祁興芬

（德州學(xué)院 地理系，山東 德州253023）

進(jìn)入21世紀(jì)，全球氣候變化問題成為世界各國共同關(guān)注的焦點(diǎn)，節(jié)能減排已逐步引起全球的重視，“低碳經(jīng)濟(jì)”應(yīng)時(shí)而生，并隨之出現(xiàn)了低碳社會、低碳城市、低碳農(nóng)村和低碳農(nóng)業(yè)等理念［1－5］。農(nóng)業(yè)既是全球重要的溫室氣體排放源，同時(shí)又是一個巨大的碳匯，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的碳庫是全球碳庫中最活躍的部分［6－8］，IPCC第二次評估報(bào)告中估計(jì)，在未來的50～100a中農(nóng)田土壤可以固定40～80PgC［9－10］。近年來許多學(xué)者針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)及碳匯問題做了大量研究，Lal［11］從全球尺度上研究認(rèn)為全球耕地總的固碳潛力為0．75～1．0Pg／a，未來50～100a農(nóng)田土壤可固碳40～80Pg；劉允芬［12－13］，魯春霞等［14］從國家尺度上對全國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程和碳匯功能進(jìn)行了研究，認(rèn)為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的碳匯功能，整個農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)是一個巨大的碳庫，溫室氣體的減排潛力巨大；趙榮欽等［15］從流域尺度研究發(fā)現(xiàn)中國沿海地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量為2．25×108t，碳吸收大于碳排放；王靜等［16］從省級尺度上研究認(rèn)為山西省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收2000年以來呈波動式增加，碳排放呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

但相關(guān)研究工作主要側(cè)重于全球、全國以及省一級的大區(qū)域碳蓄積和碳儲量研究方面，具體到較小的地級市甚至縣域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳狀況研究相對較少，尚不能全面了解農(nóng)田態(tài)系統(tǒng)的碳源／匯狀況。為此，以農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史悠久的德州市為例，在借鑒眾多學(xué)者對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源／碳匯研究的基礎(chǔ)上，從對農(nóng)作物碳吸收和生產(chǎn)過程中碳排放兩個方面著手測算，分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能和強(qiáng)度的時(shí)空分布，以在小區(qū)域尺度上了解農(nóng)田碳匯的分布情況，促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設(shè)。

1 研究區(qū)域概況

德州市位于北緯36°24′—38°00′，東經(jīng)115°45′—117°24′，地處山東省西北部，黃河下游北岸，具顯著的大陸季風(fēng)性氣候，四季分明、干濕季明顯，光照資源豐富，適宜多種生物生長，物產(chǎn)資源十分豐富。德州市轄1區(qū)，2市，8縣，土地總面積1．04×106hm2，總?cè)丝?64．2萬人，其中農(nóng)業(yè)人口403．6萬人，農(nóng)村居民451．5萬人。德州市耕地面積廣闊，地下水資源豐富，具有發(fā)展農(nóng)業(yè)的良好條件。耕地占德州市總面積的52%，農(nóng)村人口占總?cè)丝诘?0%，是典型的農(nóng)業(yè)大市。全市主要種植小麥、玉米、棉花等，是全國重要的糧食生產(chǎn)基地和優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地。全市11個縣（市、區(qū)）中7個縣被國家授予糧食生產(chǎn)大縣的稱號，人均糧食居山東首位。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

以2002—2011年德州市農(nóng)作物產(chǎn)量、種植面積、耕地面積及各地市歷年化肥施用量、灌溉面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，所有數(shù)據(jù)主要來源于2001—2010年德州市統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)資料，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于德州市農(nóng)業(yè)、國土資源等部門的資料。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，碳循環(huán)過程較為復(fù)雜，涉及到其子系統(tǒng)之間各種形式的物質(zhì)循環(huán)和遷移［17］。本研究對碳吸收和碳排放采用分別估算的方法，建立了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的估算模型，參考趙榮欽等［7］的估算方法僅對部分碳源／匯進(jìn)行了估算，具體方法如下。

（1）作物生育期碳吸收公式：

式中：i——第i種農(nóng)作物的種類；Cd——某種作物全生育期對碳的吸收量；Cf——作物合成單位有機(jī)質(zhì)干質(zhì)量所吸收的碳；Dw——生物產(chǎn)量；Yw——經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；Hi——經(jīng)濟(jì)系數(shù)。我國主要農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率如表1所示。

表1 我國主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)與碳吸收率［18］

（2）碳排放公式：

式中：Ef，Em和Ei——肥料生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)和灌溉過程中產(chǎn)生的碳排放 （t）；Gf——化肥使用量（kg）；Am——農(nóng)作物種植面積（hm2）；Wm——農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力（kW）；Ai——灌溉面積（hm2）；A，B，C，D——轉(zhuǎn)換系數(shù)，分別為0．858kg／kg，16．47kg／hm2，0．18kg／kW 和266．48kg／hm2［19］。

3 結(jié)果與分析

德州市作為全省的農(nóng)業(yè)大市，主要種植的農(nóng)作物有小麥、玉米、棉花、花生、大豆和薯類等（表2）。從表2看出，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和德州市自然條件的影響，2001—2010年小麥、玉米的種植面積逐年增加的趨勢明顯，10a間小麥、玉米面積的增加量分別是94．28%和98．01%；棉花作為主要的經(jīng)濟(jì)作物，種植面積除2002，2003年較少外，其他年份變化不大；花生、大豆等幾種作物除薯類外，種植面積都是逐漸減少的。

3．1 德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量的變化

3．1．1 碳吸收總量及強(qiáng)度的時(shí)間變化 從圖1看出，碳吸收總量由2001年4．85×106t增加到2003年的5．16×106t，特別是2004年以來碳吸收總量呈明顯增加趨勢，由2009年7．55×106t增加到2010年的8．98×106t，增幅達(dá)18．9%。相應(yīng)地碳吸收強(qiáng)度也呈急劇增加的趨勢，從2001年8．64t／hm2增加到2010年17．71t／hm2，增幅為105%；表明推行合村并居工程使得農(nóng)作物種植面積有所增加的同時(shí)德州市農(nóng)村機(jī)械化水平不斷提高，農(nóng)作物生育期碳吸收水平不斷提升，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳匯明顯。

表2 德州市2001－2010年農(nóng)作物的種植面積及變化 hm2

圖1 德州市2001－2010年碳吸收總量及吸收強(qiáng)度的變化

3．1．2 各縣市的碳吸收區(qū)域差異明顯 德州市2010年不同縣市農(nóng)作物生長發(fā)育期碳吸收量和碳吸收強(qiáng)度不同（圖2），吸收總量最大的是齊河和陵縣，分別是1．22×106t，9．95×105t，最小的是德城區(qū)為3．10×105t。碳吸收強(qiáng)度較大的是陵縣、慶云、齊河等幾個縣市，其中齊河的碳吸收強(qiáng)度最大，為1．72t／hm2；碳吸收強(qiáng)度較小的有武城、夏津、禹城幾個縣市，其中武城最小，僅為9．45t／hm2，這說明不同縣市作物的種植面積及農(nóng)業(yè)投入的差異，農(nóng)作物產(chǎn)量高的縣市一般來說碳的吸收強(qiáng)度較大。

圖2 2010年德州市各縣市碳吸收總量和吸收強(qiáng)度對比

3．1．3 不同農(nóng)作物碳吸收量的差異 根據(jù)作物生育期碳吸收公式計(jì)算得出德州市2001—2010年主要農(nóng)作物生育期碳吸收量變化（表3）。小麥和玉米的碳吸收量明顯高于其他農(nóng)作物，從2001年的2．06×106，1．80×106t分 別 增 加 到 2010 年 4．17×106，4．35×106t，增幅明顯；農(nóng)作物碳吸收量比較大的還有棉花，總吸收量為9．68×106t；相對小麥、玉米、棉花，其他的幾種農(nóng)作物的碳吸收量比較低，總的吸收量僅占全部農(nóng)作物吸收量的2．98%。

3．2 德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的變化

3．2．1 碳排放總量及強(qiáng)度的時(shí)間變化 2001—2010年德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放呈先增后減的變化（圖3）。碳排放量自2001年4．39×105t增加到2003年的4．54×105t；2004年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放為4．09×105t，這主要是由于德州市遭受自然災(zāi)害的影響，農(nóng)作物的單產(chǎn)減少造成的；從2004—2008由于農(nóng)業(yè)投入的增加及農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平和服務(wù)能力的提高，德州市農(nóng)業(yè)產(chǎn)量穩(wěn)步增長，碳排放量呈現(xiàn)增加的趨勢（2008年5．04×105t）；2008—2010年，德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量呈減少的趨勢，2010年僅4．32×105t，這主要是德州市大力調(diào)整農(nóng)業(yè)內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)，發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)作物的結(jié)果。

相對應(yīng)于碳排放量，德州市農(nóng)田生態(tài)系的碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)相應(yīng)的變化，自2001年的0．78t／hm2增加到增加到2008年0．94t／hm2，而后呈現(xiàn)減少的趨勢，2010僅為0．73t／hm2，這說明德州市調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，碳排放強(qiáng)度有一定程度降低，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)健康發(fā)展。

表3 2001－2010年德州市主要農(nóng)作物生育期碳吸收量變化106 t

圖3 德州市2001－2010年碳排放總量及排放強(qiáng)度的變化

3．2．2 各縣市的碳排放區(qū)域差異 圖4為德州市2010年各縣市碳排放量和排放強(qiáng)度變化，由圖4可以看出，德州市各縣市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放總量的區(qū)域差異明顯，排放量最大的是齊河，為6．24×104t，其次為禹城，為5．06×104t，碳排放最小的是德城區(qū)，僅為1．11×104t，這主要是農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量的差異造成的。碳的排放強(qiáng)度最大的是禹城，為0．99t／hm2，其次齊河碳排放強(qiáng)度為0．87t／hm2，排放強(qiáng)度最小的是德城區(qū)，僅為0．51t／hm2，其次為樂陵，為0．61t／hm2，這表明德州市不同縣市在農(nóng)業(yè)發(fā)展方向和發(fā)展特色上的差異。

圖4 2010年德州市各縣市碳排放量和排放強(qiáng)度對比

3．2．3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放途徑的變化 德州市各年份農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要途徑碳排放的比較如表4所示。從表4可以看出，3種途徑碳排放過程中，化肥施用過程中碳排放所占比例較大，為68．4%；其次是灌溉過程的碳排放也占有一定的比例，農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)的碳排放所占比例最小，為3．70%。灌溉過程碳排放量2001年為1．19×105t，2010年為1．35×105t，增幅為13．5%；農(nóng)用機(jī)械過程碳排放量2001—2010年增幅為21．7%，這表明德州市農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高的同時(shí)，碳排放量也在增加?；适┯眠^程的碳排放量呈現(xiàn)出波動式的變化，由2001年3．03×105t增加到2003年3．15×105t；而后幾年德州市農(nóng)業(yè)投入逐步增加，2008年碳排放量為3．54×105t，從2009年到2010年呈現(xiàn)下降趨勢，2010年為2．76×105t，這主要是德州市發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、綠色食品、無公害食品的結(jié)果。

表4 德州市各年份主要途徑碳排放量的變化 104 t

3．3 德州市碳匯（碳吸收與碳排放量差值）分析

3．3．1 德州市碳匯總量分析 從總量上看，德州市碳匯2001—2010年呈增加趨勢。德州市2001—2010年10a碳吸收總量為6．35×107t，碳排放總量為4．52×106t，碳吸收總量是碳排放總量的14倍，碳吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳排放量。說明德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳匯功能。從時(shí)間上看，由于農(nóng)作物種植面積及自然災(zāi)害的影響，德州市2001—2010年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量的低值在2004年（為4．65×106t），這與碳排放總量的低值剛好一致（2004年碳排放量為4．08×105t）。

3．3．2 德州市碳匯的區(qū)域差異分析 根據(jù)圖2，圖4分析，德州市不同縣市2010年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收和碳排放量呈現(xiàn)大致相同的波動趨勢。齊河的碳排放量最大，同時(shí)齊河的碳吸收量也最大，德城區(qū)和慶云的碳排放小，碳吸收也少。這表明農(nóng)田生態(tài)吸收碳匯除與農(nóng)作物的種植面積有關(guān)外，與農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)投入有關(guān)，農(nóng)業(yè)投入的增加會相應(yīng)地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，從而使農(nóng)作物碳吸收量得到增加。2010年德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯強(qiáng)度最大的是齊河，最小的是武城和禹城，說明德州市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)域發(fā)展的有一定差異。

3．3．3 德州市碳匯能力及碳排放途徑差異分析 2001—2010年德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各種農(nóng)作物生育期的碳吸收量不同。總的碳吸收量最大的是小麥，2001—2010年小麥的碳吸收總量為2．64×107t，其次是玉米，為2．55×107t，棉花的碳吸收總量為9．68×106t，大豆、谷子、薯類、花生的碳吸收總量比較小，依次為4．00×105，4．70×105，3．00×105，4．30×105t，水稻、高粱、油菜等合計(jì)僅為2．70×105t。德州市是全國重要的產(chǎn)棉區(qū)之一，由于棉花的種植面積比較小，因此棉花的碳吸收量比較小，從固碳角度，應(yīng)該加大棉花的種植力度。

由表4可以看出，2001—2010年德州市碳排放呈現(xiàn)波動式變化，農(nóng)田水利和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，增加了碳排放，但近幾年德州市大力發(fā)展品質(zhì)農(nóng)業(yè)，強(qiáng)化農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，減少化肥的使用量，對減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放增加碳匯起了一定的積極作用。

4 結(jié) 論

德州市2001—2010年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收總量和吸收強(qiáng)度呈增加的趨勢；小麥、玉米碳吸收量高于其他農(nóng)作物，棉花吸收量不高。碳排放呈現(xiàn)先增后減的變化，不同縣市具有不同的碳排放；3種途徑碳排放過程中，化肥施用過程中碳排放所占的比例較大。碳吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳排放量，德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳匯功能。

德州市為增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能采取的措施：選育推廣優(yōu)良作物品種，減少農(nóng)藥、化肥的使用量，突出重點(diǎn)區(qū)域，發(fā)展精品農(nóng)業(yè)，提升農(nóng)業(yè)整體素質(zhì)和綜合生產(chǎn)能力，更多地注重基于低碳和生態(tài)的環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和推廣應(yīng)用，這些對促進(jìn)溫室氣體減排具有的重要意義。

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