基于碳足迹的黑龙江垦区农业生态系统碳源/汇时空变化*

郝小雨

（黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，哈尔滨 150086）

0 引言

碳作为重要的非金属元素，可通过不同方式来表征农业生产水平（净初级生产力以固定CO2的能力表征）、土壤肥力指标（土壤有机质）和环境问题如全球增温（CO2）[1]。与化石燃料燃烧排放的CO2相比，人类通过改变土地利用方式向大气中排放了数量惊人的温室气体[2]。农业生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，是重要的碳源和碳汇：一方面农作物生长和土壤微生物活动会直接排放温室气体，与此同时农业生产资料的投入（化肥、农药和农膜）、农业生产燃料动力和农田耕作、灌溉等本身也具有巨大的排放量[3,4]；另一方面，也可经过推荐管理措施（Recommended Management Practices,RMPs）提高土壤的有机和无机碳含量，将大气中的CO2固持在土壤碳库中，即土壤的固碳作用[5,6]。那么，如何实现农业生态系统中碳的度量？运用碳足迹的方法实现了统一可比的量度[7]。碳足迹（Carbon footprint）是指一定的时间和空间边界内，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，可用来评估农田系统或某项农业措施的优劣[8,9]。段华平等[9]分析了1990—2009年中国农田生态系统的碳足迹，结果显示碳排放量、碳吸收量、碳足迹均呈现增加趋势，福建、海南、上海、浙江和广东的单位面积碳足迹较高，黑龙江最低。李明琦等[10]指出，1985—2015年云南省农田生态系统碳排放、碳吸收、碳足迹均为增加趋势，其中化肥施用产生的碳排放贡献最大，表现为碳生态盈余。王梁等[11]估算了2002—2013年山东省农田生态系统碳源、碳汇及其碳足迹变化，指出碳吸收量和碳汇量呈增加趋势，碳排放量和碳足迹呈降低趋势。张精等[12]分析了安徽省农田生态系统碳源/汇时空差异，发现碳排放强度和碳吸收程度呈现出明显的阶段性特征，农田生态系统的碳足迹小于区域生态承载力。黑龙江垦区是我国粮食主产区之一，自1949年起累计生产粮食达到4.1亿t，为保障国家粮食安全做出了重大贡献[13]。明确垦区农田生态系统碳源/汇强度及碳足迹变化特征，对于制订合理的农业减排策略和建设低碳农业具有积极意义。因此，文章以黑龙江垦区农田生态系统为研究对象，收集整理1992—2019年相关统计数据，从时间和空间两方面分析垦区主要粮食作物、经济作物和蔬菜瓜果类作物的碳排放、碳吸收和碳足迹变化特征，明确影响碳足迹的主要因素，旨在为促进垦区农田生态系统固碳减排、发展低碳农业和保障农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 黑龙江省垦区概况

黑龙江省垦区（现划归北大荒农垦集团有限公司）地处我国东北部小兴安岭南麓、松嫩平原和三江平原地区（图1），属寒温带与温带大陆性季风气候。辖区土地总面积5.54万km2，下辖9个分局（分公司），分别为宝泉岭分局、红兴隆分局、建三江分局、牡丹江分局、齐齐哈尔分局、九三分局、北安分局、绥化分局和哈尔滨分局，分布在全省12个市。黑龙江省垦区农田作物种类丰富，粮食作物有玉米、水稻、小麦、豆类、谷子、高粱、薯类等，经济作物有油料、甜菜、麻类、药材、烟叶等，及蔬菜、瓜果类作物。

图1 黑龙江垦区分布

1.2 数据收集

黑龙江省垦区和黑龙江省农作物播种面积、经济产量、化肥施用量、农药使用量、农用塑料簿膜使用量、农用柴油使用量、农业机械总动力以及有效灌溉面积等数据参考1993—2020年《黑龙江垦区统计年鉴》和《黑龙江统计年鉴》。

1.3 碳排放量计算

农田生态系统的碳排放主要由农业生产资料的投入（化肥、农药和农膜）、农业生产燃料动力（农用机械用电、农产品加工用电和农用机械柴油消耗）和农田耕作、灌溉等产生的间接碳排放。计算方法为[10,14]：

式（1）至（6）中，E、Ef、Ep、Em、Ee、Ei分别代表农田生态系统的碳排放总量以及化肥施用、农药使用、农膜使用、农业机械应用、农业灌溉产生的碳排放量（kg）；Gf、Gp、Gm、Ae、We、Ai分别代表化肥施用量（kg）、农药使用量（kg）、农膜使用量（kg）、农作物种植面积（hm2）、农业机械总动力（kW）、灌溉面积（hm2）；A、B、C、D、F、G分别为化肥（氮肥、磷肥、钾肥和复合肥）、农药、农膜、农作物、农业机械和灌溉的碳排放系数（表1）[3,10,11,14-16]。

式（7）中，Eqm代表农田生态系统单位面积碳排放强度，kg/hm2；At为农作物总播种面积，hm2。

表1 农田生态系统投入品碳排放系数

1.4 碳吸收量计算

农田生态系统中农作物全生育期的碳吸收量计算方法为[10,14]：

式（8）中，Ct为农田生态系统作物碳吸收总量，t；Ci为i类农作物的碳吸收率；Yi为i类农作物的经济产量，t；Wi为i类农作物经济产品的含水率；Ri为第i类农作物的根冠比系数；Hi为i类农作物的经济系数（表2）[10,11,14,16-18]。

式（9）中，Cqm代表农田生态系统单位面积碳吸收强度，kg/hm2。

表2 主要农作物碳吸收率、含水率、经济系数和根冠比

1.5 碳足迹计算

碳足迹计算参考段华平等[9]的方法。

式（10）中，CEF为农田生态系统碳足迹，hm2。农田生态系统碳足迹如果大于该区域的生态承载力（播种面积），说明出现了碳生态赤字；如果小于该区域的生态承载力，则表明碳生态盈余。

式（11）中：CER为生态盈亏，正值为生态盈余，负值为生态赤字。

1.6 计算方法

采用Excel 2016进行数据统计。采用SPSS 24软件进行相关性分析（Pearson correlation coefficients）和回归分析。

2 结果与分析

2.1 黑龙江垦区主要农作物播种面积和产量演变特征

1992—2019年黑龙江垦区农作物总播种面积呈“阶梯状”上升趋势（图1），2019年达到290.1万hm2，较1992年提高73.1%，年均增加2.7%，其中1992—2003年稳中有升，2003—2010年快速增加，2010—2019年趋于稳定。从不同作物来看，1992—2019年粮食作物变化趋势与黑龙江垦区农作物总播种面积变化一致。经济作物和蔬菜瓜果类作物播种面积表现为“抛物线”变化趋势。从农作物占比来看，粮食作物最高，在86.1%～99.2%之间，特别是近10年占比持续增加，而经济作物和蔬菜瓜果类作物占比较低。

黑龙江垦区农作物产量变化趋势与播种面积变化总体一致。2019年农作物总产量达到2 042.1万t，较1992年提高306.2%，年均增加11.3%，其中粮食作物增长较快，较1992年提高440.7%，经济作物产量下降98.1%，蔬菜瓜果类作物下降59.3%。

图1 1992—2019年黑龙江垦区主要农作物播种面积和产量变化

2.2 黑龙江垦区农田生态系统碳排放变化

2.2.1 碳排放时间变化

由图2可知，1992—2019年黑龙江垦区农田生态系统碳排放总量从26.4万t上升到116.6万t，增加了341.0%，年均增12.6%，为“阶梯状”增加趋势。从各排放因子来看，化肥、农药、农膜、机械和灌溉的碳排放量分别由1992年的15.4万t，2.6万t，0.2万t，2.8万t和5.4万t增长到2019年的45.0万t，8.2万t，7.1万t，5.0万t和51.3万t，年均增长率分别为7.1%，7.9%，133.0%，2.9%和31.3%，其中农膜和灌溉产生的碳排放量增长趋势较为明显。

分析各个因子农田生态系统碳排放平均比例，化肥所占比例最高，达到42.2%（其中氮肥占比34.4%，磷肥2.2%，钾肥0.8%，复合肥4.8%，），其次为灌溉38.0%，农药7.1%，农膜6.6%，最低为机械6.1%，化肥和灌溉是碳排放的主要贡献因子。

2.2.2 碳排放空间变化

从分布区域来看（图3），黑龙江垦区农田生态系统碳排放主要集中在黑龙江省东部和东北部，其中碳排放量较大的为宝泉岭分局、红兴隆分局、建三江分局和牡丹江分局4个管理局，平均占比分别达到15.1%，18.6%，24.7%，和18.4%。黑龙江垦区各管理局农田生态系统碳排放量总体呈逐步增加的趋势（集团直属除外），其中宝泉岭分局、红兴隆分局、建三江分局、牡丹江分局、北安分局、九三分局、齐齐哈尔分局、绥化分局和哈尔滨分局分别由1992年的4.2，5.2，2.7，4.4，2.9，2.4，2.2，1.2和0.2万t上升到到2019年 的16.8，20.3，35.1，21.0，7.1，5.8，6.5，2.8和1.0万t，年均 增 长率分 别 为10.7%，10.5%，30.7%，13.5%，5.2%，5.2%，6.8%，4.9%和14.3%。建三江分局农田生态系统碳排放量增长较快，占比由1992年的13.8%增加到2019年的30.1%。

图2 1992—2019年黑龙江垦区农田生态系统碳排放变化

2.2.3 碳排放强度变化

从图4可以看出，黑龙江垦区农田生态系统单位面积碳排放量呈波动上升趋势（y=10.136x+154.82，R=0.969，P＜0.05），2019年达到401.9 kg/hm2，较1992年的145.2 kg/hm2上升了158.7%，年均增加6.5%。黑龙江垦区农田生态系统单位面积碳排放量平均值为301.8 kg/hm2，较黑龙江省增加19.0%，其中1992—1997年垦区低于黑龙江省，1998—2019年垦区高于黑龙江省。可见，黑龙江垦区仍有较大的减排空间。

图3 1992—2019年黑龙江垦区各管理局农田生态 系统碳排放分布

图4 1992—2019年黑龙江垦区农田生态 系统碳排放强度

2.3 黑龙江垦区农田生态系统碳吸收特征

2.3.1 碳吸收时间变化

黑龙江垦区农田生态系统碳吸收总量呈现“阶梯状”增加的趋势（图5），2019年达到2 568.3万t，较1992年521.7万t增加348.9%，年均增加12.9%，其中1992—1997年快速上升，1997—2003年波动起伏变化较小，2003—2012年迅速上升，2012—2019年波动较小。从不同作物类型来看，粮食作物碳吸收量变化趋势与黑龙江垦区农田生态系统碳吸收总量变化一致。黑龙江垦区经济作物碳吸收量表现为“抛物线”变化趋势，1992—2004年快速上升，之后开始回落。黑龙江垦区蔬菜瓜果类作物碳吸收量也为“抛物线”变化趋势，1992—2007年上升，之后开始下降。

黑龙江垦区农田生态系统碳吸收量明显高于同时期的碳排放量，二者比例在19.9～25.0，平均为22.8，说明黑龙江垦区农田生态系统有较强的碳汇功能。

比较黑龙江垦区不同作物碳吸收平均比例（图6），水稻、玉米、豆类、小麦四大类作物总占比达到94.9%，其中水稻为碳吸收量最高的作物，占比达到51.8%，其次为玉米17.9%、豆类作物14.1%和小麦11.1%，其他作物占比均低于2%。可见，水稻、玉米、豆类、小麦对黑龙江垦区农田生态系统碳吸收贡献最大，其他作物贡献较小。

图5 1992—2019年黑龙江垦区农田生态系统碳吸收变化

图6 黑龙江垦区农田生态系统碳吸收比例

2.3.2 碳吸收空间变化

由图7可知，黑龙江垦区农田生态系统碳吸收主要集中在黑龙江省东部和东北部的宝泉岭分局、红兴隆分局、建三江分局和牡丹江分局，平均占总碳吸收量的14.7%，18.7%，23.2%和17.5%。黑龙江垦区各管理局农田生态系统碳吸收量总体呈逐步增加的趋势（集团直属除外），其中宝泉岭分局、红兴隆分局、建三江分局、牡丹江分局、北安分局、九三分局、齐齐哈尔分局、绥化分局和哈尔滨分局分别由1992年的112.4万t，107.1万t，61.3万t，91.4万t，75.7万t，73.4万t，44.2万t，30.1万t和4.5万t上升到到2019年的333.9万t，459.6万t，786.4万t，445.6万t，191.9万t，136.4万t，130.6万t，64.7万t和16.3万t，年均增长率分别为7.0%，11.8%，42.2%，13.8%，5.5%，3.1%，7.0%，4.1%和9.5%。建三江分局农田生态系统碳吸收量增长较快，占比由1992年的10.2%增加到2019年的30.6%。

2.3.3 碳吸收强度变化

图8为黑龙江垦区碳吸收强度，黑龙江垦区农田生态系统单位面积碳吸收量呈波动上升趋势（y=246.29x+3 346.6，R=0.955，P＜0.05），2019年达到8 854.1 kg/hm2，较1992年的3 126.1 kg/hm2上升了183.2%，年均增加6.8%，其中1992—1997年快速上升，1997—2003年波动变化，2003—2011年迅速上升，2011—2019年波动较小。黑龙江垦区农田生态系统单位面积碳吸收量平均值为6 917.8 kg/hm2，较黑龙江省的增加42.1%，其中1992—1995年垦区低于黑龙江省，1996—2019年垦区明显高于黑龙江省。

图7 1992—2019年黑龙江垦区各管理局农田生态 系统碳吸收分布

图8 1992—2019年黑龙江垦区农田生态 系统碳吸收强度

2.4 黑龙江垦区农田生态系统碳足迹变化

2.4.1 碳足迹时间变化

由图9可知，黑龙江垦区农业生态系统的碳足迹呈现波动增加趋势，2019年达到13.2万hm2，较1992年的8.5万hm2上升了55.7%。农田生态系统碳足迹占同时期种作物播种面积的比例较低，在4.0%～5.0%之间。1990—2019年黑龙江垦区农田生态系统均表现为碳盈余，说明黑龙江省农业生态系统碳汇功能较强。

2.4.2 碳足迹空间变化

黑龙江垦区农业生态系统碳足迹主要集中在黑龙江省东部和东北部的黑龙江垦区宝泉岭分局、红兴隆分局、建三江分局和牡丹江分局（图10），占比平均为13.7%，18.2%，23.3%和16.9%。黑龙江垦区各管理局农田生态系统碳足迹总体呈逐步增加的趋势（集团直属除外），其中宝泉岭分局、红兴隆分局、建三江分局、牡丹江分局、北安分局、九三分局、齐齐哈尔分局、绥化分局和哈尔滨分局年均增长率分别为3.0%，1.4%，4.9%，2.2%，1.6%，2.7%，2.0%，1.9%和15.8%。

图9 1992—2019年黑龙江垦区农业生态系统的 碳足迹和生态盈亏

图10 1992—2019年黑龙江垦区各管理局农田 生态系统碳足迹

2.5 黑龙江垦区农田生态系统碳排放、碳吸收和碳足迹影响因素分析

将1992—2019年黑龙江垦区农业生态系统的碳排放、碳吸收和碳足迹分别作为因变量，将同时期驱动因子（氮肥施用量、磷肥施用量、钾肥施用量、复合肥施用量、农药使用量、农用塑料簿膜使用量、农业机械总动力、有效灌溉面积和农作物总产量）作为自变量，进行逐步回归分析，结果为：

在影响碳排放的相关因素中，黑龙江垦区有效灌溉面积和氮肥施用量的标准系数绝对值分别为0.491和0.299，明显大于其他因子，对碳排放影响最为强烈，其他因子贡献较小。农作物总产量是影响黑龙江垦区农业生态系统的碳吸收的主要因素，其标准系数绝对值达到0.841，其次为有效灌溉面积和氮肥施用量，其他因子影响较小。黑龙江垦区农业生态系统的碳足迹受农作物总产量影响最大，其标准系数绝对值达到2.077，之后为氮肥施用量1.596，也有较强影响，其他因子影响较小。

3 讨论与结论

该研究中，1992—2019年黑龙江垦区农田生态系统碳排放表现为“阶梯状”增加趋势，贡献较大的因素为农田灌溉和氮肥施用，二者占比分别达到38.0%和34.4%，这与2000年以后化肥施用量和有效灌溉面积迅速增加有关。从碳排放强度来看，1992—2019年黑龙江垦区单位面积碳排放量在145.2～401.9 kg/hm2之间，虽高于黑龙江省的单位面积碳排放量，但均低于同时期全国460～710 kg/hm2的碳排放强度[9]。黑龙江垦区农田生态系统碳排放主要集中在黑龙江省东部和东北部的宝泉岭分局、红兴隆分局、建三江分局和牡丹江分局，总占比从1992年的65.9%上升到2019年的75.9%，与这4个管理局的农业种植结构有关。近30年，4个管理局的水稻种植面积持续上升，从1992年的6.3万hm2增加到2019年的141.5万hm2，占比从77.9%上升到92.7%，与此同时水稻产量也稳步提升，种植面积和产量增加的同时加剧了水肥资源的消耗。据统计，近10年来黑龙江垦区年降水量减少5亿m3，地下水可开发量减少400万m3，垦区下辖9个管理局所在地区的降水和地表水资源的空间分布不均，水资源的胁迫程度正在增加[19]。垦区水稻生产中，还存在化肥施用量变幅大、施肥过量与不足并存和水分管理不合理等问题[20]。可见，降低碳排放和提高水肥资源利用效率既是科学目标，又是现实需求。近年来，黑龙江省垦区深入推进“农业三减”和“农业节水”行动：2015—2019年化肥施用量维持在56.4万～58.9万t，较2014年降低0.6%～4.9%。牡丹江管理局推广水稻节水控制灌溉技术，应用面积26.75万hm2(401.23万亩)，节水率平均在10%以上，节水效果显著[21]。但应注意的是，农田灌溉和氮肥施用产生的碳排放占比依旧较高，下一步在保证农作物产量的同时，需强化氮肥养分管理和合理灌溉，减少化肥施用量，兴建农田水利设施，不断优化灌溉、排水工程技术，探索适宜的水稻节水灌溉科学方法。

黑龙江垦区农田生态系统碳吸收总量呈现“阶梯状”增加的趋势，且明显高于同时期的碳排放量，这也与云南省[10]、山东省[11]、湖南省[22]、河南省[23]、的研究结果相似。另外，黑龙江垦区农田生态系统碳足迹仅占同时期种作物播种面积的4.0%～5.0%，垦区农田生态系统均表现为碳盈余，上述结果说明黑龙江垦区农田生态系统有较强的碳汇功能，这对于农田生态系统发挥较好的生态屏障作用和补偿其他行业的碳生态赤字具有积极作用。

该研究利用黑龙江垦区相关统计数据核算农田生态系统的碳源、碳汇和碳足迹，基本涵盖了农业生产资料的投入、农业生产燃料动力和农田耕作、灌溉等产生的间接碳排放，明确了在同一标准下主要农作物的碳吸收特征，客观地反映了垦区农田生态系统碳足迹变化。但应注意的是，该研究未考虑垦区土壤的固碳效应，也未将农作物及土壤的温室气体排放、吸收考虑在内，特别是近30年来垦区水稻种植面积持续增加，与此同时稻田产生的CH4排放必然随之上升。有研究指出，黑龙江省三江平原水稻生长季向大气释放的甲烷-碳总量为0.424～0.513 Tg[24]，而CH4释放造成的垦区升温效应还不明确。此外，相关计算系数参考了国内外相关文献，与垦区实际情况不完全相符，造成研究结果的全面性和准确性有所降低。下一步，深入研究黑龙江垦区不同农业生态系统的碳排放和碳吸收系数，充分考虑作物和土壤呼吸及土壤固碳作用，以期为垦区制订低碳行动计划提供更加丰富和精确的数据。

综上可知，黑龙江垦区农田生态系统碳排放表现为“阶梯状”增加趋势，主要集中在黑龙江省东部和东北部，农田灌溉和氮肥施用是碳排放的主要贡献因素，下一步还需强化氮肥资源养分管理和合理灌溉。黑龙江垦区农田生态系统碳吸收量和碳足迹均呈现增加的趋势，但碳吸收量显著高于碳排放量，且碳足迹占比仅为4.0%～5.0%，垦区农田生态系统表现为碳盈余，碳汇作用效果显著。