山东省农业碳排放强度的时空特征与趋势演进

□黄 锐 周玉玺 周 霞

[内容提要]本文利用基尼系数和核密度估计的方法，采取2003-2018年统计数据，揭示了山东省农业碳排放强度的时空分布与区域间的差异情况。结果表明：①化肥是农业碳排放的主要来源；山东省农业碳排放量呈先上升后下降特征，根据区域差异分为“持续下降型”、“先上升后下降型”、“波动下降型”三种类型。②农业碳排放强度总体上呈现明显的空间非均衡性,表现为先下降后反弹的特征。③基尼系数测算结果表明，山东省农业碳排放强度表现为先增大后减小最后再增大的过程；从区域差异看，鲁西地区差异最大，鲁东地区呈现反复波动状态，鲁中地区呈现先波动上升后下降并逐渐趋于平稳的状态。④核密度估计结果表明，山东省农业碳排放强度的总体差异呈缩减态势，鲁东地区农业碳排放强度地区间的差异过大，鲁中地区次之，鲁西地区最为稳定。

一、引言

发展低碳农业是实现绿色农业的重要路径之一。农业碳排放是中国第二大碳排放源，占排放总量的17%[1]。2015年中国在巴黎气候峰会上承诺：到2030年实现碳排放强度较2005年下降60%-65%减排目标[2]。发展低碳经济、节能减排已成为解决全球气候变暖备受关注的新路径[3]。山东省是农业大省，伴随着农业经济的快速发展农业碳排放也逐渐增加[4]。因此，控制山东省农业碳排放，探索一条与之发展相适应低碳农业发展之路，是实现农业绿色发展的关键。

近年来众多学者针对农业碳排放问题进行了广泛的探讨。一是对农业碳排放与农业经济增长关系的探究。陈炜[5]、洪业应[6]通过实证分析，验证了中国种植业碳排放总量与农业GDP之间存在“倒U型”EKC关系。李波[7]等基于湖北省的农业碳排放数据，发现农业碳排放与农业经济增长存在长期协整关系。二是对农业碳排放的空间格局和动态演变的研究。王宝义[8]、田云[9]、章胜勇[10]等运用空间和非参数估计方法，测算分析了中国各个省份农业碳排放的结构特征和时空差异情况。三是对农业碳排放驱动因素的探究。田云[11]、文清[12]运用LMDI模型剖析了各地区农业碳效应的驱动机理,发现经济因素为驱动因素，效率因素、劳动力因素为抑制因素；李慧[13]等利用地理加权回归法揭示了各因素在不同时空层面对碳排放的影响程度。还有学者对农业碳排放的公平性[14]、农业碳排放效率[15]、农业政策和技术因素与农业碳排放的关系[16]等问题进行了分析。

已有研究厘清了农业碳排放强度测度方法及其影响因素。但是，受区域经济社会结构和发展水平的影响，不同区域内农业碳排放的时空特征和演进趋势异质性特征明显，因此，本文采用山东省2003-2018年的面板数据，运用基尼系数和核密度估计的方法，测度分析了农业碳排放强度的时空特征及演进趋势，以期为制定差异化的低碳农业发展政策提供参考。

二、样本数据与研究方法

(一)样本数据

1.农业碳排放量的测算

根据已有学者的研究[11-14]，选取农业(种植业)碳排放的6个来源及碳排放指数，分别为化肥、农药、农膜、柴油、灌溉以及翻耕，它们的碳排放指数分别为0.8956kgC/kg、4.9341kgC/kg、5.18kgC/kg、0.5927kgC/kg、20.476kgC/hm2、312.6kgC/kg。碳排放测算的公式根据李波[17]的方法：

C=ΣCi=ΣTiδi

(1)

其中，C为农业碳排放总量；Ci为第i种碳源的碳排放量；Ti为第i种碳源的碳排放量；δi为第i种碳源的排放系数。

2.数据来源

农业碳排放强度根据两类数据计算求得：一是农业碳排放总量；二是农业总产值，两者相除得到农业碳排放强度指标。其中碳排放总量根据式(1)求得，各市化肥、农药、农膜、柴油、灌溉(取农业有效灌溉面积)、翻耕(以当年农作物总播种面积为准)的数据均来自《山东省统计年鉴》(2004-2019)和17地市的地方统计年鉴。农业总产值以2003年为不变价，将各年份的农业总产值折算到2003年，以消除价格波动的影响。

(二)研究方法

核密度估计(kernel density)是一种估计概率密度函数的非参数估计方法，该方法对数据不做任何假设，仅从数据本身出发研究数据分布的特点，摆脱了传统的人为附加条件的影响，因此适用范围非常广泛。本文采用核密度估计方法揭示山东省农业碳排放强度分布的位置、形态、峰值以及延展性等，进而说明山东省农业碳排放强度的演变趋势。

设x1，x2，…，xn为山东省农业碳排放强度x的n个数据，则山东省农业碳排放强度的核密度估计为：

(2)

为了使核函数具有连续性，K(x)应该是对称平滑的非负函数，满足以下特征：

(3)

式(3)中为c常数。

核函数种类繁多，常见的核函数有均匀核函数、三角核函数、伽马核函数以及高斯核函数，本文基于式(3)并且合适的带宽前提下选用高斯核函数对山东省农业碳排放强度进行估计，其表达式为：

(4)

由(2)(4)式得到山东省农业碳排放强度的核密度估计表达式：

(5)

三、结果与分析

(一)山东省农业碳排放的结构特点与分布特征

1.山东省农业碳排放的结构特点

从整体来看，山东省农业碳排放量经历了一个先上升后下降的过程。2003-2007年为持续上升阶段，平均增长率为2.9%；2008-2018年为下降阶段，平均下降率为1.76%。具体来看，2008-2012年下降幅度比较小，整体有波动但始终维持在一个平稳的状态；2013-2018年呈现持续下降态势，其中2017年和2018年呈急下降趋势，下降率分别为3.60%、4.74%。从具体数据来看，2003年的碳排放量为745万吨，最高达到2007年的835万吨，上升幅度为12.08%，从2008年开始呈现明显的下降趋势，最低达到2018年的686万吨。根据山东省农业碳排放量的特点，将考察期划分成三个阶段(具体见表1)。从表1中可以看出，六大农业碳排放源的占比变化不大，化肥是农业碳排放最重要的来源，其碳排放量占比在50%以上。碳排放第二来源是农膜的使用，碳排放量贡献率在20%左右。碳排放量最少的来源是翻耕，对总排放量的贡献率不到0.5%。六类碳来源的排放量出现了很大的差距，2003-2018年化肥、农膜、柴油、农药、灌溉、翻耕的碳排放量分别为6660万吨、2606万吨、1661万吨、1252万吨、163万吨、56万吨。数据表明，化肥的碳排放量远远超过了其他五个碳排放源的总和，因此要想控制农业碳排放量，应该在保证粮食产量的前提下，降低化肥施用量，提高化肥利用效率。

表1 三个时期内的农业年均碳排放量及碳来源占比(单位：万吨、%)

2.山东省农业碳排放量及时序演变特征

根据农业碳排放计算公式，测算了2003、2006、2009、2012、2015和2018年山东省17地市的农业碳排放量(见表2)。由表2可以看出，农业碳排放量最大的依次是潍坊、临沂、菏泽、烟台、济宁，2003-2018年间分别排放了1734万吨、1182万吨、1079万吨、1048万吨、972万吨碳。较2003年，2018年17地市中仅有枣庄和菏泽的农业碳排放量升高了，增长率分别为12.97%、9.12%。其余地区均为负向变动，其中，下降幅度最大的是淄博，下降率为31.06%，其次是东营、青岛、滨州，下降率分别为22.51%、20.72%、20.30%。德州、临沂、烟台，作为山东省重要的粮食生产地区，与2003年比较，农业碳排放量仅下降了3%左右，因此提高这些地区农业碳排放效率非常关键。整体来看，山东省17地市在2012年之后，农业碳排放量均以不同的程度呈下降趋势。具体可分为三种类型: ①持续下降型：如青岛、淄博、莱芜三个地区农业碳排放量均呈逐年下降态势。青岛在2006年之后开始出现明显的下降趋势，而淄博、莱芜一直以稳定的速率下降；②先上升后下降型：即农业碳排放量在2012年之前出现小幅度上升，后又下降，如济南、枣庄、东营、烟台等7个地区；③波动下降型：即在2003-2018年间，农业碳排放量反复波动最后呈下降趋势的类型，如济宁、泰安、日照、德州市等7个地区。

表2 山东省17地市农业碳排放量的变化情况(单位：万吨)

3.山东省农业碳排放强度及演变趋势

根据前文测算农业碳排放的公式，分别测算了山东省17地市2003、2006、2009、2012、2015和2018年的农业碳排放量，并且通过各地市农业生产总值计算出农业碳排放强度(具体见表3)。

由表3可知，2018年山东省农业碳排放强度最大是威海，其次是日照、菏泽、潍坊、临沂，每万元农业生产总值需要排放0.59吨、0.38吨、0.37吨、0.35吨、0.30吨碳。农业碳排放强度最小的分别是莱芜、济南、淄博、泰安、济宁，每万元农业生产总值分别排放了0.15吨、0.16吨、0.16吨、0.16吨、0.20吨碳。从表3可以看出，与2003年相比，2018年山东省17地市的农业碳排放强度均有了不同程度的下降，其中下降幅度最高是莱芜，下降了61.54%；其次是淄博，下降率为57.89%；下降幅度最小的是菏泽市，下降率仅有15.91%，其次是德州、威海、枣庄，下降率分别为24.32%、32.18%、36.84%。从年均农业碳排放强度来看，山东省农业碳排放强度由2003年平均0.49吨/万元下降到2018年的0.27吨/万元，下降幅度为44.90%。从整体来看，2003-2015年各市碳排放强度均呈下降，但在2015-2018年间，除东营、泰安、日照、莱芜之外，其余地区农业碳排放强度出现反弹趋势，如济南、青岛、淄博、枣庄等地出现小幅度反弹，而威海则出现了较大幅度反弹，由2015年的0.42吨/万元上升到2018年的0.59吨/万元，反弹幅度达到40.48%。

表3 山东省17地市农业碳排放强度变化情况(单位：吨/万元)

(二)山东省农业碳排放强度的空间差异特征

为了更加清晰地分析山东省17地市农业碳排放强度的区域差异，测算了山东省及鲁东、鲁中、鲁西地区农业碳排放强度的基尼系数。

由图1知，整体来看，山东省农业碳排放强度基尼系数波动比较大。主要分为三个阶段：2003-2013年处于波动上升阶段，其中2008年和2011年是全省碳排放强度地区差距缩小的年份；2013-2015年处于下降阶段，2013-2014年的下降趋势尤为明显，下降幅度为9.86%；2015年之后又进入回升阶段，其中2016-2017年的上升速度较快。由表3知，较2003年，2018年全省的基尼系数增大了26.39%。总体来说，山东省各城市间的碳排放强度差距先增大后减小，最后再增大。分区域来看(图2)，鲁东地区农业碳排放强度的地区差异出现反复波动的状态，2003-2005年处于上升阶段，之后呈下降趋势，2009年基尼系数最低为0.1251，之后呈波动下降趋势，到达2016年最低值0.1182， 2017年的基尼系数急上升到0.1680，之后趋于稳定，不难看出，鲁东地区的基尼系数值的演变趋势与全省基本一致。鲁中地区是三大区域中变动率最小的地区，2013年的基尼系数达到最大值0.1830，其基尼系数曲线整体上呈“驼峰”形，基尼系数值呈现出先波动上升后下降并逐渐趋于平稳的状态。鲁西地区的碳排放强度地区差异最大，2006年基尼系数到达最低值0.0224，2016年达到最高值0.1295，十年间基尼系数值变化了近五倍，2016年之后碳排放强度差异渐渐缩小。整体来看，鲁西地区农业碳排放强度的地区差异水平低于鲁东和鲁中地区。

图1 山东省农业碳排放强度的变化趋势 图2 山东省三大区域农业碳排放强度的差异演变

(三)山东省农业碳排放强度的核密度估计

1.山东省17地市农业碳排放强度的核密度估计

从时间序列来看，核密度曲线整体呈现左移的趋势，并且在2006年后没有再出现双峰，说明在研究时间段内山东省农业碳排放强度有所减小，高碳排放强度地区的比重在减少。在演变过程中，除2006年外，其余三年的左侧起始点几乎无异，随着年份的推移右侧值出现左移的趋势。2006年到2010年的平移距离最大，2010年、2014年、2018年的密度曲线区间变化幅度较小且波形相似，说明这几年间农业碳排放强度的变化幅度较小。相比较2006年，2018年的密度曲线左移、波峰更加陡峭并且变化区间最小，表明2018年农业碳排放强度总体较低。因此，从全省的角度看，2006年的农业碳排放强度发展水平和速度明显区别于其他年份，2006年之后，山东省农业碳排放强度集中在0.2-0.3吨/万元之间，区域差异逐渐缩小。出现这种情况的原因可能是：从全省来看，在考察时间段内，农业生产结构、农业现代化发展水平等影响农业碳排放的因素区域差异不明显。

2.鲁东地区农业碳排放强度的核密度估计

从核密度曲线的形状来看，2006年的密度曲线依旧出现双峰状态，说明2006年高农业碳排放强度地区仍然占有一定的比重，农业碳排放强度的两极分化现象依然存在。2006年之后，密度曲线均为单峰状态。从演变趋势来看，2006-2010年的密度曲线主峰左移，区间范围小幅度扩大，表明鲁东地区农业碳排放强度不断减少，但地区差距小幅度扩大。2010-2014年，密度曲线的中心继续左移，并且波峰越来越陡，说明鲁东地区的农业碳排放强度持续减少，并且地区间的差异越来越小。2014-2018年，密度曲线的中心小幅度左移、区间变化范围变小、波峰更加陡峭，鲁东地区农业碳排放强度地区间差异越来越小。但2018年密度曲线的右侧出现了小凸起，部分地区开始出现反弹现象，碳排放强度集中在0.6吨/万元左右，与主峰的中心强度0.3吨/万元形成鲜明对比。整体来看，鲁东地区农业碳排放强度一直呈缩减趋势，密度曲线持续左移，区间变化幅度越来越小，表明在研究考察时间段内，鲁东地区农业碳排放强度的地区差异越来越小。但鲁东却是三大区域中核密度曲线最为分散的，可能的原因是：鲁东地区经济发达，多种植蔬菜、水果等经济作物，由于经济作物比粮食作物需要施用更多的化肥[18]，所以鲁东地区化肥施用强度高，从而导致区域内农业碳排放强度差异较大。

3.鲁中地区农业碳排放强度的核密度估计

整体来看，鲁中地区农业碳排放强度的地区差异比较稳定，没有出现大的波动。从密度曲线的位置来看，整体出现左移趋势，平移距离由大变小，由2006年的中心强度0.4吨/万元附近到2010年的0.2吨/万元附近，减少了近一倍。2010-2014年曲线平移距离幅度较小、区间变化范围不大且峰值更高，鲁东地区的农业碳排放强度的地区差异出现缩小趋势。2014年和2018年的密度曲线几乎重合。鲁中地区农业碳排放强度比较稳定的原因可能是：鲁中地区农作物种植规模有限，远不如鲁西地区规模大，且鲁中各地市农业发展水平差距不大，农用化肥、农药、农膜等施用量趋于一致，因此鲁中地区农业碳排放强度相对稳定。

4.鲁西地区农业碳排放强度的核密度估计

图6展现了鲁西地区农业碳排放强度在研究时间段内的动态演进。整体来看，2006-2014年，核密度函数的中心向左移动，2018年出现小幅度反弹，密度函数中心稍稍右移，变动幅度不大。从峰形上看，2006-2014年，密度曲线的峰值一直在降低，2014-2018年峰值趋于稳定，说明鲁西地区农业碳排放强度地区差异先扩大后趋于稳定。2010年后，鲁西地区的农业碳排放强度的地区差异趋于稳定。原因可能是：鲁西地区是山东省的粮食主产区，农业生产结构单一，地区间化肥、农药等使用差距不大，从而碳排放强度的区域差异趋于稳定。与鲁东和鲁中地区相比，鲁西地区的核密度曲线整体上区间范围较小，形态上更加的“瘦高”，说明鲁西地区的农业碳排放强度的区域差异更为稳定。

图3 山东省农业碳排放强度的动态演变 图4 鲁东地区农业碳排放强度的动态演变

图5 鲁中地区农业碳排放强度的动态演变 图6 鲁西地区农业碳排放强度的动态演变

四、 结论与政策建议

(一)研究结论

本文选取2003-2018年山东省农业碳排放强度的面板数据，运用基尼系数和核密度估计的方法，测度分析了山东省农业碳排放强度的时空分布与区域间的差异情况，得到以下研究结论：

(1)从时间序列来看，山东省农业碳排放量经历了一个先上升后下降的过程，2003-2007年为持续上升阶段，2008-2012年间下降幅度比较小，整体有波动但始终维持在一个平稳的状态，2013-2018年出现持续下降的态势。从农业碳排放的结构来看，最大的碳排放源是化肥，其次是农膜、柴油、农药、灌溉，最小的碳排放源是翻耕，其占比仅有3%左右。从区域差异上看，山东省17地市农业碳排放量也有不同程度的下降，具体分为“持续下降型”、“先上升后下降型”和“波动下降型”三种不同的下降类型。较2003年，2018年只有枣庄市和菏泽市的农业碳排放量升高，增长率分别为12.97%、9.12%，其余城市均有不同程度的下降，其中淄博市的下降幅度最大，为31.06%。

(2)山东省17地市农业碳排放强度总体上呈现出先下降后反弹的特征。威海市、潍坊市、日照市、菏泽市是农业碳排放高强度地区，2003-2018年，农业碳排放强度均在0.3吨/万元以上。2003-2015年，17地市的农业碳排放强度均在以不同的速率下降，情况持续向好。但在2015-2018年，大部分城市开始出现反弹，其中威海市则出现了较大幅度的反弹，反弹幅度达到40.48%。

(3)山东省农业碳排放强度基尼系数波动比较大，主要分为三个阶段：2003-2013年处于波动上升阶段，2013-2015年处于下降阶段，2015年之后地区差异又进一步加大。分地区来看，鲁东、鲁中、鲁西地区的基尼系数均呈现出了较大的波动，鲁东地区农业碳排放强度的地区差异出现反复波动的状态，其基尼系数值的演变趋势与全省基本一致。鲁中地区农业碳排放强度的基尼系数呈现出先波动上升后下降并逐渐趋于平稳的趋势。鲁西地区的碳排放强度差异最大，2006年基尼系数到达最低值0.0224，2016年基尼系数达到最高值0.1295，十年间变化了近五倍。

(4)从核密度曲线来看，全省、三大地区的核密度曲线均出现左移的趋势，在2006年以后，核密度曲线的区间变化幅度变小，情况一度出现好转。从全省来看，山东省农业碳排放强度在2006年之后集中在0.2吨/万元附近，区域差异趋于稳定。分区域来看，鲁东地区农业碳排放强度趋于分散，地区差异过大，一度出现双峰的状态。鲁中地区农业碳排放强度变化相对稳定，地区差异逐渐缩小。鲁西地区农业碳排放强度最为收敛，地区差异先扩大后趋于稳定。

(二) 政策建议

分析测度表明，山东省农业碳排放呈现较大的空间非均衡性农业碳排放的绝对数量与其演变趋势并不完全对等，东、中、西部地区农业碳排放强度的地区差异和演变趋势也表现出较大的差异，因此各地政府应立足本土实际情况，制定差异化的低碳农业发展政策。提出以下政策建议：

一是加快推进低碳农业发展模式的转变，优化农业产业结构。尽管山东省农业碳排放呈下降趋势，但农业碳排放强度依然存在下降空间。应建立山东省低碳农业协同管理中心，以全省整体发展方向为指导，制定山东省低碳农业发展计划，尽快实现国家低碳农业发展的整体目标。

二是各地区根据实际发展情况，厘清农业碳排放的关键影响因素。由于区域经济社会结构和发展水平的差异，山东省各地市农业碳排放强度存在区域差异，各地区应根据实际情况出台相关政策和措施，以提高农业碳排放效率。

三是加大政府农业科技创新投入，探索低碳农业发展新思路。从农业碳排放的结构来看，化肥、农膜等化学投入品是主要碳排放源，应加大财政对农业科技创新的支持力度，推行有机肥替代化肥、测土配方等技术，提高资源利用效率。