天门市农田生态系统碳足迹的测度分析

沈体忠 (湖北省天门市农业环境保护站，湖北 天门 431700)

天门市农田生态系统碳足迹的测度分析

沈体忠 (湖北省天门市农业环境保护站，湖北 天门 431700)

应用2003～2012年湖北省天门市耕地面积、农作物产量、农田投入等统计数据，对农田生态系统碳吸收、碳排放和碳足迹进行了定量测度分析。结果表明，10a来，农作物碳吸收量、碳吸收强度呈现出随着年份的递进而逐年增加的态势，分别由2003年的787.90×103t C、7.24t C/hm2增加到2012年的1 144.01×103t C和10.35t C/hm2；农田投入碳排放量及碳排放强度则呈先升后降再上升的变化趋势，变化范围分别为(89.04～106.12)×103t C/a和0.82～0.98t C/(hm2·a)，化肥为主要碳排放源；农田生态系统为碳汇，其碳足迹呈现出随着年份的递进而逐年减少的态势，由2003年的48.81×103hm2减少至2012年的37.70×103hm2，占同期耕地面积比重的34.12%～44.85%，明显小于区域生态承载力。

农田生态系统；碳吸收；碳排放；碳足迹；天门市

由温室气体引起的全球变暖问题已引起国际社会的普遍关注，随着全球变暖成为社会关注的热点，碳足迹(carbon footprint)成为一个新的研究方法并迅速得到学术界的认可[1]。“足迹”这个概念最早起源于哥伦比亚大学的Rees和Wackernagel提出的生态足迹(ecological footprint)的概念，即在现有技术条件下，按空间面积计算的支持一个特定地区的经济和人口的资源消费以及废弃物消纳所需的生物生产性土地面积(包括陆地和水域)。碳足迹源于生态足迹的概念，最先出现于英国，并在学界、非政府组织和新闻媒体的推动下迅速发展起来[2]，是目前国内外普遍认同的用于应对气候变化、解决定量评价碳排放强度的研究方法[1]。

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，与人类关系密切，它既是重要的碳源亦是碳汇。一方面，大气中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O来源于农业活动及其相关过程[3]；另一方面，农田生态系统又是一个巨大的碳库，主要包括土壤有机碳库和农作物生物量碳等。据韩冰等[4]估算，中国农田土壤生态系统固碳现状和潜力分别为101.4 Tg C/a和182.1Tg C/a；另据段华平等[5]报道，我国1990～2009年农作物年碳吸收量为525.60～676.13Tg C 。这表明农田生态系统在全球碳循环中具有突出重要的地位。近年来，我国一些学者分别从国家[5]、省[6]和地市州[7]尺度对农田生态系统碳足迹进行了研究，但鲜见县域尺度的报道。为此，本研究以天门市为例,从县域尺度对该市2003～2012年农田生态系统的碳足迹进行定量测度分析，以期为发展低碳农业、促进农业可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天门市位于鄂中，地处江汉平原北部、汉江下游左岸，跨东经112°35′～113°28′，北纬30°23′～30°54′，属北亚热带季风气候区。研究区是一个农业大市，种植业发达。20世纪80年代以来就是我国优质棉、商品粮的重要生产基地。在21世纪初的我国优势农产品区域布局中，又被列入长江流域水稻、棉花优势区和长江中游“双低”油菜优势区，其主要耕作制度为小麦(油菜)-水稻和小麦(油菜)-棉花(大豆)一年两熟制。

1.2 农田生态系统边界界定

农田生态系统是一个受人为控制的大量物质能量输入输出的复杂系统，碳循环过程较为复杂，涉及到系统之间各种形式的物质循环和迁移[8]。农田生态系统包括生态过程、技术过程与经济过程，即农田生产的生态系统、技术系统和经济系统。碳循环主要发生在生态系统和技术系统中。目前在对碳循环的研究中多把焦点放在了生态过程的碳循环研究上，即农田土壤碳的研究，而忽略了技术过程中碳循环的研究[9]。因此，本研究在估算农田生态系统碳足迹时, 以农田生产的生态系统、技术系统为边界,将作物生育期碳吸收量和土壤碳固定量作为主要的碳吸收途径，而将农田投入的碳排放量和土壤呼吸碳释放量作为主要的碳排放途径，对农田生态系统碳足迹进行定量测度分析。

1.3 研究方法

1)农田生产投入碳排放量的估算 农田生产投入碳排放量是指在农田生产过程中投入的化石能源及电力(火电)消耗所产生的CO2。依据现有的数据资料，本研究主要考虑化肥、农药、农膜、农用柴油在生产、运输和使用过程中直接或间接导致的碳排放以及农田灌溉过程中耗用电能(火电部分)间接产生的碳排放，其计算公式为：

(1)

表1 主要农田投入的碳排放系数及数据来源

注：IREEA为南京农业大学农业资源与生态环境研究所。

式中，E为农田各项投入的碳排放量，tC/a；i为某项农田投入；n为农田投入的项目数；Ei为第i项农田投入的碳排放量，tC/a；Ti为第i项农田投入的数量，t或hm2(农田灌溉面积)；Ki为第i项农田投入的碳排放系数，t(kg)C/t或kgC/hm2。主要农田投入的碳排放系数及数据来源如表1所示。

2)农作物生育期碳吸收量的估算 考虑数据可获性，作物碳吸收量采用李克让[15]提出的根据作物产量、经济系数以及碳吸收率来估算作物生育期内通过光合作用对碳的吸收量，其计算公式为：

(2)

表2 主要农作物经济系数与碳吸收率

式中，C为农田作物碳吸收量,tC/a；j为某种作物；k为作物的种类数；Cj为第j种作物全生育期的碳吸收量,tC/a；Xj为第j种作物光合作用合成单位有机质干质量所吸收的碳；Yj为第j种作物的经济产量,t/a；Hj为第j种作物的经济系数。我国主要农作物经济系数与碳吸收率见表2[12,15]。

3)农田土壤碳固定与碳呼吸的估算 农田土壤有机碳固定和碳呼吸由于缺少逐年的数据资料，只能根据相关研究的年平均值估算不同年份农田土壤的碳固定量与碳呼吸量。金琳等[16]通过查阅相关文献，构建农田管理情景，分析各管理措施长期定位试验土壤有机碳变化量的数据,估算中国农田管理土壤碳汇量,得出长江上中游区农田施化肥、施有机肥、配施化肥与有机肥、秸秆还田和免耕情景下土壤有机碳的年均增加分别为0.36、0.92、1.15、1.03、3.26tC/(hm2·a)，本研究以其平均值1.34tC/(hm2·a)为研究区农田土壤的年均固碳速率。

土壤呼吸碳释放主要来自植物根系的自养呼吸和根际呼吸以及土壤有机碳的异养分解[17]。李洁静等[18]在太湖地区长期不同施肥条件下，水稻—油菜轮作生态系统土壤CO2的年释放量为3.04tC/hm2；孟磊等[19]在河南封丘中国科学院封丘农业生态国家实验站长期定量施肥条件下，冬小麦—玉米轮作生态系统土壤CO2的年释放量为3.02tC/hm2。根据天门市实际情况取两者的平均值3.03tC/(hm2·a)为本研究土壤年均碳呼吸量。

4)农田生态系统碳足迹的核算 本研究将农田生态系统碳足迹看作生态足迹的一部分，将其定义为消纳农田生态系统碳排放量所需的生产性土地面积，即由农田生态系统碳排放总量与单位面积碳吸收能力的比值得到，其计算公式为：

(3)

(4)

(5)

式中：CEF为农田生态系统碳足迹，hm2/a；ECE为农田生态系统碳排放总量，tC/a，包括农田投入碳排放量(E)和土壤呼吸碳释放量(EH)；NEP为农田生态系统单位面积碳吸收能力，tC/(hm2·a)；C为作物碳吸收量，tC/a；CG为土壤碳固定量，tC/a；S为耕地面积，hm2。

农田生态系统碳足迹如果超过了生态承载力(capacity)，那么就会出现碳生态赤字；如果小于生态承载力，则表现为碳生态盈余。

(6)

(7)

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。

1.4 数据来源

本研究计算所需的耕地面积、农作物播种面积、农作物产量、化肥施用量、农药施用量、农膜使用量、柴油使用量和农田灌溉面积等数据均来自于2003～2012年《天门统计年鉴》。

2 结果与分析

2.1 农田作物碳吸收及其特征分析

1)农田作物碳吸收量与碳吸收强度 由表3可知，天门市农作物年碳吸收量呈现出随着年份的递进而逐年增加的态势，由2003年的787.90×103tC逐年增加到2012年的1144.01×103tC，增幅达45.20%，年均递增率为1.17%。进一步分析发现，水稻、小麦2大粮食作物的碳吸收量呈明显波动增加趋势，其碳吸收量分别从2003年的277.68×103tC、36.27×103tC波动增加到2012年的443.87×103tC和164.63×103tC，增长59.85%与353.90%，年均递增率1.48%和4.84%，是天门市农作物碳吸收量逐年增加的主要原因。

由于天门市耕地面积从2003年的108.83×103hm2逐年下降到2008年的106.98×103hm2，然后再逐年增加到2012年的110.48×103hm2，因此有必要分析单位耕地面积的碳吸收强度。由表3可知，单位耕地面积的碳吸收强度与农作物年碳吸收量的变化趋势一致，由2003年的7.24tC/hm2逐年递增到2012年的10.35tC/hm2，增幅42.96%，年均递增率为1.12%。其碳吸收强度高于全国[5]的4.44～5.92tC/(hm2·a)、江苏省[6]的6.04～7.71tC/(hm2·a)和上海市[12]的5.88～8.07tC/(hm2·a)。这可能与研究区一年两熟的耕作制度，水稻、棉花、油菜等优势农产品和小麦的规模化种植，杂交水稻、杂交棉花、双低油菜品种的普及以及农作物高产栽培技术的推广应用等因素有关。

表3 天门市2003～2012年农作物碳吸收量与碳吸收强度

2)不同农作物碳吸收强度及对碳吸收量的贡献 由表4可知，水稻单位播种面积碳吸收强度最大，其平均值为6.96t C/(hm2·a)；其次是玉米和棉花，分别为5.84和5.55t C/(hm2·a)；蔬菜最低，仅为1.50t C/(hm2·a)；其余6种(类)作物则分布在3.03～3.96t C/(hm2·a)之间。经计算，10种(类)作物单位播种面积的碳吸收强度加权平均值为4.40t C/(hm2·a)。这表明，水稻具有高于旱作物的固碳能力，在同等单位耕地面积上，可以固定更多的碳。从不同农作物对碳吸收量的贡献看(表4)，水稻的贡献最大，贡献率为37.86%；其次是棉花，为22.06%；再次是油菜和小麦，分别为16.11%和11.96%。这4种农作物的贡献率高达87.99%，而水稻的贡献率又居于主导地位，其种植面积或单产的变动对农作物碳吸收量的变化趋势具有举足轻重的作用。鉴于此，从固碳角度考虑，今后应以高固碳作物水稻为抓手，优化种植结构，扩大水稻播种面积，主攻单产，充分挖掘它的固碳潜力，这对农田生态系统固碳减排，发展碳汇农业，不失为一项行之有效的举措。

表4 天门市2003～2012年不同农作物碳吸收强度与贡献率

2.2 农田投入碳排放及其特征分析

1)农田投入碳排放量与碳排放强度 由表5可知，与农作物碳吸收不同，农田投入碳排放量呈先升后降再上升的变化趋势，其中2003～2009年碳排放量为上升期，碳排放量由89.04×103t C逐年上升到105.55×103t C；2010年开始下降，2011年降到102.53×103t C；2012年又再度上升，并超过2009年的碳排放量,为106.12×103t C，增幅19.18%，年均递增率为0.55%。从碳排放强度看(表5)，与农田投入碳排放量变化趋势基本一致,由0.82t C/(hm2·a)上升到0.98t C/(hm2·a)，涨幅为19.51%。但碳排放强度高于全国[5]的0.46～0.71t C/(hm2·a)，这应引起天门市有关方面的高度重视。

表5 天门市2003～2012年农田投入碳排放量及碳排放强度

2)不同农田投入碳排放强度及对碳排放量的贡献 由表6可知，在5种主要农田投入碳排放途径中，其平均碳排放强度化肥>农药>农用柴油>农膜>农田灌溉，它们分别为0.59、0.22、0.02、0.08、0.01t C/(hm2·a)，其中化肥的碳排放强度是农药的2.68倍、农用柴油的7.38倍、农膜的2.95倍和农田灌溉的59倍，而农药的碳排放强度则是农用柴油的2.75倍、农膜的11倍、农田灌溉的22倍。从不同农田投入对碳排放量的贡献看(表6)，也是化肥>农药>农用柴油>农膜>农田灌溉，其中化肥的贡献最大，贡献率高达63.94%，是左右碳排放总量的关键；农药的贡献率占23.78%，也是一个不可忽视的重要因素；农用柴油与农膜的贡献率只占8.31%和2.83%，对碳排放量的贡献有限；而农田灌溉的贡献率仅占1.05%，可忽略不计。在当前化肥碳排放量居高不下、农药碳排放量逐年增加和农业机械化水平不断提高的大背景下，从减排角度考虑，今后应将关注点放在化肥、农药的碳排放控制上。要大力推广平衡施肥、有机无机肥配施、秸秆还田和病虫害绿色防控等低碳农业技术，提高化肥、农药等高碳型农业投入品的利用率，减少其使用量，达到节能减排的目的。

表6 天门市2003～2012年不同农田投入碳排放强度与贡献率

2.3 农田生态系统碳足迹及其特征分析

1)农田生态系统净碳汇量与净碳汇强度 本研究中净碳汇量是指农田生态系统碳吸收总量与碳排放总量的差值。由表7可知，天门市农田生态系统的净碳汇量变化与农作物碳吸收量变化趋势相同，也是随着年份的递进而逐年增加，由2003年的514.94×103t C增加到2012年的851.18×103t C，增幅65.30%，年均递增率1.58%。而单位耕地面积净碳汇强度与净碳汇量变化趋势一致，由2003年的4.73t C/hm2增加到2012年的7.70t C/hm2，增长62.79%，年均递增率为1.53%。这表明，天门市农田生态系统具有较强的碳汇功能，其净碳汇量可补偿天门市工业和居民生活的碳生态赤字，具有显著的生态效应。

2)农田生态系统碳足迹与碳足迹效率 由表7可知，天门市农田生态系统碳足迹与净碳汇量的变化趋势却相反, 则随着年份的递进而逐年减少，由2003年的48.81×103hm2减少到2012年的37.70×103hm2，减幅达29.47%，年均递减率为0.81%。同时，由于生态足迹的逐年减少，其碳生态盈余也逐年增加，即由2003年的60.02×103hm2增加到2012年的72.78×103hm2，增幅为21.26%，年均递增0.60%。也就是说，农田生态系统每年排放的CO2仅需34.12%～44.85%的耕地面积来消纳。韩召迎等[7]将农田碳吸收量与碳足迹的比值定义为碳足迹效率，此值越大，表示碳足迹效率越大，反之，则碳足迹效率越小。由表7可见，天门市农田生态系统碳足迹效率逐年增大，由2003年的19.13t C/hm2逐年增大到2012的34.27t C/hm2，增幅79.14%，年均递增率为1.84%。这主要由农田生态系统单位面积碳吸收能力逐年增强所致。今后还需要在保障农田碳吸收增加的同时，有效控制农田生态系统碳排放与碳足迹的增长，充分发挥农田生态系统的生态屏障作用，以便消纳更多能源活动和工业生产过程的碳排放量，促进天门市社会经济的可持续发展。

表7 天门市2003～2012年农田生态系统净碳汇量与碳足迹

3 讨论

本研究从碳循环的角度，采用系数法初步测度分析了天门市2003～2012年农田生态系统的碳吸收、碳排放与碳足迹。由于国内相关研究较为薄弱，其估算结果尚存在一定的不确定性。首先，在农作物碳吸收上，虽然农作物经济系数较为稳定，但随着品种类型的更新换代，也会发生变化[6]。从研究区3大优势农产品看，水稻品种在杂交化的基础上，于1999年起大面积推广超级稻，而棉花和油菜则在2003年实现了棉花杂交化和油菜双低化，它们的经济系数也可能会得到相应的提高，如超级稻的经济系数已达到0.6以上[6]。但本研究计算所采用的经济系数仍为20世纪90年代或以前的参数[15]，可见，水稻、棉花、油菜的经济系数明显偏低，势必导致农作物碳吸收量被低估。

其次，在农田投入碳排放系数的选用上，本研究除氮肥、农膜和农田灌溉外，磷肥、钾肥、复合肥和农药的碳排放系数均选用美国橡树岭国家实验室20世纪90年代的研究数据[11～13]。由于中美两国在能源结构、化学工业工艺以及农田管理等方面存在较大的差异，必然会造成碳排放系数的误差。如我国是世界上唯一以煤为主要原料生产氮肥的国家，生产氮肥能源消耗多，碳排放也多，而美国基于天然气的氮肥工业的碳排放要比我国小很多[10]。逯非等[10]的研究结果显示，我国生产1t氮肥所产生的碳排放为1.740t C，比美国[11]的0.85754t C高出2.03倍。由此可见，本研究磷肥、钾肥、复合肥和农药的碳排放系数可能偏低，其实际碳排放量将会更大些。

再次,在土壤碳固定与碳呼吸速率上，现有研究结果表明，土壤有机碳动态变化不但受自然因素，如温度、降水和植被类型的影响，而且在很大程度上受施肥、秸秆还田、免耕和灌溉等农业耕作管理措施的影响[4]；而土壤碳呼吸速率与水热因子、作物生物学特性和农业管理活动等因素相关[20]，均存在较大的不确定性，也是影响其估算结果精度的一个重要原因。

鉴于上述估算结果的不确定性，有必要进一步深入开展细致的研究，包括符合我国国情的碳排放系数推算、不同农作物的经济系数测定、不同条件下的土壤碳呼吸速率测算以及不同农田耕作管理措施的土壤碳汇量研究等，以便为区域农田生态系统碳足迹核算提供更多、更准确的目录清单。

4 结论

1)2003～2012年，天门市农作物碳吸收量与碳吸收强度呈现出随着年份的递进而逐年增加的态势，分别从2003年的787.90×103tC、7.24t C/hm2增加到2012年1144.01×103t C和10.35t C/hm2，分别增长了45.2%和42.96%。水稻为高固碳作物，对农作物碳吸收量的贡献居于主导地位。

2)农田投入碳排放量及碳排放强度呈先升后降再上升的变化趋势，变化范围分别为(89.04～106.12)×103t C/a和0.82～0.98t C/(hm2·a)，分别增长了19.18%和19.51%。其中化肥为主要碳排放源，是左右碳排放量的关键。

3)核算结果显示，天门市农田生态系统为碳汇，其碳足迹呈现出随着年份的递进而逐年减少的态势，由2003年的48.81×103hm2减少至2012年的37.70×103hm2，减幅达29.47%，占同期耕地面积比重的34.12%～44.85%，明显小于区域生态承载力。但当前天门市的农业发展属于严重依赖化肥、农药等化石能源产品的高碳型发展模式。在低碳经济时代，必须转变现有的农业发展模式，逐步减少对高碳农业的依赖，大力推广应用环境友好型的低碳农业技术，积极发展低碳农业，促进农业的可持续发展。

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[编辑] 余文斌

2016-02-24

沈体忠(1950-),男,高级农艺师，主要从事农业环境保护研究，cblsdr@tom.com。

S181

A

1673-1409(2017)14-0062-07

[引著格式]沈体忠.天门市农田生态系统碳足迹的测度分析[J].长江大学学报(自科版)，2017，14(14)：62～68.