河南省农业碳排放时空特征与脱钩弹性研究

张志高+袁征+张翠贞+庞菲菲+王少利+肖振华+张玉

摘要：基于灌溉、翻耕、化肥、农药、农膜、农用柴油等农业生产中6个方面，测算了河南省1993—2014年的农业碳排放量和排放强度。结果表明，1993年以来河南省农业碳排放量总体呈上升趋势，按环比增速可分为“高速-中速-低速”3个演化阶段。河南省各地市碳排放差异明显，周口市、新乡市、商丘市、安阳市属于碳排放总量、碳排放强度“高-高”型地区；南阳市、驻马店市、信阳市属于高碳排放量、低排放强度“高-低”型地区；平顶山市、焦作市、濮阳市则属于低碳排放量、高排放强度“低-高”型地区，郑州市等8市属于碳排放总量、碳排放强度“低-低”型地区。运用Tapio脱钩模型计算了河南省农业碳排放的脱钩弹性系数，结果显示，2004年前农业碳排放与农业经济发展的脱钩关系呈现弱脱钩、扩张负脱钩、扩张连接、强负脱钩和弱负脱钩5种弹性特征并存，2004年后以弱脱钩为主导，仅在2011年出现扩张负脱钩，脱钩状态较为理想，说明近年来河南省在农业碳减排方面取得了一定成效。

关键词：农业碳排放；时空特征；脱钩弹性；河南省

中图分类号： F323文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0281-05

收稿日期：2017-02-19

基金项目：河南省科技计划（编号：152102310088）；河南省高等学校重点科研项目（编号：16A170006）。

作者简介：张志高（1986—），男，河南许昌人，博士，讲师，主要从事区域资源环境评价研究。E-mail：Zhangzhg06@163.com。近年来，全球气候变化给人类社会与经济发展带来了显著的不利影响，严重威胁能源安全、粮食安全、水资源和公共卫生安全等 [1]。全球气候变化的主要原因在于人类对能源和自然资源的过度使用和开发，造成大气中温室气体浓度的迅速增长。农业生产过程中，土地翻耕、灌溉等活动以及化肥、农药等物资投入会直接或间接导致温室气体的排放[2-3]。农业生产已成为全球第二大温室气体排放来源，占全球温室气体排放总量的14%。农业在我国国民经济发展中起着重要作用，随着化肥、农药、农膜等农用物质在农业生产活动中的大量使用，农业生产活动引发的碳排放已经成为区域碳排放的重要组成部分，据统计，我国农业温室气体排放占全国排放总量的17%[4]。因此，对于农业碳排放问题的研究日益成为学术界关注的热点。在农业碳排放总量和结构方面，不同学者从能源消耗、农业投入和不同农业部门等视角对农业碳排放进行了测算[5-7]。研究者分别采用LMDI指数分解法[8-9]、Kaya恒等式[10]、STIRPAT[11]等方法对碳排放驱动因素进行分解研究。农业碳排放与经济增长关系研究方面，李波等[12]和李立等[13]进行了农业碳排放与经济发展之间的脱钩效应分析。田素妍等[14]和高标等[15]进行了农业和畜牧业碳排放的库兹涅兹曲线（EKC）研究。与第二产业、第三产业相比，农业碳排放的相关研究成果较少，主要基于国家尺度且集中在东部等发达地区。河南省作为农业大省和我国重要的商品粮基地，在我国农业生产中占有举足轻重的地位。本研究以河南省为研究对象，从农用柴油、化肥、农膜、农药、翻耕、灌溉等6个方面构建河南省农业碳排放测算体系，分析河南省1993—2014年农业碳排放量和碳排放强度的变动特征，并对河南省18个地市2014年的农业碳排放量进行测算与分析，基于脱钩理论测算出河南省农业碳排放弹性特征，分析河南省农业碳排放与农业经济增长的关系，以期为河南省实现低碳农业发展提供参考依据。

1材料与方法

1.1研究区域概况

河南省位于中国中东部、黄河中下游，包括郑州市、洛阳市、开封市等18个地级市，地处31°23′～36°22′N、110°21′～116°39′E。河南省总面积16.7万km2，其中平原和盆地面积约9.3万km2，占全省总面积的55.7%，山地和丘陵面积7.4万km2，占全省总面积的44.3%。河南省地势总体呈西高东低，北、西、南三面千里太行山脉、伏牛山脉、桐柏山脉、大别山脉沿省界呈半环形分布；中部、东部为华北平原；西南部为南阳盆地。总人口10 722万人，占全国总人口的7.8%。河南省年平均气温12～16 ℃，年平均降水量为500～1 400 mm，无霜期为190～230 d，日照时数1 740～2 310 h。充足的光、热、水资源和肥沃的土地为河南省农业发展奠定了良好的基础，粮、棉、油等主要农产品产量均居全国前列，是全国重要的优质农产品生产基地。

1.2研究方法

1.2.1农业碳排放量及碳排放强度估算碳排放估算的方法主要有碳转化系数法与政府间气候变化专门委员会（IPCC）推荐的物料平衡算法等。农业碳排放主要碳源为化肥、农药、农膜等农用物资投入，因此，农业碳排放测算多采用碳转化系数法。本研究结合河南省实际情况及数据的可获取性，选择土地翻耕、灌溉、化肥、农膜、农药、农用柴油等6个方面，对河南省的农业碳排放量进行估算。农业碳排放计算公式为：

E=∑Ei=∑Ti×δi。（1）

式中：E为农业生产碳排放总量，Ei为各类农业碳源碳排放量，Ti为各碳排放源投入量，δi为各碳源的碳排放系数。参考前人研究成果，化肥、农药、农膜、农用柴油碳排放系数依次为0.895 6、4.934 1、5.180 0、0.592 7 kg/kg[10，16]，翻耕为312.600 0 kg/km2，农业灌溉为25.000 0 kg/hm2。由于河南省火力发电占总发电量的比例高达98%以上，因此未调整农业灌溉的碳排放系数。据此获得农业碳排放强度：

A=EB=∑EiB=∑TiδiB。（2）

式中：A为农业碳排放强度；B为耕地面积。

1.2.2脱钩理论与脱钩弹性的测算脱钩理论是为了探讨环境质量与经济发展之间的关联性，测度经济发展与物质消耗投入和生态环境之间的压力状况而提出的一种理论观点，后又被运用到能源、交通、农业等领域[17]。目前用于脱钩分析的模型有2种，即OECD脱钩模型和Tapio脱钩模型。OECD脱钩指数法运用终期年份与基期年份的变化量，作为判定该时期2个研究变量是否脱钩关系的依据。Tapio脱钩模型在OECD脱钩模型的基础上，采用“弹性概念”来动态地反映变量间的脱钩关系，克服了OECD脱钩模型在基期選择上的困境。根据脱钩弹性数值大小，Tapio脱钩模型将脱钩指标分为连接、脱钩或负脱钩3种状态，再依不同数值将脱钩分为强脱钩、弱脱钩、扩张连接、扩张负脱钩、强负脱钩、弱负脱钩、衰退连接、衰退脱钩等8种状态[18]，具体划分见表1。本研究选用Tapio模型对河南省农业碳排放与农业经济增长的脱钩关系进行分析，构建如下脱钩弹性系数模型：endprint

e=ΔC/CΔPGRI/PGRI。（3）

式中：e表示脱钩弹性；C表示农业碳排放；PGRI表示种植业总产值。

1.3数据来源

河南省1993—2014年的化肥（折纯量）、农膜、农药、农用柴油、种植业产值等数据来自《河南统计年鉴》《河南农村年鉴》及各地市统计年鉴，以当年实际使用量为准，翻耕数据用当年农作物总播种面积替代，农业灌溉以有效灌溉面积为准；由于部分县市行政区划调整，为保证统计口径一致，本研究根据调整后的行政区划对调整前的县市数据进行了分类整理。

2河南省农业碳排放时空特征分析

2.1河南省农业碳排放时序特征

根据农业碳排放量估算公式测算出1993—2014年间河南省翻耕、灌溉、化肥、农药、农膜、农用柴油6个方面碳源碳排放量以及农业碳排放总量（表2）。

与碳排放总量变化相似，1993—2014年河南省农业碳排放强度也呈持续增长态势（表2）。从1993年的484.11 kg/hm2增加到2014年的1 068.61 kg/hm2，增长120.74%，年均递增

3.88%，低于农业碳排放总量的环比增长率，农业碳排放强度的环比增速总体亦呈现阶段性下降趋势。

2.2河南省农业碳排放空间差异分析

进一步测算2014年河南省18个地级市翻耕、灌溉、化肥、农药、农膜、农用柴油6个方面碳源碳排放量以及农业碳排放总量和排放强度，结果如表3所示。表32014年河南省各市农业碳排放情况

河南省18个市农业碳排放量差异明显，南阳市排放量最高，达113.53万t，济源市排放量最低，为3.36万t，仅为南阳市的2.96%。按照碳排放绝对量差异，将18个地区分为3类（图2）：（1）排放量超过70万t的地区，包括南阳市、周口市、商丘市、驻马店市，集中于南阳盆地和豫东南平原地区，平原广阔，耕地面积大，农业在区域经济中所占比例也较高；（2）排放量介于30万～70万t的地区，包括信阳市、安阳市、新乡市、平顶山市、开封市、濮阳市、许昌市、郑州市，主要位于豫北和豫中地区；（3）排放量低于30万t的地区，包括洛阳市、焦作市、漯河市、三门峡市、鹤壁市、济源市，主要分布于豫西北山地丘陵地区，区内平原面积小，耕地面积相对较小。

由于不受农业生产规模的影响，农业碳排放强度比碳排放总量更能反映一个地区的农业碳排放水平，便于不同地区进行横向比较。由图3可知，河南省18个市农业碳排放强度

差异明显，依据农业碳排放强度绝对量差异，将18个地区分为3类：（1）排放强度超过1 200 kg/hm2的地区，包括安阳市、平顶山市、商丘市、焦作市、新乡市，主要位于豫北地区；（2）排放强度介于800～1 200 kg/hm2的地区，包括郑州市等9个地区，主要分布于豫中和豫东地区；（3）排放强度低于800 kg/hm2的地区，包括信阳市、三门峡市、济源市、洛阳市，主要分布于豫西和豫东南山地丘陵地区。

结合碳排放总量和碳排放强度差异，运用SPSS 17.0软件进行聚类分析，将各地区碳排放情况划分为“高-高”“低-低”“高-低”“低-高”4种类型，前者表示碳排放总量高低，后者表示碳排放强度高低，结果如图4所示。周口市、新乡市、商丘市、安阳市属于典型的“高-高”型地区，农业碳排放总量大，碳排放强度也大，主要位于豫东平原和豫北地区；南阳市、驻马店市、信阳市属于“高-低”型地区，农业碳排放总量较大，但碳排放强度较低，主要位于豫东南地区；平顶山市、焦作市、濮阳市则属于“低-高”型地区，农业碳排放总量少，但碳排放强度较大；洛阳市、济源市、三门峡市、鹤壁市、郑州市、开封市、许昌市、漯河市则属于“低-低”型地区，农业碳排放总量、碳排放强度均较低，主要位于豫西和豫中地区。不难发现河南省农业碳排放总量较高的地区主要为耕地面积较大、农业在区域经济发展中所占比例较高的区域，碳排放强度较高的区域主要位于经济发展较好、区内地形平坦的区域。

2.3河南省农业碳排放弹性特征分析

根据Tapio脱钩模型，计算出河南省农业碳排放与农业经济发展之间的脱钩弹性指数（表4）。总体来看，1993—2014年河南省农业碳排放脱钩弹性指数为-0.602 0～5.170 0，农业碳排放与经济发展的脱钩关系呈现弱脱钩、扩张负脱钩、扩张连接、强负脱钩、弱负脱钩5种状态。脱钩关系以弱脱钩为主，共出现13次，占61.90%，即农业碳排放的增长速度明显低于农业经济的发展速度，说明河南省严重依赖化肥、农药和农膜等农用资料投入的传统粗放型农业发展方式逐步好转，农业与环境的矛盾趋于缓和。具体可分为4个阶段：（1）1993—1999年，农业现代化进程加快，化肥、农药、农膜、农用柴油等农用资料投入加大，种植业产值与农业碳排放均保持快速增长，种植业增速明显快于农业碳排放增速，但在后期种植业增速明显放缓，碳排放与农业经济之间主要以弱脱钩为主，含有2个扩张负脱钩和1个扩张连接。（2）2000—2003年，国家对农业投入不足，农民负担加重，“三农”问题凸显，农民从事农作物生产的积极性不高，愈来愈多的农民放弃务农转向城市打工，造成种植业增速减缓甚至出现负增长。农业碳排放继续保持较快速度增长，脱钩弹性特征呈扩张负脱钩、扩张连接、强负脱钩、弱负脱钩等不理想状态。（3）2004—2010年，中央开始关注“三农”问题，实行一系列的惠农政策，种植业产值恢复快速增长，平均增速1761%，得益于农业科技的进步和生态農业、循环农业等先进模式的大力推广，化肥、农药和农膜等农用资料投入放缓，农业碳排放增速明显小于种植业产值增速，碳排放弹性特征为弱脱钩，呈现出良好的减排效应。（4）2011—2014年，农业科技进步使农业生产力得到进一步提高，循环农业和低碳农业等种植模式进一步推广，再加上产业结构的调整，种植业保endprint

3结论与建议

河南省农业碳排放总量由1993年的347.09万t增加到2014年的870.84万t，增长1.51倍，年均增速4.50%，总体上呈“高速—中速—低速”3阶段演化特征。农业碳排放强度从1993年的484.11 kg/hm2上升到2014年的 1 068.61 kg/hm2，增长1.21倍，年均增长3.88%。

河南省18个地区农业碳排放差异明显，2014年农业碳排放最大地区为南阳市，高达113.53万t；济源市排放量最小，为3.36万t，仅为南阳市的2.96%，南阳市、周口市、商丘市、驻马店市碳排放占全省的45.41%。农业碳排放强度最高的地区为安阳市，为1 557.96 kg/hm2，最低为洛阳市的67526 kg/hm2。

结合碳排放总量和碳排放强度差异进行聚类分析，周口市、新乡市、商丘市、安阳市属于碳排放总量、碳排放强度“高-高”型地区；南阳市、驻马店市、信阳市属于高碳排放量、低排放强度“高-低”型地区；平顶山市、焦作市、濮阳市则属于低碳排放量、高排放强度“低-高”型地区，郑州等8市属于碳排放总量、碳排放强度“低-低”型地区。

1993—2014年，河南省农业碳排放脱钩弹性指数在 -0.602 0～5.170 0之间，农业碳排放与经济发展的脱钩关系呈现弱脱钩、扩张负脱钩、扩张连接、强负脱钩、弱负脱钩5种状态。基于弹性差异，可划分为2个时期：2004年前农业碳排放与农业经济发展的脱钩关系呈现弱脱钩、扩张负脱钩、扩张连接、强负脱钩、弱负脱钩5种弹性特征并存，2004年后以弱脱钩为主导，仅在2011年出现扩张负脱钩，脱钩状态较为理想。

近22年来，河南省农业碳排放与农业经济发展的脱钩关系以弱脱钩为主，总体上脱钩状态较为理想，说明河南省农业生产与环境的矛盾趋于缓和，农业低碳减排工作取得一定的成效。但是农业作为国民经济的基础，尤其是河南省农业经济发展在保障国家粮食安全方面的重要战略地位，在未来一段时期内农业碳减排仍具有较大的压力。河南省应该进一步改进农业生产技术、改革农业生产模式、优化农业生产结构，同时营造良好的政策环境，以实现高效率、低能耗和低排放的农业，从根本上完成农业碳排放与农业经济增长的脱钩。

参考文献：

[1]熊焰. 低碳转型路线图：国际经验、中国选择与地方实践[M]. 北京：中国经济出版社，2011.

[2]田云，张俊飚. 中国农业碳排放研究回顾、评述与展望[J]. 华中农业大学学报（社会科学版），2014，33（2）：23-27，60.

[3]Aichele R，Felbermayr G. Kyoto and the carbon footprint of nations[J]. Journal of Environmental Economics and Management，2012，63（3）：336-354.

[4]高标，房骄，卢晓玲，等. 区域农业碳排放与经济增长演进关系及其减排潜力研究[J]. 干旱区资源与环境，2017，31（1）：13-18.

[5]刘其涛. 中国农业碳排放效率的区域差异——基于 Malmquist -Luenberger 指数的实证分析[J]. 江苏农业科学，2015，43（9）：497-500，501.

[6]田云，李波，张俊飙. 给予投入角度的农业碳排放时空特征及因素分解研究——以湖北省为例[J]. 农业现代化研究，2011，32（6）：752-755.

[7]黄祖辉，米松华. 农业碳足迹研究——以浙江省为例[J]. 农业经济问题，2011（9）：93-98.

[8]张小平，王龍飞. 甘肃省农业碳排放变化及影响因素分析[J]. 干旱区地理，2014，37（5）：1029-1035.

[9]韩岳峰，张龙. 中国农业碳排放变化因素分解研究——基于能源消耗与贸易角度的LMDI分解法[J]. 当代经济研究，2013（4）：47-52.

[10]李波，张俊飚，李海鹏. 中国农业碳排放时空特征及影响因素分解[J]. 中国人口·资源与环境，2011，21（8）：80-86.

[11]杨莎莎，邱雪晨，常玲. 南岭4省农业碳排放测算及驱动力分析[J]. 江苏农业科学，2015，43（11）：448-451.

[12]李波，张俊飚. 基于投入视角的我国农业碳排放与经济发展脱钩研究[J]. 经济经纬，2012（4）：27-31.

[13]李立，周灿，李二玲，等. 基于投入视角的黄淮海平原农业碳排放与经济发展脱钩研究[J]. 生态与农村环境学报，2013，29（5）：551-558.

[14]田素妍，郑微微，周力. 中国畜禽养殖业低碳清洁技术的EKC假说检验[J]. 中国人口·资源与环境，2012，22（7）：28-33.

[15]高标，房骄，许清涛. 吉林省农业碳排放量动态分析与预测研究[J]. 中国农机化学报，2014，35（1）：310-315.

[16]West T O，Marland G A. Synthesis of carbon sequestration，carbon emissions，and net carbon flux in agriculture；comparing tillage practices in the United States[J]. Agriculture，Ecosystems and Environment，2002，91（1/3）：217-232.

[17]陆钟武，王鹤鸣，岳强. 脱钩指数：资源消耗、废物排放与经济增长的定量表达[J]. 资源科学，2011，33（1）：2-9.

[18]Tapio P. Towards a theory of decoupling：degrees of decoupling in the EU and the case of road traffic in Finland between 1970 and 2001[J]. Transport Policy，2005，12（2）：137-151.李恩，白雪，冉茂双，等. γ-聚谷氨酸发酵过程中体积氧传递系数的控制[J]. 江苏农业科学，2017，45（17）：286-288.endprint