江苏省农田生态系统碳源/汇、碳足迹动态变化

许萍萍, 赵言文, 陈颢明, 段晓芳, 陈方园, 王 程

(南京农业大学 资源与环境科学学院, 江苏 南京 210095)

工业革命以来，人类向大气中排放的温室气体不断增加，导致全球变暖等气候问题越来越显著[1]。在全球温室气体排放总量中，约有13.5%来自农业[2]，农业活动及其相关过程产生的温室气体中约有20%的CO2，70%的CH4，90%的N2O[3]。农田生态系统是人类进行农业生产活动的主要场所，也是陆地生态系统的重要组成部分。有研究表明陆地生态生态系统是最重要的碳排放的来源之一[4-6]，作为陆地生态系统的一个关键子系统，农田生态系统对陆地生态系统碳排放具有较大的贡献，是重要的大气碳源和碳汇。

在此背景下，很多学者[7-16]对农田生态系统的碳源、碳汇问题进行了研究。其中杨皓然等[10]利用估算模型对山东省潍坊市的农田生态系统碳源碳汇的变动和影响因素进行了分析；李甜甜等[11]对江苏省农田生态系统的碳源碳汇的分布特征和影响因素进行了研究，此外还有王梁等[9]、孟成民等[15]学者都对农田生态系统的统碳源碳汇问题进行了研究。

江苏省作为中国重要的农业大省，农业生产力水平不断提高，在农业生产过程中碳排放问题一直制约农田生态系统的可持续发展，近年来江苏省出台了一系列有利于农业的低碳农业发展的政策，总体来看都产生了一定的生态效益。为探索识别江苏省农田生态系统低碳化发展现状，本研究从区域层面的角度出发，以江苏省农田生态系统的统计数据为基础，结合前人的研究，对农田生态系统的碳源/汇、碳足迹进行研究，分析了江苏省近16 a以来碳排放和碳吸收的变化趋势和主要影响因素。本研究将为江苏省发展低碳农业发展提供参考信息，也将为今后更好地了解农田生态系统碳循环的规律提供科学依据，对促进农田生态系统的良性发展具有重要意义。从长远来看，对江苏省农田生态系统的碳源和碳汇的研究能够为其他地区提供借鉴意义，也有利于中国节能减排工作的进展，还能为保护生态环境提供理论基础。

1 研究区概况

江苏省位于中国东部沿海，东经116°18′—121°57′，北纬30°45′—35°20′，是中国综合发展水平最高的省份之一。江苏省属东亚季风气候区，处在亚热带和暖温带的气候过渡地带，全省土地面积1.07×105km2，至2016年全省耕地面积达7.68×104km2，占全国农作物种植总面积4.61%，其中粮食作物、油料作物、蔬菜瓜果种植面积分别占农作物种植总面积的70.77%，5.71%，20.68%，粮食作物主要以种植小麦、稻谷为主，农林牧渔总产值达7.23×1011元，其中种植业3.71×1011元，占农林牧渔总产值的51.34%[17]。在近几年发展江苏省农业现代化水平不断提升，农业发展正在朝着新的方向前进。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本研究中所利用的数据主要来源于《江苏省统计年鉴》《中国农村统计年鉴》中2001—2016年的数据，包括了化肥施用量、农药施用量、农膜和农用柴油用量、农作物机耕面积、各类农作物播种面积和经济产量等指标。

2.2 研究方法

2.2.1 碳源、碳汇和碳足迹的概念 碳源和碳汇问题简单地说就是碳的流量问题，也就是碳在大气、海洋和陆地生态系统(包括植物和土壤等)3个碳库之间进行的连续交换的问题，碳源是指向大气圈释放碳的通量、过程或系统；碳汇则理解为从大气圈中清除碳的通量、系统、过程或机制[18]。碳足迹这个概念来源于生态足迹，生态足迹的概念由Wackernagel[19]提出。目前对碳足迹主要有2种定义[20-21]：一是指某种活动引起的直接或间接的CO2排放量或温室气体转化的CO2等价物排放量，即碳排放量(t)；二是指使用化石燃料排放的CO2所需的生产性土地面积，即碳排放的占地面积(hm2)。本研究将“农田碳足迹”定义为吸收农田生产投入引起的直接或间接的化石燃料燃烧排放的CO2所需的生产性土地面积(hm2)。

2.2.2 碳排放源的计算方法 本研究汇总了以往部分学者[22-23]对碳排放源的分类，把农田生态系统的碳排放源按农业资源投入和农业生产活动分类，主要包括化肥、农药、农膜、农用柴油、土地翻耕和农业有效灌溉面积。

本文对江苏省农业系统的碳排放核算采用估算模型[10]，估算模型如下：

T=∑Ti=∑Ei×δi

(1)

式中：T——农业系统的总碳排放量(t)；Ti——第i类碳排放源的碳排放量(t)；Ei——第i类碳排放源的数量(t)；δi——第i类碳排放源的碳排放系数。

农业碳排放源的碳排放系数主要来自IPCC等机构公布的数据[21]。这里将6类碳排放源的碳排放系数归纳如表1所示。

表1 江苏省农业碳排放源系数

2.2.3 碳汇的计算方法 农田生态系统净碳汇是，农田中农作物全生育期过程中的碳吸收量与农业投入所产生的碳排放量的差值。净碳汇一般用Nt表示，当净碳汇Nt大于0时，表示农田生态系统呈现碳汇状态；反之，当净碳汇Nt小于0时，表示农田生态系统呈现碳源。其计算[9]公式如下，公式中计算系数见表2。

(2)

式中：i——第i种农作物；Ct——农田系统的总碳吸收量(t)；Cd——第i类作物全生育期的碳吸收量(t)；Cf——第i类作物合成单位质量干物质需要吸收的碳(t)；Dw——生物产量；Y——第i类农作物的经济产量；Wi——作物的含水率；Hi——第i类农作物的经济系数。

净碳汇(Nt)是农田中农作物全生育期过程中的碳吸收量与农业投入所产生的碳排放量的差值。Nt>0时，表示农田生态系统呈现碳汇状态；Nt<0时，表示农田生态系统呈现碳源状态。其计算公式如下：

Nt=Ct-Et

(3)

式中：Nt——农田生态系统的净碳汇(t)；Ct——碳吸收量(t)；Et——碳排放量(t)。

2.2.4 碳足迹的计算方法 本研究碳足迹估算依据段华平[8]等人的计算方法，计算公式为：

CEF=Et/NEPNEP=Ct/S

(4)

式中：CEF——农田生态系统碳足迹；Et——农田投入碳排放总量(t)；NEP——农田生态系统单位面积的碳吸收能力〔t/(hm2·a)〕；Ct——碳吸收量(hm2)；S——作物种植总面积(hm2)。

表2 中国主要农作物的经济系数、含水率和碳吸收率

3 结果与分析

3.1 江苏省农田生态系统碳排放动态分析

由表3可以看出，江苏农田生态系统碳排放总量总体趋向于增加，2001年江苏省碳排放量4.44×106t，2016年碳排放量4.60×106t，增幅为3.4%。根据近16 a据碳排放总量的变化趋势，将碳排放总量按照量的多少分为3个阶段进行讨论分析，第一阶段为2001—2003年，此阶段碳排放呈现减少趋势，主要是由化肥、农药施用量减少造成的；第2阶段为2004—2010年，碳排量随农膜、农药和柴油的使用量的增加总体呈现快速增加趋势；第3阶段为2011—2016年，此阶段碳排放量总体呈现下降趋势，主要是因为这一阶段江苏省推广使用有机肥等农业政策使化肥施用量降低导致的。

碳排放强度总体表现为下降趋势，各阶段碳排放强度均低于1 t/hm2，在段华平的研究中，中国农田生态系统的碳排放强度在2001—2009年为0.54～0.71 t/hm2，与之对比，发现江苏省农田生态系统的碳排放水平处于全国碳排放水平之内。本研究将江苏省农田碳排放强度分为2个阶段分析：第1阶段，2001—2006年，碳排放强度随着农业投入的增加而增大；第2阶段，2007—2016年，碳排放强度随播种面积的增加而减小。但总体来说江苏省农田生态系统碳排放水平较低。

表3 江苏省农田生态系统碳排放量和碳排放强度

图1显示，在所有的农业碳排放源中，化肥碳排放量对总碳排放量的贡献最大，贡献率约为64.77%，其余依次为柴油、农膜、农药、灌溉和机耕，碳排放贡献率分别为11.65%，10.26%，9.46%，3.52%和0.34%。在2001—2016年化肥和农药产生的碳排放量总体呈现降低的趋势，这主要是与江苏省近几年推广使用有机肥和生物、物理防治病虫害有关；农膜、农用柴油、机耕和灌溉产生的碳排放量整体有增加趋势，但增幅不大，较为平稳，这与江苏省农业现代化水平不断提高有关。

图1 2001-2016年江苏省农田生态系统各类碳排放源碳排放情况

3.2 江苏省农田生态系统碳吸收动态变化分析

由表4可知，江苏省农田生态系统碳吸收量总体呈现增加趋势，2001—2016年农作物总碳吸收量增加了3.57×107t，年均复合增长率约为2.2%。本研究将碳吸收总量的变化分为2个阶段进行讨论分析：第一阶段为2001—2008年，碳吸收总量波动变化，除2003，2007年外其余年份碳吸收总量均为增长趋势，这一阶段各年份碳吸收总量小于1.00×108t。2003年碳吸收量减少主要是因为播种面积和粮食、园艺作物产量降低导致作物全生育期碳吸收量减少导致的，2007年则主要与播种面积和园艺作物产量减少相关；第二阶段为2009—2016年，这一阶段碳吸收量呈现逐年增加趋势，各年份碳吸收总量均大于108t，这主要与江苏省种植结构改变和农业生产技术变化有关。

表4 2001-2016年江苏省主要农作物碳吸收量及碳吸收强度

农田生态系统近16 a单位面积碳吸收量呈整体增加趋势。在第一阶段，2001—2008年单位面积碳吸收量呈现波动变化，变化范围为11～14 t/hm2，第一阶段单位面积碳吸收能力相对较低，主要是因为粮食作物和园艺作物产量较低使作物生育期吸收的碳较少。第二阶段，2009—2016年单位面积碳吸收量总体为增加趋势，并在13～17 t/hm2之间波动，表明随着农作物单位面积产量的提高，农田生态系统的碳吸收强度也在稳步提高。

图2显示，可以看出在3类农作物中，园艺作物的碳吸收量明显高于粮食作物和经济作物，且园艺作物碳吸收量的年变化幅度相对较大，但总体呈现显著增加的趋势。2001—2016年，园艺作物的碳吸收量由5.40×108t增长到了8.50×108t，增加量分别为3.03×107t，年均复合增长率0.3%；粮食作物的碳吸收量2001年为3.30×108t，到2016年碳吸收量为4.10×108t，增加量分别为8.33×106t，年均复合增长率0.3%，粮食作物和园艺作物的碳吸收量都有一定程度的增长，增加量分别为8.33×106和3.030×107t，年均复合增长率分别为0.2%和0.3%，经济作物的碳吸收量则呈现下降趋势，减少了3.39×106t，年均复合增长率约为-0.56%。

图2 2001-2016年江苏省农田生态系统不同作物碳吸收量变化趋势

3.3 江苏省农田生态系统碳足迹动态分析

如图3所示，2001—2016年江苏省农田生态系统碳足迹总体呈现不断下降趋势。2001年生态碳足迹为3.90×105hm2，2016年生态碳足迹为3.32×105hm2，碳足迹减少5.81×104hm2，降幅为17.53%，农田生态系统生态碳足迹约占同期播种面积的4%～6%。

农田生态系统的碳足迹均小于同期耕地面积，表明江苏省的农田生态系统呈现碳生态盈余状态，因此可用来补充部分工业和生活的碳生态赤字。单位面积碳足迹为逐年下降趋势，且均小于0.06 hm2/hm2，低于段华平[8]计算的全国范围的单位面积碳足迹，表明江苏省农田低碳化水平较好。

图3 2001-2016年江苏省农田生态系统碳足迹及碳足迹强度变化

4 讨论与结论

4.1 讨 论

化肥是农田生态系统碳排放的主要贡献因子，施用化肥产生的碳排放量占到总碳排放量的64.77%，虽然2001—2016年化肥施用量呈现一定的下降趋势，但与其它但排放源相比化肥仍是最大的碳排放源，化肥在生产和使用过程中会产生CO2和N2O，一般来讲，每产1 t的氮肥大约需要耗费9.20×104kJ的热量，相当于3 t标煤大概要产6 tCO2；随着江苏省农业现代化的不断发展，农业机械化水平不断提高，拥有的农业机械数量不断增加，导致农业柴油使用量增加，柴油在使用燃烧过程中会产生二氧化碳等温室气体；农膜和农药在生产过程中会消耗化石能源，排放二氧化碳等温室气体，进入到环境中，也会对环境造成影响；灌溉对农田碳排放的影响主要表现在3个方面：土壤水分、灌溉量、灌溉频率与灌溉方式，在一定的土壤水分范围内，农田CO2和CH4等气体的通量与土壤水分具有相关性，灌溉量与灌溉频率对土壤呼吸产生影响，进而会增加土壤的碳排放强度；耕作过程中会改变土壤的孔隙连续状况、机械强度、气热通量等特性，对土壤碳循环产生影响，免耕处理CO2排放量明显低于翻耕处理，因为翻耕加速了土壤有机质的分解速度，导致农田CO2排放量显著增加，同时翻耕次数越多对土壤的扰动会越大，土壤通透性越好，对土壤呼吸的影响就越大，对CO2产生通量的影响就越显著。

农田生态系统的作物产量对碳吸收量影响显著，因为在农作物生长过程中，能够通过光合作用将二氧化碳固定在其体内，农作物的固碳量随着作物产量的增加而增加；作物的种类会造成光合速率的差异，从而影响到作物的碳吸收速率。C4植物与C3植物相比，CO2补偿点低得多，在较低的浓度达到较高的光合同化能力，光照较强的环境中，产量较高，可充分利用光能，且C4植物比C3植物更能适应高温、光照强烈和干旱的环境。

4.2 结 论

本研究通过对农田系统碳源、碳汇和碳足迹的测算，对比分析江苏省农田生态系统碳排放、碳吸收、碳汇和碳足迹后得出以下结论：江苏省农田系统碳吸收量明显高于碳排放量，具备较强的碳汇能力；碳吸收量及碳汇量在时间序列上呈现出增加的趋势，园艺作物对碳吸收量的贡献最大，其余依次为粮食作物和经济作物；碳排放量及碳排放强度逐年增长，增势稳定，增幅较小，在主要的农业碳排放源中以化肥对碳排放的贡献最大；碳足迹及单位面积碳足迹强度呈现降低趋势，碳足迹小于同期耕地面积，表现出较大的碳生态盈余，可为本地区工业发展和社会生活碳生态赤字提供绿色补偿，对于保护环境、促进生态建设具有重要意义。同时，本研究对影响农田生态系统碳排放和碳吸收的主要因素进行了简单的分析，有利于指导我们为发展低碳农业提供途径。