中国农田生态系统碳收支动态——以2010—2020年为例

李梦琦肖辉张慧程文娟赵杰王立艳董昱辰

(1.天津市农业科学院，天津 300384；2.天津大学环境科学与工程学院，天津 300350；3.天津亚派绿肥生物科技发展有限公司，天津 301600)

人类进入工业革命以来，大量使用化石燃料，过度开垦森林，使大气中CO2浓度增加43%[1]。CO2等温室气体的过量排放导致了全球气候异常和一系列环境问题。温室气体减排在全球范围内越来越受到重视。

农田生态系统是温室气体的重要排放源之一。20%的CO2、70%的CH4以及90%的N2O均来源于农业及其相关过程[2]。同时，农田生态系统又是重要的碳汇。农作物通过光合作用吸收大气中的CO2，合成有机物固定在作物体内，并利用农田土壤进行固碳[3]。农田生态系统碳储存量约占全球碳储存量的10%，全球耕地总固碳潜力达0.75～1.0Pg·a-1[4]。农田是陆地生态系统中最活跃的碳库，碳积蓄过程周期短、储量大[5]，并且能通过人为因素加以调控[6]。实现农田生态系统固碳减排对“双碳”目标的达成具有重要意义。

对农田碳吸收和碳排放进行全面测算，是研究农田固碳减排问题的基础[7]，而目前对农田碳收支进行测算的相关文献资料仍比较少。本研究根据中国2010—2020年相关统计资料，估算中国农田生态系统碳收支情况，以期为实现我国农田固碳减排和农业可持续发展提供参考和数据支持。

1 材料与方法

1.1 数据来源

2010—2020年中国农田生态系统主要农作物产量、播种面积、耕地灌溉面积、化肥施用量、农药、农膜、柴油使用量等统计数据来源于相关年度《中国统计年鉴》和《中国农村统计年鉴》。

1.2 农田生态系统碳收支估算

以农田生产的技术系统为边界，估算农田生态系统碳吸收和碳排放。碳吸收只考虑作物生产过程中最终表现的生物量上所能吸收的碳，碳排放只考虑农用物资投入、能源消耗等引起的间接排放。

1.2.1 农田生态系统碳吸收估算

参考前人研究[8，9]，根据农作物产量数据、经济系数和碳吸收率估算碳吸收量。中国主要农作物经济系数(H)和碳吸收率(Cf)见表1。农田生态系统碳吸收量的计算公式：

表1 中国主要农作物的经济系数和碳吸收率

(1)

式中，Ct为农田生态系统碳吸收总量；i为第i类农作物；Cd为第i类农作物全生育期的碳吸收量；Cf为第i类农作物合成单位质量干物质需要吸收的碳(碳吸收率)；Dw为第i类农作物的总生物量；Yw为第i类农作物的经济产量；H为第i类农作物的经济系数。农田碳吸收强度为单位面积碳吸收量。

1.2.2 农田生态系统碳排放估算

农田碳排放的主要来源包括化肥、农药、农膜的生产和使用导致的直接或间接碳排放，农业机械消耗柴油产生的碳排放，灌溉过程中消耗电能所产生的碳排放等。农田生态系统碳排放量的计算公式：

C=∑Ci=∑Tiδi

(2)

式中，C为农田生态系统碳排放总量；Ci为各碳源的碳排放量；Ti为各碳排放源的量；δi为各碳排放源的碳排放系数。参考前人的研究参数[10-14]，确定本研究的碳排放系数。灌溉的碳排放系数为25kg·hm-2，氮肥、磷肥、钾肥和复合肥的碳排放系数分别为857.54kg·t-1、165.09kg·t-1、120.28kg·t-1和380.97kg·t-1，农药、农膜、柴油的碳排放系数分别为4.93kg·kg-1、5.18kg·kg-1、0.5927kg·kg-1。农田碳排放强度为单位面积碳排放量。

2 结果与分析

2.1 农田生态系统碳吸收变化

根据相关统计数据，计算得到2010—2020年中国农田生态系统主要农作物碳吸收情况，见表2。2010—2020年中国农田生态系统碳吸收量呈逐年上升的趋势，其中2010—2013年增长更为明显。2010年碳吸收量最低，为75389.3万t，2020年碳吸收量最高，为88867.8万t，涨幅约18%。碳吸收强度在2010—2013年逐年增加，增幅明显，2013—2020年缓慢增加，略有起伏。

表2 2010—2020年中国农田生态系统主要农作物碳吸收量和碳吸收强度

对碳吸收贡献最高的作物是玉米，约为总量的30%～36%。主要粮食作物玉米、水稻、小麦的碳吸收量变化规律类似，均为前期增加，后期基本稳定，略有波动。豆类和薯类的碳吸收量均为前期呈降低趋势，后期逐年增加。花生的碳吸收量基本上逐年增加。棉花的碳吸收量基本保持稳定。其它作物的碳吸收量并无明显规律。

2020年不同省市自治区的碳吸收量和碳吸收强度差异明显，见图1。2020年北京的碳吸收量最低，为35.4万t，河南的碳吸收量最高，为8695.4万t。2020年碳吸收强度最低的是西藏(1.36t·hm-2)、贵州(2.08t·hm-2)、青海(2.49t·hm-2)、福建(3.04t·hm-2)、重庆(3.28t·hm-2)。2020年碳吸收强度最高的是广西(13.22t·hm-2)、新疆(7.12t·hm-2)、吉林(7.01t·hm-2)、辽宁(6.26t·hm-2)、山东(6.24t·hm-2)。

图1 2020年中国各省市自治区农田生态系统的碳吸收量及碳吸收强度

2.2 农田生态系统碳排放变化

根据相关统计数据，计算得到2010—2020年中国农田生态系统碳排放情况，见表3。中国农田生态系统碳排放2010—2015年逐年上升，2015—2020年逐年下降，后期降幅高于前期增速，碳排放量2020年较2010年降低约8%。碳排放强度2010—2014年逐年上升，增幅约4%；2014—2020年逐年降低，降幅约16%。

表3 2010—2020年中国农田生态系统碳排放量和碳排放强度

灌溉的碳排放量逐年上升，2010—2020年增幅约为15%。化肥、农药、农膜、柴油的碳排放量都是先增加后降低。化肥碳排放量2014年最高，为3074.8万t，2020年较2010年降低约11%。农药碳排放量2014年最高，为890.9万t，2020年较2010年降低约25%。农膜碳排放量2015年最高，为1348.9万t，2020年较2010年增加约10%，较最高值降低了约8%。柴油碳排放量2015年最高，为1302.6万t，2020年较2010年降低约9%。

化肥的碳排放量占比远高于其他碳排放源，约为总量的45%～47%。化肥中氮肥对碳排放量贡献最高，氮肥碳排放量为化肥的61%～69%，占比逐年降低。农膜和柴油的碳排放量较为接近，占比分别为18%～22%和19%。农药碳排放量占比11%～14%。灌溉的碳排放量占比最低，为2%～3%。

2020年不同省市自治区碳排放量及碳排放强度差异明显，见图2。2020年碳排放量最低的是西藏，为6.37万t，碳排放量最高的为河南，为502.1万t。2020年碳排放强度最低的为贵州(0.14t·hm-2)、黑龙江(0.18t·hm-2)、青海(0.21t·hm-2)、江西(0.22t·hm-2)、四川(0.23·hm-2)。2020年碳排放强度最高的为浙江(1.02t·hm-2)、北京(0.96t·hm-2)、福建(0.89t·hm-2)、上海(0.82t·hm-2)、海南(0.80t·hm-2)。

图2 2020年中国各省市自治区农田生态系统的碳排放量及碳排放强度

2.3 农田生态系统净碳汇变化

农田生态系统净碳汇是碳吸收量与碳排放量的差值。2010—2020年中国农田生态系统碳吸收量远大于碳排放量，表现为碳汇，且净碳汇逐年增加，见图3。2010年净碳汇为69139.9万t，2020年净碳汇为83122.7万t，增加了20%。

图3 2010—2020年中国农田生态系统净碳汇情况

2020年各省市自治区农田生态系统均表现为碳汇，但净碳汇差异明显，见图4。净碳汇最低的是北京(25.9万t)、西藏(30.6万t)、上海(66.2万t)，净碳汇最高的是河南(8193.4万t)、黑龙江(7953.2万t)、广西(7872.6万t)。

图4 2020年中国各省市自治区农田生态系统的净碳汇情况

3 讨论

农田生态系统的碳吸收主要靠作物光合作用吸收空气中的CO2，形成有机物固定在作物体内。作物的碳吸收量很大程度上是作物产量的反映。农田管理措施、环境条件、作物品种等均会对作物产量造成影响。2010—2020年中国农田生态系统碳吸收量的增加，与主要农作物的增产增收关系密切。我国始终将农业发展视为重中之重。实施多种补贴政策，强化农民收益保障，提高了农民种植积极性；推动农业科技创新，推进机械化，培育优良品种，提高了作物种植效率和单产。

农田生态系统碳排放包括直接排放和间接排放。直接排放指植物和土壤向大气中释放的温室气体，因数据获取困难，本研究并未估算这部分碳排放。间接排放包括化肥、农药、农膜的生产和使用导致的碳排放，农机消耗柴油产生的碳排放，灌溉的碳排放等。估算时利用的是化肥、农药、农膜、柴油的使用量和灌溉面积。化肥、农药、农膜、柴油对碳排放的总贡献高达97%，使用量和碳排放量均先增加后降低，这与中国农田生态系统碳排放量的变化是基本一致的。因为这些农用物资的投入可以明显起到增产的效果，所以前期使用量不断增加。但化肥、农药等过度使用，存在环境污染、生态破坏以及食品安全等问题，我国开始重视农业绿色发展。在保障粮食安全和重要农产品有效供给的前提下，推进化肥农药减量增效，提出化肥农药零增长的长远目标；推进农膜减量和回收，控制农田“白色污染”；推进废弃物资源化利用，采取资源节约、环境友好的生产方式，维护农业生态系统的健康稳定。随着国家对低碳农业的重视，后期化肥、农药、农膜、柴油的使用量均有所降低，也降低了农田生态系统的碳排放。

2010—2020年中国农田生态系统以及2020年各省市农田生态系统碳收支均表现为碳汇，即碳吸收。为了维持或增强农田碳汇，更好实现农田固碳减排，提出几点对策：培育和引进优良品种，促进作物生物量和产量的提升；推行保护性耕作技术，减少对土壤的扰动和破坏，降低土壤直接碳排放；提高肥料利用效率，增施有机肥，降低化肥尤其是氮肥的使用量；减少农药使用，以生物技术和物理防治为基础，防控治理病虫害；推进秸秆等农业废弃物的资源化利用；推广节水灌溉，节约水资源的同时降低碳排放。

4 结论

2010—2020年中国农田生态系统碳吸收量呈逐年上升的趋势，涨幅约18%，其中2010—2013年增长更为明显。碳吸收强度逐年增加，2010—2013年增幅明显，2013—2020年增长缓慢。各作物中玉米对碳吸收贡献最高，约为总量的30%～36%。2020年不同省市自治区的碳吸收量和碳吸收强度差异明显。北京的碳吸收量最低，河南的碳吸收量最高，西藏的碳吸收强度最低，广西的碳吸收强度最高。

2010—2020年中国农田生态系统碳排放先逐年上升，后逐年下降，后期降幅高于前期增速，总降幅约8%。碳排放强度2010—2014年逐年上升，增幅约4%，2014—2020年逐年降低，降幅约16%。各碳源对碳排放量的贡献为化肥>农膜≈柴油>农药>灌溉。化肥、农药、农膜、柴油的碳排放量均为先增加后降低，灌溉的碳排放量逐年上升。2020年不同省市自治区碳排放量及碳排放强度差异明显。西藏的碳排放量最低，河南的碳排放量最高，贵州的碳排放强度最低，浙江的碳排放强度最高。

2010—2020年中国农田生态系统的碳吸收明显大于碳排放，表现出较强的碳汇功能，且净碳汇逐年增加。2020年各省市自治区农田生态系统均表现为碳汇，净碳汇差异明显。