湖北省农业碳排放的时序特征与影响因素分析

张金鑫，胡婉玲，王红玲

（1.湖北大学商学院，武汉 430062；2.湖北省宏泰国有资本投资运营集团有限公司，武汉 430077）

由于温室气体排放过量而造成的全球气候变暖问题已经成为全球关注的焦点。2016年在纽约签署的《巴黎协定》中，全球170 多个国家承诺减少温室气体排放，控制气温升高。联合国政府间气候变化组织委员会（IPCC）的研究表明，农业活动产生的温室气体占到了全球温室气体排放总量的13.5%。而根据联合国粮食及农业组织的报告，“农业、林业和土地用途改变约占全球温室气体排放的20%”。从这些数据可以看出，农业是重要的温室气体排放源。中国是一个传统的农业大国，尚处于粗放式发展阶段，农业活动产生的温室气体占温室气体总量的17%。减少农业碳排放，对于中国来说，是完成减排目标的必要措施之一。

对于农业碳排放的现有研究主要包括两个方面。第一个方面是农业碳排放量的测算，包括全国、以及分区域（分省市甚至分地市、县市）农业碳排放量的测算。田云等［1］测算了中国1993—2008年农地利用碳排放量，并通过Kaya 恒等式分解了影响农业碳排放的因素。李波等［2］从投入视角分析了中国1993—2008年农业碳排放，并分析了农业碳排放与经济增长的脱钩关系。田云等［3］测算了中国31 个省（市）2002—2011年农业碳排放，并利用基尼系数及核密度的方法分析了各省（市）农业碳排放的时空差异。陈炜等［4］测算了中国种植业1997—2015年的碳排放，并比较了不同区域之间的差异。第二个方面是农业碳排放影响因素的研究，主要是基于Kaya 恒等式和回归模型分析影响农业碳排放的影响因素。李波等［5］利用Kaya 恒等式，以加和分解的形式研究了中国1993—2008年农业碳排放的影响因素，结果发现农业发展是农业碳排放的主要推动因素。颜廷武等［6］以1991—2012年中国农业碳排放与农业经济强度的时间序列验证了环境库兹涅茨曲线的存在。文清等［7］利用LMDI 模型研究了中国1993—2012年30 个省（市）农业碳排放的影响因素。史常亮等［8］从中国农业能源消费的角度分析了1980—2014年农业能源消费的碳排放情况，并运用LMDI 模型分析了影响因素。

湖北省是农业大省，科学地测算湖北省农业碳排放并有效地识别其农业碳排放的驱动因素是促进湖北省农业低碳发展的必要之举。因此，本研究以湖北省为研究对象，测算湖北省1993—2017年农业碳排放的变化情况并进行LMDI 分解，以期探讨有效的减排对策。

1 研究方法

1.1 农业碳排放的测算

结合IPCC（2006）推荐指南中的方法以及已有学者们的研究［4，5，9，10］，对农业碳排放进行测算。

式中，E为农业碳排放总量；Ei为各类碳源排放量；Ti表示各类碳源的量；δi表示第i类碳源的排放系数。

农业碳排放的碳源主要分为化肥、农药、农用薄膜、农用柴油、农业播种面积、农业灌溉面积6 类碳源，其中，化肥、农药排放系数分别为0.895 6、4.934 1 kg∕kg（美国橡树岭国家实验室），农用薄膜排放系数为5.180 0 kg∕kg（南京农业大学农业资源与生态环境研究所），农用柴油排放系数为0.592 7 kg∕kg（IPCC，2006），农业播种面积排放系数为3.126 0 kg∕hm2（中国农业大学生物与技术学院），农业灌溉面积排放系数为25.000 0 kg∕hm2（Dubey，2009）。

1.2 Mann-Kendall和滑动T 检验

1.2.1 Mann-Kendall 检验 采用Mann-Kendall 非参数检验的方法来检验湖北省农业碳排放的趋势性和突变点。Mann-Kendall 非参数检验不要求样本满足正态分布，也不受少数异常点的影响，因此，本研究运用Mann-Kendall 非参数检验得出的结果具有一定的科学性。

设x1,x2,x3,…,xn是长度为n的时间序列，则在Mann-Kendall 非参数检验中统计量Z的公式如下。

当n大于10 时，Z是标准的正态分布，则当|Z|≥Z1-α∕2，表明在显著性水平α下，时间序列有显著的下降趋势或上升趋势，当Z> 0 则是上升趋势，Z< 0 则是下降趋势。

同时也可以构造Mann-Kendall 非参数检验的统计量UF的曲线来判断整体趋势和突变点是否存在。统计量UF可以通过式（4）至式（6）来构造。

则可以得到Sk的均值和方差：

E(Sk)=k(k-1)∕4,Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)∕72 1 ≤k≤n

所以，

因为UFk为标准的正态分布，所以当 ||UFk>Uα，表明在显著性水平α下，时间序列有显著的下降趋势或上升趋势。可以计算出时间序列逆序列的UFk，并令UBk= -UFn-k+1。如果UBk和UFk在置信区间内有交点，则该交点可能是突变点。

1.2.2 滑动T检验 运用Mann-Kendall 检验出可能的突变点之后，需要运用滑动T检验来进一步确定该突变点是否真实可靠。滑动T检验的基本思路是在突变点之前和之后各取n1、n2个连续样本，然后计算统计量T。

1.3 LMDI分解

根据Kaya 恒等式的基本形式，借鉴田云等［1］、李波等［5］、胡婉玲等［11］的研究，将农业碳排放进行如下的分解。

在式（2）、式（3）中，E、PGDP、AGDP、GDP、TP和P分别表示农业碳排放量、种植业GDP、农牧渔林业GDP、地区GDP、地区总人口和农村总人口。EI、AI、IS、EDL、URB、P分别表示农业生产效率、农业产业结构、产业结构、地区经济发展水平、城镇化和农村人口。

为了进一步分析农业碳排放的影响因素，对式（9）、式（10）进行分解。Ang［12］指出LMDI 是一种相对合理的分解方法，可以满足加和分解的残差项为0，且因素可逆。本研究采用LMDI 加和分解的方式对湖北省农业碳排放的影响因素进行分解，具体如下：

式中，t表示时间，0 表示基期时间，ΔE表示农业碳排放在基期到t时间的变化量。ΔEI、ΔΑΙ、ΔIS、ΔEDL、ΔURB、ΔP分别表示农业生产效率、农业产业结构、产业结构、地区经济发展水平、城镇化和农村人口对农业碳排放在基期到t时间变化量的贡献值，即农业碳排放的影响因素。根据LMDI 的分解方法，可以得到ΔEI、ΔΑΙ、ΔIS、ΔEDL、ΔURB、ΔP的计算公式。

2 数据来源及处理方法

本研究所使用的数据均来源于《湖北省统计年鉴》（1994—2018年）和《中国农村统计年鉴》（1994—2018年），获得1993—2017年湖北省化肥、农药、农用薄膜、农用柴油、农业播种面积、农业灌溉面积、种植业GDP、农牧渔林业GDP、地区GDP、地区总人口和农村总人口的数据，对于种植业GDP、农牧渔林业GDP 及地区GDP 分别以1990年为基期进行平减，获得可以比较的数据，最后运用Excel 2016 和Python 3.7 对数据依照式（1）至式（18）进行处理。

3 结果与分析

3.1 湖北省1993—2017年农业碳排放量

根据式（1），可以计算出湖北省1993—2017年农业碳排放量，结果见表1。从表1 可以看出，湖北省农业碳排放量从1993年的237.40 万t 增长到2017年的420.71 万t，年平均增长率为2.41%，年平均碳排放量为383.71 万t。单位GDP 碳排放量从1993年的536.57 kg∕万元下降到2017年的111.70 kg∕万元，年平均值为319.61 kg∕万元，年平均增长率为-6.33%。单位耕地碳排放量从1993年的699.75 kg∕hm2增长到2017年的1 218.58 kg∕hm2，年平均值为1 161.50 kg∕hm2，年平均增长率为2.34%。

从表1 还可以看出，化肥、农药、薄膜、柴油、灌溉面积和播种面积引起的碳排放依次减少，且化肥导致的碳排放量占有绝对支配地位，而灌溉面积和播种面积导致的碳排放量占比几乎可以忽略。具体来看，化肥、农药、薄膜、柴油在1993—2017年年平均值分别为290.34 万、11.48 万、5.81 万、49.04 万t，年均增长率分别为2.33%、2.54%、2.50%、3.46%，播种面积和灌溉面积年平均值分别为748.518 万、222.905 万hm2，年均增长率分别为0.46%、0.26%，由此导致1993—2017年的化肥、农药、薄膜、柴油、播种面积和灌溉面积碳排放量年平均值分别为260.03 万、56.63 万、30.08 万、29.06 万、2.34 万、5.57万t，导致的碳排放量年平均值占比依次为67.77%、14.76%、7.84%、7.57%、0.61%、1.45%，其导致的碳排放年均增长率分别为2.33%、2.54%、2.50%、3.46%、0.46%、0.26%。

表1 湖北省1993—2017年农业投入与碳排放量

3.2 湖北省1993—2017年农业碳排放时序特征

3.2.1 湖北省1993—2017年农业碳排放趋势变化 湖北省1993—2017年农业碳排放量及增量时序见图1。湖北省农业碳排放量在2012年达到顶峰（472.54 万t），从趋势线来看，整体上呈上升趋势。湖北省农业碳排放量增量波动较大，从趋势线来看，整体上呈下降趋势。

图1 湖北省1993—2017年农业碳排放量及增量

湖北省1993—2017年单位GDP 碳排放量及增量时序见图2。湖北省单位GDP 碳排放量在1993—2004年是不稳定的波动，在2005—2017年则持续下降，从趋势线来看，整体呈下降趋势。湖北省单位GDP 碳排放量增量排除几个异常点外，从趋势线来看，整体上没有呈现出明显的趋势。

图2 湖北省1993—2017年单位GDP 碳排放量及增量

湖北省1993—2017年单位耕地碳排放量及增量时序见图3。湖北省单位耕地碳排放量在2012年达到顶峰（1 393.89 kg∕hm2），从趋势线来看，整体呈上升趋势。湖北省单位耕地碳排放量增量波动较大，从趋势线来看，整体呈下降趋势。

图3 湖北省1993—2017年单位耕地碳排放量及增量

利用式（2）和式（3）可以计算出湖北省1993—2017年农业碳排放量及增量、单位GDP 碳排放量及增量、单位耕地碳排放量及增量6 个时间序列的Mann-Kendall 非参数检验中统计量Z，结果如表2所示。湖北省农业碳排放总量呈显著上升趋势，农业碳排放增量呈显著下降趋势，单位GDP 碳排放量及增量都呈显著下降趋势，单位耕地碳排放量呈显著上升趋势，单位耕地碳排放量增量呈显著下降趋势。

表2 Mann-Kendall 趋势检验

3.2.2 湖北省1993—2017年农业碳排放突变检测 利用式（4）至式（6）对湖北省1993—2017年农业碳排放量及增量、单位GDP 碳排放量及增量、单位耕地碳排放量及增量6 个时间序列进行突变检验，结果如图4 至图9 所示。

图4 农业碳排放总量M-K 统计曲线

图5 农业碳排放总量增量M-K 统计曲线

图6 单位GDP 碳排放量M-K 统计曲线

图7 单位GDP 碳排放量增量M-K 统计曲线

图8 单位耕地碳排放量M-K 统计曲线

图9 单位耕地碳排增量M-K 统计曲线

由图4 至图9 可以看出，农业碳排放总量、单位GDP 碳排放量、单位耕地碳排放量UBk和UFk在临界值（-1.96，1.96）内没有交点，说明这3 个序列没有突变点。而农业碳排放量增量、单位GDP 碳排放量增量、单位耕地碳排放量增量UBk和UFk在临界值（-1.96，1.96）内有交点，说明这3 个序列可能存在突变点，观察图5、图7、图9 可以得到可能的突变点，结果如表3 所示。

表3 可能存在的突变点

利用式（7）和式（8）对表3 可能存在的突变点进行滑动T检验，结果如表4 所示。从检验结果（表4）可以看出，农业碳排放量增量存在2 个突变点，即1998年和2013年，单位GDP 碳排放量增量不存在突变点，单位耕地碳排放量增量存在2 个突变点，即1998年和2013年。

表4 滑动T 检验结果

3.3 湖北省1993—2017年农业碳排放影响因素的分解

利用式（9）至式（18）对湖北省1993—2017年农业碳排放的影响因素进行分解，结果如表6 所示。从表6 的数据可以得出如下结论。

1）从1993—2017年来看，农业生产效率、农业产业结构、产业结构、地区经济发展水平、城镇化和农村人口6 个因素共实现183.29 万t 农业碳排放的增加量，其中，农业生产效率、农业产业结构、产业结构和农村人口是4 个减排因素，共减排1 296.62万t，而地区经济发展水平和城镇化是农业碳排放增加的主要贡献因素，共导致1 479.94 万t 农业碳排放的增加。

2）农业生产效率、农业产业结构、产业结构和农村人口4 个减排因素一共实现了546.17%（与基期1993年碳排放量相比）农业碳减排。在4 个因素中，农业生产效率减排贡献最大，共实现558.93 万t农业碳减排，贡献率为235.43%，表明在其他因素不变的情况下，湖北省农业生产效率的改善可以使其年均农业碳排放减少23.29 万t；产业结构减排贡献次之，一共实现了484.32 万t 的农业碳减排，贡献率占204.00%，表明在其他因素不变的情况下，湖北省产业结构的优化可以使其年均农业碳排放减少20.18 万t；农村人口减排贡献排在第三位，一共实现了202.76 万t 的农业碳减排，贡献率占85.41%，表明在其他因素不变的情况下，湖北省农村人口的增加可以使其年均农业碳排放减少8.45 万t；农业产业结构减排贡献最小，共实现了50.61 万t 的农业碳减排，贡献率占21.32%，表明在其他因素不变的情况下，湖北省农业产业结构的增加可以使其年均农业碳排放减少2.11 万t。

3）地区经济发展水平和城镇化2 个因素共实现了623.37%（与基期1993年碳排放量相比）农业碳排放的增加。其中，地区经济发展水平是导致湖北省农业碳排放增加的主要因素，在1993—2017年共导致了1 259.91 万t 农业碳排放的增加，增排率达530.69%（与基期1993年碳排放量相比），表明在其他因素不变的情况下，湖北省经济发展水平的提升可以使湖北省农业碳排放年均增加52.50 万t。城镇化是导致湖北省农业碳排放增加的次要因素，在1993—2017年共导致了220.03 万t 农业碳排放的增加，增排率为92.68%（与基期1993年碳排放量相比），表明在其他因素不变的情况下，湖北省城镇化水平的提升可以使湖北省农业碳排放年均增加9.17万t。

与田云等［1］、贺亚亚等［13］的研究相比，在碳源的选取上，本研究选取的6 类碳源更为全面；采用Mann-Kendall 非参数和滑动T检验来检测农业碳排放的趋势与突变点，比前人的分析更为可靠，在碳排放影响因素的分解上，进行了一定的创新。

表6 湖北省1993—2017年农业碳排放影响因素分解结果 （单位：万t）

4 小结与启示

以湖北省为研究对象，测算了湖北省1993—2017年农业碳排放，并利用Mann-Kendall 非参数和滑动T检验进行了时序特征的分析，最后运用LMDI 分解来研究其影响因素，研究发现，湖北省农业碳排放量在1993—2017年总体上是处于先上升后下降的过程，且在2012年农业碳排放量达到顶点，为472.54 万t，但具有显著的上升趋势，农业碳排放增量则具有显著的下降趋势，单位GDP 碳排放量及增量具有显著下降趋势，单位耕地碳排放量具有显著上升趋势，单位耕地碳排放量增量具有显著下降趋势；农业碳排放量增量和单位耕地碳排放量增量的2 个突变点是1998年和2013年；在影响因素的分解中发现，农业生产效率、农业产业结构、产业结构和农村人口是4 个减排因素，且减排的贡献由小到大依次是农业产业结构、农村人口、产业结构、农业生产效率，地区经济发展水平和城镇化是导致湖北省农业碳排放增加的2 个因素。综上所述，提出如下的农业减排政策建议。

1）发展绿色农业。从碳源来看，化肥、农药、薄膜、柴油的增加是导致湖北省农业碳排放增加的主要因素，因此湖北省应该发展绿色农业，加大投入，推广使用可降解的农膜、新能源农业机械，科学种植，减少化肥、农药使用量，以便减少农业碳排放。

2）提高农业生产效率。农业生产效率是湖北省农业减排的最重要因素，需要进一步加强，可以采取政府引导、企业主导、农民参与的“政府-企业-农民”新型的农业生产方式，以实现规模经济、机械化生产，提高农业生产效率，同时政府要加大农业现代化、物联网化的发展，促进湖北省农业的技术进步。

3）促进传统农业的转型升级。促进传统农业转型升级以优化湖北省的产业结构，进而减少农业碳排放。湖北省可以发展一些具有高附加值的农业，例如有机蔬菜、中药种植等，这样既可以减少农业碳排放，还可以增加农业的产出。

4）优化农业产业结构。农业产业结构是湖北省农业碳减排的一大影响因素，且从现实来看，湖北省种植业GDP 占农业GDP 的比例依然在55% 左右（根据《湖北省统计年鉴》计算得到），这说明产业结构的优化依然具有较大的潜力。湖北省应大力发展渔业、畜牧业等低碳农业，且对现有的种植业要加大高附加值农产品的种植，以提高农业产出，减少农业碳排放。

5）加强宣传，树立低碳农业意识。生态兴，则文明兴。生态文明建设的一个核心措施就是要发展低碳农业，首先要求对农民进行广泛地宣传，让农民意识到减少农业碳排放的重要意义，且对于农业企业要进行农业减排的宣传教育，对支持农业减排的企业可以予以减税、公开表彰等奖励。