研究中心，上海 200234）

区域农田生态系统发挥碳库的功能对城市的低碳发展具有一定的促进作用。通过对2006～2015年南京农田生态系统的碳排放、碳吸收、碳汇和碳足迹的变化进行研究及特征分析，结果表明：（1）南京农田生态系统碳汇呈缓慢增加趋势；（2）南京能源消费碳排放呈快速增长；（3）南京农田碳汇的增加趋势远小于能源碳源的增加趋势，农田碳汇对能源碳源的补偿能力在减弱。研究为南京低碳城市的建设与发展提供科学依据。

农田生态系统；碳汇；能源消费；南京

燃烧化石燃料、过度砍伐森林等人为活动导致大气中温室气体含量增加，引发了全球变暖等一系列环境问题，对人类的生产生活造成了一定的影响。据研究表明，CO2是温室气体中所有温室气体中数量最大、影响最直接的因素[1]，因此控制碳排放，发展低碳经济有利于减缓温室效应。在减缓碳排放的途径中，有多种方式可以实施，如开发清洁能源（太阳能等）[2]，通过发展公共交通，减少汽车旅行来减少碳排放等[3]。当前有许多人通过不同的方法进行碳源/汇及碳排放的研究，如罗海秀等[4]通过ArcGIS等技术手段对重庆市农田生态系统碳源/汇的特征进行研究，发现重庆市三大经济区域农田生态系统碳吸收、碳排放、碳汇的总量和强度存在空间差异；董洁芳等[5]通过VEC模型对新疆碳排放、能源效率、产业结构及经济增长之间的动态计量关系进行研究，发现非农就业结构与产值结构的变迁对碳排放存在着有效的抑制作用；杜官印[6]运用STIRPAT模型研究建设用地对碳排放的影响，发现建设用地扩张对碳排放有明显的正向影响，进行土地利用结构的调整可以作为抑制或缓解碳排放影响的一种途径。现有的农田生态系统碳源/汇的研究中，主要是进行碳源碳汇的核算及时空演变的分析，并提出减少碳源或增加碳汇的建议，但未将所计算的结果与区域碳平衡的维护及低碳城市建设联系起来。同时，农田生态系统碳汇核算的研究中，仍存在许多的问题会导致结果出现一定的误差，例如计算农田生态系统碳源、碳汇在选取指标时很多人只考虑到农业机械，灌溉等所带来的碳排放，未考虑到农用柴油所带来的碳排放[7]，计算农用化肥施用引起的碳排放时，并未考虑到农用化肥的种类及其对应的施用量及所引起的碳排放[8]，在计算农作物全生育期的碳吸收量时未考虑到作物的含水率[9]，这些都对农田生态系统碳源碳汇的核算造成了一定的影响。基于此，笔者以南京为研究区域，对南京2006～2015年农田生态系统碳汇及能源碳汇的变化及特征进行研究分析，将农用柴油及每种化肥施用所引起的碳排放纳入南京农田生态系统碳排放的核算体系，并在计算农田生态系统碳吸收总量时将农作物含水率纳入计算，旨在摸清南京农田生态系统的碳汇能力及其对能源碳源的补偿作用，有利于维护南京的碳平衡，促进城市的低碳建设与发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南京位于中国东部，长江下游中部地区，江苏省西南部，地理坐标范围为北纬 31°14″～32°37″，东经118°22″～119°14″。2015 年南京生产总值为 9 720.77 亿元，其中第一产业生产总值232.39亿元，占南京生产总值的2.4%；第二产业生产总值3 916.77亿元，占南京生产总值的40.3%，第三产业生产总值5 571.61亿元，占57.3%。由上述可知，南京是一座第三产业为主，第二产业为辅，第一产业所占比重低的城市。

南京位于长江两岸，气候湿润，土壤肥沃，淡水资源丰富，是中国重要的农业和商品粮基地之一。粮食作物以水稻、小麦为主，经济作物以油菜，棉花为主。截至2015年底，南京共有耕地面积约237 170 hm2，农作物的总播种面积约316 880 hm2，有效灌溉面积约218 810 hm2。

1.2 数据来源

研究数据来源于2007～2016年《南京统计年鉴》及2013年《中国能源统计年鉴》。笔者通过南京农田生态系统的农用化肥施用量、农膜用量、农药用量、农用柴油用量、农业机械动力、有效灌溉面积及水稻、小麦等11种主要农作物和原煤、原油等11种主要能源，对2006～2015年10 a间南京农田生态系统的碳排放、碳吸收、碳汇、碳足迹以及南京主要能源消耗产生的碳排放进行计算，并对其变化及特征进行研究分析。

1.3 研究方法

1.3.1 农田利用碳排放估算 农田生态系统中农田利用导致的碳排放的主要碳排放源为：农用化肥、农膜、农药、农用柴油、农业机械动力及有效灌溉面积等；根据王粱、祁兴芬等[10-11]的研究将研究中的农田利用碳排放估算公式定义为：

式中：E为农田利用的碳排放总量；Ef、Ep、Em、Es、Ee、Ei分别为农用化肥、农药、农膜、农用柴油、农业机械、农业灌溉的投入产生的碳排放量。

根据赵荣钦、林秀群等[10,12-14]的研究，农田生态系统各碳排放源的碳排放量估算公式如下：

式中：Gi为第i种化肥的施用量；Ai为第i种化肥的碳排放系数；Gp为农药的使用量；B为农药的碳排放系数； 为农膜的使用量；C为农膜的碳排放系数；Gs农用柴油的使用量；d为农用柴油的碳排放系数；Ae为主要农作物种植面积；D为农田耕作的碳排放系数；We为农业机械总动力；F为农业机械的碳排放系数；Si为有效灌溉面积；G为农业灌溉的碳排放系数。各碳排放源的碳排放系数数值如下：氮肥，857.54 kg/t；磷肥，165.09 kg/t；钾肥，120.28 kg/t；复合肥，380.97 kg/t；农药，4.934 1 kg/kg；农膜，5.18 kg/kg；农用柴油，0.592 7 kg/kg；农作物种植面积，16.47 kg/hm2；农业机械总动力，0.18 kg/kw；有效灌溉面积，266.48 kg/hm2[13,15-18]。

1.3.2 作物生育期碳吸收估算 作物全生育期碳吸收的估算方法如下[10]：

式中：Ct为南京农田生态系统主要农作物全生育期的碳吸收总量，Cd为作物i全生育期对碳的吸收量；Cf为作物i光合作用合成单位重量干物质所需要吸收的碳；Dw为作物i干物质产量；Yw为作物i的经济产量；Wi为作物i的含水率；H为作物i的经济系数。笔者共选取了水稻、玉米、小麦等11种农作物作为主要农作物用于主要农作物全生育期碳吸收总量的估算。经济指数，农作物碳吸收率及含水率等相关数据见表1[11,19-21]。

表1 南京主要农作物的经济指数、碳吸收率及含水率

1.3.3 碳汇计算 碳汇计算公式[12]为：

式中：E为南京农田碳排放总量；Ct为南京主要农作物全生育期碳吸收总量，碳汇（Nc）即农田生态系统的净碳吸收，指南京农作物全生育期的碳吸收总量减去农业利用产生的碳排放总量。

1.3.4 南京农田生态系统碳足迹计算 碳足迹一词最早起源于生态足迹，而生态足迹最先由哥伦比亚大学的Rees和Wackernagel提出。由于人们对温室气体排放可能导致的一系列环境问题的认识的逐步加深，很快就引起了各行各业的广泛关注[22]。

根据段华平、张婷等[20,23]的研究，将碳足迹看作生态足迹的一部分，把碳足迹定义为碳排放的生态足迹。计算公式为：

式中：CEF为南京农田生态系统碳排放的生态足迹，即南京农田生态系统碳足迹，E为南京农田生态系统碳排放总量；NEP反映了农作物的固碳能力，即每公顷的植被1 a的碳吸收量；Ct为南京农田生态系统中主要农作物全生育期的碳吸收总量；S为南京耕地面积。

当区域的农田生态系统碳足迹小于区域生态承载力（耕地面积）时，表现为碳生态盈余；当区域农田生态系统碳足迹超过区域生态承载力时，表现为碳生态赤字。

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

1.3.5 南京能源消费碳排放计算 以IPCC[24]提出的计算方法为基础，根据李想等[25]的研究，并参考了2013年《中国能源统计年鉴》，选取了原煤、原油和天然气3种能源组成的一次能源，及洗精煤、焦炭、燃料油、汽油、煤油、柴油、液化石油气和焦炉煤气8种能源所组成的二次能源作为11种主要能源对南京能源消费产生的碳排放量进行估算。

式中：C为南京能源消费产生的碳排放量；ai为能源i的消费量，单位为t标准煤；bi为能源i的碳排放系数。

2 结果与分析

2.1 南京农田生态系统碳排放及碳吸收变化分析

图1 南京农田生态系统碳排放/吸收总量及强度

由图1可知，2006～2015年期间，南京农田生态系统碳吸收总量变化具有波动性，就时间跨度而言至2015年碳吸收总量略有增长，从2006年的138.26×104t增长至2015年的138.73×104t。通过计算得知，11种主要农作物的碳吸收中以水稻、小麦及蔬菜为主，其中水稻平均每年的碳吸收量占总量的47.25%，小麦平均每年占17.10%，蔬菜平均每年占14.14%。碳吸收强度反映了单位播种面积碳汇能力，10 a间总体呈上升趋势，由2006年的4.47 t/hm2上升至2015年的4.84 t/hm2。碳吸收强度的增加反映了南京农田生态系统主要农作物的固碳能力在增强。

10 a间，农田生态系统碳排放总量呈持续下降趋势，由2006年的19.22万t降至2015年的15.66万t，共减少了3.55万t，年平均下降速率为2.18%。6种碳排放途径中，以农用化肥的施用量及农药的使用量减少的幅度最大。农用化肥施用量减少了45.02%，农药使用量减少了53.61%。其他4种途径中，农业机械引起的碳排放略有减少，农业灌溉、农用柴油及农膜引起的碳排放则略有增加。南京农田生态系统碳排放总量的持续减少的主要原因为农用化肥施用量的下降。通过碳排放总量除以主要农作物播种面积得到的碳排放强度[14]，由估算结果得知，南京农田生态系统碳排放强度总体呈减少趋势。10 a间碳排放强度由0.62 t/hm2降低至0.55 t/hm2，表明10 a间南京单位主要农作物播种面积的碳排放能力不断减弱，主要原因是南京农田利用碳排放量的降低。

2.2 南京农田生态系统碳汇及碳足迹变化及其特征分析

由表2可知，10 a间，南京农田生态系统的净碳汇量总体呈上升趋势，与农田生态系统碳吸收总量的变化趋势相似，反映了南京农田生态系统的碳汇功能在不断增强。南京农田生态系统表现为生态盈余，就时间跨度而言，生态盈余的变化趋势与净碳汇相同。10 a间南京农田生态系统碳生态盈余总体呈增加态势，主要是因为碳排放的生态足迹不断减少。通过计算可得南京农田生态系统单位面积碳足迹，2006～2015年间南京农田生态系统单位面积碳足迹波动减小，由2006年的0.11 hm2/hm2降至2015年的0.09 hm2/hm2，主要是因为南京低碳农业的发展，减少了化肥农药等的使用，提高了农业科技进步及机械化水平，使南京农田生态系统作为碳库的功能正在不断加强。

2.3 南京能源碳源变化分析

表2 南京农田农田生态系统碳汇与碳足迹

由表3中可知2006～2015年期间南京能源消费所引起的碳排放呈快速增长的趋势，由2006年的3 226.75万t增加至2015年的4 932.82万t，年平均增长率为4.96%。其中一次能源的消费量远大于二次能源，说明南京对以原油、原煤及天然气组成的一次能源的依赖性较高，对洗精煤、焦炭、液化石油气等组成的二次能源依赖性较低。通过计算得知一次能源的消费以原煤和原油的消耗为主，在二次能源中对洗精煤和焦炭的依赖程度较高。

表3 南京主要能源消费碳排放量

2.4 南京农田碳汇与能源碳源对比分析

由表4可知，2006～2015年间南京能源碳源远大于农田碳汇，且两者之间的差距呈扩大趋势，南京农田碳汇虽然呈增加趋势，但受到耕地面积减少的影响，相比能源碳源的增长相差较远。随着城市的快速发展，南京对能源的需求不断增加，这也导致了能源消费引起的碳排放不断增加。作为人为活动引起的碳排放的主要组成部分，能源碳源的增加严重影响着南京的碳平衡[26]。而目前农田碳汇对能源碳源的补偿的效果较小。

3 结论与建议

3.1 结 论

（1）南京农田生态系统的碳汇功能在缓慢增强。南京农田碳汇从2006年的119.04万t增长至2015年的123.07万t。因为受到城市建设用地扩张的影响，导致耕地面积不断减少，生态承载力减弱，所以南京农田碳汇增长较为缓慢。

表4 南京农田生态系统碳汇及能源碳源

（2）南京能源碳源快速增长。南京能源碳源从2006年的3 226.75万t快速增长至2015年的4 932.82万t。城市的扩张导致了能源消费引起的碳排放不断增加。

（3）南京农田碳汇的增长趋势远小于能源碳源的增长趋势，且二者差距呈逐年扩大趋势。农田净碳汇占能源碳源的比例由2006年的3.69%降至2015年的2.49%。目前农田碳汇对能源碳源的补偿的能力较弱，且补偿能力呈减弱趋势，城市碳循环压力不断增加。

3.2 建 议

（1）严格执行耕地保护制度。严格控制建设用地扩张占用耕地，切实保护耕地。

（2）促进低碳农业的发展。提高农作物产量，增加农作物的碳吸收量，增强农田生态系统的碳汇功能。提高农作物产量有利于农作物固碳能力的稳定和增加，低碳农业的发展也有利于低碳城市的实践。

（3）改良能源消费结构。推动能源消费结构的转型，大力开发清洁能源，如太阳能、风能等，减少石油及煤等化石燃料的使用，增加天然气等的使用。在保持经济稳定增长的同时，减少能源消费引起的碳排放。

（4）适度施用化肥，提升农业机械化水平，加快农业科技的发展，优化农业结构。化肥的过量施用会影响低碳农业的发展。

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Research on Changes of Farmland Ecosystem’s Net Carbon Sink and Its Compensation to Energy Consumption Carbon Source in Nanjing

DAI Yi-hao1，WENG Ling-yan1，ZHANG Chao2,3，LIU Bing-lin4，ZHANG Han-yue1
（1. Jinling College, Nanjing University, Nanjing 210089, PRC; 2. College of Life and Environmental Science, Shanghai 200234, PRC;3. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, PRC; 4. Urban Ecology and Environment Research Center,Shanghai Normal University, Shanghai 200234, PRC）

Regional farmland ecosystem’s carbon pool function has certain promoting effect of city’s low-carbon development. By using the data of carbon emission, carbon absorption, carbon source and carbon footprint of farm land ecosystem from 2006 to 2015 in Nanjing,the results showed: (1) The ability of carbon sink was increasing slowly in Nanjing. (2) Energy consumption carbon emissions in Nanjing were increasing rapidly. (3)The increase trend of carbon sink in farmland of Nanjing was less than that increasing trend of energy carbon source, and the compensatory ability of farmland carbon sink to energy source was weakening. The research provided a scientific basis for the construction and development of low carbon cities in Nanjing.

Farm land ecosystem; carbon sink; energy consumption; Nanjing

S181

A

1006-060X（2017）11-0033-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.010

2017-09-08

戴毅豪（1997-），男，江苏无锡市人，本科生，主要从事资源与环境方面的研究。

翁翎燕

（责任编辑：肖彦资）