云南省农田生态系统碳足迹及其特征分析

匡雪芹，谢彬，李云春，李靖

（1云南农业大学建筑工程学院，昆明 650201；2云南省智慧农业与水安全国际联合研发中心，昆明 650201；3云南省高校城乡水安全与节水减排重点实验室，昆明 650201）

0 引言

人类生活及生产活动过程中造成的二氧化碳等温室气体过量排放，加速了全球气候持续变暖的进程，该现象的发生进而导致海平面上升以及生物多样性锐减等生态问题，因此“碳中和”概念被提出并迅速得到世界各国的广泛关注。2021年国民经济和社会发展“十四五”规划明确提出制定2030 年碳达峰、2060 年碳中和行动方案，落实应对全球气候持续变暖的国家自主贡献目标[1]。中国作为农业大国，农田生态系统的碳排放及碳吸收量对全球气温的影响不容忽视[2]。其次，中国农业温室气体排放总量约占全国排放总量的17%，且排放总量和排放强度的年平均增速为4.08%和2.38%[3]。最后，农田生态系统主要包括土壤有机碳库和农作物生物量碳等，是巨大的碳库[4]。因此，基于国内农田生态系统碳足迹分析，有效减少农业碳排放量并加强农田生态系统碳汇能力对缓解全球变暖现象加速恶化等生态问题具有重要意义。在此环境下，诸多学者对国内农田生态系统的碳排放、碳吸收等方面进行了相关研究。田志会等[5]采用全环式路径的方法，对京津冀农田生态系统的碳足迹年际变化规律进行研究。许萍萍等[6]利用估算模型对江苏省农田生态系统碳源、碳汇及碳足迹进行测算，并对其动态变化进行了分析。叶文伟等[7]利用ArcGIS 10.4、SPSS 21.0软件对海南岛1999—2018 年农田生态系统碳足迹的时空变化及影响因素进行了研究。云南省是农业大省，有25%的国民生产总值来自于农业[8]，一方面，农业碳足迹分析是制定“农业双碳”战略的基础，通过对农业生产、农田系统进行碳足迹评估，能为制定调控农田生态系统碳排放、碳吸收的有效方案提供参考数据[9]。另一方面，2021年12月8日云南省农业农村厅发布的《云南省“十四五”高原特色现代农业发展规划》进一步指出，要进一步加大对云南省高原特色农业的扶持，全力构建人与自然和谐共生的绿色低碳农业发展新格局[10]。已有研究者如李明琦等[8]在2018年对云南省农田生态系统碳足迹时空变化及影响因素进行了较为系统的研究。农田生态系统碳足迹虽主要以二氧化碳排放当量为计算依据，还应包含农业生产活动中CH4、N2O等温室气体的排放所引起的全球气温升高。根据《省级温室气体编制指南（试行）》显示，CH4、N2O等温室气体导致全球变暖的潜势值更大，说明农田生态系统中少量的CH4、N2O 等温室气体排放可能对全球气温的影响不容小觑。本研究以1 年为时间节点，采用2008—2020年的较全面数据，将CH4、N2O等温室气体的碳排放当量考虑在内，研究其农田生态系统最新的碳足迹与政府政策的相关性，并进一步探讨了未来农业可能的减排增汇有效策略，以期为云南省进一步发展低碳农业、特色农业和绿色农业提供参考依据。

1 数据来源及计算方法

1.1 数据来源

据《云南统计年鉴》等相关数据库显示，2008年以前的数据较为缺乏，故本研究采用2008—2020年的相关数据。本研究数据资料主要来源于2008—2020 年《中国统计年鉴》和《云南统计年鉴》以及相关统计报表。其中水稻种植面积、农膜用量、农药用量、化肥用量、蔬菜及各种主要农作物产量等数据来自《云南统计年鉴》，柴油使用量、灌溉面积和农作物播种面积等数据来源于《中国统计年鉴》。

1.2 农田利用的年碳排放估算

李波、伍国勇等[11-12]将农业生产中的主要碳源界定为农药、化肥、柴油、农膜、农作物播种面积和农业灌溉面积，对应的排放系数如表1所示。

表1 农业碳排放源、碳排放系数及参考来源

另外，农作物秸秆燃烧所排放的CO2等气体对全球气温变暖也有一定的影响，根据赵建宁[17]学者对中国粮食作物产量、草谷比以及秸秆露天焚烧比例，计算秸秆焚烧的CO2排放量。因此，碳排放计算公式如式(1)所示。

式中：P为农业碳排放总量；Pi为相应i类碳源碳排放系数；Ti为相应i类碳源消耗量。而化肥的真实碳排放系数与氮、磷、钾和复合肥的使用量有关，固根据云南省各类化肥的使用量进行碳排放系数换算，换算系数如表2[9]。

表2 氮、磷、钾和复合肥的碳排放系数 kg/kg

依据《省级温室气体清单编制指南》，甲烷排放计算公式如式(2)所示。

式中：ECH4为稻田甲烷排放总量；EFi为西南地区稻田甲烷排放推荐系数，取值为156.2 kg/hm2；ADi为水稻种植面积。

依据《省级温室气体清单编制指南》，农田N2O 排放等于作物生产过程中的氮输入量乘以相应的N2O排放因子，云南省农田氮排放因子为0.0106[18]，计算公式参照式(3)。

式中，EN2O为农用地N2O 排放总量（万t）；N输入为作物生产过程氮输入量（万t）；EF为对应的N2O 排放因子（kg N2O-N/kg 氮输入量）。本研究中仅考虑由农用地当季氮输入引起的N2O 排放，暂未考虑由大气氮沉降与氮淋溶径流损失引起的N2O排放。其中当季输入的氮仅考虑化肥氮的投入，复合肥按照氮肥排放N2O 的1/3 计算。暂未考虑粪肥和秸秆还田等次要因素的氮投入。

1.3 农作物年碳吸收估算

参考段华平等[19]的研究，主要考虑农作物的碳吸收量，其计算公式如式(4)所示。

式中：X为农作物吸收量；Xf为i类农作物碳吸收率；Dw为i类农作物生物量；Yw为i类农作物经济产量；H为i类农作物经济系数；W为i类农作物平均含水率。中国主要农作物碳吸收率(Xf)、经济系数(H)和平均含水率(W)参考表3。

表3 云南省主要农作物的碳吸收率(Xf)、经济系数(H)和平均含水率(W)

参考张巍[20]的研究，农业碳补偿率为碳吸收量与碳排放当量的比值：F=X/P。当F=1时，表示该省农业碳吸收等于农业碳排放，狭义农业系统刚好实现碳中和；当F＞1 时，表示该省农业碳吸收大于农业碳排放，净碳汇为正值，反之亦然。

1.4 农田生态系统碳足迹核算

本研究所参照的碳足迹定义是吸收消解碳排放当量所需要的有效耕种面积[21]。因此，云南省农田生态系统的碳足迹计算公式可表达为式(5)～(6)。

式中：CEF为碳足迹，单位为hm2；E为碳排放当量；NEP是表示农作物的固碳能力的指标，具体含义为单位面积的植被1 年的碳吸收量；Ci为碳吸收量；S为耕地面积，单位为hm2。

区域农田生态系统碳足迹若超过区域生态承载力（耕地面积），会出现碳生态赤字；若小于区域生态承载力，则表现为碳生态盈余。如式(7)～(8)所示。

式中：CED为碳生态赤字；CER为碳生态盈余；CEC为生态承载力，即耕地面积。

2 结果与分析

2.1 农田利用的年碳排放量及其特征分析

基于表4 和图1 可知，2008—2020 年云南省农田生态系统碳排放当量与碳排放强度基本呈正相关，碳排放当量随时间呈先增后减的变化趋势，从2008年的1664.61×104t 增加到2017 年的2022.2×104t，增幅为21.48%，年平均增长率为1.79%。随着2017 年云南省政府印发了《云南省“十三五”控制温室气体排放工作方案》，碳排放当量在一定程度上有所下降。数据显示碳排放量从2017年的2022.2×104t逐年减少到2020年1875.73×104t，减幅为7.24%，年平均减少率为2.41%。甲烷与氧化亚氮的排放量均较小，依据《省级温室气体清单编制指南》ICPP 第四次评估报告值（全球变暖潜势值为CO2:CH4:N2O等于1:25:298）对其进行碳排放当量换算，计算结果显示，甲烷与氧化亚氮的排放已成为农田生态系统碳排放当量中主要的排放源。另外，如图1所示，农业碳排放强度随时间呈先增加后减少，再增加又减少的变化趋势，与碳排放当量的变化趋势基本呈正相关，2018年碳排放强度达到2.85 t/hm2的最高值。

图1 2008—2020年云南省农田生态系统碳排放当量与碳排放强度变化趋势

表4 2008—2020年中国云南省农田生态系统温室气体的碳排放当量和碳排放强度

为进一步探究云南省农田生态系统碳排放变化趋势，对CO2的直接排放量进行了分析。表5中的7种碳排放源的排放数据显示，2008—2020 年，云南省的化肥、农药、农膜、柴油、种植面积、灌溉面积、秸秆所产生的碳排放量均呈现不同程度的增长，其中种植面积和灌溉面积呈逐年增长趋势，年均增长率分别为1.37%、2.21%，二者碳排放贡献因子较小。柴油、农膜的碳排放量呈现逐年增长的变化趋势，年均增长率分别为1.10%、4.81%。由于秸秆燃烧的碳排放贡献因子最大且呈现逐年增长趋势，2008—2020年的平均增长率达到3.8%，成为了导致CO2排放量居高不下的最主要因素。2017 年后化肥和农药碳排放量开始呈现逐年递减，这可能是由于上述政策印发带来的有益成果。如图2(a)所示，2008—2020 年化肥在农田生态系统中占碳排放量的22.36%，表5 显示其占比呈先增大再缓慢减小的变化趋势，2008 年占比为23.77%，2010 年占比上升至24.81%，2020 年占比下降为19.05%，这与其他国内研究者发现江苏省[22]、河南省[23]、山东省[24]、黑龙江[25]、贵州省[26]等地区的农田生态系统中化肥碳排放在主要碳源中处于重要地位的结论一致。图2(b)进一步分析了氮、磷、钾和复合肥在化肥使用中的碳排放量占比，其中氮肥占比达87.1%，成为近年来云南省农田生态系统最为主要的碳排放源之一，这可能是由于氮是农作物增产所需的主要元素所导致的。

图2 2008—2020年云南省(a)农田生态系统碳排放量以及(b)化肥碳排放量的构成

表5 2008—2020年中国云南省农田生态系统的CO2排放量 ×104t

2.2 农作物年碳吸收及其特征分析

由表6 及图3 可知，2008—2020 年云南省农田生态系统碳吸收量和碳吸收强度高度正相关，二者呈波动性增加的变化趋势，碳吸收量由2008年的2390.56×104t 增加到2020 年的2942.78×104t，增长率为23.1%，其年均增长率为1.91%；碳吸收强度总体上也随之表现为波动增加的趋势，由2008 年的4.02 t/hm2增加到2020 年的4.2 t/hm2，增长率为4.48%，年均增长率为0.37%。2008—2020 年云南省农作物碳吸收量的变化规律分为2 个阶段，第一时期是2008—2014 年，基本为快速增长期，碳吸收量由2008 年的2390.56×104t增加至2014 年的2952.77×104t，短短6 年增长了562.21×104t，增幅为24.7%。这一时期云南政府出台了《2008 年云南省对种粮农民综合直补实施办法》（云财建〔2008〕53 号）、《云南省财政直接补贴农民资金“一折通”发放管理暂行办法》（云财农〔2009〕349号）、《农业部办公厅关于做好2014 年农机购置补贴产品补贴额调整处理有关问题的通知》（农办机〔2014〕18 号）等政策措施，使得云南省农作物单产水平稳步提高，实现了粮食生产的大增长，从而使碳吸收量也不断增加。第二时期是2015—2020 年，为波动变化期，这一阶段的碳吸收量有减有增，表现为不稳定状态。这一时期云南省种植业的规模不稳定，农业化肥使用投入量开始逐年递减，粮食产量出现波动，但整体仍呈现增长趋势。云南省主要农作物整体的碳吸收量差异较大，如图3(b～d)所示的水稻、玉米以及甘蔗的碳吸收量远大于其他农作物，其中甘蔗的碳吸收量占比保持在24.43%～35.74%，且比重呈逐年下降趋势；玉米碳的吸收量占比保持在22.65%～33.6%，2008—2017 年增长较快，2017—2020 年呈缓慢下降趋势；水稻的碳吸收量占比为13.13%～20.98%。所以，云南省农田生态系统中以水稻，玉米及甘蔗为最主要的碳吸收源。另外，2008—2020 年期间，瓜类及蔬菜的碳吸收量占比呈逐年攀升趋势，分别由2008 年的3.58%、3.65%攀升至2020 年的10.51%、6.39%。分别增长了2.94、1.75 倍，这表明云南省瓜类、蔬菜产量逐年快速地、且稳定地增加，产业呈整体向好发展趋势。豆类、烟草、薯类、小麦及油菜籽的碳吸收量占比较低，且呈波动性变化。

图3 2008—2020年云南省农田生态系统(a)碳吸收量和吸收强度；(b～d)主要作物碳吸收量比重的变化

表6 2008—2020年云南省农田主要农作物生育期碳吸收量和碳吸收强度 ×104 t

2.3 农田生态系统碳足迹及其特征分析

通过表7和图4可知，云南省农田生态系统碳足迹与单位面积碳足迹基本呈正相关，碳足迹整体呈先增后减的变化趋势，2008年为414.56×104hm2，2020年为446.82×104hm2，其中2017 年碳足迹达到521.66×104hm2的最高值，2008—2017 年的增长率为25.83%，年均增长率为2.87%，2017—2020 年的下降率为14.35%，年均下降率为4.78%。2008—2020 年云南省农田生态系统的碳足迹占生产性土地面积（耕地）的总比例约为66.52%，历年单位面积碳足迹呈波动性减小，2008年单位面积碳足迹为0.70 hm2/hm2，2020年为0.64 hm2/hm2，2017 年达到0.73 hm2/hm2的最高值。据表7数据显示，2008—2020年云南省始终处于生态碳盈余状态，2008 年云南省碳生态盈余为180.8×104hm2，2020年中国碳生态盈余达到254.19×104hm2。因此，农田生态系统碳生态盈余可以有效补充云南省工业发展以及社会生活所产生的碳生态赤字，为云南省的可持续发展以及促进整个生态系统碳中和具有重要意义。如图4所示，中国农田生态系统单位面积碳足迹呈现由波动性增加到减少的变化趋势，其中单位面积碳足迹最高为2017年的0.73 hm2/hm2，2017年也为分水岭，之前的单位面积碳足迹呈现波动性变化，从2017年开始逐渐减少。这可能是由于随着云南省响应国家的号召，实行“药肥双减政策”，自2017年起，化肥、农药碳排放量开始逐年减少，碳足迹也随之呈现逐年递减趋势。

图4 2008—2020年云南省农田生态系统温室气体的碳足迹

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究通过定量与定性相结合的方法对2008—2020年云南省农田生态系统的碳源、碳汇和碳足迹以及碳生态盈余进行测算和分析，结论如下：因政府政策实施的积极影响，云南省农田生态系统具备一定的碳汇能力，但形势依旧较严峻，单位播种面积的碳排放呈波动性下降的变化趋势，碳吸收总体呈波动式增加，碳排放当量和碳吸收量年均增长率分别为0.98%、1.78%，碳足迹呈先增后减的变化趋势，年均增长率为0.65%。根据聚类分析法，将云南省主要农作物碳吸收量强度分为三类：第一类的水稻，玉米和甘蔗为高碳吸收作物，第二类的蔬菜、瓜类和豆类为中碳吸收作物，第三类的烟草、薯类、油菜籽和小麦等低碳吸收量作物。从控排角度，根据不同作物的生长需求，严格控制和优化高化学品（化肥、农药等）在农业生产活动中的合理使用，加大如二氧化碳气肥，秸秆还田等方法的使用及推广，践行低碳耕种理念，在增加作物产量、保障农民营利的同时，进一步有效控制碳排放量。其次，积极推广智慧农业与种业的发展，利用不同的智能技术（如高效灌溉，智慧大棚）与高产低碳品种来提高农业生产率并减少温室气体排放。最后，新能源农业设备的积极开发使用与普及，有利于规避燃油动力导致的农业碳排放加剧问题。从增汇角度，合理开发利用高标准农田建设，采用低碳耕作，休耕轮作等方式增加农田生态系统的固碳能力，在兼顾社会经济发展的同时，深入贯彻新发展理念，实现农业农村经济绿色转型。

3.2 讨论

2008—2020 年云南省农田生态系统处于碳生态盈余状态，这与李明琦[8]、葛颖[27]等研究结果一致。在进行农田生态系统碳足迹因素分析时发现：（1）云南省农田生态系统的直接碳排放量、氧化亚氮碳排放当量以及甲烷碳排放当量是农田温室气体排放最主要的3个因素，而甲烷与氧化亚氮排放所引起的温室效应常常过去不被重点关注，今后应考虑增加到碳足迹分析中。（2）秸秆燃烧与化肥作为最主要的直接碳排放源，占比达到81.8%，二者对碳足迹的影响不可忽视。秸秆燃烧是最大的碳排放因素，这是由于多种作物秸秆资源利用率低所造成。氮肥的使用是化肥碳排放量增加的最主要因素[28]，由于国民长期以农业增产增收为目的，盲目过量使用化肥，造成土壤肥力下降，化肥使用量居高不下。

随着农业现代化的推进，农业机械设备的大规模普及以及化肥等生产投入的加大，提高农业生产效率的同时，加大了柴油使用量、降低农民回收利用秸秆意愿以及增加氧化亚氮等温室气体的排放强度，导致碳排放当量难以有效的大幅度下降。与此同时，农膜和农药2 种碳源的危害也不容忽视，一方面大部分使用的农膜难以二次回收进行自身降解，另外，存在污染土地以及农药残留物危害人体健康的风险。因此，顺应智慧农业与绿色新能源开发的发展趋势，并精确把握降碳与粮食保供关系是实现云南省农田减排固碳增汇能力的关键，主要从以下几方面提出建议：（1）化肥引起的碳排放当量还存在一定的调控空间，一方面是畜禽粪污等废弃物资源化利用水平还有待提升，秸秆还田等相关措施还需进一步落实，另一方面是根据作物种类与生长阶段，需进一步制定基于碳减排的，更加科学的化肥配比与使用量方案。同时，经济作物营养液培植等新兴技术的不断突破与发展也起到了辅助作用。（2）稻田甲烷减排技术考虑向土壤中添加生物菌落抑制甲烷菌的同时，注重选取高产低碳品种、控水栽培、旱耕湿整等措施的实施。（3）主要用于经济作物的农膜碳排放量增速较快，表明经济作物的占地比例在不断增加并附带碳排放量增大，后疫情时代，在保障粮食安全的前提下发展多元化作物，同时需要合理控制经济作物土地占用比例。（4）经济作物的总产量呈明显的稳定增加趋势，其产业的快速发展将逐渐成为农民主要增收的渠道，政府应加大农民对低碳农业以及绿色农业等可持续化发展现代化农业相关思想的宣传与普及，在农户种植某种经济作物，保证其基本经济收入的同时，将其作物的碳吸收效应与生产过程中产生的碳排放效应考虑在内。综上，云南省在发展高原特色农业的同时，应当科学的制定控制农田生态系统碳排放、吸收的有效方案，助力本省农业的可持续化发展以及推动生态农业的发展，为继续保持云南省农田生态系统的生态碳盈余状态创造条件。

本文的研究存在以下不足：因部分数据难以获取，仅采用云南省主要农作物产量等相关数据，导致碳吸收量及吸收强度等相关数据略低于真实值，在一定程度上对分析结果产生影响。其次，氧化亚氮排放仅考虑化肥的使用，甲烷排放系数采用的是西南地区甲烷排放推荐值，这对碳排放当量的计算结果具有一定影响。最后，本研究未将农作物根冠比、土壤呼吸、土壤类型等因素计算在内，所以在一定程度上会降低相应数据的准确度。