黑龙江省农田生态系统减排增汇研究

吴晓华，贺萍

（黑龙江八一农垦大学经济管理学院，大庆 163319）

人类农业经济活动如化肥投入、农机农具的应用、农田灌溉等能够产生碳排放，而农作物同属植物，具备与其他绿色植物相同的特点，亦能够吸收大气中的二氧化碳，是碳源同时也是重要的碳汇[1]。由于农田生态系统是人工干预形成的，因此能够通过合理改善人类农业活动提升农田生态系统的固碳减排能力。

对于目前有农业碳源、碳汇方面的研究，一是对于农业碳源进行研究：在农业系统的碳排放中，农业碳排放可分为种植业碳排放、畜牧业碳排放[2-4]，而在农业碳排放中，隐藏在农用能源及所投入工业品中的才是导致碳排放量的最大途径（黄祖辉等[5]）；在农用能源及所投入的工业品中化肥及柴油的使用则为农业系统碳排放中最主要途径（张大东等[6]）。二是农业碳汇进行研究：农作物产量是影响碳吸收量的重要因素[7-8]。我国农业在碳汇方面具有很大潜力，同时碳汇对农业经济发展起到了促进作用。三是碳源、碳汇差异性研究：基于国际的视角，从国家层面以及市域层面进行差异化分析[9-11]。基于国内的视角，不同地区的碳排放源以及分布也呈现出不同的特点，对于我国西北干旱地区（张振龙等[12]）对生态系统进行分析发现碳排放源从畜牧业开始向种植业转变，各省域碳排放量增长较快但在空间上呈现非均衡性，各地区间存在较大差异。由此可见，现有部分文献在计算碳排放时没有考虑翻耕导致的碳排放，而在碳吸收的测算中仅对农田系统中的主要粮食作物进行了测算，进而存在着低估的问题，在对黑龙江省农田系统碳排放测算时加入了由翻耕而导致的碳排放，同时计算农田生态系统中粮食作物及经济作物碳吸收量，以保证结果的准确性。

1 研究区域概况

黑龙江省坐落于中国北端且年均气温较低，粮食产量在全国连续居于首位约为全国的十分之一，有着“中国粮仓”之称。黑龙江化肥施用量自2014 年以来略有下降并逐渐趋于平稳。黑龙江省2017 年大中型拖拉机数量及配套农具数量全国第一，机械化水平很高，与此同时农用柴油强度没有显著增长，能够反映出大农机农具的低碳优势。黑龙江省作为中国的农业大省，农田生态系统在其农业发展中占有重要地位。黑龙江农业经济可持续发展有利于引领全国其他地区农业经济可持续发展。通过合理改善人类农业活动提升农田生态系统的固碳减排能力，为黑龙江省调整农业产业结构、农作物布局，实现粮食增产增收的同时保障农业可持续发展提供科学依据。

2 核算方法及数据来源

2.1 农田生态系统碳排放核算方法

碳排放计算公式如下：

式中：a，b，c，d，f，g，h，j 为碳排放系数，E 为农田系统的碳排放总量；Gi为i 类化肥（氮肥、磷肥、钾肥、复合肥）使用量，t；Gp为农药使用量，kg；Gm为农膜使用量，t；Ae为农作物播种面积，hm2；We为农业机械总动力，kw；Ai为农田有效灌溉面积，hm2；Gs为农业机械柴油耗用量，t；Si为农作物播种面积，hm2。

农田生态系统碳排放包括：包括化肥、农药、农膜生产和使用过程中导致的碳排放；包括农业机械、农田灌溉、农用柴油运用过程中直接和间接产生的碳排放；以及土地翻耕所引起的碳排放。氮磷钾肥碳排放系数借鉴了陈舜等[13]研究结果，碳排放系数的计算覆盖了制造环节、包装、运输过程及使用等主要环节（具体数值见表1），通过对国内的数据进行测算表明我国化肥碳排放系数与欧美地区并不相同，为欧美平均水平的2 倍左右，利用国外核算的碳排放系数来对我国的农业温室气体排放量进行测算将会低估化肥施用所带来的影响，因此氮肥、磷肥、钾肥的碳排放系数则采用其研究结果，符合中国实际情况。复合肥碳排放系数的获取来源为中国本地化生命周期数据库（CLCD），目前CLCD 是国内唯一可公开获得的中国本土生命周期评价基础数据库，其数据具有代表性，能够提供中国本土化的排放参数且被越来越多的学者所采用。其余各参数参考了国内学者廖卫东的研究结果[14]。

表1 农田生态系统碳排放源及转化系数Table 1 Carbon emission source and conversion coefficient of farmland ecosystem

2.2 农田生态系统碳吸收量核算方法

依据陈勇等[15]的研究，碳吸收量得到其计算公式如下：

式中：i 为农作物的种类；Gt为所有农作物碳吸收量；Cd为i 类农作物碳吸收量；Cf为第i 类农作物光合作用时合成单位质量干物质所吸收的碳；Dw为生物产量；Yw为第i 类农作物的经济产量；Hi为第i类农作物的经济系数。借鉴了近几年国内学者关于中国主要农作物的经济系数和1 kg 干物质所吸收的碳量进行农业碳汇测算，具有重要参考意义，Hi、Cf具体数值见表2[16-18]。

表2 中国主要农作物的经济系数和碳吸收率Table 2 Economic coefficient and carbon absorption rate of major crops in China

2.3 碳汇测算方法

式中：Nc为农田生态系统中的净碳吸收量，t；Ct为农作物的碳吸收量，t；Et指的是农业活动中投入碳排放量，t；Nu为在单位播种面积中的碳汇量，t·hm-2；Si为农作物的播种面积，hm2。

2.4 碳足迹测算方法

依据其李明琦等[19]的研究结果，其碳足迹及与生态承载力比较计算公式如下为：

式中：CEF 为在农田生态系统碳足迹，hm2；Et为在农作活动中碳排放总量，t；NEP 为每公顷农田在一年中的碳吸收量，即为固碳能力，t·hm-2；Ct为碳吸收总量，t；S 为耕地面积，hm2。

式中：CEC 为生态承载力（耕地面积）；CEF＞CEC 即CED 为碳生态赤字；CEF＜CEC 即CER 为碳生态盈余。

相关数据主要来源于2008～2018 年《黑龙江省统计年鉴》和《中国统计年鉴》。

3 结果与分析

3.1 黑龙江省农田生态系统碳排放变化分析

（1）碳排放总量上升但增速下降

由图1 可知，2008～2017 年黑龙江省碳排放总量上升但增速下降，碳排放总量由880.18 万t 增至1 175.09 万t，年均增长率为3.26%。在这10 年之中的变化趋势分为两个阶段：2008～2016 年碳排放总量上升，在此期间黑龙江省增加了农用工业品，农机、灌溉、柴油等的投入，其中翻耕的面积也有所增加，导致碳排放量提升；2016～2017 年由于黑龙江省化肥、农膜的使用方面都有所减少，其中翻耕面积也稍有减少，碳排放量呈现稍有下降的趋势。

图1 2008～2017 年黑龙江省农田生态系统的碳排放总量及同比增长率Fig.1 Total carbon emission and the growth rate of farmland ecosystem in Heilongjiang province from 2008 to 2017

（2）以农业翻耕、化肥、灌溉导致的碳排放为主

由表3 可见，在此10 年中，在碳排放总量方面由农业翻耕、化肥使用、灌溉而引起的碳排放量最大，到2017 年三者共占比达83.47%，其他途径的碳排放共占16.53%。引起上述变动情况的主要原因是黑龙江省的农作物总播种面积在逐年上升的同时，而使其农业翻耕、灌溉以及化肥的投入也随之加大，进而导致的碳排放量趋势表现为逐年上涨；同时农民更多的使用相关农业机械来进行农用作业达到增加农作物产量的目的，也反映出了黑龙江省农业水平的有所提高。由于在2014 年之前农民加大了对农药、化肥以及农膜的使用量进而来提高单产，所以农药、化肥、农膜均出表现出先增后减的趋势。但在2014 年以来由于国家出台的一系列绿色农业政策及农民的环保意识上升，使其因农用工业品致使的碳排放量呈减少趋势。

表3 2008～2017 年黑龙江省农田生态系统的碳排放量Table 3 Carbon emissions of farmland ecosystems in Heilongjiang province from 2008 to 2017

3.2 黑龙江省农田生态系统碳吸收变化分析

（1）碳吸收总量波动增加

从图2 可看出，黑龙江省碳吸收量波动上升，碳吸收总量由2008 年7 003.94 万t 升至2017 年9 449.57 万t；具体来看农作物碳吸收总量2008～2009 年的表现趋势为下降，而2009～2015 年的表现趋势上升，且在2015 年达到峰值。

图2 2007～2018 年黑龙江省农田生态系统的碳吸收总量及同比增长率Fig.2 Total carbon absorption and year-on-year growth rate of farmland ecosystem in Heilongjiang province from 2008 to 2017

（2）农作物碳吸收以玉米、水稻、蔬菜、大豆为主

由表4 可知，玉米在黑龙江省农田生态系统碳吸收中所占比最大为46.14%，其次为水稻占比27.47%，蔬菜占比12.68%，大豆占比9.8%。作为粮食大省，黑龙江省2008～2017 年的玉米、水稻、大豆的单位面积产量及碳吸收量呈现上升的趋势；蔬菜总产量较大同时经济系数较小导致碳吸收量较大。小麦、甜菜的碳吸收量在十年中两者均表现为下降的趋势，由于二者的经济效益较小，农户种植农作物的意愿转移至高收益农作物，从而使其种植面积和产量都有所下降。

表4 2008～2017 年黑龙江省农田生态系统不同农作物的碳吸收量（万t）Table 4 Carbon absorption of different crops in the farmland system of Heilongjiang province from 2008 to 2017

3.3 黑龙江省农田生态系统碳汇、碳足迹增长且存在生态盈余

黑龙江省碳汇量由2008 年6 123.76 万t 增加为2017 年8 274.48 万t，单位面积碳汇量2008 年4.94 t·hm-2增为2017 年5.60 t·hm-2，二者均上升，说明黑龙江省的碳汇能力不断增强。由表5 可知黑龙江省2008～2017 年的十年中农作物对于碳足迹的比较情况总体表现为上升的状态，表明为消化碳排放所需要的生产性土地由2008 年148.67 万hm2增加到2017 年的197.05 万hm2，增加了48.38 万hm2，增幅达32.54%。

表5 2008～2017 年黑龙江省农作物碳足迹Table 5 Comparison of crop carbon footprint in Heilongjiang province from 2008 to 2017

其中碳足迹对于同一时期生产性的土地面积（耕地）的比值较不稳定但总体呈下降趋势，在2008～2017 年间由12.57%降至12.44%，可看出需要全省约1/10 的耕地来消纳由农田生产排放的CO2，2017 年达到1 387.55 万hm2，呈生态盈余的状态。依据任彩凤等[20]的研究结果可进一步表明，农田生态系统呈现生态盈余状态，说明处于农田生态系统可承载的范围之中，能够补充黑龙江省工业发展、社会生活的碳生态赤字，具有积极意义。

4 研究结论与政策启示

4.1 研究结论

（1）黑龙江省农田系统的碳汇能力较强。即使农田灌溉面积以及农机水平的上升，导致碳排放量增加。但先进的科学技术，促使粮食产量不断增长，进而碳吸收总量提升。2008～2017 年碳吸收总量与碳排放总量累计比为7.93∶1，进一步表明黑龙江省农田生态系统的拥有较强的碳汇能力。

（2）水稻、大豆、玉米、蔬菜为主要碳吸收作物，农业翻耕和化肥碳排放贡献较大。2008～2017 年黑龙江省水稻、大豆、玉米、蔬菜为主要碳吸收作物。在黑龙江省农田生态系统中，使用农田翻耕、化肥碳排放贡献大，占比最小则为农机的使用。

（3）黑龙江省农田生态系统呈现出碳生态盈余状态。黑龙江省的农田生态碳足迹呈上升状态，同时碳足迹占生产性土地面积（耕地面积）的比为12.44%，占比较低，可以看出其呈现出的状态为碳生态盈余，可用来补充黑龙江省部分工业生产和经济发展带来的碳赤字。为进一步发展低碳、环保、绿色农业，保护黑龙江省的农田系统与生态环境具有重要意义。

4.2 政策启示

4.2.1 减少农业碳排放政策启示

（1）改善农田耕作及灌溉方式，优化农业生产结构。由于农业翻耕导致的碳排放占比较大，在农作物耕种过程中，实行轮耕、休耕、免耕等耕作方式，采用低耗环保的智能化农业设备，如研发和使用深松耕地、高效免耕、精量播种与秧苗移栽四效合一的智能化机械，通过高效、生态的耕作制度来减少农田碳排放；研发高效节水灌溉方式及设备，根据不同耕地，采用并推广不同的新型灌溉方式，如旱田测灌、浸润灌溉、水田节水间歇灌溉等；对于农用薄膜提倡使用新型环保可降解的材料，以期实现增产低碳，促进农业可持续发展。

（2）降低化肥及农药施用强度，推广使用新技术及有机肥料。过去传统的农业生产方式多是采用化肥及农药来提高农作物的产量，通过对黑龙江省农田碳排放的数据分析，化肥与农药碳排放贡献较大，因此黑龙江省应注重提高化肥使用率，降低农药、化肥使用强度。按照作物对肥料的需求决定施肥比例如测土配方施肥技术，该方法既能提高产量又能减少化肥滥用；寻找传统化学肥料的替代品，一方面要增施有机肥，既能减少畜禽粪便排放和作物秸秆焚烧，又能实现农业废弃物再循环和资源化利用；另一方面研发新肥料，重点研发低风险低毒性的新型农药、绿色环保型农药等；同时改进并推广高效低毒的病虫害防治技术以及农药的残留降解技术来减少农药投入带来的碳排放。

（3）提高农业机械化水平和效率，发展现代化低碳农业。黑龙江省地广人稀，耕地广阔且平坦，一直是我国机械化、现代化大规模农业发展的典范省份，黑龙江省更应该利用此优势条件来整合土地资源，推行大型农用机械大地块规模化作业，逐渐转变农业机械使用方式，提高农业机械化水平和效率，将现代化大农业在低碳减排中的关键作用充分发挥出来，要求黑龙江省必须加快解决农业配套机械落后的问题。推广大型农用机械，加快淘汰高耗能低效率农业机械，优化农用机械装备结构，最大限度发挥现代大农机的作用，保证农业机械直接减少碳排放。

4.2.2 增加农业碳储量政策启示

（1）培育及推广抗寒高产品种。黑龙江省地处我国北端，年平均气温较其他省份偏低，在温度条件上，不利于农作物的生长，所以一方面要改善土质资源，另一方面则要培育更优质、更耐寒的高产品种，以提升农作物碳储量水平。在选育优质品种过程中，政府要明确相关主体的职责目标，同时扩大宣传力度，加快优质高效品种在农户间的推广。

（2）发展新的种植轮作方式。黑龙江省近年来小麦种植面积减少，而小麦碳吸收强度较高，碳吸收量有一定损失。通过合理密植进一步降低损失，对于某些作物来说，合理的密植，可以抑制分枝的生长，促进主茎的生长，减少作物分枝部分因呼吸作用浪费的碳汇量。在此基础上，黑龙江省可以实行合理的套作，提高土地的利用率进而增加农作物种植面积。