中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放、碳吸收和碳足跡

中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放、碳吸收和碳足跡

隨著世界經(jīng)濟(jì)的到來和世界人民的關(guān)注，碳匯已成為一個新的研究方法，并迅速得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。“足跡”這個概念是由加拿大生態(tài)學(xué)家WilliamRee教授于1992年最早提出,后由其學(xué)生WackmagelRees在1996年完善,并將生態(tài)足跡定義為在一定技術(shù)條件下,要維持某一物質(zhì)消費水平下的某一區(qū)域人口生存消耗所需的土地面積。碳足跡(carbonfootprint)是在生態(tài)足跡的概念基礎(chǔ)上提出的,它是對某種活動引起的(或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)積累的)直接或間接的CO2排放量的度量,它最早出現(xiàn)于英國,并在學(xué)界、非政府組織和新聞媒體的推動下迅速發(fā)展起來。作為人類活動對環(huán)境的影響和壓力程度的衡量,碳足跡成為近年來國外生態(tài)學(xué)研究的新的熱點領(lǐng)域。如Hertwich等利用MRIO模型從國家尺度上分別計算了盧森堡等73個國家的碳足跡;Sovacool等對12個大城市的碳足跡進(jìn)行了評價分析,并提出了減少碳足跡的政策建議;Kenny以愛爾蘭為例,對6種碳足跡計算模型的運行效果進(jìn)行了對比分析。我國一些學(xué)者也從碳排放與碳足跡核算、碳足跡影響以及改善措施等方面開展了碳足跡研究的有益探索。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,與人類關(guān)系最為密切,同時也是重要的大氣碳源和碳匯。一方面,隨著農(nóng)業(yè)對化石能源的消費量不斷提升,間接引起二氧化碳排放量迅速增加,以及土壤碳庫的動態(tài)變化、作物呼吸等因素的直接碳排放。據(jù)研究,大氣中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O來源于農(nóng)業(yè)活動及其相關(guān)過程。1990-2005年農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放增長了14%,平均每年相當(dāng)于排放4.9×107tCO2;另一方面,全球農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)也是巨大的碳庫,主要包括土壤有機碳庫和農(nóng)作物生物量碳等。據(jù)Cole估計,在未來的50～100年內(nèi),全世界農(nóng)田可固碳20～30Pg。另據(jù)Lal等研究,全球耕地每年總固碳潛力為0.75～1.0Pg。中國作為世界上一個重要的農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對全球大氣CO2濃度的影響不可忽視。目前對碳足跡的研究主要涉及碳足跡的內(nèi)涵及核算、土地利用變化對碳足跡的影響、能源消費視角的產(chǎn)業(yè)碳足跡等,而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡研究鮮見報道。開展我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡分析,對發(fā)展低碳農(nóng)業(yè),促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實際意義。1數(shù)據(jù)來源和計算方法1.1國內(nèi)關(guān)統(tǒng)計報表本研究數(shù)據(jù)資料主要來源于1991-2010年《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》以及其他相關(guān)統(tǒng)計報表。其中化肥施用量、農(nóng)作物播種面積和各類作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機械總動力、灌溉面積等數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》。耕地面積、農(nóng)藥用量、農(nóng)膜用量、蔬菜產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來自《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》。由于中國臺灣、香港和澳門特別行政區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)缺失,因此本文所有源數(shù)據(jù)和計算結(jié)果均不包括這些地區(qū)。1.2碳排放估算公式農(nóng)田利用的碳排放主要來源是:化肥生產(chǎn)和使用過程中所導(dǎo)致的碳排放;農(nóng)藥生產(chǎn)和使用過程中所導(dǎo)致的碳排放;農(nóng)膜生產(chǎn)和使用過程中所引起的碳排放;農(nóng)業(yè)機械使用消耗化石燃料(柴油、電力等)所產(chǎn)生的碳排放;農(nóng)業(yè)灌溉過程中電能利用所形成的碳排放;農(nóng)田土壤碳庫動態(tài)變化而引起的碳直接排放。本文僅考慮前5種主要的間接碳排放途徑,碳排放估算公式為:E=Ef+Ep+Em+Ee+Ei(1)式中:E為農(nóng)田利用的碳排放總量;Ef為化肥引起的碳排放量;Ep為農(nóng)藥引起的碳排放量;Em為農(nóng)膜引起的碳排放量;Ee為農(nóng)業(yè)機械引起的碳排放量;Ei為農(nóng)業(yè)灌溉引起的碳排放量。各種碳排放量具體計算公式見公式(2)至公式(6),其中:A、B、C、D、F、G分別為各碳排放源的碳排放系數(shù),參考相關(guān)文獻(xiàn)獲得。Ef=Gf×A(2)式中:Gf為化肥使用量;A=0.8956kg/kg。Ep=Gp×B(3)式中:Gp為農(nóng)藥使用量;B=4.9341kg/kg。Em=Gm×C(4)式中:Gm為農(nóng)膜使用量;C=5.18kg/kg。Ee=(Ae×D)+(We×F)(5)式中:Ae為農(nóng)作物種植面積;We為農(nóng)業(yè)機械總動力;D=16.47kg/hm2;F=0.18kg/kW。Ei=Ai×G(6)式中:Ai為灌溉面積;G=266.48kg/hm2。1.3碳的吸收特性及經(jīng)濟(jì)系數(shù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中所有農(nóng)作物全生育期對碳的吸收量Ct為:Ct=∑iCd=∑iCfDw=∑iCfYw/H(7)Ct=∑iCd=∑iCfDw=∑iCfYw/Η(7)式中:Cd為i類農(nóng)作物全生育期對碳的吸收量;Cf為i類作物光合作用合成單位重量干物質(zhì)所需要吸收的碳;Dw為i類作物總生物量;Yw為i類作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;H為i類作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。中國主要農(nóng)作物碳吸收率(Cf)和經(jīng)濟(jì)系數(shù)(H)見表1。1.4碳足跡及碳生態(tài)盈余量計算本文將碳足跡看作生態(tài)足跡的一部分,把碳足跡定義為:消納碳排放所需要的生產(chǎn)性土地(植被)的面積,即碳排放的生態(tài)足跡(CEF)。CEF=E/NEP,NEP=Ct/S(8)式中:E為農(nóng)田利用的碳排放總量,含義同于公式(1)的E;NEP反映了農(nóng)作物的固碳能力,即1hm2的植被1年吸收的碳量;Ct為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中所有農(nóng)作物全生育期對碳的吸收量,含義同于公式(7)的Ct;S為耕地面積。在碳足跡總量分析的基礎(chǔ)上,用碳足跡除以耕地面積可以得到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳足跡。區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡如果超過了區(qū)域生態(tài)承載力(耕地面積),那么就出現(xiàn)碳生態(tài)赤字;如果小于區(qū)域生態(tài)承載力,則表現(xiàn)為碳生態(tài)盈余。CED=CEF-CEC(CEF>CEC),CER=CEC-CEF(CEF<CEC)(9)式中:CED為碳生態(tài)赤字;CER為碳生態(tài)盈余;CEC為生態(tài)承載力,即耕地面積。2結(jié)果與分析2.1農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量1990年我國農(nóng)田利用所引起的碳排放總量為44.44×106t,2009年為86.17×106t,年平均復(fù)合增長率為3.55%?；省⑥r(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)業(yè)灌溉所產(chǎn)生的碳排放量都呈現(xiàn)不同程度的增長,年均復(fù)合增長率分別為3.95%,4.55%,7.99%,0.54%,1.18%(表2)。從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要途徑的碳排放比例來看,化肥所引起的碳排放比例最高,超過50%,并且隨著年份的遞進(jìn),所占比例有逐步增大的趨勢,1990年占碳排放總量的52.20%,到了2009年所占比例達(dá)到了56.17%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),2009年我國化肥施用強度為443.04kg/hm2,遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家公認(rèn)的安全警戒線225kg/hm2,如果我國化肥達(dá)到安全警戒線使用水平,則碳減排潛力為24.58×106t。占總排放量比例其次高的是農(nóng)業(yè)灌溉,在20%左右,隨著年份的遞進(jìn),其所占比例有減小的趨勢,1990年占碳排放總量的28.43%,到2009年所占比例為18.33%。由于我國的耕地面積從1990年的95.67×106hm2增加到1996年130.04×106hm2,然后緩慢下降到2009年的121.98×106hm2,因此有必要分析單位面積的碳排放量。從表2可知,我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要途徑的碳排放強度總體呈現(xiàn)增加的趨勢,1990年為0.46t/hm2,2009年為0.71t/hm2,年平均復(fù)合增長率為2.31%。從區(qū)域差異來看,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量和排放強度差異明顯(圖1)。2009年中國各省市自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放量最多的是河南省8.55×106t,最少的是西藏0.12×106t。2009年碳排放強度前5名分別是福建、上海、廣東、北京、海南,依次為1.48,1.29,1.20,1.19,1.10t/hm2;碳排放強度后5名分別是黑龍江、青海、貴州、西藏、內(nèi)蒙古,依次為0.30,0.31,0.32,0.32,0.39t/hm2。2.2農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收強度的年變化動態(tài)由表3可知,1990年我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量為525.60×106t,2009年為676.13×106t,年平均復(fù)合增長率為1.33%。水稻、小麥、玉米等主要糧食作物年碳吸收量都呈現(xiàn)一定程度的增長,年均復(fù)合增長率分別為0.16%,0.71%,2.81%,可見玉米碳吸收增速較快。從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物的碳吸收比例來看,糧食作物中的水稻、小麥、玉米吸收量最高,三者合計占到碳總吸收量的70%以上。單個作物來看,水稻碳吸收比例最高,占30%左右,但隨著年份的遞進(jìn),所占比例有逐步減小的趨勢,1990年占碳吸收總量的33.17%,到2009年所占比例減小到26.57%。占總吸收量比例其次高的是小麥和玉米,都在20%左右,隨著年份的遞進(jìn),小麥所占比例有減小的趨勢,1990年占碳吸收總量的22.67%,到2009年所占比例減小到了20.66%。玉米所占的比例有增加的趨勢,1990年占碳吸收總量的18.78%,到2009年所占比例增加到了24.73%。由于我國的耕地面積從1990年的95.67×106hm2增加到1996年的130.04×106hm2,然后緩慢下降到2009年的121.98×106hm2,因此有必要分析單位面積的碳吸收量。從表3可知,我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物的碳吸收強度總體呈現(xiàn)平穩(wěn)的態(tài)勢,主要波動區(qū)間在4.5～5.5t/hm2,1990年為5.49t/hm2,2003年降低到4.44t/hm2,2009年為5.54t/hm2。從區(qū)域來看,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量和吸收強度差異明顯(圖2)。2009年中國各省市自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量最多的是河南省72.25×106t,最少的是西藏1.17×106t。2009年碳吸收強度前5名分別是河南、湖南、廣西、江蘇、山東,分別為9.12,8.58,8.38,8.14,7.86t/hm2;碳吸收強度后5名分別是甘肅、山西、貴州、青海、內(nèi)蒙古,為2.41,2.73,2.95,3.19,3.23t/hm2。單位面積碳吸收量差異較大,第1名的河南是最后1名甘肅的3.78倍。2.3農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡分析由表4可知,我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡呈現(xiàn)不斷增加的趨勢,1990年為8.09×106hm2,2009年為15.55×106hm2,復(fù)合增幅為3.50%。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡占同期生產(chǎn)性土地面積(耕地)的比例約為10%,但隨著年份的遞進(jìn),所占比例有增大的趨勢,1990年為8.46%,2009年為12.75%。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡都小于同期生產(chǎn)性土地面積(耕地)的,說明我國的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)存在碳生態(tài)盈余。據(jù)趙榮欽等研究,2007年我國碳生態(tài)赤字為28.69×106hm2,因此,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳生態(tài)盈余可以部分補充工業(yè)和生活的碳生態(tài)赤字,對于地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展起到了生態(tài)和經(jīng)濟(jì)社會作用。我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積的碳足跡呈現(xiàn)不斷增加趨勢,1990年為0.08hm2/hm2,2009年為0.13hm2/hm2,復(fù)合增速為2.59%,說明隨著化肥、農(nóng)藥等大量化石能源的利用,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳庫功能在減小。從碳足跡區(qū)域差異來看(圖3),2009年中國各省市自治區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡最大的是山東1.04×106hm2,最少的是西藏0.04×106hm2,兩者相差高達(dá)29.04倍。由于我國各地區(qū)耕地面積以及播種面積的巨大差異,有必要分析單位面積的碳足跡,2009年單位面積碳足跡前5名分別是福建、海南、上海、浙江、廣東,分別為0.27,0.25,0.22,0.20,0.20hm2/hm2;單位面積碳足跡后5名分別是黑龍江、廣西、青海、西藏、吉林,分別為0.08,0.09,0.10,0.10,0.10hm2/hm2。單位面積碳足跡差異較大,第1名的福建是最后1名黑龍江的3.49倍。3農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳足跡及碳提取農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳足跡的大小由單位面積碳排放和單位面積碳吸收決定,如果一個地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放多而碳吸收少,則碳足跡大,反之則小。如2009年福建碳足跡全國最大,為0.20hm2/hm2,其單位面積碳吸收量為5.40t/hm2,遠(yuǎn)高于碳足跡小的貴州(單位面積碳足跡0.11hm2/hm2,碳吸收強度2.95t/hm2)、青海(單位面積碳足跡0.10hm2/hm2,碳吸收強度3.19t/hm2)、內(nèi)蒙古(單位面積碳足跡0.12hm2/hm2,碳吸收強度3.23t/hm2)等,但由于福建的碳排放強度高(1.48t/hm2),大大高于青海(0.31t/hm2)、貴州(0.32t/hm2)、內(nèi)蒙古(0.39t/hm2)等地區(qū)的,所以造成了其單位面積碳足跡大。因此,對于一個地區(qū)來說,要減小其生態(tài)足跡,首先需要保護(hù)生態(tài)環(huán)境,構(gòu)建良好的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),使農(nóng)作物產(chǎn)量品質(zhì)提高,增強碳吸收能力;其次需要積極推行生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè),形成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性物質(zhì)循環(huán),合理使用化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品,增施有機肥,減少化石能源的消耗,減少碳排放。土壤碳儲量的增加可以減小農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡。在短時期內(nèi),土壤有機碳含量受到許多因素的影響,如耕作措施、肥料施用、作物管理、土壤水分、土壤溫度、土壤酸堿度、土壤透氣性等。本文沒有考慮年度間的土壤碳庫動態(tài)變化情況,但是從長期來講,分析農(nóng)田土壤有機碳含量的變化趨勢,核算農(nóng)田土壤碳吸收量或者碳排放量,就可以明確農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳足跡情況。諸多學(xué)者研究表明,全國農(nóng)田表土有機碳整體呈上升趨勢,如程琨等通過對299個國家級耕地土壤監(jiān)測點20余年數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明,1988年全國農(nóng)田土壤有機碳含量平均為13.20g/kg,2007年含量為14.20g/kg。按照1hm2農(nóng)田耕層土壤重1500t計算,198