1980—2011年福建省农业甲烷排放估算研究

朱思明， 吴 群， 毛艳玲， 张黎明， 龙 军

(福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002)

1980—2011年福建省农业甲烷排放估算研究

朱思明， 吴 群， 毛艳玲， 张黎明， 龙 军

(福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002)

基于1980—2011年福建省农业生产的相关统计数据, 将稻田甲烷排放模型CH4MOD、排放因子法和GIS相结合，模拟估算了福建省1980—2011年农业源甲烷排放量。结果表明：(1)1980—2011年福建省农业CH4共排放1 219.71×104t，总体呈下降趋势；(2)福建省农业CH4排放高值区主要分布在南平市、龙岩市和漳州市，约占福建农业CH4排放总量的47%；(3)32 a间福建省水稻CH4总排放877.63×104t，总体呈递减走势，年均递减率为1.96%。反刍动物肠道和动物粪便CH4排放量均呈明显上升趋势，年均增长率分别为1.04%和2.25%；(4)不同农业源CH4排放量差异较大，以稻田CH4排放最高，占总排放的72%，其次是动物肠道CH4排放，占总排放量的23%，动物粪便CH4排放约占5%；(5)对2025年甲烷排放量进行模型预测，表明福建省农业CH4排放量总体降低，反刍动物饲料和动物粪便管理效率的提高成为未来福建农业发展的重点。

温室气体；农业源碳排放；甲烷；甲烷排放模型；地理信息系统；福建

甲烷(CH4)作为最重要的温室气体组成部分，在地球气候系统中起着举足轻重的作用。大气中70%的CH4来源于农业相关活动等过程[1]。农业排放CH4占由人类活动造成的CH4排放总量的50%，大气中每年有20%的温室气体来源于土壤，农业活动作为最主要的CH4排放源之一，其对温室效应的显著影响毋庸置疑[2-3]。因此，为了减少温室气体排放，有效保护环境，结合相关分析技术对省域尺度农业CH4排放研究具有重要的意义，这也是当今研究的热点之一。地理信息系统(GIS)作为一门重要的信息技术，近年来在农业研究领域得到了普遍应用，它具有快速分析、科学直观、精确呈现等特点，对研究温室气体具有重要作用[4]。以往关于农业温室气体排放的研究对农业CH4的进一步探索起到了重要推动作用，张稳等[5]、HUANG等[6]创造性的提出甲烷排放模型理论，并与王平等[7]率先将稻田CH4排放模型CH4MOD和GIS结合，模拟估算了中国50 a间稻田生长期CH4排放量，SURRIDGE[8]用模型法研究表明，水稻种植面积与施肥结构决定农业CH4总体排放量。但这些研究多为20年以内的时间跨度或全国尺度，对省域农业CH4排放大趋势研究较少。以往研究的方法多为误差较大的IPCC推荐方法或者针对稻田CH4的模型法。IPCC推荐方法和CH4MOD模型方法相结合可有效减少误差，并且GIS空间分析技术在大尺度上简单、直观、方便和准确地对排放源进行分析，能极大地提高研究精度和效率[9-11]。因此，本研究根据福建省农业生产实际情况，借鉴2010年《IPCC国家温室气体清单指南》推荐的计算方法和稻田CH4MOD模型，利用ArcGIS平台分析其时空变化特征，估算福建省31 a农业甲烷排放，在大时间跨度上对福建省农业温室气体排放量规律进行科学的论证，为福建省制定农业CH4减排策略提供基础依据。

1 研究方法与数据来源

1.1研究区概况

福建省位于中国东南沿海，受季风环流和地形的影响，形成了暖热湿润的亚热带海洋性季风气候，热量丰富，全省70%的区域年积温在5 000～7 600 ℃，年平均气温17～21 ℃，平均降雨量1 400～2 000 mm，是中国雨量最丰富的省份之一。福建省共设9个地级市，2011年耕地总面积约133.85×104hm2，其中水稻种植面积84.53×104hm2，分别占福建省土地总面积的6.96%和耕地总面积的63.15%，牛的养殖数量为69.77×104头，猪的养殖数量为195.04×104头[12]。

1.2研究方法

对稻田CH4排放采用精确性高的CH4MOD模型进行估算，畜禽养殖CH4排放采用排放因子法进行估算。排放因子的选取参考 IPCC 指南提供的缺省值和国内外研究资料[13-17]。

1.2.1 稻田CH4排放 稻田CH4排放量的核算采用张稳等[5]提出的稻田CH4排放模型(CH4MOD)。该模型与IPCC估算办法相比，能够通过较少的参数输入有效地模拟中国主要农作方式下的稻田CH4排放量，对稻田CH4排放量能够精确核算等优势；利用GIS技术将水稻种植区按一定的空间化方案划分成若干基本空间单元，通过在CH4MOD 获得该单元的CH4排放量，具体结合操作流程请参考文献[5]。

CH4MOD所需基本参数包括：土壤砂粒百分含量、水稻单产量、有机肥施用量以及前茬作物的根茬残留量。土壤砂粒百分含量取自第二次全国土壤普查数据，经过经纬度坐标精确定位与1:25万福建省土壤类型图空间数据叠加进行矫正；有机肥类型和施用量、作物秸秆数量和水稻单产量均通过《中国农村统计年鉴》、《福建农业统计年鉴》、《福建省统计年鉴》和福建省各地级市统计年鉴相结合收集获得。根茬残留量通过作物生物量和根冠比估算。CH4MOD模型运行以日为步长，动态驱动变量包括作物生长、逐日土壤温度和氧化还原电位。用logistic生长方程对水稻单产进行模拟作物生长，逐日土壤温度通过气温计算，土壤氧化还原电位根据稻田水分管理方式等进行模拟[6]。逐日气温和其他气候数据均来源于福建省和各地市气象局。利用CH4MOD按250 m×250 m栅格分别模拟单季稻、双季早稻和晚稻生长季的甲烷排放，累加各栅格的CH4排放量得到稻田CH4排放总量。

1.2.2 动物肠道发酵CH4排放 根据福建省畜牧养殖的实际状况，选取主要食草动物作为研究对象，核算肠道发酵CH4排放量。动物肠道发酵CH4排放量的估算公式如下:

E动物肠道甲烷=∑EFi×Ai

(1)

式中:E动物肠道甲烷为动物肠道发酵CH4排放总量，EFi为i种动物甲烷的排放因子(kg·头-1·a-1)，Ai为动物数量(头)。根据文献[14]对中国动物饲养区域的划分，本研究采用农区排放因子，见表1。

表1 农区不同类型动物消化道CH4排放因子Table 1 Emission factors of methane from animal digestive tract

1.2.3 动物粪便管理CH4排放 选取主要畜养动物作为动物粪便CH4主要排放源。动物粪便管理CH4排放量的估算公式如下:

E动物粪便管理甲烷=∑EFi×Ai

(2)

式中：E动物粪便管理甲烷为动物粪便管理CH4排放总量，EFi为i种动物粪便管理甲烷的排放因子(kg·头-1·a-1)，Ai为动物数量(头)。根据文献[14]推荐的方法及各省动物采食量的调查数据，结合所调查的全国各省各类动物粪便管理系统中粪便处理的比例、IPCC所推荐的CH4排放潜力、粪便处理的CH4转换因子等因素，得到福建省主要畜养动物种群粪便排放因子,见表2。

1.3数据来源

本研究中的水稻等作物种植面积，猪、牛、羊、家禽等禽畜数量等数据均出自于福建省农业统计年鉴[15]，排放因子系数来源于2010年《IPCC国家温室气体清单指南》、《中国温室气体清单研究》，气象，气候数据均来源于福建省和各地市气象局。

2 结果与分析

2.1福建省农业CH4排放总量的时间变化特征

由图1可以看出，1980—2011年福建省农业CH4排放总量经历了波动上升、快速下降和趋于平稳3个阶段。1980—1996年福建省农业CH4排放总量波动上升，排放总量由1980年的43.17×104t升至1996年的44.26×104t，年均增速为0.15%。1996年开始以每年7.67%的比例快速下降，到2001年达到最小值，为27.29×104t；2001年后以每年0.98%的速度回升，2011年升至30.51×104t。主要是由于福建省在2001年经济结构开始深入优化，第一产业比重下降明显，粮食播种面积比2000年减少10.28×104hm2，下降5.6%[15]。

表2 福建主要动物粪便CH4排放因子Table 2 Emission factors of methane from livestock manures kg·头-1·a-1

图1 1980—2011年福建省农业CH4排放量变化Fig.1 Graph of methane emissions of temporal changes in Fujian Province

2.1.1 稻田CH4排放 1980—2011年水稻CH4排放877.63×104t，总体呈现递减趋势(图1)，年均递减率为1.96%。1980年稻田CH4排放量最高达34.94×104t，比年均排放量高27.38%，2000年排放量最低，仅18.56×104t，是年均排放量的67.66%。稻田CH4排放量降低主要是由于区域内水稻播种面积不断减少：2011年福建省粮食种植面积为1 840.18×104hm2，比上年减少8.27×104hm2，其中稻谷面积1 268.01×104hm2，减少14.23×104hm2[14]。稻田CH4对福建农业源CH4排放贡献率为71.96%。

2.1.2 动物肠道发酵CH4排放 1980—2011年福建省动物肠道发酵CH4排放总体上升，这与社会经济有关：2011年福建省肉类总产量182.95×104t，比上年增长1.5%，其中，猪肉与上年持平，牛肉、羊肉、禽肉分别增长4.4%、4.1%和9.8%[16]。32 a间福建省动物肠道发酵CH4总排放量为279.10×104t，年平均值为8.72×104t，占总体农业CH4年均排放的22.88 %，年均增长率为1.04%。1980—2011年福建省动物肠道发酵CH4排放中，牛肠道发酵CH4排放年平均值为6.60×104t，占福建省动物肠道发酵CH4排放平均值的75.70%，是动物肠道CH4排放的主要来源。猪肠道排放CH4年平均值为1.61×104t，占福建省动物肠道CH4排放年平均值的18.48%。

2.1.3 动物粪便管理甲烷排放 动物粪便CH4对农业CH4排放总量的贡献最小。1980—2011年福建省动物粪便共排放甲烷62.97×104t，占总体农业CH4年均排放的5.17%，年均排放量为1.97×104t，年均增长率为2.25%，其中2003年增长最快，增长率为29.02%；最低排放量为1980年1.29×104t，占动物粪便CH4排放平均值的65.48%，最高值为2011年2.63×104t，是动物粪便CH4排放平均值的133.5%。

2.2源排放贡献变化特征

1980年和2011年福建省农业CH4排放分布发生了显著变化(图2)：稻田CH4占农业CH4排放总量的81%(1980年)和60%(2011年)，为农业CH4排放的最大贡献者；动物肠道和动物粪便管理CH4对农业CH4排放总量的贡献率分别从1980年的16%和3%转变为31%、9%。该结果与李艳春等[11]认为福建省2010年动物肠道CH4排放与动物粪便管理CH4排放的贡献率都为21%有明显不同，造成这一差别的主要原因是由于所选择的排放因子以及稻田CH4计算方法不同。由于缺少福建省内特定排放因子，因此研究结果存在一定的不确定性，本研究是根据IPCC的缺省值和华东地区的推荐值，并结合已有学者的研究成果和福建省实际情况做出了适当调整[5, 7, 17]。

图2 福建省1980年和2011年的农业CH4 排放分布Fig.2 Contributions of CH4 emissions of different agricultural sources from 1980 and 2011 in Fujian Province

2.3福建省农业CH4总量空间变化特征

利用福建省行政区划空间数据，借助ARC/INFO(ArcGIS)相关模块对数据资料进行整理，使之与行政边界空间数据相匹配。通过栅格化处理形成250 m×250 m栅格，空间数据与计算数据(及属性数据)的连接，我们以县名为关联字段进行连接，形成福建省农业源CH4空间栅格数据库。

由于客观存在经济、地理位置、气候、环境等影响因子，导致福建省各地农业经济发展现状不同以及农业温室气体排放量存在差异。从不同地级市每10 a的农业甲烷排放量汇总可以看出(图3)，各地区31 a间农业源CH4排放总量由高到底排序为：南平市>龙岩市>漳州市>三明市>泉州市>福州市>宁德市>莆田市>厦门市，其中，年均排放量大的地区依次是南平市、龙岩市和漳州市，分别为6.55×104t，5.79×104t和5.74×104t。其中，南平市31 a排放总量最大，为209.52×104t。龙岩市和漳州市总排放量仅次于南平市，分别为185.11×104t和183.67×104t。厦门市农业CH4排放总量最小，为25.74×104t。

通过图4可以看出，1980年农业CH4排放较多分布在闽北地区的南平市、闽西地区的三明市和龙岩市以及闽南地区的泉州市和漳州市以及福州市，这些地区的地级市1980年农业CH4排放量在4×104t以上。1980年厦门市、宁德市、莆田市排放较少，其境内大部分区县排放量在6 000 t以下。根据福建省1980年统计年鉴，闽北南平市该年份水稻种植面积为福建省最多的地区，闽南的漳州市和泉州市的动物养殖数量较大，而稻田CH4排放以及动物肠道发酵CH4排放都是农业温室气体的重要排放源。因此，这些地级市的排放量相对其他地级市的排放量更高。2011年福建省农业CH4排放较多分布在南平市、龙岩市和三明市的南安县和安溪县。闽西和闽东地区排放较少，大部分县级市排放量在1×104t以下。

图3 1980—2011年福建省各地区农业CH4排放总量Fig.3 Spatial distribution of CH4 emission in Fujian

图4 福建省各地农业源CH4排放时间对比图Fig.4 Contrast graph of time trends of CH4 in Fujian

为方便进行不同区域温室气体排放效应的对比，更加直观体现农业源CH4的温室效应分布，采用国际统一的标准化温室气体度量单位，即通过全球增温潜势数值得到甲烷的二氧化碳当量。对比1980年与2011年福建省农业CH4排放二氧化碳当量分布图(图5)，2011年福建省农业主要温室气体的排放较1980年有所减少。其中，闽北地区2011年排放量相对1980年有微弱减少，闽南地区排放量有所增加，闽西、闽东地区总排放量较1980年差异较小。福建省农业源CH4排放增多的原因，主要是由于1980—2011年中动物养殖及消费数量的增加，导致动物肠道CH4、动物粪便管理CH4气体排放的增多。1980—2011年闽北地区排放的减少与稻田种植面积不断减少有关，闽南地区，尤其是漳州市和泉州市，由于动物养殖量的增加，导致2011年农业主要温室气排放量较1980年增加较多[16]。

2.4福建省农业CH4排放强度分析

通常，温室气体排放强度代表一个国家或地区的能源利用效率，排放强度越低，能源效率越高[17]。排放强度是指用该地区的年均农业CH4排放量除以土地总面积，综合考虑该区域的污染负荷状况。对比32 a福建省各地级市总体农业CH4排放强度(图6)可知，福建省农业CH4排放强度最大的3个地区分别是漳州、泉州和厦门，排放强度最大的是漳州市为4.5 t·km-2·a-1，厦门市和泉州市排放强度相差不大，分别为4.3 t·km-2·a-1和4.2 t·km-2·a-1，以上3个城市甲烷排放强度明显高于福建省32 a间平均排放强度3.1 t·km-2·a-1，排放强度最小的是三明市仅为 2.3 t·km-2·a-1。由空间分布图(图6)可以看出，农业源甲烷主要分布在闽北，这与排放强度明显不同，产生这一现象的主要因素是各城市土地面积和农业结构差异。1980—2011年福建省农用地面积总体减少17%，农用地机械化覆盖率增长32%，由排放强度时间对比图(图7)可以看出，各地区CH4排放强度总体呈下降趋势[15]。

图5 1980与2011年福建省农业CH4排放二氧化碳当量分布对比图Fig.5 Contrast Figure of carbon dioxide equivalent of methane emission between 1980 with 2011 from different domestic of Fujian

2.5福建省农业CH4排放预测分析

采用 SPSS(Version 16)统计软件，根据散点图选择合适的回归模型对温室气体CH4排放进行预测分析。对1980—2011年福建省农业CH4各排放源排放量进行曲线拟合，生成相应函数对未来(2025年)排放量进行预测。

2.5.1 稻田CH4排放预测分析 运用回归分析功能下的曲线估计，在自变量选择时间序列，得到模型参数估计值(表3)。通过对2012、2013年福建稻田CH4实际排放量进行验证，分别为18.02×104t和17.80×104t。实际数据与通过线性函数得到的模拟数据相拟合，因此采用线性函数运算对2025年进行模拟预测为：11.66×104t。

2.5.2 动物肠道发酵和粪便管理CH4排放预测分析 通过对2012—2013年福建反刍动物肠道CH4实际排放量及动物粪便CH4实际排放量进行验证，分别为8.40×104t、8.45×104t、2.26×104t和2.22×104t。实际数据与通过幂函数得到的模拟数据相拟合，因此分别采用幂函数运算和二次函数对2025年福建动物肠道发酵和粪便管理CH4排放量进行模拟，预测结果为：13.66×104t和2.97×104t。

图6 1980—2011年福建省各地区农业CH4总体排放强度对比图Fig.6 Contrast graph of methane emission intensity from domestic of Fujian Province

图7 福建省各地农业源CH4排放时间对比图Fig.7 Contrast graph of methane emission intensity of time trends of CH4 in Fujian

根据上述福建省农业CH4排放量变化趋势，可以看出，稻田CH4仍是农业CH4排放的最大贡献者，反刍动物肠道CH4排放量对未来总体趋势也会产生重要影响。因此合理安排水稻品种、水源管理等关键因素，有效减少温室气体排放；同时改善动物饲料质量和提高动物生产力，减少反刍动物甲烷的排放[18-19]。

表3 稻田CH4排放模拟模型汇总和参数估计值Table 3 Simulation model of methane emissions from rice field

注：因变量为稻田CH4排放量。

Note:Dependent variable was methane emissions.

3 结论与讨论

福建省1980—2011年农业CH4排放量总体呈下降趋势，年均递减率1.04%。其中由于福建省水稻种植面积下降，导致稻田CH4排放量不断减少，但仍对福建省农业CH4排放贡献最大；反刍动物数量虽呈上升趋势，但对总排放量贡献仍然较低。农业CH4高峰值主要分布在南平市、龙岩市、漳州市，占福建省农业源CH4排放总量的47%。排放呈现出“南北多，东西少；山区多，沿海少”的布局特点。经预测分析得到2025年CH4排放总量继续呈现逐年下降的走势，但年均下降幅度较缓。

3.1与国内农业CH4排放水平研究对比

国内温室气体排放清单表明：1991—2008年间全国种植业的CH4排放量总体不断降低；江西省冬水田CH4排放因子无显著的上升趋势；生活水平的提高和农村产业结构的调整促进了中国整体农业集约化的快速发展，北京地区的畜禽温室气体排放仍呈递增走势，与福建省排放走势一致[9-10, 20]。

3.2与国外农业CH4排放水平研究对比

VERGE等[21]在农业温室气体的研究中得出全球部分区域1990年和2000年农业CH4人均排放二氧化碳当量：1990年亚洲农业CH4人均排放为446 CO2e·人-1，2000年亚洲农业CH4人均排放为408 CO2e·人-1。1990年福建农业CH4人均排放为345 CO2e·人-1，占世界农业CH4人均排放的65.46%，占亚洲农业CH4人均排放的77.35%；由于受到中国经济增长强进势头的影响，2000年福建农业CH4人均排放量为266 CO2e·人-1，占世界农业CH4人均排放的57.08%，占亚洲农业CH4人均排放的65.20%，相比1990年的比例指标下降明显；KAI等[22]运用模型方法对中国稻田甲烷排放的研究结果显示，1961—2007年甲烷排放总量呈现“先升高后降低，总体下降”的趋势；SUVI等[23]认为通过更为精确的测算和科学的控制手段，2012年芬兰的农业源温室气体总量将降低7%。以上研究成果与本研究结果基本一致。

根据本研究结果，针对福建省农业源CH4排放，提出如下建议：针对稻田管理，推广免耕和秸秆还田等沃土工程，提高土壤的固碳能力[23]；使用低排放和高产量的水稻品种，提高水稻单产；在非种植季节避免积水，保持土壤干燥[24]；加强畜牧业管理，改进饲料和喂养方式；推广集约、高效畜禽养殖技术；与此同时，减少碳源排放的同时增加碳汇面积，如在农田周围植树造林，利用森林的碳汇功能降低农田温室气体的排放量。

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(责任编辑：朱秀英)

EstimationoftheamountofagriculturalmethaneemissioninFujianProvincefrom1980to2011basedonmodelCH4MODandGIS

ZHU Siming, WU Qun, MAO Yanling, ZHANG Liming, LONG Jun

(College of Resource and Environment, Fujian Agricultural and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Based on the agricultural production data collected in Fujian province from 1980 to 2011, this paper establishes a framework to estimate the amount of agricultural methane emission during that period by using the combined work of modeling methane emission from rice paddies and GIS spatial database. The results show that: (1) the amount of Methane emission experienced a decrease in Fujian province from 1980 to 2011, accounting for almost 1 219.71×104t in total, which means the rate is declining year by year; (2) The highest mount of agricultural methane emission appeared in Nanping, Longyan and Zhangzhou, accounting for 47% in total; (3) During the 32 years, the amount of methane emission in rice paddies is 877.63×104 t in Fujian, showing an overall decreasing trend with an annual rate of 1.96%. Animal intestines and livestock manures methane emission showed a clearly increasing trend, with average annual growth rates of 1.04% and 2.25% respectively; (4) The amount of methane emission from different agricultural sources is quite different. Paddy is the main source of agricultural methane emission, accounting for 72% in total, while animal digestive tract accounts for 23% and livestock manures accounts for 5%. Controlling the rice paddy soil organic matter is a vital point for the paddy CH4emissions management; (5) The estimated model of 2025 shows that the amount of agriculture CH4emission reduces overall in Fujian province. Meanwhile, to enhance the efficiency of ruminant feed and animal waste management has become an important point for the development of agriculture in Fujian.

greenhouse gas; agricultural carbon emission; methane; CH4MOD; GIS; Fujian

S181

：A

2016-07-18

国家自然科学基金项目(30972346)；国家科技支撑计划项目(2014BAD15B01)；福建省自然科学基金项目(2011J01087)

朱思明(1990-)，男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事土壤温室气体排放研究。

毛艳玲(1970-)，女，福建福州人，教授，博士，博导。

1000-2340(2017)02-0250-08