基于县域尺度的湖南省农业碳排放时空特征分析*

李远玲，王金龙，杨 伶※

（1.华中农业大学经济管理学院，湖北武汉 430070；2.中南林业科技大学商学院，湖南长沙 410004）

0 引言

气候变化已成为广泛关注的全球性问题。2015年中国签署了《联合国气候变化框架公约》，提出中国未来将继续实施碳减排政策，力争在2005年的基础上，于2030年中国全行业实现碳减排60%～65%。农业低碳生产是乡村振兴战略的重要指示，也是建设美丽中国的内在需要[1]。在我国目前的农业生产过程中，依旧存在着化肥、农药、农膜、农用机械的过度使用和煤炭等化石燃料的大量消耗，这种高碳排放的农业模式造成了土地资源严重破坏、环境不断恶化、碳排量持续增长等诸多恶性问题[2]。在国家“十三五”发展战略中，国务院批复了《关于中部崛起的有关意见》，要求中部6省深入认识中部地区崛起的重要性，推动区域协调发展，提高中部地区可持续发展的能力。湖南省位于东部沿海和中西部地区过渡带、长江开放经济带，近年来正以良好的势头向前发展，但长期以来，经济水平居中，资源能源开发过程中环境保护力度不够，通过对农业碳排放的分析研究有助于现实问题的解决。

1977年Bolin在美国首次发表关于农业生产活动碳源与陆地生态系统碳汇关系的论坛后，农业碳排放问题逐渐成为国际关注的焦点。国外的研究主要集中在如何确定碳排放源和农业碳排放的影响因素，指出农用机械制造消耗的能源是碳排放的重要来源，并对30个经合组织国家的农业碳排放进行了研究，认为燃料结构和能源强度对农业碳排放有重要影响。针对如何制定碳减排策略，研究者认为最有效的途径是加强作物生产，增加光合作用[3-5]；国内学者对农业碳排放的研究主要集中在如何计算农业碳排放量以及农业碳排放与经济发展的关系两个方面。研究者从化肥、耕作、农膜等六个方面的碳源计算了我国农业碳排放量，研究了农业碳排放与经济增长之间的作用关系[6-7]。上述研究中，在农业碳排放的综合测度上，大多数研究者从农业物资投入的角度构建农业碳排放体系，但较少考虑畜牧业等碳源对农业碳排放的影响，且针对小尺度区域的农业碳排放时空特征的研究还比较少。文章借鉴已有的研究成果，以湖南省为例，基于122个县域单元分析了区域农业碳排放的时空演化特征，旨在为各省市区发展低碳农业、制定减排政策提供建议。

1 研究方法

1.1 目的和范围确定

农业碳排放量的核算是研究农业碳排放的重要前提。该研究旨在对湖南省农业生产活动相关的碳排放展开探讨，因此将核算范围界定为农业生产系统的边界内，具体包括从播种到收获整个农业生产过程中直接或间接产生的温室气体排放。根据《IPCC国家温室气体清单指南》（2006）对农业温室气体的定义[8]，核算的农业温室气体主要为二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）。

1.2 清单分析

基于大农业角度，参考相关学者研究成果[9-10]，结合湖南省县域农业发展现状和数据的可获得性，将农业碳源排放清单确定如下。

1.2.1 农地利用碳排放

农地利用碳排放主要来自化肥、农药、农用薄膜、农用柴油、灌溉耗电等农业投入的生产、运输和使用过程中产生的碳排放，以及农地翻耕造成土壤有机碳流失引起的碳排放。表1列出了农地利用各种碳源因子及排放系数。

表1 农地利用各类碳源因子

1.2.2 水稻种植产生CH4排放

由于我国幅员辽阔、地形复杂、气候环境差异显著，不同地区水稻种植排放CH4情况也存在差异。该文根据闵继胜等[15]将湖南省早稻、中季稻和晩稻碳排放系数分别取值为0.15t/hm2、0.56 t/hm2和0.34 t/hm2，并基于各品种水稻种植面积计算水稻碳排放量。由于该系数已经包含了施肥对稻田CH4排放的影响，因此在计算稻田CH4排放量时不再单独考虑施肥导致的CH4排放。

1.2.3 农地N2O排放

该文参考《省级温室气体清单编制指南》中的农用地N2O排放清单[16-17]，将农业N2O排放划分为直接和间接排放，直接排放包括农田施入氮肥和秸秆还田直接产生的N2O排放，直接排放系数δi选用指南推荐值为0.010 9 t N2O/t N，间接排放包括土壤中挥发氮（以NH3和NOx形式）沉降后引起的NO2排放，以及氮淋溶和径流引起的NO2排放，其排放系数δi分别为0.01 t N2O/t N和0.007 5t N2O/t N。测算对象选取湖南省种植面积相对较大的主要农作物：水稻、冬季小麦、大豆、玉米、蔬菜和其他旱地作物（棉花、油菜、花生、麻类、薯类和烟叶）。计算公式为：

式（1）至（4）中，TN表示农田施肥直接输入氮量，FN表示施用氮肥输入氮量，Fc表示施用复合肥输入氮量，Ts为农作物秸秆还田氮量，Wp为作物经济产量，HI为经济系数，DW为干重比，Ns为秸秆含氮率，Rs为秸秆还田率，RT为根冠比，Nr为根含氮率，秸秆还田率参照《中国温室气体清单研究》取值45.6%，其他参数取值见于表2。Ta表示大气沉降氮量，Te表示禽畜排泄氮量，畜禽年排泄氮量参考指南中牛、猪、羊、家禽的氮排泄率分别为50、16、12、0.6 kg N/(head·a)，Tr表示氮淋溶和径流损失的氮量。

表2 主要农作物参数 %

1.2.4 畜牧业碳排放

依据所界定的边界范围，将畜牧业碳排放分为饲料作物种植、饲料的加工与运输、畜禽饲养环节耗能、禽畜肠胃发酵和粪便管理5个过程[18]。该文选定猪、牛、羊和家禽作为研究对象，并参考孟祥海等[19]的方法来核算畜牧业碳排放为：

式（5）至（7）中，Ti为畜禽生产消耗的i类饲料粮量，包括玉米、小麦和大豆，Qj为j类畜禽产品年产量，包括猪肉、牛肉、羊肉、禽肉，tj为单位畜禽产品耗粮系数，参照《全国农产品成本收益资料汇编》[20]，qj为j类畜禽饲料配方中i类粮食所占比重，参照谢鸿宇等[21]提供的各类畜禽精饲料配方；Te为畜禽生产消耗电能引起的CO2排放量，Tc为畜禽生产消耗煤引起的CO2排放量，APPj为j类畜禽年平均饲养量，依据出栏率大小的不同调整各自年平均饲养量，生猪、家禽的平均寿命周期分别为200 d、55 d[22]。costje、costjc为j类畜禽每头(只)用电、用煤支出,参照《全国农产品成本收益资料汇编》，pricee、pricec为畜禽养殖用电、用煤单价，参照国家发改委发布的《关于提高华中电网电价的通知》（发改价格[2008]1681号文）[23]。畜牧业碳源对应的排放系数参见表3。

表3 畜牧业碳源碳排放系数（kg/(head·a)）

1.3 碳排放测算方法

根据对湖南省农业碳排放源的确定和对不同碳源排放系数选取，该文采用碳转化系数法对农业碳排放总量进行测算，并引入碳排放强度指标进行评价，构建测算公式为:

式（8）（9）中，E是农业碳排放总量，Ei是各类碳源产生的碳排放量，Ti是各类碳源选取数据量，δi为各碳源因子的碳排放系数，Ii是农业碳排放强度，Vi是农林牧渔总产值，下标i为碳源种类。

1.4 碳排放空间格局分析

空间自相关是指区域内不同属性值变量之间的依赖性，通过局部莫兰指数可以考察在局部区域内是否存有相似或相异的指标值集聚的情况，分析湖南省农业碳排放的空间影响。在该研究中，空间权重矩阵使用邻接的标准，即如果县单元i和j有公共边界，那么空间权重值Wij为1，否则为0。同时，空间自相关的结果被Z值验证。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

湖南省位于中国中南部，面积21.182 9万km2，占全国领土的2.21%。湖南省属亚热带季风气候，四季分明，年平均气温在16～18℃。湖南省是全国主要的粮食生产基地，多年来，粮食、麻类、棉花、烤烟等主要农副产品的产量均在全国领先。近年来，湖南省农业基础设施持续改善，农业的规模化和产业化进程加快，农业生产力进一步提高。2019年全省农林牧渔业总产值达5 361.62亿元，其中农业总产值为2 664.3亿元，粮食总产量为3 022.9万t，农业机械总动力为6 338.57万kW。

2.2 数据来源

该研究相关数据均出自《湖南农村统计年鉴》（2008—2018），农林牧渔业的总产值以2007年为基准期进行了换算。为了便于计算碳排放量的总和，该文统一将CH4、N2O所导致的温室效应换成标准碳（C）所产生的温室效应，依据IPCC第四次评估报告(2007)，1 t CH4、N2O所引发的温室效应分别相当于25 t CO2（约合6.82t C）、298 t CO2（约合81.27 t C）所产生的温室效应。由于化肥的县域数据中只给出了实物量，该文根据2007年市域化肥实物量和折纯量的数据，并参考化肥折纯量计算表得出化肥折纯率。其中氮肥、磷肥、钾肥和复合肥折纯率分别为26.4%、13.8%、49.6%、45%，并假设湖南省其他年份的折纯率不变。2016年部分化肥缺失量采取均值法用2015年和2017年的均值进行填补。2006年年末羊存栏量数据缺失，按照已有年末存栏量和羊肉产量做一元线性回归分析来估算出缺失年份的年末存栏量。

3 研究结果与分析

3.1 农业碳排放时序变化特征

2007—2017年湖南省122个县（市、区）农业碳排放总量和强度的时序变化特征如图1和图2所示。2007—2017年湖南省122个县（市、区）的农业碳排放强度呈下降趋势的有115个，占总个数的94.26%。但各县域的下降幅度不同，下降幅度最大的5个县域依次为芙蓉区、岳塘区、长沙县、石峰区、岳阳楼区，年平均下降率为20.64%、13.72%、12.78%、12.61%、10.48%。其中下降幅度低于5%的县域有63个，占下降总县域的51.64%，安乡县下降幅度最小，不超过1%。农业碳排放强度呈正增长的县域有7个，按增长由快到慢依次为天心区、岳麓区、开福区、芦淞区、雨湖区、雨花区、天元区，其中天心区农业碳排放强度增长幅度最大，由2007年的417.32 kg/万元增加至2017年的1 156.91 kg/万元，平均每年以10.73%的速度增长。

图1 2007—2017年湖南省县域农业碳排放总量变化特征

图2 2007—2017年湖南省县域农业碳排放强度变化特征

根据各县域单元碳排放总量变化速度的不同，湖南省122个县（市、区）可被划分为快速下降、缓慢下降、缓慢增长和快速增长4类。

（1）快速下降型。湖南省共有57个县（市、区）农业碳排放总量表现为逐年快速减少，占总个数的46.72%。年均下降幅度超过10%的县（市、区）有芙蓉区、雨花区和岳塘区，其年均下降率依次为38.43%、14.79%、11.03%。

（2）缓慢下降型。34个县（市、区）农业碳排放总量表现为缓慢减少，占总个数的27.87%，年均变化率均小于1%。其中，南岳区、珠晖区、宁远县、湘阴县、芷江侗族自治县的下降幅度最小，平均每年以0.07%、0.08%、0.09%、0.11%、0.15%的速度下降。

（3）缓慢增长型。18个县（市、区）的碳排放总量表现为较慢增长，占总县单元的14.75%。该类县（市、区）的农业碳排放总量年均增长幅度不超过1%，其中增长速度最慢的5个县（市、区）依次为祁阳县、临武县、临澧县、望城区、新田县。

（4）快速增长型。13个县（市、区）的农业碳排放总量逐年快速增长，占总个数的10.66%。其中年均变化率超过5%的有芦淞区、雨湖区和岳麓区，分别为7.92%、7.63%和6.56%。

3.2 农业碳排放空间演变特征

3.2.1 农业碳排放区域特征

参考国内研究者对省域及县域尺度农业碳排放空间格局分析方法[27-28]，依据2017年湖南省122个县（市、区）的农业碳排放总量均值的0.5倍、1.0倍和1.5倍，分成低碳、中碳、较高碳和高碳排放区4类，其农业碳排放总量空间分布如图3所示。从图3中可以看出，湖南省北部、东部和中部地区的碳排放量相对较高，西部和南部地区的碳排放量相对较低，整体以洞庭湖区、长株潭城市群、衡阳市为中心向西部和南部递减，总体分布格局与湖南省马蹄形地形相似。

图3 2017年湖南省县域农业碳排放总量空间分布

（1）低碳排放区主要分布在大湘西地区和长株潭城市群中部地区，其中碳排放量最少的区域为芙蓉区、雨花区、雁峰区、天心区和南岳区，依次为0.006 5万t、0.23万t、0.61万t、0.63万t、1.05万t。究其原因，湘西地区自然条件、社会经济发展的水平都很低，农业投入不足，集约经营水平低，此外多山地、地势崎岖不平，农业机械的使用受到限制，导致碳排放量少。长株潭城市群中部地区是湖南省经济的核心区，虽然在全省中城镇化水平和人口密度最高，经济发展快，但农业比重不高，耕地面积小，农业碳排放量少，2017年长株潭地区第一产业产值仅占总产值的4.18%。

（2）中碳排放区主要分布湘南地区和大湘西地区，该区域多为中低山区，地势高，多旅游型城市，种植业比重相对小，农业发展水平不高，导致农业碳排放总量较少。

（3）较高碳排放区主要分布在湖南省中部地区。湘中地区盆地、河谷众多，地势较低。湘、资、沅、澧四水流域沿岸土层深厚，适宜作物种植。同时，离中心城区较近，更接近于大型消费市场，有利于农资和农产品的运输，农民积极性高，农业规模较大，且农业模式仍以传统农业为主，碳排放相对较高。

（4）高碳排放区主要分布在洞庭湖区、衡阳市和长株潭城市群东部、西部地区，其中宁乡市、桃源县、浏阳市、衡阳县和衡南县的碳排放量最大，分别为50.36万t、47.24万t、46.17万t、42.61万t和41.58万t。这些地区农业基础条件好，地形平坦，水源丰富，土壤肥沃，因此土地种植面积大，成为粮食的主产地。同时，经济发展水平较高，农业生产过程投入生产要素的能力强，农业机械化程度高，农田灌溉设施完善，这有利于农业的增产增收，同时也导致农业碳排放居高不下。

3.2.2 局部空间自相关分析

选取2007年、2012年和2017年3年为样本进行分析，参照局部莫兰指数分别绘制出湖南省的农业碳排放总量的莫兰散点图（图4）和LISA聚类地图（图5）。其中，Moran's I为莫兰指数，莫兰散点图中一、三象限分别表示高高集聚和低低集聚特征，二、四象限分别表示低高集聚和高低集聚特征。数据点若位于第一、三象限，说明这些区域的农业碳排放在空间分布上存在正相关，数据点若位于第二、四象限说明存在着负相关。

图4 2007年、2012年和2017年湖南省县域农业碳排放总量莫兰散点

就各象限数据点的离散程度而言，高高型集聚区域和低低型集聚区域的数据点的离散程度较小，说明碳排放高值区间和低值区间的差异较小，而高低集聚区和低高集聚区的差异程度较大。湖南省大部分县域落在第一、三象限中，说明高碳排放区和低碳排放区多呈现各自集聚的状态。选取的2007年、2012年和2017年3年中，农业碳排放量呈现高高或低低集聚形态的县域单元数分别为88个、91个和93个，高低或低高集聚的县域单元数分别为34个、31个和29个，说明在研究时段内农业碳排放量的空间均质性不断增强，异质性不断减弱，但幅度较小。从各象限演变轨迹来看，2007—2012年高高集聚区域在缩小，低低集聚区域在扩大，整体向好的趋势发展。而2012年后，高高集聚区域呈现扩大之势，低低集聚区域开始缩小，其中资阳区、衡山县、江华瑶族自治县由低高集聚演变为高高集聚，宜章县由低低集聚演变为高低集聚，洪江市由低低集聚演变为低高集聚类型，这也是值得关注的地方。

（1）由图5可见，2007年湖南农业碳排放量在空间分布上表现出明显的正相关。集聚显著单元（26个）中，表现为高高集聚的县（市、区）有17个，在显著单元中占比最高，为65.38%。这些区域主要集中分布在湖南省东北部和中部，分别是湘阴县、平江县、汨罗市、安乡县、临澧县、赫山区、南县、望城区、湘乡市、衡东县、祁东县、常宁市、隆回县、桃江县、安化县、双峰县和涟源市。低高集聚的县（市、区）有7个，在显著单元中占比为26.92%，主要分布在高高集聚特征区域的周边，具体包含君山区、武陵区、津市市、雨湖区、韶山市、衡山县、娄星区。仅有小部分县（市、区）在空间分布上表现出低低集聚的特征，具体为芦淞区和吉首市。没有县（市、区）表现为高低集聚的特征。

图5 2007年、2012年和2017年湖南省县域农业碳排放总量LISA聚类

（2）2012年农业碳排量空间集聚特征的显著性有所增强，空间同质性和异质性加强。2012年表现为高高集聚的县（市、区）数量增加为18个，低低集聚区域增加为5个。鼎城区、石门县、沅江市由不显著的空间特征转变为了高高集聚，芙蓉区、天心区、雨花区由不显著的空间特征演变为低低集聚。表现为异质性的县（市、区）增加为8个，资阳区、冷水江市由不显著特征演变为低高集聚特征，异质性增强。

（3）2017年农业碳排量空间同质性继续增强、异质性减弱，幅度均较小。2017年农业碳排量空间集聚特征表现为显著的县仍为31个，其中呈高高集聚特征的县（市、区）增加至21个，具体变化为醴陵市、衡东县由不显著的空间特征演变为呈高高集聚，资阳区、衡山县由低高集聚演变为高高集聚特征。低低集聚特征的县（市、区）仍为5个，空间分布格局呈现稳定状态。低高集聚特征的县（市、区）减少至5个，异质性减弱。

4 结论与讨论

基于上述分析，说明湖南省各县（市、区）的农业碳排放总量变化存在显著的差异性。2007—2017年大部分县（市、区）的农业碳排放总量实现负增长；大部分县（市、区）的农业碳排放强度呈下降态势，且下降速度较快，可见湖南省近年来农业碳减排已取得了一定的成效。在碳排放减少的县（市、区）中，仍有91.21%的县（市、区）碳排放总量年均下降幅度低于5%，54.78%的县（市、区）碳排放强度年均下降幅度不足5%，由此也说明湖南省大部分县域的低碳减排之路仍任重道远。从2017年各县（市、区）农业碳排放总量空间格局来看，农业碳排放整体以洞庭湖区、长株潭城市群、衡阳市为中心向西部和南部递减。2007—2017年湖南省各县（市、区）的农业碳排放在空间布局上存在显著同质性。高（低）碳排值区域与其邻近的高（低）碳排值区域之间差异程度较小，集聚明显。2007—2017年各县（市、区）空间均质性有增强之势，空间异质性有减弱之势。

对湖南省县域尺度农业碳排放不同维度时序特征的分析，有利于依此总结出湖南省碳排放变化规律，预测未来农业碳排放走向，对县域农业碳排放空间布局研究有助于各地因地制宜，推行有差别的农业碳减排举措[29-30]。

（1）加强科学指导，减少农地利用碳排放。上述研究表明农地利用是湖南省农业碳排放的最大碳源。对于化肥、农药等的滥用，政府必须首先转变农民的传统观念，引导农民科学耕种，合理、适度使用农业化学用品，注意废弃农膜和农用物资包装物的回收和循环利用，增加有机肥料的使用，促进农业资源再循环。在能源方面，政府应帮助农民淘汰耗费大量能源和效率低下的农业机械，并选择更节能环保的机械来帮助农民生产。

（2）科学处理牲畜粪便，合理开发沼气资源。畜牧业养殖是湖南省近年来第二大农业碳排放的来源。政府应科学管理畜禽粪污，建设好粪污资源化利用设施，减少畜牧业养殖污染。具体可以将粪便转化为有机肥，开发沼气资源等，并加大宣传和技术引进力度，做好沼气项目开发后的监管工作。同时，要减少畜牧业的碳排放，必须大力推进养殖规模化、集约化，可以通过优化牲畜的饲料结构来减少肠道的发酵时间，减缓碳排放问题。

（3）结合实际分区制定节能减排政策。湖南省各地农业碳减排的实施成效不一，农业基础和发展情况也不同，因此不能一概而论地去推进碳减排措施，要根据具体实际情况来制定有效的减排政策。农业碳排放高值区（即洞庭湖区、衡阳市和长株潭城市群东、西部地区，尤其是宁乡市、桃源县、浏阳市、衡阳县和衡南县等地区）尤其应给予高度重视，防止农业碳排放区际差异进一步扩大。对于农业碳排放低值区（即湘西地区和长株潭城市群中部地区）也不能轻易忽视，应具体分析其碳排放水平较低的原因，扬长避短，防止低值区向高值区演变。对发展水平较低的地区，必须增加减排资金投入以及保证投入资金的有效使用，加强农村基础设施建设，加快低碳农业先进技术的研发和推广，为农业产业升级提供技术支持。