基于投入视角的河南省农业碳排放时空演化特征与影响因素分解*

张志高，袁 征，李贝歌，张宏亮，张 玉，郑美洁

(1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南安阳 455000；2.安阳工学院土木与建筑工程学院，河南安阳 455000)

·生态农业·

基于投入视角的河南省农业碳排放时空演化特征与影响因素分解*

张志高1※，袁 征2，李贝歌1，张宏亮1，张 玉1，郑美洁1

(1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南安阳 455000；2.安阳工学院土木与建筑工程学院，河南安阳 455000)

目的对河南省农业碳排放进行测算，并分析其时空演化特征与影响因素，可为实现低碳农业发展提供依据。方法基于农业生产中翻耕、灌溉、化肥、农药、农膜和农用柴油等6个方面碳源，采用碳转化系数法、标准差、变异系数与探索性空间分析方法(ESDA)对河南省1993～2015年的农业碳排放及其时空演变进行了分析。运用LMDI模型对河南省农业碳排放影响因素进行分解。结果河南省农业碳排放量和排放强度总体上均呈上升趋势，年均增速分别为4.32%和3.72%。河南省农业碳排放量空间分布呈较为明显的集聚特征，主要年份高碳排放区集中于豫东南地区；碳排放强度多为Ⅱ级和Ⅲ级水平，空间分布更为均衡。23年来，河南省各地农业碳排放量和排放强度的相对差异与绝对差异整体上均呈扩大趋势，农业碳排放量的集聚趋势更为明显，高碳排放区域有向豫东南和豫北地区进一步集聚的趋势，农业碳排放强度趋向于均衡化发展。生产效率、劳动力和结构因素对碳排放有抑制作用，而农业经济发展因素对碳排放具有促进作用。结论未来河南省还须进一步采取措施，有效实现农业碳减排。

农业碳排放 时空演化 LMDI 影响因素 河南省

0 引言

近年来，气候变化已成为人类社会普遍关注的全球性问题[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[2]。农业生产过程中由于土地翻耕、灌溉等活动和化肥、农药等物质投入会直接或间接导致温室气体的排放，已成为温室气体排放的重要源头[2-4]。农业在我国国民经济中起着重要的作用，近年来随着我国农业的快速发展，化肥、农药、农膜等农用物资的使用量也不断增加，这导致农业碳排放量逐年增加。据统计我国农业温室气体排放占全国排放总量的17%，其中农业排放的甲烷和二氧化氮分别占全国总量的50%和92%[5-6]。因此，农业碳减排不仅关系到农业可持续发展，也影响到中国整体碳减排目标的实现，对于农业碳排放问题的研究也日益成为学术界热点[7]。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测算[8-10]。在农业碳排放的影响因素方面，研究者分别采用LMDI指数分解法[11]、Kaya恒等式[6]和STIRPAT[12]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的研究方面，李波等[13]和李立等[14]进行了农业碳排放与经济发展之间的脱钩效应分析，李颖等[15]对农业碳排放与农业总产值的对数值进行分析，发现二者之间存在协整关系，田素妍等[16]和高标等[17]等进行了农业和畜牧业碳排放的库兹涅兹曲线(EKC)研究。与第二和第三产业相比，农业碳排放的相关研究成果较少，主要基于国家尺度且主要集中在东部等发达地区[18-19]。

河南省在我国农业生产中占有举足轻重的地位，长期的高强度生产使河南省农业生产面临着严重的资源环境等问题。文章以河南省为研究对象，从农用柴油、化肥、农膜、农药、翻耕和灌溉等6个方面构建河南省农业碳排放测算体系，定量测算分析河南省1993～2015年农业碳排放数量和碳排放强度的变动特征，并对河南省18个地市的农业碳排放进行测算，分析河南省农业碳排放的时空格局与演变过程，最后采用LMDI模型对农业碳排放的影响因子进行分解，识别重要的农业碳排放源，揭示其驱动机理，以期为河南省实现低碳农业发展提供参考和依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 农业碳排放量及碳排放强度估算

该文基于农业物质投入方面，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、农药和农用柴油等6种农业碳排放源，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(1)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 6kgCE/kg、4.934 1kgCE/kg、5.18kgCE/kg、0.592 7kgCE/kg[6，20]，翻耕为312.6kgCE/km2，农业灌溉为25kgCE/hm2[20]，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：

(2)

式(2)中，A为农业碳排放强度；B为耕地面积。

1.2 标准差和变异系数

区域差异分绝对差异和相对差异，一般情况下，使用标准差(S)和变异系数(V)可以同时从相对和绝对意义上测度出区域间的差异。S值越大，表示相对差距越大；V值越大，表明绝对差距越大[21]。

(3)

(4)

1.3 空间自相关

包括全局空间自相关和局部空间自相关，其中，全局空间自相关分析主要用于探讨区域整体空间差异程度，其通过全局Moran′s I检验因变量的空间依赖性存在与否；局部Moran指数Ii是用来揭示空间地域单元与其临近空间单元属性特征值之间的相似性或相关性，可以用于识别“热点区域”以及数据的异质检验[22]。具体数学模型见参考文献[21]。该文统一采用邻接标准定义空间权重矩阵，即市域单元i和j有公共边界，空间权重Wij取1，否则取0。同时，对空间自相关分析的结果进行Z值显著性检验。

1.4 碳排放影响因素分解模型

在碳排放分解分析领域，常用的分解法有IPAT模型、STIRPAT模型、迪氏对数指标分解法(LMDI)、Kaya公式[23-24]等。其中LMDI分解方法具有满足因素可逆的特点，可以消除残差项，并且加法分解和乘法分解可以相互转化，分部效应加和与总效应相一致，而得到广泛应用[25]。借鉴前人研究成果，该文将农业碳排放影响因素分解为农业生产效率、农业结构、经济发展水平和劳动力规模4个方面，依据LMDI因素分析法，河南省农业碳排放总量可以表示为：

(5)

C=EI×CI×SI×P

(6)

对上式两边取对数，则有：

lnC=lnEI+lnCI+lnSI+lnP

(7)

对上式采用加和分解，将差分分解为：

ΔCT=CT-C0

(8)

则各分解因素贡献值的表达式如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

式(8)～(12)中,T代表总的变化，t代表目标年，0代表基准年，则总效应为：

ΔCT=ΔEI+ΔCI+ΔSI+ΔP

(13)

1.5 数据来源

河南省1993～2015年的化肥(折纯量)、农膜、农药、农用柴油及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，该文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1993～2015年农业碳排放量动态分析

2.1 河南省农业碳排放时序特征

图1 1993～2015年河南省农业碳排放总量与环比增速

根据农业碳排放量估算公式测算出1993～2015年间河南省各农业碳源碳排放量以及农业碳排放总量，结果见表1。

表1 1993～2015年河南省农业碳排放量与碳排放强度

从农业碳排放总量来看(图1)，1993～2015年，整体上处于上升态势。从1993年的347.09万t 增长到2015年的874.59万t，增长151.98%，年均增速4.32%。各碳排放源化肥、农药、农膜、农用柴油、翻耕和灌溉等的碳排放量也都不同程度地出现了增长，年均增速分别为4.13%、4.12%、6.91%、5.42%、0.81%、1.48%。河南省农业碳排放总量总体上呈“高速-中速-低速”3阶段变化特征：第一阶段为1993～1998年，为快速增长期，碳排放量快速增加，从1993年的347.09万t增长到1998年的485.08万t，年平均增长率6.95%；1999～2009年为第二阶段，为中速增长期，从1999年的509.33万t增长到2009年的774.23万t，其中2003年为异常点，该年份河南省农业生产遭受严重自然灾害影响，农业投入减少，造成农业碳排放环比增速出现负值，该时期年均增速4.35%；2010～2015年为第三阶段，碳排放量缓慢增长，年均增速2.06%，由2010年的805.61万t 增长到2015年的874.59万t。

与碳排放总量变化相似，农业碳排放强度也呈持续增长态势(表1)。从1993年的484.11kg/hm2增加到2015年的1 073.21kg/hm2，增长121.69%，年均递增3.72%，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 河南省农业碳排放的空间格局动态特征

2.2.1 空间格局变动

进一步测算河南省18个地级市主要年份农业碳排放量和碳排放强度如表2所示。2015年碳排放总量居前5位的地区依次为南阳、周口、商丘、驻马店和信阳，合计占河南省农业碳排放总量的53.61%；济源、鹤壁、三门峡、漯河和焦作居后5位，合计占河南省农业碳排放总量的8.32%，不及驻马店的碳排放总量。相比碳排放总量，碳排放强度差异相对较小，2015年碳排放强度居前5位的是安阳、商丘、平顶山、焦作和新乡；洛阳、济源、三门峡、鹤壁和信阳居后5位。

为确保不同时间尺度下各地市农业碳排放数据的标准性与可比性，按照当年全省各地市农业碳排放量平均值的0.8倍、1.0倍、1.2倍，把各地市农业碳排放量归入低碳排放区、中度排放区、较高排放区和高碳排放区4种类型(图2)；同样，把农业碳排放强度划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级(图3)。如图2所示，河南省农业碳排放量空间集聚特征明显，主要年份高碳排放区集中于豫东南地区，2005年始，信阳农业碳排放量从第6位跃居第5位，高碳排放区进一步向豫东南地区集聚，这与该区地势平坦、耕地面积广阔有关。2005年新乡由较高排放区进入到高碳排放区，到2015年安阳进入高碳排放区，豫北地区成为另一个高碳排放集聚区。1995年全省低碳排放地区7个、中度排放区5个、较高排放区2个、高碳排放区4个，2005年分别为8个、4个、0个、6个，到2015年则分别为9个、2个、0个、7个。 20多年来低碳排放区与高碳排放区均明显增多，较高排放区减为零，表明河南省农业碳排放量有极化发展趋势。相比农业碳排放量，农业碳排放强度更能客观反映一个地区碳排放水平，便于不同地区进行横向比较[9]。从数量上看，1995年农业碳排放强度Ⅰ级2个、Ⅱ级5个、Ⅲ级7个、Ⅳ级4个，2005年依次为3个、5个、8个、2个，到2015年依次为5个、5个、3个、5个，全省农业碳排放强度主要为Ⅱ级和Ⅲ级水平，Ⅰ级和Ⅳ级数量明显增多，碳排放强度同样有极化发展趋势。1995年全省农业碳排放强度高值相对集中于新乡、焦作、濮阳和周口，2005年集中于焦作和濮阳，2015年则为安阳、焦作、新乡、平顶山和商丘，河南省农业碳排放强度高值分布相对离散，空间分布上与碳排放量相比更为均衡，但存在相对的高值区域——豫北地区。

表2 主要年份河南省各市农业碳排放情况

图2 河南省农业碳排放量空间格局演变

2.2.2 市域差异演变

1993～2015年，河南省各市农业碳排放量的相对差异与绝对差异均呈增长趋势(图4A)，其中标准差由12.75上升到32.72，年均增长4.44%；变异系数则在0.65附近波动，呈缓慢波动增长趋势。各市农业碳排放强度的相对差异与绝对差异变动模式基本一致，两者均呈扩大趋势(图4B)，其中，标准差在1993～2015年由102.18上升到244.54，增长139.31%，年均增速4.21%；变异系数则从0.20上升到0.23，年均增速0.56%。

图3 河南省农业碳排放强度空间格局演变

图4 1993～2015年河南省农业碳排放总量与碳排放强度差异演变

图5 1993～2015年河南省农业碳排放总量与碳排放强度的全局自相关系数

2.2.3 空间自相关分析

1993～2015年，河南省农业碳排放量与碳排放强度的全局Moran′s I指数均为正值(图5)，表明河南省农业碳排放存在着全域自相关性，也即农业碳排放整体上呈相互影响和作用趋势，相邻地区由于地理位置的邻近与其他因素的共同作用，其农业碳排放具有类似的属性或特征。其中农业碳排放量的全局Moran′s I指数在0.04～0.12之间，平均值为0.10，呈较为平稳的上升态势，2015年I值达到最大，空间相关性达到最大。农业碳排放强度的全局Moran′s I指数整体上要低于碳排放量，且呈波动下降趋势，表明碳排放强度的空间聚集程度整体上低于碳排放总量。

为更进一步地探索河南省各市农业碳排放局部空间集聚态势，选取1995、2005和2015年作为时间截面对市域农业碳排放进行局部空间自相关分析，图6为3个时间截面河南省农业碳排放量和排放强度的局部Moran散点图。Moran散点图的4个象限对应每个城市与其相邻的城市之间碳排放的局部空间联系形式：第1象限表示高值的城市被同是高值的城市所包围，第2象限表示低值的城市被高值的城市所包围，第3象限表示低值的城市被同是低值的城市所包围，第4象限表示高值的城市被低值的城市所包围[21]。其中，落入第1、3象限的城市与其相邻城市之间存在较高的空间正相关，具有空间同质性；落入第2、4象限的城市与其相邻城市之间差异显著，存在空间负相关，具有空间异质性。整体来看，碳排放总量分布格局较为稳定，位于“高高区域”城市均位于豫东南地区，该区地势平坦、耕地面积广阔，碳排放总量较大，属于“低低区域”的则多属于豫西北和豫中地区，该区山地、丘陵多，耕地面积少，碳排放总量较少。3个年份中，16个城市未发生变化，占比达88.9%，表明自1995年以来，大部分城市保持原有的空间格局。信阳、驻马店和商丘始终属于“高高区域”，2005年南阳变为“高高区域”，2015年周口变为“高高区域”，“高高区域”城市比重由16.7%上升到22.2%，郑州、洛阳、三门峡等9个城市始终属于“低低区域”，“低低区域”城市数量未发生变化，占城市总数的50%，“高高区域”和“低低区域”等同质城市比重由1995年的66.7%升至2015年的72.2%，表明20多年来河南省各市农业碳排放总量的集聚趋势更为明显。与农业碳排放总量相比，河南省各市农业碳排放强度的集聚态势逐渐减弱，趋向于平衡化的发展，从1995年到2015年，农业碳排放强度“高高区域”城市数量由8个减少为6个，“低低区域”城市数量保持不变为3个，同质城市比重由1995年的66.7%升至2015年的61.1%降为50%。

图6 河南省农业碳排放Moran散点

3 农业碳排放影响因素分析

基于LMDI分解模型结合河南省农业碳排放数据，对河南省农业碳排放进行因素分解，结果见表3。总体上来看，农业生产效率因素、农业结构因素、劳动力规模因素一定程度上抑制了农业碳排放量，1994～2015年，农业生产效率因素、劳动力规模因素、农业结构因素相比基期分别累计贡献了150.86%、23.28%和11.03%的碳减排。农业碳减排的效果大小排序依次为：农业生产效率因素﹥劳动力规模因素﹥农业结构因素。

表3 河南省农业碳排放因素分解结果 万t

农业生产效率是促使碳减排的第一大因素，23年来累计实现了795.80万t的碳减排。近年来，随着河南省大力推广农业技术，农业生产效率明显提高，河南省亿元种植业产值中化肥、农药、农膜、农用柴油及农村用电等投入呈明显下降趋势，亿元种植业产值的碳排放量由1993的0.73万t下降到2015年的0.19万t，下降73.44%。河南省未来农业发展仍需继续提高农业生产效率。

劳动力因素是促使碳减排的第二大因素，23年来劳动力因素累计实现了122.79万t的碳减排。由表3可知，2001年以前，劳动力因素以促进碳排放为主，而2001年以后，则对农业碳排放主要起抑制作用，这是因为2001年以后，随着城镇化加速发展，河南省农业劳动力大量转移，农业劳动力规模持续减小，与此同时农业生产效率持续提升，使得农业碳排放有所减少。

从表3可以看出，23年来，农业结构因素影响较小，累计实现了58.19万t的碳减排，其原因在于种植业在河南省农业生产中的比重下降，而种植业是农业碳排放的主要来源。河南省在未来的低碳农业发展过程中，应该在确保粮食安全的前提下，优化农业产业结构和农产品种植结构。

农业经济发展是导致农业碳排放增长的最主要因素，1994～2015年相比基期，经济因素累计贡献了1 504.28万t(285.17%)的碳排放量，如果河南省农业发展不能摆脱对化肥、农膜等的依赖，其用量进一步增加，则农业碳排放量还将继续增长，环境压力也随之增大。

4 结论与讨论

(1)河南省农业碳排放总量由1993年的347.09万t增加到2015年的874.59万t，增长1.52倍，年均增速4.32%，总体上呈“高速-中速-低速”3阶段演化特征。农业碳排放强度亦呈增长态势，从1993年的484.11kg/hm2升至2015年的1 073.21kg/hm2，增长1.22倍，年均增长3.72%。

(2)河南省农业碳排放量区域差异明显，2015年农业碳排放量最大的5个地市均位于豫东南地区，占全省总排放量的53.61%，这与该区地势平坦、耕地面积广阔有关；碳排放量最小的5个地市多位于多山地、丘陵，耕地面积相对较少的豫西北地区，合计占全省农业碳排放量的8.32%。各地区碳排放强度差异相对较小，安阳市农业碳排放强度居第1位为1 509.29kg/hm2，洛阳市最低为678.92kg/hm2。

(3)23年来，河南省各地区农业碳排放量的集聚趋势更为明显，高碳排放区域有向豫东南地区进一步集聚的趋势，同时豫北地区正成为第2个高碳排放聚集区；与农业碳排放总量相比，河南省各市农业碳排放强度的集聚态势逐渐减弱，趋向于均衡化发展。

(4)LMDI分解模型表明，农业经济发展是导致农业碳排放增长的最主要因素，与基期相比，累计实现了285.17%(1 504.28万t)的碳增量，而生产效率、劳动力因素和产业结构因素则对碳排放有抑制作用，分别累计实现了150.86%(795.80万t)、23.28%(122.79万t)和11.03%(58.19万t)的碳减排。

该文基于翻耕、灌溉、化肥、农药、农膜、农用柴油等6方面碳源，对河南省农业碳排放时空演变特征及其影响因素进行了研究，对河南省农业碳减排及低碳农业发展具有一定的参考意义。但是限于数据的可获取性以及自身水平的不足，研究还存在一定的局限性，如碳源的选择和碳排放指标体系的构建；未能提出河南省农业碳减排的可行性建议等。上述不足之处有待今后进一步深入研究。

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SPATIAL-TEMPORALEVOLUTIONCHARACTERISTICSANDFACTORDECOMPOSITIONONAGRICULTURALCARBONEMISSIONSINHENANPROVINCE*

ZhangZhigao1※,YuanZheng2,LiBeige1,ZhangHongliang1,ZhangYu1,ZhengMeijie1

(1.School of Resource Environment and Tourism,Anyang Normal University,Anyang,Henan 455000,China;2.School of Civil and Architectural Engineering,Anyang Institute of Technology,Anyang,Henan 455000,China)

By analyzing the agricultural carbon emission and its temporal and spatial evolution characteristics and influencing factors in Henan province,it can provide a basis for the realization of low carbon agriculture development.Based on six kinds of factors of agricultural production,such as plowing,irrigation,chemical fertilizer,agricultural pesticide,agricultural film and agricultural diesel oil,the agricultural carbon emissions and its temporal evolution from 1993 to 2015 in Henan province were analyzed by using coefficient of carbon conversion,standard deviation,coefficient of variation and the exploratory spatial analysis method (ESDA).Furthermore,the paper decomposed the influencing factors of agricultural carbon emissions by using LMDI model.The results indicated that the amount of agricultural carbon emission and emission intensity in Henan province showed an upward trend,with an average annual growth rate of 4.32% and 3.72%,respectively.The amount of agricultural carbon emission had a significant characteristic of spatial concentrations in Henan province,because all high carbon emissions areas concentrated the southeast region of Henan province.The intensity of carbon emission was mostly level II and III,and the spatial distribution was balanced.In recent 23 years,the absolute and relative differences of total agricultural carbon emissions and emission intensity both had a trend of gradually enlarging with volatility among 18 cities in Henan province.The agglomeration trend of total agricultural carbon emissions was more obvious,high carbon emission area further concentrated to the southeast and northern parts of Henan province.The agglomeration trend of agricultural carbon emission intensity gradually weakened and tended to become balanced development.Production efficiency,labor force and agricultural structure had inhibitory actions on agricultural carbon emissions,while the development of agriculture had a positive effect.Therefore,effective measures should be taken to achieve agricultural carbon emission reduction.

agricultural carbon emissions; spatial-temporal evolution; LMDI model; influential factors; Henan province

10.7621/cjarrp.1005-9121.20171021

2017-02-19

张志高(1986—)，男，河南许昌人，博士、讲师。研究方向：区域资源环境评价。Email：zhangzhg06@163.com

*资助项目：河南省高等学校重点科研项目“基于双赢视角的河南粮食主产区土地流转长效机制研究”(17A790002)；河南省科技计划项目“南水北调河南段沉积物重金属特征及潜在生态危害评估体系构建”(152102310088)

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1005-9121[2017]10152-10