云南省农田生态系统碳源/汇变化分析

万思琦，董晓波，伏成秀，2，董云峰，鄢文光，张晓娇，袁 媛*

（1.云南省农业科学院 农业经济与信息研究所，云南 昆明 650000；2.云南省农业科学院 农业环境资源研究所，云南 昆明 650000）

0 引言

2010—2019年全球温室气体年平均排放量处于人类历史上的最高水平，2019年达到590亿t，比2010年增长了12%［1］，虽然总排放量不断上升，但增长速度逐渐放缓。2020年我国6个区域本底站的CO2和CH4平均浓度比上年呈现出明显的增长趋势［2］，因此，应对气候变化、减少全球温室气体排放以及实现碳中和的压力依然存在。2021年以来，中国积极落实《巴黎协定》，相关的低碳政策不断完善。在农业生产方面，通过建立新的种植和养殖模式，促进了节能减排和资源利用，如在保证水稻产量的同时减少秸秆还田甲烷排放的新型水稻种植模式，降低了水稻的甲烷排放强度，实现了化肥减量增效。2021年，云南省农用化肥施用折纯量比2016年减少了20.49%，农药施用量比2016年减少了29.86%。为深入贯彻落实国家碳达峰相关政策精神，云南省全力推进碳达峰工作，在农业用地方面，牢牢守住耕地保护红线，在农田建设方面，积极推进农业农村减排固碳。通过持续增加城乡生态绿量、发展绿色低碳循环农业、改进有机农业减碳增汇技术、推广二氧化碳气肥技术等，促进畜禽粪污、秸秆和其他资源及藻类的能源利用，并积极实施减施化肥和农药的行动。农田生态系统是地球土壤生态系统的重要部分，中国在社会经济快速发展的同时，人类与自然之间的复杂性受到越来越多的关注，农田生态系统的可持续低碳发展是一个重要的研究方向，因此，精准、合理地估算云南省农田碳排放和碳吸收情况，对制定科学合理的农田减排措施以及提供农田低碳政策建议具有重要意义，同时为云南省农田减排的合理评价体系提供了科学的参考依据。

近年来，相关领域的学者对不同地区的农田生态系统碳源/汇进行了大量研究，根据IPCC 估算［3］，合理的农业管理措施能使全球土壤碳库提高0.4~0.9 pg C/a；师银芳等［4］通过研究张掖市农田碳汇发现，粮食作物以及经济作物中的大豆、棉花碳吸收量最大；张精等［5］运用空间可视化方法对安徽省碳源/汇进行了研究分析；谭美秋等［6］运用2种方法核算了河南省农田生态系统碳汇，认为净碳汇方法更适用于测算河南省的农田碳汇；田云等［7］运用Kaya恒等式研究了我国农地中碳排放的影响因素 ，发现农业规模的变化是农地碳排放最主要因素；祁兴芬［8］研究了2001—2010年德州市农田碳汇功能，提倡农业生产技术低碳化。

目前,学者们对农田碳源/汇的分析因素系数仍然有待进一步明晰，对于云南省农田碳汇的估算研究尚有空缺，因此，对云南省农田生态系统的碳源/汇进行分析研究很有必要。本文以云南省耕地数据和农田生态系统相关数据为基础，采用净碳汇法，结合前人的研究，分析2005—2021年云南省农田生态系统碳源/汇的变化趋势，以期对云南省低碳农田发展提供参考。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

云南省位于97°31′~106°11′E，21°8′~29°15′N，东部与贵州、广西为邻，北部与四川相连，西北部紧依西藏，西部与缅甸接壤，南部和老挝、越南毗邻。云南省最低与最高海拔之间相差大约6600 m，整体呈现东南低、西北高，海拔呈阶梯式上升。云南省属山地高原地形，其中山地、高原、丘陵等地形占全省总面积的94%，盆地占6%。2022年，云南省农业总产值为6635.8亿元，比上年增长了5.5%；粮食作物总播种面积为421.10万hm2，总产量为1957.96万t，全省新建高标准农田32万hm2［9］。

1.2 研究方法

1.2.1 农田生态系统碳排放估算 农田生态系统的碳排放包括两大类：（1）农用物资的投入引起的碳排放；（2）农田CH4排放核算［10］。

1.2.1.1 农用物资碳排放 根据IPCC(2006)的公开数据，将农田生态系统碳排放源按农田利用物资与生产活动划分为化肥、农药、农膜、农用柴油、农业翻耕、农业灌溉、农业机械7类，本研究主要考虑这7种途径的碳排放量，计算公式为：

式（1）中：E投入为云南省农田的碳排放总量（万t）;Ti为各类农田生产要素投入的使用量（万t）；Di为各类农田生产要素的碳排放系数，本文确定的7种农田生产要素投入的碳排放系数如表1所示［7］。

表1 碳排放系数及来源

1.2.1.2 农田CH4排放核算 稻田种植是农田生态系统排放CH4的主要来源，研究表明，CH4和N2O的增温潜势分别是CO2的25和268倍，其排放的CH4占全球人为排放CH4总量的60%左右［3，11］。我国不同地区稻田CH4排放不同，各区域水稻CH4的排放率有差异。本研究选取均值［12］，计算公式为：

式（2）中，ECH4为云南省中季稻CH4的排放量，EFr为中季稻排放系数，取值为7.25 g/m2；Sr为水稻的种植面积（104hm2）；28为转换系数，即CH4当量转换为CO2。

1.2.2 农田生态系统碳吸收估算 农田生态系统碳汇量主要包括农作物固碳量，农作物的碳汇能力主要是通过作物光合作用吸收CO2，形成有机物，通过将碳储存在农作物体内这一过程实现。

本文釆用NPP的方法测算云南省农田农作物的碳吸收量，云南省的主要农作物包括小麦、玉米、豆类等，根据不同农作物的生长习性以及借鉴学者们［13-18］研究的基础上，建立云南省农田作物吸收的估算模型，计算公式为：

式（3）中，Ct为云南省农作物的碳吸收总量（万t）；Ai为第i类农作物的碳吸收率（%）；Yi为第i类农作物的产量（万t）；Wi为第i类农作物的水分系数（%）；Ri为第i类农作物的根冠比；Hi为第i类农作物的经济系数（%）。具体指标取值如表2所示。

表2 各农作物碳排放及碳汇量核算参数

1.2.3 净碳汇法 选用目前学者们［19-21］普遍采用的净碳汇法，对农田生态系统碳源/碳汇的分布情况进行研究。碳汇（Nt）指农田生态系统中主要农作物的碳吸收量与稻田的CH4、农田生产要素投入过程中产生的碳排放量的差值，其计算公式为：

式（4）中，Nt为云南省农田生态系统的碳汇（万t）；Ct为云南省农田碳吸收总量（万t）；Et为云南省农田碳排放总量（万t）。

1.2.4 数据来源 本研究数据主要来源于2004—2022年《云南省农村统计年鉴》《云南省统计年鉴》、国家统计局等，采用Excel软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 净碳汇计算结果

采用净碳汇法对2005—2021年云南省农田生态系统碳吸收和碳排放结果进行核算，碳排放为农用物资和稻田碳排放，碳吸收为主要农作物的碳吸收，具体分析如下。

2.1.1 农田生态系统碳排放 由图1可知，2005—2021年云南省农田生态系统碳排放分为2个阶段：第一阶段为2005—2017年，该阶段碳排放呈现上升趋势，年均增幅为5.57%，出现这一趋势的原因可能是当时云南省一直在加强粮食供给，对农业生产物资的投入未进入绿色生产阶段，导致农用物资的碳排放持续增长；第二阶段为2017—2021年，该阶段碳排放呈现下降趋势。2016年碳排放总量达到最高值，为1205万t，2020年有所下降，降幅为17.5%，出现这一变化特征的原因可能是国家及云南省高度重视农业农村绿色发展，降低了化肥、农药、农膜等农用物资的使用量，碳排放量得到控制，其中柴油减排量变化较大，降幅达70.46%。2005—2017年，云南省稻田甲烷排放呈现先略微上升又逐渐下降的趋势，2017—2021年又出现略微下降的趋势，稻田CH4排放年均增幅为2.45%，稻田CH4排放增加的原因可能是2016—2021年云南省稻田的种植面积稳步增长，2016年的种植面积是2015年的1.3倍，相应的碳排放量也逐渐增加。

从农田生态系统碳排放来源（表3）看，2005—2021年农用物资中的化肥、翻耕及农业机械总动力的碳排放量占比相对较大，2021年分别占总排放量的13.36%、18.30%及42.40%。2016—2021年，农用物资中的化肥、翻耕及农业机械总动力的碳排放量平均降幅分别为4.10%、0.30%及3.50%，其中翻耕的降幅最低；灌溉在云南省农田生态系统碳排放量中的占比最低。2005—2021年，化肥排放量呈先逐年增长（2005—2016年）再逐年递减（2016—2021年）的变化趋势，主要是因为云南省积极响应国家号召，减少了化肥使用量；翻耕和农业机械总动力在2005—2017年也均呈逐年上升的趋势，2017—2021年又略微下降，这一变化趋势与低碳政策的逐步稳定落实密切相关；2005—2021年，农田灌溉一直处于逐年略微上升的趋势。

表3 云南省农田生态系统各农用物资碳排放量 万t

2.1.2 农田生态系统碳吸收 由图2可以看出，2005—2021年云南省农田生态系统碳吸收量整体呈现上升趋势，由2005年的2298.53万t增加至2021年的3054.97万t，净增加756.44万t，增幅为32.91%。可能的主要原因是国家及云南省大力发展绿色低碳循环农业，提升生态农业减碳增汇，实施化肥农药减量增效行动，提高土地的利用效率，从而增强了碳汇能力。

图2 云南省农田生态系统碳汇量碳吸收强度变化

由图3可以看出，云南省农田生态系统的碳吸收比例发生了一定的变化，2005—2021年，粮食作物的碳吸收比例介于51%～60%之间，碳吸收比例变化较小；经济作物的碳吸收比例介于33%~44%之间，碳吸收比例变化出现了略微下降的趋势，从2005年的38%下降到2021年的33%；园艺作物的碳吸收比介于4%~8%之间，碳吸收比例呈现出略微上升的趋势，从2005年的4%上升到2021年的8%。云南省以粮食作物作为农作物生产的主导，粮食作物的碳吸收比例相对稳定；经济作物碳吸收比例出现略微减少的情况，可以依靠进出口贸易予以解决；园艺作物碳吸收比例出现略微升高，其原因是种植园艺作物经济效益较好，农民种植意愿相对更高。

图3 2005—2021年云南省农田生态系统不同类型农作物碳吸收比例变化

由表4可知，2005—2021年，粮食作物的碳吸收量从2005年的1342.84万t上升到2021年的1795.51万t，增幅为33.71%，年均增幅为2.11%；经济作物的碳吸收量从2005年的868.30万t上升到2021年的1012.06万t，增幅为16.56%，年均增幅为1.03%；园艺作物的碳吸收量从2005年的87.38万t上升到2021年的247.40万t,增幅为183.13%，年均增幅为11.44%。其中，粮食作物中玉米的碳吸收量从2005年的491.70万t上升到2021年的1086.30万t，增长了1.2倍；经济作物中油料类的碳吸收量从2005年的54.10万t上升到2021年的101.50万t，增长了0.9倍，甘蔗的碳吸收量也在逐年增长；园艺作物中的蔬菜的碳吸收量从2005年的87.40万t上升到2021年的247.40万t，增长了1.8倍。

表4 2005—2021年云南省主要农作物碳吸收量 万t

2.2 云南省农田生态系统净碳汇量

由图4可以看出，2005—2021年云南省农田净碳汇量呈现出上下波动的变化特征，整体来看，农田净碳汇量从2005年的1446.66万t上升到2021年的1849.73万t，增幅为27.86%，年均增幅为1.74%，2017年之后出现了稳定上升的趋势。云南省天然环境资源禀赋较好，国家及云南省重视农业绿色发展，制定的相关政策推动了农地高效利用，化肥、农药及农膜的绿色使用方法不断得到提升改进，促进了碳汇稳步增长的趋势。

图4 云南省农田生态系统净碳汇量的变化趋势

3 结论

（1）2005—2021年，云南省农田生态系统碳排放总量呈现先上升后下降的趋势，碳排放总量由2005年的851.86万t上升到2017年的1416.04万t,再下降到2021年的1205.24万t,年均增幅为3.20%。云南省主要种植的稻谷为中季稻，一年一熟制，在云南省的农田生态系统碳排放源中，农业机械总动力碳排放量在农用物资中占比最大，约占50%，且有逐年增大的趋势，其次是化肥、翻耕、稻田CH4的碳排放量。其中化肥在2017—2021年的减排速度最快，达到了4.10%；2016—2021年云南省稻田的CH4碳排放量随着面积的增加排放不断增加，说明在增产减排工作方面，还需要加大整治力度，依靠科学有效的方法实现高效的增产减排；灌溉的碳排放量呈逐年稳定上升的趋势，因此，在灌溉的低碳措施方面还有待加强。

（2）2005—2021年，云南省农田生态系统碳吸收量呈现平稳上升趋势，从2005年的2298.53万t上升到2021年的3054.97万t，年均增长2.06%，其中粮食作物的碳吸收量从2005年的1342.84万t上升到2021年的1795.51万t,增幅为33.71%，年均增幅为2.11%；经济作物的碳吸收量从2005年的868.30万t上升到2021年的1012.06万t，增幅为16.56%，年均增幅为1.03%；园艺作物的碳吸收量从2005年的87.38万t上升到2021年的247.40万t,增幅为183%，年均增速为11.44%。粮食作物的碳吸收比例最高，超过了50%，经济作物的碳吸收比例占1/3，园艺作物的碳吸收比例每年略有上升。在一定程度上说明粮食作物对于碳吸收具有更大的优势。