基于非经济生物量的中国耕地碳汇空间分布研究

(1.长春大学 管理学院,吉林 长春 130022;2.东北师范大学 地理科学学院,吉林 长春 130024)

基于非经济生物量的中国耕地碳汇空间分布研究

王 绮1,2,魏 冶2

(1.长春大学 管理学院,吉林 长春 130022;2.东北师范大学 地理科学学院,吉林 长春 130024)

以往在生态足迹的研究中,囿于简化模型与耕地碳汇计算方法的限制,耕地碳汇功能常常被忽视。该研究尝试基于统计数据和非经济生物量来计算省级尺度的耕地碳汇。以我国国家统计局公布的24种主要作物经济产量统计数据为基础,用作物经济系数、根茬系数计算出非经济生物量。GIS分析显示,我国省域耕地碳汇量与耕地碳汇效率在空间上存在明显差异。其中,耕地碳汇量呈现东西部偏小、中部偏大的空间差异性;耕地固碳效率呈现东西低、中间高,南方大于北方的总体趋势。由于耕地碳汇量巨大,测算时应当考虑耕地的碳汇功能。影响耕地碳汇功能发挥的因素多样,且地区差异较大,应分区域制定差异化引导政策,从而促进耕地碳汇功能的充分发挥。

耕地碳汇;生态足迹;非经济生物量

1 问题的提出

生态足迹是一块虚拟的被一定人口占用的地球面积,该面积既为人类提供所消耗的资源,又吸收人类产生的所有废弃物,从而反映人类活动对自然系统的影响程度。自1992年经济学家Rees[1]、Wackemagel[2]提出生态足迹理论以来,这一理论就成为了定量测度地区可持续发展水平最重要的评估方法之一。经过大量学者的推广和应用,生态足迹的计算从应用世界平均单产法[1]发展到可变世界单产[3]、恒定世界单产[4]、可变地方实际单产[5]、可变地方持续单产[3]等多种计算方法,从计算某个地区某个时点的生态足迹[6]到计算某个地区较长时间序列的生态足迹[7],使生态足迹计算方法得到了逐步完善。

多数学者都是基于生态足迹模型的5个基本假设:一是农业、森林等产业收获都是可持续的;二是只考虑自然界所提供的基本服务;三是把土地分为6种生态系统;四是简化海洋的作用;五是不重复计算同时提供多项功能的土地面积[8]。5种假设都是为了简化复杂的生态系统使得模型具有可操作性,但5条假设使模型过度简化,影响了模型结果的准确性,受到了众多学者的质疑。人类的福利是多种多样的,不能以过分简化的指标代替。生态足迹方法忽略了各种类型的土地呈现不可替代性但有时呈现多功能特性这一特点,忽略了不同土地生物生产性的复杂特征,将各区域产量调整为世界平均产量,而将不同类型的土地汇总,掩盖了生态足迹与生态供给力之间的不协调,并使许多区域信息丢失[9]。

联合国粮农组织统计草地是最大的土地利用类型,占地球陆地表面积的1/3左右[10]。《全国农作物秸秆资源调查与评价报告》指出,中国农作物秸秆理论资源量为8.2亿t,折标后约合中国年煤产量的11%。因此,林地、草地和耕地在提供相应物产时也具有较强的CO2吸收功能,但相关研究却比较匮乏。

在林地和草地方面,朱永杰等学者[11]认为在生态足迹理论与方法中,仅仅计算林地提供木材的直接效益,而将能提供化石能源用地作为0的计算方法是不正确的,并计算出2003年中国能够提供固碳作用的林地等量面积,约是同时期全部化石能源足迹的20%,使化石能源生态赤字降低了约33%;薛晓姣、杜鹏、谢鸿宇等学者在以生态足迹模型为基础计算化石能源用地时,使用了用于吸收化石能源燃烧排放CO2的森林和牧草地两项用地[12-14];杨慧清以青海省海西蒙古族藏族自治州天然草地为例，根据光合作用方程式估算了草地的碳汇效应[15]。在耕地和土壤方面,魏波等学者认为植被在固定CO2参与温室气体排放方面起着重要的作用,而农业是天生具有固碳这一生态功能的产业[16];Pan等学者分析了中国水稻土的碳汇和固碳潜力[17];王喜等学者分析发现,相较于草地碳汇,耕地和林地是河南省主要的碳汇[18];马彩虹认为碳承载力测算需要考虑绿色植被的碳吸收率,森林、草地和农作物对碳的吸收,农村生物质能的利用因素[19]。 多数学者认为,由于耕地收获期短,作物生物量作为碳汇效果不明显[20],但由于作物除经济产量被充分利用外,秸秆和根茬等非经济产量利用方式多种多样,利用效率却比较低下,最终以不同方式返回大自然当中,并形成了相当数量的碳汇。

本文认为,耕地具有较强的CO2吸收功能,并初步估算了耕地碳汇效应。首先,认为以耕地地上秸秆量和地下根茬量为主的非经济生物量是耕地碳汇的主要来源，利用24种作物产量的统计数据,通过经济系数、根茬系数计算出非经济生物量。但由于各地秸秆的利用方式不同,使碳汇功能发挥受到了较大影响。我国秸秆利用方式主要为肥料、饲料、燃料、原料、焚烧和弃置六种方式,各省份有较大差别。本文主要以肥料、饲料和弃置的秸秆与根茬生物量,用自然分解率和消化系数等进行估算,对各省份耕地实际碳汇量进行计算,并对各省市耕地碳汇效率进行分析。

2 耕地碳汇量测算

2.1 耕地非经济生物量测算

耕地非经济生物量定义为:除经济产量以外的地上秸秆量与地下根茬量的总和。农作物的秸秆产量可由经济产量与经济系数(草谷比)推算得出,农作物根茬产量可由经济产量与根茬系数推算得出(表1)。计算公式为:

(1)

式中,Q为耕地非经济生物量(t);Q1为耕地秸秆产量(t);Q2为耕地根茬产量(t);Wi为i种耕地经济产量(t);Si为i种农作物经济系数(草谷比);Ri为i种农作物根茬系数。耕地的经济产量是指人们需要的有经济价值的农作物主要产品的产量,本文使用中国统计局官方网站中得到的2012年各省份(不含香港、澳门、台湾、南海的数据)24种(不含蔬菜产量,因为多数蔬菜利用程度较高,几乎没有非经济生物量)主要农作物产品经济产量数据进行测算。 经济系数(草谷比)Si是评价农作物产出效率的重要指标,又称为农作物副产品与主产品之比,是指农作物地上茎秆产量与经济产量之比[21]。作物的经济产量、茎叶、残留在土壤中的根茬数量有一相对比例,根茬与经济产量之比称为根茬系数,根茬与茎叶之比称为根茎比[22]。

表1 24种农作物非经济产量折算系数

注:1.经济系数(草谷比)数据来源于文献[21,23],部分作物系数用所在类别的数据替代;2.文献[22]中提供了8种作物根茬系数,8种作物根茎比平均值为0.46,根茎类作物根茬系数设为0,其他没有数据作物根茬系数以秸秆系数和平均根茎比计算得出。

2.2 耕地碳汇量测算

农业土壤碳储量达到全球碳储存总量的8%—10%,碳汇功能的强弱与效益的大小是值得深入探讨的课题[24]。农田生态系统不如森林的碳汇功能强,不同地域、不同生产生活方式对其固碳能力的发挥具有显著差别。本文尝试以秸秆的不同利用方式角度来测算其碳汇功能强弱的具体数值。高祥照等将秸秆资源的利用分肥料、饲料、燃料、原料、焚烧和弃置6种方式进行了统计[25];崔明等对5种作物秸秆的收集系数进行了估算[26];杨晶秋等测算了秸秆在土壤中经过1年分解后能残留的质量[27];樊江文认为,动物采食的草地植物约有20%—60%的干物质以动物粪便的形式返还到土壤中[28];张吉昆鸟对秸秆等粗饲料消化率进行了研究[29]。

表2 各省区秸秆利用方式及相关指标数据

注:①作物秸秆资源利用现状数据来源于参考文献[25],带“*”的省份[25]中没有数据,为笔者依据相邻省份数据加权平均得到。②耕地面积来源于2013年的《中国统计年鉴》。

本文根据上述研究者的成果将秸秆的利用方式(表2)分为饲料、燃料、焚烧、原料、肥料、弃置和未收集7个类别,认为其中燃料、焚烧、原料三种利用方式不会产生碳汇效应;肥料、弃置、未收集、作物根茬四类视为以不同的方式还田进入土壤当中,并以自然降解残留率来计算其碳汇效果[27];秸秆用作饲料用途的部分以消化率来计算其碳汇效果[29]。杨洪晓等认为,生物量碳库蕴含了大量的有机碳[30],国际上通常以0.5作为生物量和碳之间的转换系数。碳汇量的计算公式为:

Cs=Yrc=[(rf+rq+1-j)FQ1+rsjXQ1+FQ2]rc

(2)

式中,Cs为耕地实际碳汇量(t);Y为耕地碳汇效应生物量(t);rc为土壤有机质和碳之间的转换系数0.5;rj为秸秆用于肥料的比例;rq为秸秆弃置乱堆的比例;rs为秸秆用于饲料的比例;j为收集系数0.78[26];F为秸秆自然降解残留率0.42[27];X为秸秆作为饲料的消化剩余率；1为消化率，0.62[29]。

2.3 耕地碳汇效率

本文将耕地非经济产量实际碳汇量与耕地面积之比称为“耕地碳汇效率”,可反映出单位面积耕地所产生碳汇量的大小。计算公式为:

cg=Cs/H

(3)

式中,cg为耕地碳汇效率;H为耕地面积(hm2)。

2.4 非经济生物量碳汇率

我们将耕地非经济产量作为理论耕地碳汇量,它与实际碳汇量之比称之为非经济生物量碳汇率,可反映出非经济生物量利用方式引起碳汇量的差异，计算公式为：

cf=Cs/Sl=Cs/Q/rc

(4)

式中,cf为非经济生物量碳汇效率;Cl为耕地理论碳汇量(t)。

3 耕地碳汇量的空间分布规律

我国地域广阔,跨越气候带多,气候、地形、土壤、作物种植复杂,导致了各地区秸秆的种类复杂、产量不一。同时，我国地少人多、各地经济发展水平差异大、地方风俗习惯不同,秸秆的利用方式也不相同,导致了耕地碳汇量、耕地碳汇效率、非经济生物量碳汇效率的空间分布具有明显区域特征。

3.1 耕地碳汇量空间特性

我国耕地碳汇总量约为21636.98万t,各省区耕地碳汇量分布见图1。从图1可见,我国耕地碳汇总量呈现“东西部偏小、中部偏大”的空间差异性。其中,黑龙江、河南、山东3个省的耕地碳汇量最大,分别为4071.42万t、3352.62万t、3982.12万t;其次为广西2719.05万t、河北2513.09万t、吉林2454.15万t、内蒙古2261.17万t、安徽2218.55万t5个省区;西藏62.54万t、上海86.79万t、北京87.01万t、天津130.89万t、海南192.88万t、宁夏349.29万t、福建363.45万t7个省区较少,极差为4008.88万t,碳汇量最大值的黑龙江约为最小值西藏的65倍。经济发达的东部省份和经济欠发达的西部省份耕地碳汇量都较少,反而是经济发展水平处于中等的中部省区耕地碳汇量较大。这是由于经济发达省份耕地面积较小,而经济欠发达省份的资源比较贫乏、人口少、耕地相对较少,使耕地碳汇功能不能得到发挥,反而是经济处于中等水平的省份耕地较多,非经济生物量产量大,相应的碳汇量也大。

图1 中国各省区耕地碳汇量分布

3.2 耕地碳汇效率空间特性

耕地碳汇量体现出某省份或某地区耕地实际碳汇数量的大小,耕地碳汇效率则反映了单位面积耕地碳汇量产生的强弱,全国平均耕地碳汇效率为1.78t/hm2,但地区间的差异较大。耕地固碳效率分布见图2。从图2可见,从东至西具有由低变高再由高变低,南方大于北方的总体趋势。其中,广西、湖南、河南三省的单位面积耕地碳汇量最大,分别为3.22t/hm2、2.59t/hm2、2.51t/hm2;贵州、青海两省最低,分别为0.66t/hm2、0.68t/hm2,极差为2.56t/hm2,最大值广西约为最小值贵州的5倍。

图2 中国分省区耕地固碳效率分布

从图2可见,耕地碳汇效率具有南大北小的差异,单位面积耕地的碳汇量大体呈现南方大于北方、东部大于西部的趋势,这是由于南北、东西气候和地形条件差异所致。虽然黑龙江为代表的北方耕地总面积较大,非经济生物量总产量较高,但南北方“一年三熟、一年两熟、两年三熟、一年一熟”的土地生产力差异明显,单位面积耕地非经济生物量差异导致单位面积耕地的碳汇量南方普遍高于北方。

4 分析与建议

4.1 分析

主要是:①耕地碳汇功能受到低估。多数学者研究生态足迹的过程中都依照单一土地功能的假设,这一假设对简化研究具有一定的好处,但同时也使某些生态功能的研究结果偏小。在研究生态系统的碳汇功能时,针对单一土地功能的假设,许多学者从林木剩余物、草地、耕地的碳汇功能进行了补充,但在考虑耕地的碳汇功能时往往采用较低的系数进行调整,使计算的耕地碳汇数值偏小,因此本研究尝试从耕地非经济生物量利用角度出发,测算耕地碳汇功能。本文以24种作物经济产量为基础,计算出耕地地上秸秆量和地下根茬量为主的非经济生物量,考虑秸秆碳汇功能发挥受到利用方式、自然分解率、消化率等因素影响,得到了更为详细和准确的耕地碳汇结果。②耕地碳汇的形成方式多样。从耕地的碳汇机理上看,秸秆作为燃料、焚烧、原料3种利用方式不会产生碳汇效应;肥料、弃置、未收集、作物根茬则会以自然降解方式进入土壤形成碳汇。由于秸秆的营养价值较低,虽然用于饲料,但利用率较低,因此秸秆用作饲料用途的部分以消化率来校正其碳汇效果。③不足之处。本文利用非经济生物量的利用方式,结合多种系数进行调整,得到了耕地碳汇功能的具体数值,具有一定的合理性。但相关参数的准确性对结果的影响较大,如秸秆利用方式的地区差异较大,会随着社会经济环境变迁会发生变化,因此还需要在利用方式等系数方面进一步进行准确细化调查和研究。

4.2 建议

研究表明,我国耕地的总体碳汇量和碳汇效率较高,对大气中释放碳母体具有可观的成效,应引起国家和地方政府的重视。同时,我国耕地面积广大、各省区耕地面积不均,耕地质量存在差异，为促进碳汇功能的提升和发挥,各级地方政府应因地制宜地制定相应的政策进行引导和鼓励。

主要是:①耕地碳汇功能较大,应予以重视。全国非经济生物量109909万t,耕地碳汇量约为21637万t,耕地碳汇效率1.78t/hm2,非经济生物量碳汇效率为0.39。由此可见,耕地的碳汇功能相当可观,不可忽视。②碳汇功能发挥地区差异较大。各地区非经济生物量碳汇功能强度在0.33—0.54之间,差异较大,为地区间潜能的发挥提供了参照,应积极寻找产生差异的原因,适度调整地方政策措施,促进耕地碳汇功能发挥。③制定促进耕地碳汇功能发挥的政策迫在眉睫。21世纪之初,美国科学家已进行了美国农地碳汇的研究,制订了“Carbon bank”计划,推广深根作物、实施免耕、施用有机农家肥等技术,制定出鼓励土壤碳库增长的产业政策[31,32]。我国也要在环境政策中考虑耕地的碳汇效应,将耕地碳汇功能列入温室气体调控政策当中,并逐步推广秸秆还田、浅耕、免耕、化肥的合理施用等促进耕地碳汇功能发挥的技术与政策。④分区域制定引导政策。耕地碳汇量的大小一方面受到耕地生产力的影响,另一方面还受到人们使用方式和生活方式的影响。全国平均非经济生物量碳汇效率为0.39,最大值宁夏为最小值四川的1.6倍,非经济生物量利用方式受到当地民俗风情、经济发展水平条件等制约,因此对碳汇量产生不同影响,使低碳汇量地区分布差异较大。针对不同区域应采取不同的政策引导,能有效提高当地更低碳汇量。

[1]Rees W E.Ecological Footprints and Appropriated Carrying Capacity:What Urban Economics Leaves Out[J].Environment and Urbanization,1992,4(2)∶121-130.

[2]Wackernagel M,Rees W E.Our Ecological Footprint：Reducing Human Impact on the Earth[M].Gabriola Island：New Society Publishers,1996.

[3]Wackernagel M,Monfreda C,Erb K-H,etal.Ecological Footprint Time Series of Austria,the Philippines,and South Korea for 1961—1999：Comparing the Conventional Approach to an“Actual Land Area”Approach[J].Land Use Policy,2004,21(3)∶261-269.

[4]Haberl H,Erb K H,Krausmann F.How to Calculate and Interpret Ecological Footprints for Long Periods of Time：The Case of Austria 1926—1995[J].Ecological Economics,2001,38(1)∶25-45.

[5]Van Vuuren D P,Smeets E M W.Ecological Footprints of Benin,Bhutan,Costa Rica and the Netherlands[J].Ecological Economics,2000,34(1)∶115-130.

[6]Moucheng,Wenhua,Zhang,etal.The Calculation of Equivalence Factor for Ecological Footprints in China：A Methodological Note[J].Frontiers of Environmental Science amp; Engineering,2015,9(6)∶1015-1024.

[7]Yao X,Wang Z,Zhang H.Dynamic Changes of the Ecological Footprint and Its Component Analysis Response to Land Use in Wuhan,China[J].Sustainability,2016,8(4)∶329.

[8]陈敏,张丽君,王如松,等.1978—2003年中国生态足迹动态分析[J].资源科学,2005,27(6)∶132-139.

[9]尚卫平.“生态脚印quot;指标及其评价[J].统计研究,2004,21(5)∶61-63.

[10]Food and Agriculture Organization(FAO).Grasslands of The World[R].2005-03-23.http：//www.fao.org/docrep/008/y8344e/y8344e05.htm.2016-12-31.

[11]朱永杰,岳瑞锋.中国森林提供化石能源用地的定量研究[J].林业科学,2008,44(9)∶20-25.

[12]薛晓娇,李新春.中国能源生态足迹与能源生态补偿的测度[J].技术经济与管理研究,2011,(1)∶90-93.

[13]杜鹏,许军,夏斌,等.基于生态足迹的广东省化石能源用地定量研究与分析[J].广东农业科学,2010,(2)∶201-206.

[14]谢鸿宇,陈贤生,林凯荣,等.基于碳循环的化石能源及电力生态足迹[J].生态学报,2008,28(4)∶1729-1735.

[15]杨慧清.天然草地植被固定CO2释放O2功能评价——以青海省海西蒙古族藏族自治州天然草地为例[J].安徽农业科学,2010,38(17)∶9129-9130.

[16]魏波,张建新,吴绍华.农业用地生态功能价值的评估——以宜兴农业用地系统固定CO2释放O2生态价值评估为例[J].安徽农业科学,2007,35(19)∶5847-5849.

[17]Pan G X,Li L,Wu L,etal.Storage and Sequestration Potential of Topsoil Organic Carbon in China′s Paddy Soils[J].Glob Change Biol,2004,10(1)∶79-92.

[18]王喜,鲁丰先,秦耀辰,等.河南省碳源碳汇的时空变化研究[J].地理科学进展,2016,35(8)∶941-951.

[19]马彩虹.中国能源碳足迹与植被碳承载力的对比分析[J].生态经济,2012,(6)∶53-55.

[20]Pacala S W,Hurtt G C,Baker D,etal.Consistent Land-and Atmosphere-based US Carbon Sink Estimates[J].Science,2001,292(5525)∶2316-2320.

[21]张福春,朱志辉.中国作物的收获指数[J].中国农业科学,1990,23(2)∶83-87.

[22]张镜清,王文山.农作物根茬培肥土壤的作用[J].土壤通报,1984,(2)∶63-64.

[23]毕于运,高春雨,王亚静,等.中国秸秆资源数量估算[J].农业工程学报,2009,25(12)∶211-217.

[24]赵荣钦,黄爱民,秦明周,等.农田生态系统服务功能及其评价方法研究[J].农业系统科学与综合研究[J].2003,19(4)∶267-270.

[25]高祥照,马文奇,马常宝,等.中国作物秸秆资源利用现状分析[J].华中农业大学学报,2002,21(3)∶242-247.

[26]崔明,赵立欣,田宜水,等.中国主要农作物秸秆资源能源化利用分析评价[J].农业工程学报,2008,24(12)∶291-296.

[27]杨晶秋,刘金城,白成云.秸杆对北方耕地土壤有机碳的贡献[J].干旱地区农业研究,1991,(1)∶46-51.

[28]樊江文,钟华平,梁飚,等.地生态系统碳储量及其影响因素[J].中国草地,2003,25(6)∶51-58.

[29]张吉昆鸟.粗饲料消化率及其代谢能转化效率的研究进展[J].浙江畜牧兽医,2004,(2)∶6-8.

[30]杨洪晓,吴波,张金屯,等.森林生态系统的固碳功能和碳储量研究进展[J].北京师范大学学报(自然科学版),2005,41(2)∶172-177.

[31]潘根兴,李恋卿,张旭辉.土壤有机碳库与全球变化研究的若干前沿问题——兼开展中国水稻土有机碳固定研究的建议[J].南京农业大学学报,2002,25(3)∶100-109.

[32]Eewaran H,Reich F,Kimble J M.Global Soil Carbon Stocks[A].In：Lal R,Kimble J,Eswacan H eds.Global Climate Change and Pedogenic Carbonates[M].USA：Lewis Publishers,1999.

SpatialPatternofArableLandCarbonSinksinChinafromthePerspectiveofNon-economicBiomass

WANG Qi1,2,WEI Ye2
(1.School of Management,Changchun University,Changchun 130022,China; 2.School of Geographical Sciences,Northeast Normal University,Changchun 130024,China)

In previous studies in terms of ecological footprint models,the carbon sink of arable land was usually neglected in many occasions,for simplification of model or lack of appropriate calculation method.Thus,this paper proposed an exploratory method to delineate the spatial pattern of arable land carbon sinks,based on statistical data and non-economic biomass.Firstly,based on the corresponding production statistics obtained from state statistics bureau,economic coefficient of crops(The ratio of output of main product to by-product of the crops) and stubble coefficient(The ratio of stubble yield to economic yield) were used to calculate the yield of straw and stubble of crops,namely,non-economic biomass.Non-economic biomass was the foundation of arable land carbon sink.It was usually used as fertilizer,discard and shuffle,non-collection or indigested animal excreta,and finally blended into the soil in the way of national degradation.China is a vast country,and varied on productive forces,cultural customs in different regions.Therefore the arable land carbon sink of each provincial area was calculated in consideration of different ways of utilization,the efficiency of natural degradation and digestibility.Through GIS analysis,significant differences were found among provincial areas in terms of amount and efficiency of arable land carbon sink.The amount was high in east and west,low in middle.The efficiency was high in east and west,low in middle and higher in south than north.Above all,the important role of arable land should be taken into consideration in calculation of the carbon sink due to its huge amount.Besides,considered the multiplicity of influence factor and variations in geography,differentiation intervention strategies should be encouraged to make to promote the role of arable land in carbon sink.

arable land carbon sink;ecological footprint;non-economic biomass

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.08.006

X825；X823

A

1005-8141(2017)08-0928-05

2017-06-10；

2017-07-24

国家自然科学基金青年科学基金项目“以‘春运’人口流动透视的转型期中国城市网络格局”(编号:41401172)。

王绮(1984-),女,黑龙江省鹤岗人,博士,讲师,主要研究方向为社会经济可持续发展、旅游管理。

魏冶(1983-),男,吉林省梨树人,博士,副教授,主要研究方向为城市与区域规划及GIS应用。