吳金鳳,王秀紅

1 中國科學院地理科學與資源研究所,陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049

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農地利用碳強度及可持續(xù)性動態(tài)變化
——以山東省平度市為例

吳金鳳1,2,王秀紅1,*

1 中國科學院地理科學與資源研究所,陸地表層格局與模擬院重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049

以中國東部山東省平度市為案例區(qū),通過識別重要的農地利用碳排放源和構建碳排放測算體系,包括農用化學物質投入間接碳排放、耗能碳排放、氮肥施用后導致的土壤直接N2O釋放、秸稈燃燒碳排放和牲畜養(yǎng)殖CH4和N2O排放,測算了1995—2013年農地利用的碳排放量；結合農產品產值分析了農地利用碳強度變化特征,結合農作物碳吸收分析了農地利用的碳可持續(xù)指數(shù)的變化規(guī)律。研究得出：(1)1995—2013年平度年均碳排放量的次序是：農資投入22.50萬t>牲畜養(yǎng)殖17.41萬t>秸稈燃燒6.62萬t,其中秸稈燃燒碳排放呈逐年增加態(tài)勢,而農資投入和畜牧養(yǎng)殖均呈逐年減少趨勢。(2)平度農地利用碳強度變化結果表明,農產品產值增加速度超過農地利用碳排放速度,單位產值碳排放已從1995年的1.24 t/元降至2013年的0.35 t/元。(3)碳可持續(xù)性指數(shù)變化特征表明,平度農地利用過程中碳吸收大于碳排放,且碳可持續(xù)性指數(shù)以年均7.12%速率增長,故平度農作物生產期的碳吸收能夠完全消納農地利用過程中所產生碳排放。該研究不僅為中小尺度以及我國東部區(qū)域的農地利用碳排放及可持續(xù)發(fā)展提供科學依據,而且有益于推進我國農業(yè)的碳減排,并為國際全球環(huán)境變化人文因素計劃中LUCC、碳循環(huán)等重大問題的研究提供基本素材。

農地利用；碳排放；碳吸收；可持續(xù)性

土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)、全球碳循環(huán)是國際全球環(huán)境變化人文因素計劃下的重大環(huán)境問題。在國家和社會的資助下,我國已在LUCC、碳循環(huán)等多個領域做了諸多有益探討[1]。如劉紀遠等對中國LUCC有很深入的研究,通過土地覆蓋動態(tài)度模型、區(qū)域分析模型和隨機過程模型等進行變化研究以及大量算法程序開發(fā)和試驗,揭示了中國20世紀80年代末到90年代末LUCC的特點[2- 4]。陳廣生等全面地綜述了全球和區(qū)域水平的LUCC格局以及LUCC對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲存和碳通量的影響,評述了LUCC引起生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)改變的研究方法,同時指出該領域研究中的幾點問題和今后的發(fā)展方向[5]。這些重要研究為我國在資源、環(huán)境和經濟戰(zhàn)略問題上的宏觀決策、參與聯(lián)合國氣候變化框架合約談判等提供了科學依據和技術支持。

農地利用既是LUCC也是全球碳循環(huán)研究的一個重要內容,但從世界上已經或正在進行的有關LUCC的研究項目來看,我國農地利用研究目前仍較多的集中在區(qū)域尺度上農地利用變化、空間特征、集約程度等方面[6- 8]；而并未深入研究農地利用過程中所導致碳排放變化以及引發(fā)的環(huán)境問題。與此同時,有關農業(yè)生產碳排放研究成果均是以中國作為實證研究對象,或是兼顧國家、省域層面對我國農業(yè)碳排放的時空變化與結構特征進行分析[9- 11],包括農地利用碳排放、農業(yè)能源碳排放、畜禽養(yǎng)殖碳排放以及農作物在全生育期的碳吸收對農地利用過程中碳排放的消納。這些研究成果的取得不僅極大地豐富了我國農業(yè)碳排放問題的研究體系,而且也為識別中小尺度農業(yè)主要碳排放源和碳吸收主體以及碳排放的測算奠定了堅實基礎。因此,基于已有的研究基礎,本文選取了東部地區(qū)山東省最大的農業(yè)縣級市,平度市作為案例區(qū)域,從農地集約利用評價入手,依據區(qū)域農地利用現(xiàn)狀及農產品生長全過程,識別重要的農地利用碳排放源和碳吸收主體,針對性地構建農地利用碳排放測算體系,測算并把握碳可持續(xù)指數(shù)的變化規(guī)律。研究中小尺度以及典型區(qū)域的農地利用碳強度及可持續(xù)性動態(tài)變化特征,可推進農地利用的碳減排,也可為我國東部地區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的提供科學依據,同時為國際全球環(huán)境變化人文因素計劃中LUCC、碳循環(huán)等重大問題研究提供基礎素材。

1 研究區(qū)概況

平度市位于我國東部沿海地區(qū),是山東省最大的縣級行政區(qū),地理坐標為119°31′30″—120°19′13″E,36°28′15″—37°02′46″N,土地面積約3.17×105hm2,2013年總人口約138.1萬人,其中農業(yè)人口占87.04%。因其北部有大澤山脈穿過,故平度境內地形是由東北向西南呈傘形傾斜[12]。北部地面高程均在100 m以上,西部是丘陵區(qū),一般地面高程在50—100 m左右,中部、東南部為平原,高程多在20—50 m之間,西南部高程多在10 m以下。2013年全市耕地面積仍最大,約占土地面積的70%,種植的主要農作物包括小麥、玉米、棉花、花生和蔬菜[13]。

2 數(shù)據來源與研究方法

2.1 數(shù)據來源

化肥、農田灌溉面積、農作物播種面積、農產品產出及產值數(shù)據均源于《2000—2013年青島統(tǒng)計年鑒》和《1996—2013年山東統(tǒng)計年鑒》,農藥和農膜數(shù)據在山東省平度市土壤肥料工作站調研獲得。其中化肥是指氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥折純量施用量。農產品產出數(shù)據,包括主要糧食作物產量：小麥、谷子、玉米、高粱、地瓜、大豆、其它糧食作物；主要經濟作物產量：棉花、花生、煙葉、蔬菜；也包括牲畜養(yǎng)殖年末存欄量：奶牛、非奶牛、馬、驢、騾、豬、山羊、綿羊、家禽。本文給出的產值是按可比價格計算的農業(yè)和畜牧業(yè)總產值,其可比價格指數(shù)出自《1996—2013年中國農村統(tǒng)計年鑒》。

2.2 農業(yè)生產碳排放的測算方法

2.2.1 農資投入碳排放

本文核算的農資投入碳排放主要涉及兩個方面：一是農用化學物質投入間接碳排放,包括化肥、農藥、農膜；二是農地灌溉和耕作耗能所引起的碳排放。

化肥原料的開采、運輸、制造和產品的包裝成型等都隱含著碳排放。不同種類、階段化肥碳排放系數(shù)也存在很大的不同,本文采用陳舜等[14]的研究結果,中國平均水平氮磷鉀肥制造的碳排放系數(shù)分別為2.116 kg C/kg N、0.636 kg C/kg P2O5、0.180 kg C/kg K2O,計算農地化肥投入間接碳排放。

目前生產農藥的原料主要是原油和天然氣,Lal等[15]根據不同的生產工藝和原料分別測算并得到了生產除草劑、殺蟲劑和殺菌劑3種類型的農藥隱含的碳排放系數(shù)的范圍,本研究結合我國農藥的使用特點和已有的農業(yè)生產過程中農藥投入碳排放研究[16],取6.00 kg C/kg作為農藥碳排放系數(shù),進而測算農地利用農藥投入間接碳排放。與化肥和農藥一樣,農膜生產全過程也都離不開碳排放,但是有關我國農膜生產過程中碳排放量的研究很少,因此本文取黃祖輝等[17]對農業(yè)生產資料有限公司的調研結果,農膜全生命周期隱含CO2排放為9.44 t CO2/t,即碳排放為2.58 kg C/kg作為農地利用農膜投入間接碳排放系數(shù)。

由于難于區(qū)別大農業(yè)能源利用在種植業(yè)中的分配,又由于國內沒有灌溉耗能和耕作耗能的實驗數(shù)據,因此絕大部分相關研究利用國外文獻的相關試驗數(shù)據。本研究采用有重要影響的Dubey,Lal和West T O,Marland G的相關研究成果[16，18],其中灌溉耗能碳排放當量為25.00 kg C/hm2,耕作耗能為31.06 kg C/hm2。

2.2.2 氮肥施用直接N2O釋放

氮肥施用會產生大量N2O,與溫室氣體相比,N2O具有增溫潛勢大、滯留時間長等特點?！?006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[19]和《省級溫室氣體清單編制指南》[20]給出了山東農地N2O直接排放因子為0.0057 kg N2O-N/kg N。為了測算區(qū)域農地利用的碳強度,本研究依據IPCC第四次評估報告(2007)測算值1 t N2O=81.27 t C,將N2O都折算成碳當量。

2.2.3 秸稈燃燒碳排放

秸稈系數(shù)是作物田間秸稈產量與經濟產量的比值,故秸稈產量依據經濟產量和秸稈系數(shù)測算得到。又依據秸稈收集系數(shù)、秸稈燃燒率[21-23]和主要農作物秸稈含碳量平均值為0.24[24],可以獲得單位經濟產量秸稈燃燒碳排放量(表1)。已有研究給出了青島市秸稈資源利用情況,其中生活燃料16.5%、焚燒3.1%[25],因此研究將平度市的秸稈燃燒率設定為19.6%。

表1 秸稈燃燒碳排放

2.2.4 牲畜養(yǎng)殖CH4和N2O排放

畜牧業(yè)養(yǎng)殖是農業(yè)生產活動中CH4、N2O排放的重要源頭,其中農業(yè)生產所產生的GHG排放,有38%是源自于畜牧業(yè)養(yǎng)殖[26],主要包括動物腸道發(fā)酵CH4排放和糞便CH4、N2O排放。IPCC[19]界定了畜牧業(yè)養(yǎng)殖溫室氣體排放源和排放因子,《省級溫室氣體清單編制指南》[20]計算給出了我國不同動物在不同區(qū)域下腸道發(fā)酵CH4排放系數(shù)和糞便管理CH4和N2O排放系數(shù)[27-29](表2)。同理,為了方便后文碳排放量的分析,本研究依據IPCC第四次評估報告(2007)可知1 t CH4=6.82t C,1 t N2O=81.27 t C,將CH4和N2O都折算成碳當量。

表2 畜牧業(yè)養(yǎng)殖CH4和N2O排放系數(shù)

2.3 農作物生長期碳吸收的測算方法

農作物碳吸收,指農作物通過光合作用吸收CO2,釋放O2,形成的生物產量的過程。由于農作物生物產量和經濟產量間存在一定關系,因此可以通過經濟產量計算作物的生物產量,進而推算出作物含碳量,即作物在生長季的碳吸收量。農作物生長期碳吸收的計算公式如下：

(1)

Cd=Cf×Dw

(2)

Dw=Yw×(1-r)÷Hi

(3)

式中,SC為農作物生長期的碳吸收量,Cd為作物i的碳儲量,Cf為作物i合成單位有機質(干重)所需要吸收的碳,Yw為作物i的經濟產量,Dw為作物i的生物產量(總干物質),Hi為作物i的經濟系數(shù),r為作物經濟產品部分的含水率。主要農作物經濟系數(shù)和碳吸收率[30-31]表3。

表3 主要農作物經濟系數(shù)、含水率和碳吸收率

2.4 農地利用碳強度及碳可持續(xù)性指數(shù)

農地利用碳排放涉及許多過程、方面和內容,本研究把它分類為農資投入碳排放、氮肥施用土壤N2O釋放、秸稈燃燒碳排放和牲畜養(yǎng)殖CH4和N2O排放,其總值設為EC。農地碳吸收主要是農作物碳吸收,設為SC。單位產值的碳排放,即碳強度Q=EC/V,式中,V為農業(yè)產值和畜牧業(yè)產值的和；同時為了使各年的產值具有可比性,研究根據當?shù)乜杀葍r格指數(shù)計算出了以1995年不變價格的產值。

農業(yè)生產實際是一個碳排-碳匯動態(tài)變化過程,故農地利用應該強調碳減排,注重碳增匯,關注可持續(xù)農業(yè)發(fā)展的模式?；谵r地利用碳排放和碳吸收,本文引用國外學者Lal R提出了碳可持續(xù)性指數(shù)(I)[15],分析研究區(qū)農地利用碳可持續(xù)指數(shù)的變化特征，其計算公式為

I=(SC-EC)/EC

(4)

3 研究結果與分析

3.1 平度農地集約利用變化

隨著人口的增加,在有限的土地上,尤其是面臨著耕地的不斷減少趨勢,為了保證區(qū)域農作物的產量,增加化肥、農藥等農用化學物質投入以及提高機械化程度已成為了必要手段。測算表明從1995年到2013年平度主要農作物產量從201.27萬t增加到397.88萬t,年平均增長率達4%；與此同時,耕地面積從172412 hm2減少到165364 hm2,年平均減少率為0.24%。單位耕地面積的投入強度變化表明,平度在研究時段的農業(yè)機械投入強度年均增長速率最大,為7.52%；農用化學物質投入和有效灌溉強度均次之,分別為0.19%、0.52%；而勞動力投入強度呈現(xiàn)減少的趨勢,年均減少率達2.37%(圖1)。

圖1 平度農地集約利用投入強度變化Fig.1 Change in input intensity of farmland intensive use in Pingdu

通過產量與耕地面積、農資投入、鄉(xiāng)村人數(shù)、勞動力、機械總動力和有效灌溉面積的Pearson相關性分析和顯著性檢驗,可以得出,在置信度(雙側)為0.05時,產量與農資投入量、鄉(xiāng)村人數(shù)、機械總動力呈現(xiàn)顯著的正相關(表4)。同時它們的年均增長率變化表明,農資投入量和機械總動力的年均增長率都大于產量,分別為0.56%、7.85%；鄉(xiāng)村人數(shù)年均增長率也達到了0.15%,雖然小,但不容忽視,因為增加農作物產量,最基本的目的是滿足區(qū)域人口的物質需求。

表4 平度產量與相關因子的Pearson相關性分析

* 在0.05的水平(雙側)上顯著相關

3.2 平度農地利用碳排放

從1995年到2013年,平度農地利用過程中農資投入所產生的間接碳排放的波動較小。如圖2所示,從數(shù)值上可知,碳排放是從1995年的19.05萬t減少到2013年的18.71萬t,減少了0.34萬t,年平均減少率為0.01%。其中農用化學物質投入所產生的間接碳排放是農地灌溉和耕作耗能的15倍,各自年均碳排放分別為17.71萬t、1.15萬t;農用化學物質碳排放的變化趨勢與農資投入總碳排放的一致,都呈現(xiàn)減少的趨勢,其變化率為-0.02%,耗能碳排放卻呈現(xiàn)增加的趨勢,且年均增長率相對較大,為0.36%。

測算農資投入對農地利用間接碳排放的貢獻比例表明,氮肥貢獻最大,1995—2013年年均貢獻率可達56.29%,其次是農膜15.66%>磷肥10.08%>農藥8.61%,鉀肥、灌溉耗能和耕作耗能貢獻相對較小,其值分別為3.27%、1.67%、4.42%。與農地利用碳排放絕對量不同,各農資投入所產生間接碳排放年均變化率差異也很大。農膜的年均增長率最大,達12.79%,其次是鉀肥2.17%>磷肥1.02%>耕作耗能0.60%。盡管氮肥對農地利用碳排放貢獻最大,但是從1995年開始氮肥投入所產生的間接碳排放已逐年減少,年均減少率為1.78%,與此同時,農藥和灌溉耗能也呈現(xiàn)負的增長,其值分別為-1.22%、-0.21%。

圖2 平度農資投入所產生的碳排放Fig.2 Carbon emissions for agrochemical inputs in Pingdu

表5給出了1995—2013年秸稈燃燒碳排放、氮肥施用直接N2O釋放(簡稱氮肥N2O釋放)、牲畜養(yǎng)殖CH4和N2O排放,比較可知(1)秸稈燃燒碳排放波動較大,但是整體上表現(xiàn)為增加趨勢,其均值為6.62萬t,大于1995年的6.09萬t,年均增長率也相對較大,為1.72%。(2)氮肥N2O釋放是逐年減少的,其均值為0.0449萬t,年均減少率為1.78%,將其換算成碳排放當量,其均值為3.65萬t。(3)畜牧業(yè)養(yǎng)殖CH4和N2O排放較大,然而其中動物腸道發(fā)酵CH4排放和糞便N2O排放也呈現(xiàn)負增長,其年均變化率分別-8.53%、-2.66%,相對較大；然而糞便CH4排放仍在持續(xù)增加,年均增長率為0.75%,將其折算成畜牧業(yè)碳排放當量,可知均值為17.41萬t,年均變化率為-5.54%。

3.3 平度農地利用碳吸收

從1995年到2013年平度農作物生長期碳吸收呈現(xiàn)增加的趨勢,已從135.43萬t增加到182.53萬t,年均增長率達2.06%(表6)。就糧食和經濟作物而言,其均呈現(xiàn)增加趨勢,但是糧食作物生長期碳吸收遠大于經濟作物,比例達到了5.00,其均值分別124.53萬t、31.30萬t。就各作物對碳吸收的貢獻而言,玉米最大達39.34%,小麥為38.84%次之,經濟作物中花生為10.33%,蔬菜為9.02%也相對較大,其它作物貢獻都較小,不超過1.20%。

3.4 平度農地利用碳強度及可持續(xù)性

研究測算得到了1995年到2013年的單位產值碳排放,并對其進行曲線擬合,發(fā)現(xiàn)指數(shù)曲線擬合最佳,決定系數(shù)R2最大為0.9729(圖3),可知碳強度變化是由快到慢的一個過程,從數(shù)值上來分析,碳強度每年平均減少0.0459 t/元,從1995年的1.24 t/元降至2013年的0.35 t/元,減少了0.89 t/元。同時從圖3的碳強度變化趨勢可知,自2007年開始,曲線與X軸越來越接近平行,即碳強度是逐漸趨近于一個定值的,這個值既能滿足產值較大,同時又能使碳排放較低,是區(qū)域農業(yè)發(fā)展所需要的較理想的單位產值碳強度。

表5 秸稈燃燒碳排放、氮肥和畜牧業(yè)碳排放當量(萬t)

Table 5 Carbon emission of straw burning, carbon equivalent emissions of N fertilizer and livestock and poultry farming(Ten thousand tons)

年份Year秸稈燃燒碳排放Carbonemissionofstrawburning氮肥Nfertilizer畜牧業(yè)LivestockfarmingN2O釋放N2Oemission碳排放當量Carbonemissionequivalent動物腸道發(fā)酵CH4排放CH4emissionfromanimaldigestivetract糞便CH4排放CH4emissionfromlivestock′sexcretion糞便N2O排放N2Oemissionfromlivestock′sexcretion碳排放當量Carbonemissionequivalent19956．090．05594．543．240．4030．057429．5319975．460．05114．162．280．3120．043721．2619996．360．05354．352．700．4030．054225．5420015．250．04643．772．690．4120．055525．6720035．220．04533．681．890．3610．047619．2320057．210．03863．131．240．3240．035913．5520076．940．04233．440．790．2940．02779．6720097．990．04193．400．650．3700．03009．3920118．340．03993．240．570．3960．02958．9920137．660．03893．160．540．4150．03099．01均值Mean6．620．04493．651．690．3690．041817．41年均變化率/%Averageannualchangerate1．72-1．78-1．78-8．530．75-2．66-5．54

表6 平度農作物生長期碳吸收(萬t)

與碳強度不同,碳可持續(xù)發(fā)展指數(shù)是由農地利用碳排放和碳吸收共同決定的,它既強調碳減排,也注重增匯和碳儲。從圖4可知,平度的農地利用碳可持續(xù)性指數(shù)大于1,即農作物生產期的碳吸收能夠完全消納農地利用過程中所產生碳排放,且此指數(shù)一直在變大。其中1995年至2005年以及2008年至2013年是緩慢增長的階段,而2005年至2008年是快速增長階段,從1995年至2013年碳可持續(xù)發(fā)展指數(shù)已由1.28增加到3.74,年均增長率為7.12%。

圖3 1995—2013年平度單位產值碳排放Fig.3 Carbon emissions per unit output value over 1995—2013 in Pingdu

圖4 1995—2013年平度碳可持續(xù)性指數(shù)Fig.4 Carbon sustainability index over 1995—2013 in Pingdu

4 結論與討論

農地利用是一個復雜的生態(tài)經濟過程,碳排放涉及很多方面,本研究計算的是主要農業(yè)化學物質投入間接和直接碳排放、秸稈燃燒碳排放和牲畜養(yǎng)殖碳排放當量。從1995年至2013年,平度農地利用碳排放以年均2.21%的速度減少,已從59.28萬t,減少到38.54萬t；各大類排放年平均碳排放量的次序是農資投入22.50萬t>牲畜養(yǎng)殖17.41萬t>秸稈燃燒6.62萬t,其中除了秸稈燃燒排放處于逐年增長狀態(tài),年均變化率為1.72%,其它均是逐年減少的,農資投入為-0.32%、畜牧養(yǎng)殖為-5.54%。然而與平度農地利用碳排放變化趨勢與結構不同,趙榮欽等測算的沿海地區(qū)包括山東、江蘇、浙江等在內的農田化肥生產、農業(yè)機械生產使用和灌溉過程等農田生態(tài)系統(tǒng)主要途徑碳排放[29]表明,從1981年到2001年,沿海地區(qū)農田生態(tài)系統(tǒng)碳排放呈迅速增長趨勢,碳排放總量由1981年的1166.4萬t上升至2001年的2261.6萬t,增長94%,其中化肥生產導致的間接碳排放所占比例較大,且增速較快。田云等對中國農業(yè)生產中農用物資、土壤、稻田、牲畜養(yǎng)殖等主要農業(yè)源碳排放進行測算的結果[28]表明,從1995—2010年中國農業(yè)生產的碳排放量以年均1.03%的速率增加,而主要農業(yè)源年均碳排放量的次序是畜牧養(yǎng)殖CH4和N2O排放碳當量>農資投入碳排放>水稻CH4碳當量>土壤N2O釋放碳當量。但是通過對平度、沿海地區(qū)和中國的農業(yè)生產碳排放測算結果表明,在農地利用過程中如果注重提高農地的化肥利用率、優(yōu)化農資投入結構、改良種子、增加高產值經濟作物的占比、加強農地管理等農業(yè)生產活動,碳排放未必會增加,反而能夠實現(xiàn)區(qū)域農地利用碳減排和碳增匯的目標。平度單位產值碳排放從1995年到2007年逐年減小,但是自2007年后,在逐漸趨近于定值,此趨勢表明農業(yè)生產過程既提高了經濟效益,也可完成農業(yè)生產碳減排目標,如此“雙贏”的結果也未嘗不可。

通過測算案例區(qū)農地利用碳排放、農作物碳吸收和碳可持續(xù)指數(shù)可知,平度農地利用過程中的碳吸收是大于碳排放,從1995年至2013年碳可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均大于1,且在不斷增大,即農作物生產期的碳吸收能夠完全消納農地利用過程中所產生碳排放。相關研究表明,中國農業(yè)生產和沿海地區(qū)農田生態(tài)系統(tǒng)中的碳吸收也能完全消納農業(yè)生產中主要的碳排放,這些結果與平度的一致。

推動節(jié)能減排和發(fā)展低碳經濟已是國際社會的大趨勢,正是在這一政治經濟背景下,有關碳排放與碳減排的經濟學研究日益增加,然而上述測算農業(yè)生產碳排放均是以統(tǒng)計資料為主,并且只是對部分碳排放進行了估算,因此難免會存在一定誤差。因此,本文認為碳減排的關鍵還是應該認清楚碳排放源和碳吸收主體、正確估算碳排放和碳吸收系數(shù)。雖然我國農業(yè)生產碳排放的研究,在空間和結構特征揭示、影響因素闡釋等研究內容不斷深化[32-33],但是還應該加強基礎性研究工作。如農用化學物質中農藥和農膜碳排放系數(shù)還存模糊性,其今后研究可以借鑒陳舜等給出化肥碳排放的測算方法[14],從生產原料和工藝出發(fā),測算其碳排放。國內農地利用的灌溉和耕作耗能碳排放系數(shù)還是借鑒國外的數(shù)據,以后應區(qū)分時間和地點模擬研究我國農地利用過程中的灌溉和耕作耗能碳排放。有關土壤N2O排放,本文僅根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[19]和《省級溫室氣體清單編制指南》[20],測算了氮肥施用產生的直接N2O排放；然而土壤N2O排放是受作物排放、耕地本底排放、肥料釋放以及地下水和地表水中N2O的排放影響的[34],故作物排放、耕地本底排放還需大量實測探究。此外,我國園地發(fā)展迅速,其農業(yè)投入也在逐步增加,如何合理估算多年生植物的碳吸收,也是急需解決的問題。

致謝：山東平度市土壤肥料工作站姜曉燕給予幫助，特此致謝。

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Dynamic changes in the carbon intensity and sustainability of farmland use: A case study in Pingdu County, Shandong Province, China

WU Jinfeng1,2, WANG Xiuhong1,*

1KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

During 1995—2013, the carbon emissions for farmland uses in Pingdu County (in Shandong Province, China) were calculated by selecting the main sources of emissions and establishing a measurement system for the sources, including indirect carbon emissions for agrochemical inputs, direct N2O emissions for N fertilization, carbon emissions for energy consumption and straw burning, and CH4and N2O emissions for livestock farming. The changes in carbon intensity were calculated based on the changes in agricultural output value, and the changes in the carbon sustainability index were calculated based on the carbon emissions of the main sources and carbon absorption by the main crops. The results were as follows: (1) The order of annual mean carbon emissions was agrochemical materials (22.50 ten thousand tons) > livestock farming (17.41 ten thousand tons) > straw burning (6.62 ten thousand tons). The carbon emissions for straw burning showed an increasing trend, whereas the emissions from the other sources showed a decreasing trend. (2) The increasing rate for the agricultural output value exceeded that of total carbon emissions, with the carbon emissions per agricultural output value decreasing from 1.24 t/Yuan in 1995 to 0.35 t/Yuan in 2013 (annual average decrease of 0.0459 t/Yuan). (3) The carbon sustainability index had an annual average increasing rate of 7.12%. This trend indicated that the carbon absorption by crops was greater than the carbon emissions from the farmland processes. Overall, this study not only provides an understanding of carbon emissions and a scientific basis for sustainable development of farmland in small-or medium-scale regions in eastern China, but it also promotes the reduction of agricultural carbon emissions in China. In addition, this study could provide basic information for the investigation of Land-Use and Land-Cover Change and Carbon Cycle of International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change.

farmland use; carbon emissions; carbon absorption; sustainability

國家自然科學基金項目“東西部土地集約利用變化及其生態(tài)風險的對比研究”[41371531(2014- 2017)]

2016- 01- 18; 網絡出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601180120

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangxh@igsnrr.ac.cn

吳金鳳,王秀紅.農地利用碳強度及可持續(xù)性動態(tài)變化——以山東省平度市為例.生態(tài)學報,2017,37(9):2904- 2912.

Wu J F, Wang X H.Dynamic changes in the carbon intensity and sustainability of farmland use: A case study in Pingdu County, Shandong Province, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):2904- 2912.