绵阳市1985-2015年农田作物碳储量动态研究

王艺积

(1.四川师范大学 地理与资源科学学院，四川 成都 610068；

2.四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川 成都 610068)

20世纪70年代以来全球气候变化成为热点话题，自然和社会科学家开始研究全球气候变化。20世纪90年代，随着美国全球变化研究计划的制定，越来越多的科学家开始着手研究全球变化与陆地生态系统。作为全球碳循环中最复杂的同时受人类活动影响最大的方面，陆地生态系统碳储量及其变化已成为国际地圈生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)和国际全球环境变化人文因素计划(IHDP)等国际重大科学计划的主题[1，2]。随着经济社会的发展，人类对资源的需求不断增大，在发展过程中不断的开发利用自然环境中的土地、粮食、森林和能源等，利用自然资源同时也给自然环境和自然资源带来了众多的问题。环境关乎人类的生存和发展，解决环境问题如今已经成为迫在眉睫的任务。而人类不断的使用化石原料、开垦、秸秆焚烧等活动增加了空气中(CO2)的浓度，对陆地生态系统以及人类的生存和发展带来了严重的影响[3，4]，陆地生态系统的碳储量研究也成为一个地区和一个国家研究的重要课题[5]。近年来大量的科学家对森林生态系统碳库[6，8]、草地生态系统碳库[8，9]、土壤碳储量[10]、城市植被碳固存[11-13]等进行了分析研究。中国作为一个农业大国，农田面积广阔，从20世纪90年代起中国学者就开始对农田生态系统碳循环进行综合研究和论证[14-17]。对中国农田生态系统区域碳储量的研究不仅有助于深化农田生态系统碳循环理论，同时对于探索低碳农业发展道路以及农田生态系统增碳减排具有重要意义[18-20]。在这样的背景下，本文以四川省绵阳市为研究对象，以四川省绵阳市主要农作物碳储量为研究内容，在借鉴以往研究的基础上，对当地基本概况进行分析，调查和收集相关数据，利用农田植被碳库估算方法对四川省绵阳市主要农作物植被碳储量、碳密度动态以及植被碳储量的构成进行分析，为该地区农业生产结构调整、种植业低碳化发展提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然条件

绵阳市位于四川省西北部，介于30°42′N～33°03′N、103°45′E～105°43′E，坐落在涪江中上游地带。全市呈西北东南向条带状，东西宽约144 km，南北长约296 km，辖区面积20 248.4 km2。境内多山区丘陵，地形起伏大，地势为西北部高，东南部低，平均海拔700 m。属于亚热带湿润季风气候，气候总体平稳，年内光热充足、大部地区雨水调匀、暴雨天气偏少、洪涝灾害偏轻。

1.2 社会经济条件

绵阳市辖1市3区5县。1市为江油市，3区为涪城区、游仙区、安州区，5县为三台县、梓潼县、盐亭县、平武县、北川羌族自治县。2015年绵阳市总人口545.48万人，其中农业人口355.47万人。全年实现地区生产总值1 700.33亿元，人均地区生产总值35 754元；农作物总播种面积66.36×104hm2，耕地面积28.23×104hm2，粮食总产量220.90×104t。绵阳市土壤以肥沃的冲积土、水稻土或紫色土为主，土壤结构类型好，土层深厚、理化性状好，有利于农作物的生长，该区域种植业农作物种类繁多，以粮食生产为主，其中水稻、玉米等是该地区的主要大春作物，该地区小春作物主要为小麦、油菜等。

表1 绵阳市2015年土地利用现状统计表Tab.1 Statistical table of land use status in Mianyang City in 2015 /hm2

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究以30年(1985～2015年)为研究时段。所涉及的耕地面积、各类种植作物播种面积及产量等数据资料来源于《绵阳市统计年鉴2010年版》、1999～2016年《绵阳市统计年鉴》和其他相关文献。《绵阳市统计年鉴》是一部全面反映绵阳经济和社会发展情况的综合性年刊，由绵阳市统计局编辑发布。

2.2 研究方法

2.2.1 模型计算法

本文主要采用模型计算法，该方法将农作物产量、农作物经济系数、农作物平均含碳率、农作物果实水分系数等通过一定的转换系数换算成碳储量[14]。农田生态系统碳储量是区域内农田生态中农作物碳元素的总储备量，单位面积上的碳储量既是碳密度，利用含碳率转换作物样方生物量进而估算样地尺度的作物植被碳储量，根据相关作物的估算参数以及统计数据来估算其余尺度作物植被碳储量。其计算公式如下[14]：

(1)

(2)

式中：S为区域作物碳储量(t)；Si为第i类作物的碳储量(t)；n为物种数；Ci为第i类作物的含碳率(%)；Qi为第i类作物的作物产量(t)；fi为第i类作物收获部分(果实)水分系数；Ei为第i类作物的经济系数(收获指数)(%)；D为区域作物平均碳密度(t·hm-2)；A为区域耕地面积(hm2)。

国内外学者对农田植被的平均含碳率以及经济和水分系数的研究测量中，由于农业生产的地区性，在不同条件下的不同作物，其经济系数是不一样的[21]。但是同一种植被农作物，在同一区域内尽管受到不同时间内地形、土壤、气温、光照和降水等因素的影响，但是单位面积上植被的生物量、经济系数和收获部分(果实)水分系数相对固定，通过查阅文献[1，22-24]选取相近区域内各项参数并结合生产实际得到绵阳市农田生态系统主要农作物碳储量估算主要参数(果实水分系数、含碳率、经济系数、)如表2。

表2 绵阳市主要农作物植被碳储量估算参数Tab.2 Estimation parameters of vegetation carbon storage for main crops in Mianyang

注：①其它作物包括花生、高粱、棉花、豆类(胡豆、大豆和豌豆).②表中数据参考相关文献[1，23-25]取值.

2.2.2 数理统计分析

本文主要采用变异系数法并结合当地实际情况，对绵阳市30年来农田生态系统种植业发展特征进行研究。变异系数又叫标准离差率，为标准差与平均值之比，其可以反映序列的离散程度。本文根据绵阳市30年来(1985-2015年)主要农作物的单产数据，通过求取主要农作物单产的变异系数，分析绵阳市农田种植业发展水平的变化特征，其具体计算公式如下：

(3)

(4)

(5)

3 结果与分析

3.1 农田种植业发展总体特征

通过统计绵阳市30年来(1985～2015年)耕地面积，并计算相对应的复种指数，得到复种指数和耕地面积变化情况(图1)。

从图1看出，绵阳市近30年来耕地面积呈明显下降趋势，而复种指数总体呈上升趋势。耕地面积由1985年的35.281 2×104hm2下降到2015年的28.227 3×104hm2，总体减少19.99%，这主要是由于该市经济发展促进了城镇建设，加速了城市化进程的结果。另一方面该市复种指数由1985年的183.44 %增长到2015年的235.09 %，增长幅度为28.16%，表明其耕地利用愈加合理化，集约化程度较初期有所提高。从该市近30年来作物种植构成变化统计表(表3)中可以看出绵阳市种植结构以粮食作物为主，经济作物为辅，粮经结构稳定，粮经比总体保持在75∶25水平。其中，粮食作物以水稻、小麦、玉米为主，3者种植面积合计占全市种植面积长年保持在一半以上；经济作物以油菜、花生为主，二者30年平均种植面积占全市种植面积的23.59%。总结绵阳市近30年来作物种植构成得出在该市的主要农作物是水稻、小麦、玉米、豆类、油菜、花生。

图1 绵阳市30年耕地面积及复种指数变化Fig.1 Change of cropland area and multiple cropping index in Mianyang during 30 years

表3 绵阳市30年来作物种植构成变化统计Tab.3 Statistics of crop composition change in Mianyang during 30 years /%

3.2 主要农作物生产水平变化

统计绵阳市30年来(1985～2015年)主要作物单产，得到绵阳市1985～2015年作物单产变化。再利用公式(5)计算得到绵阳市6种主要作物的单产变异系数，其结果见表4、图2。

表4 绵阳市30年来主要农作物单产变化Tab.4 Changes of main crop yield in Mianyang during 30 years

图2 绵阳市30年来主要作物单产变化
Fig.2 Changes of main crop yield in Mianyang during 30 years

通过图2和表4可以看出近25年来绵阳市6种主要作物单产中，水稻多年平均单产最高(7.67 t/hm2)，豆类多年平均单产最低(1.82 t/hm2)。6种主要作物在单产变化上均呈现波动上升趋势，其中花生增长幅度最大(126.19%)，小麦增长幅度最小(15.74%)。由表4中变异系数值可知，绵阳市30年来6种主要农作物中花生、玉米和豆类的单产波动程度较大，其中花生的变异系数高达25.12%；水稻、小麦和油菜波动较小，变异系数均在10%以下。

3.3 主要农作物碳储量与碳密度的动态变化

将绵阳市30年(1985～2015年)作物产量数据和该区主要农作物碳储量估算参数(表2)带入公式(1)可以得到绵阳市30年(1985～2015年)农田生态系统主要农作物碳储量动态变化，再将该地区主要农作物碳储量历年估算值与绵阳市30年来(1985～2015年)历年耕地面积数据代入式(2)，即得到该区30年农田生态系统主要农作物碳密度的动态变化(图3)。

图3 主要农作物作物碳储量和碳密度动态变化Fig.3 Dynamic changes in carbon storage and carbon density of major crop crops in Mianyang during 30 years

对图3进行分析得出，由于受农作物播种面积变化、单产波动以及农田种植业结构调整等综合因素的影响，绵阳市30年(1985～2015年)主要农作物碳储量动态出现较明显的波动。总体上，该市农田主要农作物碳储量和碳密度呈波动增长趋势，从表5看出主要农作物碳储量从20世纪90年代的235.38×104t增长到近几年的264.54×104t；碳密度从20世纪90年代的4.83 t/hm2增长到近几年的5.36 t/hm2。主要农作物碳储量与碳密度最高值均出现在2015年，达277.12×104t、5.50 t/hm2；最低值均在1986年，为201.47×104t、4.15 t/hm2，相差达75.65×104t、1.35 t/hm2。在20世纪90年代，该市主要农作物碳储量与碳密度波动剧烈。从碳储量整个波动趋势来看，1986年到1992年该地区的主要农作物碳储量呈缓慢上升的趋势，这与该地区耕地面积变化和农作物的结构调整有关；1992年～1994年，该地区出现了碳源的特征，这主要与该地区水稻、玉米和豆类作物的单产减少有关；1994年～2001年，该地区主要农作物碳储量微弱增长，1994年到1995年增长、1995年到2000年持平、2000年到2001年下降，基本回到1994年水平，期间变化趋势与主要作物单产变化趋势大致相同；从2001年～2010年这10年间，绵阳市的主要农作物碳储量呈现缓慢、持续和稳定增长的碳汇的特征，这样的特征与该地区经济发展水平的提高，农业生产技术改进以及农作物复种指数不断的提高有关。从碳密度的增长走向来看，碳密度的主要增长期在1987到1992年、1994年到2000年，2001年以后则出现持续增长的趋势，这与21世纪以来不断提高和农业生产技术的改进，农业产业结构调整，农业管理加强和农作物单位面积生物量增大有关。

表5 绵阳30年来主要农作物碳储量及碳密度变化Table5 Dynamic changes in carbon storage and carbon density of major crop crops in Mianyang during 30 years

30年来绵阳市种植业呈耕地面积减少的趋势，与此同时农作物碳密度却呈现缓慢上升趋势，其中的主要影响因素有农田种植业结构调整、农业生产技术的提升、集约化程度提高促使复种指数的增长以及单位面积的生物量增多，从而导致农作物碳密度提高。

3.4 主要农作物碳储量的构成

根据绵阳市主要农作物碳储量和植被碳密度值，可以得到绵阳市30年来(1985年～2015年)农田主要农作物碳储量构成特征(图4)以及碳密度动态(图5)。

图4 绵阳市主要农作物碳储量构成Fig.4 Carbon storage composition of main crops in Mianyang

从图4可以看出在整个农作物碳储量中水稻占比最大，其次是小麦和油菜，各种农作物碳储量占比由大到小依次是：水稻(33.83%)、小麦(26.55%)、油菜(20.40%)、玉米(14.78%)、花生(2.52%)、豆类(1.92%)。其中大春作物主要以水稻为主，在几类农作物中碳储量所占比重最高，小春作物主要是小麦、玉米和油菜，所占的比重相对较小，这与绵阳市主要位于秦岭淮河以南的亚热带季风气候区，夏季高温多雨，冬季温和少雨。热量充足，气温年较差较小；降水丰富，雨热同期，且位于四川盆地土壤肥沃的紫色土地带、地势平坦，又有涪江、安昌江、邓河流灌溉水源充足有利于水稻的种植，种植面积大等有关。其次小麦和油菜的植被碳储量较高，是因为由于气温、降水和地形等因素的影响，四川也是主要的冬小麦和油菜种植较广的地区有关。

图5 绵阳30年来主要农作物碳密度动态变化Fig.5 Dynamic changes of carbon density of main crops in Mianyang during 30 years

通过分析图5可知，从多年平均碳密度来看是水稻(6.44 t/hm2)>油菜(5.61 t/hm2)>小麦(5.25 t/hm2)>玉米(3.62 t/hm2)>花生(2.69 t/hm2)>豆类(2.13 t/hm2)；从年际变化来看，主要农作物碳密度均呈波动增长趋势，其中增长幅度最大的是花生(126.19%)，增长幅度最小的是小麦(15.74%)。

图6 绵阳市30年来不同类型农作物碳储量占比Fig.6 Carbon storage ratio of different types of crops in Mianyang during 30 years

综合图4和图6可以看出，30年绵阳市粮食作物与经济作物碳储量占比前期呈现波动趋势，其中粮食作物碳储量占比在70%～80%波动，经济作物碳储量占比在20%～30%波动。近期年粮食作物占比逐年减小，但减小幅度不大，总体呈现平稳趋势。其中粮食作物与经济作物最大比在1997年，分别占比81.54%和18.46%；最小比在2015年，分别占比69.9%和30.1%。从1998年至今，经济作物碳储量占比呈上升趋势.可见在农业产业结构调整、农业管理深化改革等因素影响下，种植业结构在保持粮食作物主要成分的同时也正向经济作物偏移。

4 结论与讨论

通过对绵阳市农田生态系统主要农作物碳储量以及碳密度动态变化估算与分析，可以看出30年来该市农田生态系统植被总碳储量和碳密度都有一定程度的提高，具有碳汇效应，但同时增长趋势又呈现波动，较不稳定。

根据以上研究结果，对绵阳市种植业发展提出以下建议：第一，该区农田生态系统植被碳储量的构成以水稻为主，为了维持和稳定该区农田植被碳储量，应加大对水稻种植技术的研究，提高水稻的单位面积产量，既满足人民基本的粮食需要，又能增加农田植被的碳产量；第二，提高经济作物的种植面积，适当增加小麦，油菜等作物的面积，在保障农业经济发展的同时，提高绵阳市农业生态系统的植被碳储量；第三，大力引进先进农业生产技术，改变传统耕作方式，普及农业机械化生产，提高农业生产集约化程度。结合先进土壤科学技术，通过改良土壤、培养地力，提高耕地质量，从根本上夯实农业发展基础，从而提高土壤的碳汇能力和农田植被的碳储量和碳密度。进一步调整农田种植业产业结构，加强农业生产管理，提高农田作物单产与复种指数，发展低碳农业；第四，人居环境与农业生产环境相结合，大力发展现代化农业，实现农旅结合。按照种植种类和产业结构进行布局规划，发展生态农业、环保农业。结合乡村振兴战略，加大对现代化、规范化、可持续化的生产活动的支持，不仅是地养人，更要人养地。合理布置种植模式，种出粮食的同时也要种出风景，将农业与旅游相结合，推进观光农业和生态旅游。