江苏省农田植被净碳汇时空格局分析

翁翎燕，朱振宇，韩许高，谈俊忠

（1. 南京大学金陵学院，南京 210089；2. 南京中医药大学，南京 210023；3. 南京大学地理与海洋科学学院，南京 210023）

0　引　言

以气候变暖为主要特征的全球气候变化是迄今为止人类面临的最大环境问题，并已威胁到的人类生存及生态系统的可持续发展[1]。为探寻减缓全球气候变暖的对策，对如何控制 CO2等温室气体的排放，减少碳源，充分发挥各生态系统的碳汇功能等方面的研究是目前碳循环领域的研究热点。农田生态系统碳库是全球碳库和陆地生态系统碳库的重要组成部分[2]，主要包括农田植被碳库和土壤碳库[3-4]。对农田植被碳库而言，主要通过农作物光合作用吸收大量的 CO2，以生物量的形式贮存在作物体内，并可通过农作物还田的方式进入土壤中。农作物对 CO2的吸收被认为是最安全有效的固碳方式，具有固碳周期短，蓄积量大的特点[5]。因而，农田植被碳库储量变化对陆地生态系统固碳乃至全球生态系统固碳有着不可忽视的作用[6-7]。

相对于农田土壤碳库，国内对农田植被碳库的研究相对薄弱，已有的研究大多集中于农田植被碳储量的估算[8]，不同因素对农田植被碳储量的影响[9-10]以及不同区域尺度农田植被碳源碳汇时间变化特征分析[11-15]等方面，而对农田植被净碳汇效应及其时空格局的研究较少。虽然农田生态系统中植被碳库普遍小于土壤碳库，但对于区域尺度，农田植被碳库中的碳储量仍相当可观且有增加的可能[16]。因而，加强对农田植被净碳汇及其时空格局的研究，对了解农业碳排放及碳吸收的区域差异，提供更为详细的农业碳排放清单，制定差别化的农业管理政策具有重要意义。

江苏省耕地面积占全省土地总面积的 40%以上，目前面临着农业低碳化转型。本文拟在已有研究的基础上，以江苏省各地级市为研究单元，采用重心移动模型分析江苏省农田植被净碳汇重心移动路径，并结合空间自相关分析研究农田植被净碳汇的空间集聚特征，以期为江苏省制定合理的农业管理政策提供参考。

1　研究方法

1.1　净碳汇估算方法

本文所指的农田植被净碳汇是指作物生育期碳吸收与农业生产活动中碳排放的差值。其中，碳吸收量主要指作物生育期内通过光合作用扣除自身呼吸消耗后固定的碳，依据农作物产量数据、经济系数和碳吸收率进行估算；碳排放量主要来自农业生产活动中不同的碳排放途径所直接或间接释放的碳，并参考West等[17]的碳转化系数进行估算。

碳吸收估算公式为：

式中：Ct为区域农田作物生育期碳吸收量（t）；i为第 i种作物类型；Cd为某种作物全生育期碳的吸收总量（t）；Ci为第i种作物全生育期合成单位有机物质（干质量）所吸收的碳，即碳吸收率（%）；Qi为第i种作物产量（t）；Wi为第 i种作物收获部分的含水率（%）；Ri为第 i种作物的根冠比（%）；Hi为第i种作物的经济系数（%）。本文选取江苏省 9种主要作物进行碳吸收估算。各种类型作物的碳吸收率、经济系数、含水率及根冠比见表1。

式中：Et为区域农田利用的碳排放总量（t）。本文主要考虑 7种碳排放途径，其中，Ef、Ep、Em分别为在农业生产过程中化肥、农药、农膜的使用所引起的碳排放量（t）；Ee为农业机械用电直接或间接产生的碳排放量（t）；Ei为农业灌溉过程产生的碳排放量（t）；Es为农业机械使用柴油直接或间接导致的碳排放量（t）；Eg为农田翻耕破坏土壤有机碳库导致的碳排放（t）。各种排放途径碳排放量估算公式见式（3）至式（9），其中 a、b、c、d、f、g、h、j分别为碳排放系数，参见表2。

表2　农业生产活动碳排放系数Table 2　Carbon emission coefficients of agricultural production activities

式中，C净为区域农田植被净碳汇（t），Cq为净碳汇强度（t/hm2），Sg为耕地面积（hm2）。

1.2　净碳汇重心移动模型

重心的概念源于物理学，区域重心是指某一要素在研究区域内受力达到平衡的点，通过重心移动可反映地理事物和要素的空间变化。本文引入重心模型分析江苏省农田植被净碳汇的空间变化规律，其基本思路是运用重心模型，以研究对象的属性数据作为权重，借助 GIS技术，计算研究对象的空间重心坐标。其计算公式为：

式中，X，Y分别为江苏省农田植被净碳汇重心的经纬度坐标，Pk为第k个地级市农田植被净碳汇值，xk，yk分别为第k个地级市的经纬度坐标，m为江苏省所包含的地级市个数。

式中，Du-v为从第u年到第v年重心移动的距离（km），（Xu，Yu）、（Xv，Yv）为第u和v年江苏省农田植被净碳汇重心坐标，R为将地理坐标转换为平面坐标的系数（km），取值为111.11。

1.3　空间自相关分析

空间自相关分析是用来确定某一变量在空间位置上有无相关性及相关程度的分析方法，有全局空间自相关和局部空间自相关 2种表征方式。全局空间自相关测度某一变量在空间内的整体分布状况，并判断是否存在聚集特性。运用ArcGIS10.2，用Global Moran’s Ⅰ反映江苏省农田植被净碳汇空间总体格局。计算公式为：

式中，I为全局Moran指数，w为研究区域个数，ωpq为空间单位p和q的权重，xp- x 和xq- x 分别为第p和q空间上观测值与平均值的偏差。I值在[–1,1]之间，I＞0表示空间正相关，观测对象在空间呈集聚特征；I＜0表示空间负相关，观测对象在空间呈离散特征；I＝0表示空间不相关，观测对象在空间随机分布。

同时，为了对I的显著性进行检验，用Z得分和P值取95%的置信区间进行检验。当–1.96＜Z＜1.96，P＞0.05时，不能拒绝零假设，观测对象在空间上呈随机分布；当Z＞1.96或Z＜–1.96，P＜0.05时，拒绝零假设，观测对象在空间上呈集聚或离散的分布格局。

局部空间自相关用于识别聚集区的具体地理分布。本文运用 Getis-Ord Gi*测度江苏省农田植被净碳汇的局部空间自相关特征，并分析是否存在高值集聚或低值集聚。计算公式为：

2　研究区域与数据

2.1　研究区域

江苏地处中国大陆东部沿海地区中部，淮河下游，位于 116°18′～121°57′ E，30°45′～35°20′ N 之间，土地总面积10.67×104km2，耕地面积 458×104hm2。全省地形以平原为主，属于温带向亚热带的过渡性气候，雨量适中，农业开发历史悠久，开发程度高。全省下辖13个地级市，由于历史和地理等原因，经济发展呈现一定区域差异，形成苏南、苏中、苏北的经济发展梯度，但从农业发展、农田生态角度看，却呈现出与经济发展梯度不同的格局。据2016年《江苏省农村统计年鉴》，2015年，江苏省农作物播种面积774.50×104km2，农业产值3 722.10亿元。

2.2　数据来源

基于数据的可获性，本文以江苏省13个地级市为研究单元，对其2000—2015年农田植被净碳汇时空格局进行实证分析。本文计算碳吸收、碳排放中的各种农作物产量、化肥使用量、农药使用量、农膜使用量、农作物种植面积、农业机械总动力、农田有效灌溉面积等统计数据均来源于《江苏农村统计年鉴》。

3　结果与分析

3.1　江苏省农田植被净碳汇时空演变趋势分析

3.1.1江苏省农田植被净碳汇的时空分布格局分析

根据上述净碳汇的估算方法估算江苏省各地级市农田植被净碳汇及净碳汇强度。由图 1可以看出，江苏省各市农田植被净碳汇总量均为正值，表明近16 a来，江苏省农田植被具有较强的碳汇功能，但农田植被净碳汇总量及其变化趋势存在较大的地区差异。农田植被净碳汇总量的总体分布特点是苏北地区普遍高于苏中地区，苏中地区又明显高于苏南地区，以2015年为例，最高的盐城市（885.39×104t）与最低的无锡市（92.65×104t）相差了9.56倍；从变化趋势看，苏中和苏北8市的农田植被净碳汇总量呈现波动上升趋势，而苏南 5市中除镇江市的净碳汇总量略有上升外，其他 4市的净碳汇总量均呈现下降趋势。

与农田植被净碳汇总量的变化趋势不同，近16 a来，江苏省农田植被净碳汇强度总体呈现上升趋势（无锡市除外）（图2），其空间分布特点是苏中地区最高，苏北地区其次，而苏南地区最低，以2015年为例，最高的泰州市（14.64 t/hm2）与最低的南京市（6.83 t/hm2）之间相差了2.14倍。

图1　江苏省农田植被净碳汇时空变化Fig.1　Spatial and temporal variation of net carbon sink of farmland vegetation in Jiangsu Province

图2　江苏省农田植被净碳汇强度时空变化Fig.2　Spatial and temporal variation of net carbon sink intensity of farmland vegetation in Jiangsu Province

3.1.2江苏省农田植被净碳汇的重心移动路径分析

基于估算出的2000—2015年江苏省各地级市农田植被净碳汇结果，利用式（12）和式（13）计算江苏省农田植被净碳汇重心及其移动距离，通过ArcGIS10.2软件绘制净碳汇重心移动路径图（图 3），并进行重心移动路径分析。

图3　2000-2015年江苏省农田植被净碳汇重心转移路径Fig.3　Shift path of net carbon sink gravity center of farmland vegetation in Jiangsu Province from 2000 to 2015

（1）2000—2015年，江苏省农田植被净碳汇重心位于 109°53′～110°00′E，34°09′～34°22′N 之间，偏离江苏省的几何中心（109°58′E，34°08′N），重心逐渐向西北方向移动，并逐渐远离几何中心。2000年，农田植被净碳汇重心在江苏省高邮市，到2015年，重心迁移到江苏省宝应县，重心向西北方向移动了27.68 km。

（2）2000—2015年，江苏省农田植被净碳汇重心移动大致可以分为4个阶段。第一阶段：2000—2002年，农田植被碳汇重心向西北方向迁移，重心位置由2000年的江苏省高邮市迁移到2002年的江苏省宝应县，迁移了10.19 km；第二阶段：2002—2006年，净碳汇重心经历了2002年以后一次较大幅度向东南方向偏移和2004年以后一次较小幅度向东南方向偏移后，总体向西北方向偏移了8.29 km，重心位置仍位于江苏省宝应县境内；第三阶段：2006—2012年，净碳汇重心总体继续向西北方向偏移，经历了2006年以后和2009年以后2次向东北方向小幅振荡性的偏移，总体向西北方向偏移的距离是8.54 km；第四阶段为2012—2015年，其中2012—2013年重心向东南方向偏移了8.31 km后，继续向西北方向偏移，达到2015年的重心位置。

（3）2000—2015年，江苏省农田植被净碳汇重心移动的总体特征：一是江苏省农田植被净碳汇重心总体向西北方向移动，除2000年和2003年以外，重心均位于江苏省宝应县，越来越偏离江苏省的几何中心；二是2000—2004年，重心移动的方向和距离振荡幅度较大，而2004年以后，重心移动的方向和距离振荡幅度相对较小。

3.2　江苏省农田植被净碳汇的空间集聚效应分析

3.2.1江苏省农田植被净碳汇的全局空间自相关分析

利用ArcGIS10.2得到2000—2015年江苏省农田植被净碳汇的全局空间自相关指数I及其显著性水平（Z得分和P值），并通过3种空间权重方案进行对比分析（表3）。

表3　江苏省农田植被净碳汇全局空间自相关指数及其显著性水平Table 3　Global spatial autocorrelation index and its significance level of net carbon sink of farmland vegetation in Jiangsu Province

由表3可以看出，通过3种空间权重方案得出的农田植被净碳汇全局空间自相关指数 I在研究时段内均为正值且均通过 5%显著性检验。结果表明：2000—2015年，江苏省农田植被净碳汇具有空间正相关特征，即农田植被净碳汇的相似性区域呈现空间集聚分布特征。对3种权重方案得出的全局空间自相关指数 I的均值进行对比分析显示：2000—2015年江苏省农田植被净碳汇空间正相关水平的高低次序为方案一＞方案三＞方案二；3种方案下各年份全局空间自相关指数I介于0.3～0.6之间并保持相对稳定，表明研究时段内这种相似性区域空间高值集聚或空间低值集聚趋势的年际变化不大。

3.2.2江苏省农田植被净碳汇的局部空间自相关分析

为了更加有效地分析江苏省农田植被净碳汇的空间格局演变情况，本文选择2000年、2005年、2010年及2015年4个代表年份的农田植被净碳汇数据，依据全局空间自相关指数计算过程中的方案一，利用 ArcGIS10.2软件计算局部空间自相关指数，用自然段点法将每个年份的局部空间自相关指数分成4类，由此生成江苏省农田植被净碳汇空间格局的演化图，如图4所示。

图4　江苏省农田植被净碳汇热点演化图Fig.4　Evolution map of hot spot of net carbon sink of farmland vegetation in Jiangsu Province

（1）从整体空间结构看，江苏省农田植被净碳汇热点区域的总体格局保持相对稳定，总体呈“北热南冷”的空间特征。盐城、淮安和宿迁 3市为相对稳定的热点区域，说明这3个城市的农田植被净碳汇处于较高水平，无锡、常州和镇江3市为相对稳定的冷点区域，说明这3个城市的农田植被净碳汇处于较低水平。

（2）从区域尺度看，沿海地区和内陆地区的农田植被净碳汇水平要明显高于沿江地区，这与江苏省沿江地区的经济发展水平明显好于沿海地区和内陆地区的区域分布特征恰好相反。从2000年到2015年的空间对比可以看出，沿江8市中（南京、镇江、扬州、常州、泰州、无锡、苏州、南通），除了南京市由冷点区域跃迁为次冷区域外，其余7市均未发生热点区的变化。

（3）从4种类型的变化看，在总体格局保持相对稳定的情况下，各种类型的区域仍然发生了一定的变化。16 a间，江苏省农田植被净碳汇热点区域的比重由2000年的30.77%下降到2005年的23.08%，继而上升到2015年的38.46%，次热点区域的比重趋势刚好相反。冷点区域的比重由2000年的30.77%下降到2015年的23.08%，而次冷点区域的比重16 a来由7.69%上升到15.39%，说明2000—2015年间江苏省农田植被净碳汇水平呈现上升趋势。4个代表年份中，未发生变化的区域有10个，占总数的76.92%，均保持热点区域的城市为苏北地区的盐城、淮安和宿迁，均保持冷点区域的城市为苏南地区的无锡、镇江和常州。说明2000年以来江苏省农田植被净碳汇水平仍然保持着原有的格局，且苏北地区以高值区为主，苏南地区以低值区为主。

4　讨　论

2000—2015年，江苏省各市农田植被净碳汇总量均为正值，表明江苏省农田植被具有较强的碳汇功能，与赵荣钦等[12]、韩召迎等[19]、段华平等[24]、戴毅豪等[25]的研究结果相似。但本文得出江苏省农田植被净碳汇强度总体呈上升的趋势与钱晓雍[26]的研究结果存在一定的不一致性，主要原因是：在估算碳吸收与碳排放时所用的计算公式不同，本文选取了更为全面的碳吸收与碳排放途径，如在估算碳吸收总量时使用了含水率、根冠比，这与张鹏岩等[27]的研究方法相同，在估算碳排放总量时考虑了7种碳排放途径，这与王梁等[28]的研究方法相同，说明本文所得出的结果能基本反映江苏省农田植被净碳汇的时空变化特征。

江苏省各市农田植被净碳汇与净碳汇强度的变化趋势不同。16 a来苏南地区农田植被净碳汇总量总体呈下降趋势（镇江除外），而同期净碳汇强度总体呈现出上升趋势（无锡除外），两者的变化趋势表现出不一致性。农田植被净碳汇的变化趋势与作物碳吸收量的变化趋势相近[13,19,28-29]，主要受耕地面积下降的影响。16 a来苏南地区耕地面积共减少34.52万hm2，是苏中及苏北地区耕地面积减少量的3.69倍。净碳汇强度是对碳排放或碳吸收能力的度量，主要与作物单产水平有关，2000—2015年，苏南地区粮食作物单产由 5 368.78 kg/hm2提高到6 439.02 kg/hm2，使得苏南地区农田植被净碳汇强度在整个研究期呈现上升趋势。农田植被净碳汇总量最高地区在苏北，而净碳汇强度最高地区却在苏中。原因是随着里下河平原的综合整治，近年来苏中地区逐渐成为江苏省粮食的主产区，而苏北地区农业技术、管理措施及农业投入效率较低，限制了农田植被净碳汇强度的发挥。为发挥农田生态系统整体的生态屏障作用，首先应该加强耕地保护与基本农田的建设，同时注重农业生产技术的改进，各地区因地制宜地采取有效措施来提高农田植被净碳汇水平，如苏北地区可通过推广生物质碳添加、秸秆还田等农田管理措施来提高农田植被净碳汇[30]。

现有文献在进行农田植被碳源、碳汇空间格局分析时，主要方法是根据公式计算出各区域的碳吸收与碳排放量数值，通过数值的对比来分析其空间分布特征[12-14,19]。任何事物或现象都存在相关性，且这种相关性与事物间的距离有关，距离越近的事物间相关性越强[31]。鉴于此，本文运用重心分析法来分析江苏省农田植被净碳汇的空间变化规律，并综合运用空间自相关分析法来探索各市农田植被净碳汇的聚集或离散特征，这在一定程度了丰富了农田植被净碳汇时空分局格局研究的方法。从研究结果来看，江苏省农田植被净碳汇重心总体向西北方向移动，表明在苏南地区农田植被净碳汇提升空间逐渐缩小的情况下，未来进一步提高江苏省农田植被净碳汇的潜力主要集中在苏中、苏北地区。而不同地级市间农田植被净碳汇的局部空间关联表现为“北热南冷”的特征，与江苏省经济空间格局以苏州、无锡为核心的“圈状空间结构”[32]刚好相反。苏南地区在发展经济的过程中伴随着耕地的占用，粮食播种面积的减少及粮食产量的下降，是造成苏南地区农田植被净碳汇处于江苏省最低水平的主要原因。近年来，随着国家“一带一路”战略，国家“十三五”东陇海规划及江苏省振兴苏北计划等国家及地方战略规划的实施，苏北地区逐渐进入经济发展的新阶段。未来苏北地区发展过程中应着重发展现代工业和低碳产业，进一步加强耕地的保护，加快低碳农业的发展，使得农田生态系统发挥更大的生态屏障作用。

本文依据统计数据，在计算碳吸收总量时选取了研究区内 9种主要的农作物，并未把全部农作物种类计算在内，一定程度上影响到了计算的精度；其次，在碳排放计算中采用的碳排放转化系数均参考自国内外相关文献，在江苏省农田植被净碳汇计算中不一定完全适用。因此，由于存在上述的不确定性因素，在今后的研究中需进行适当修正。在进行空间格局分析时，空间单元的选择过大，选择市域作为空间单元在一定程度上忽略了县域甚至更小尺度上的空间相关关系，而小尺度的研究对揭示江苏省农田植被净碳汇的空间格局则更为必要，未来将在这方面做更为深入的研究。

5　结　论

1）2000—2015年，江苏省农田植被具有较强的碳汇功能，净碳汇总量与净碳汇强度的地区差异明显。从农田植被净碳汇总量上看，苏北及苏中地区呈现波动上升趋势，苏南地区总体呈现下降趋势，且苏北地区＞苏中地区＞苏南地区；从农田植被净碳汇强度上看，江苏省各市农田植被净碳汇强度总体呈上升趋势，且苏中地区＞苏北地区＞苏南地区。

2）2000—2015年，江苏省农田植被净碳汇重心总体呈现西北方向迁移。重心在迁移的过程中呈现出多次向东南方向振荡偏移进而又向西北方向迁移的特点，2000—2004年间的振荡偏移幅度较大，而后逐渐缩小。重心迁移方向的特点表明苏中和苏北地区是未来江苏省农田植被净碳汇的主要潜力区。

3）2000—2015年，江苏省农田植被净碳汇表现为“北热南冷”相对稳定的空间格局。江苏省农田植被净碳汇呈现出全局依懒性和空间正相关特征，农田植被净碳汇空间正相关性呈现先上升后下降的趋势，局部空间自相关特征表现为沿海地区和内陆地区的农田植被净碳汇水平明显高于沿江地区，热点区域的比重由 2000年的30.77%上升到2015年的38.46%，冷点区域则由2000年的30.77%下降到2015年的23.08%。

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