中国农田生态系统碳排放、碳吸收和碳足迹

中国农田生态系统碳排放、碳吸收和碳足迹

随着世界经济的到来和世界人民的关注，碳汇已成为一个新的研究方法，并迅速得到学术界的认可。“足迹”这个概念是由加拿大生态学家WilliamRee教授于1992年最早提出,后由其学生WackmagelRees在1996年完善,并将生态足迹定义为在一定技术条件下,要维持某一物质消费水平下的某一区域人口生存消耗所需的土地面积。碳足迹(carbonfootprint)是在生态足迹的概念基础上提出的,它是对某种活动引起的(或某种产品生命周期内积累的)直接或间接的CO2排放量的度量,它最早出现于英国,并在学界、非政府组织和新闻媒体的推动下迅速发展起来。作为人类活动对环境的影响和压力程度的衡量,碳足迹成为近年来国外生态学研究的新的热点领域。如Hertwich等利用MRIO模型从国家尺度上分别计算了卢森堡等73个国家的碳足迹;Sovacool等对12个大城市的碳足迹进行了评价分析,并提出了减少碳足迹的政策建议;Kenny以爱尔兰为例,对6种碳足迹计算模型的运行效果进行了对比分析。我国一些学者也从碳排放与碳足迹核算、碳足迹影响以及改善措施等方面开展了碳足迹研究的有益探索。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,与人类关系最为密切,同时也是重要的大气碳源和碳汇。一方面,随着农业对化石能源的消费量不断提升,间接引起二氧化碳排放量迅速增加,以及土壤碳库的动态变化、作物呼吸等因素的直接碳排放。据研究,大气中20%的CO2、70%的CH4和90%的N2O来源于农业活动及其相关过程。1990-2005年农业源温室气体排放增长了14%,平均每年相当于排放4.9×107tCO2;另一方面,全球农田生态系统也是巨大的碳库,主要包括土壤有机碳库和农作物生物量碳等。据Cole估计,在未来的50～100年内,全世界农田可固碳20～30Pg。另据Lal等研究,全球耕地每年总固碳潜力为0.75～1.0Pg。中国作为世界上一个重要的农业大国,农田生态系统对全球大气CO2浓度的影响不可忽视。目前对碳足迹的研究主要涉及碳足迹的内涵及核算、土地利用变化对碳足迹的影响、能源消费视角的产业碳足迹等,而农田生态系统的碳足迹研究鲜见报道。开展我国农田生态系统的碳足迹分析,对发展低碳农业,促进农业可持续发展具有重要的理论和实际意义。1数据来源和计算方法1.1国内关统计报表本研究数据资料主要来源于1991-2010年《中国统计年鉴》和《中国农村统计年鉴》以及其他相关统计报表。其中化肥施用量、农作物播种面积和各类作物产量、农业机械总动力、灌溉面积等数据来源于《中国统计年鉴》。耕地面积、农药用量、农膜用量、蔬菜产量等数据来自《中国农村统计年鉴》。由于中国台湾、香港和澳门特别行政区的相关数据缺失,因此本文所有源数据和计算结果均不包括这些地区。1.2碳排放估算公式农田利用的碳排放主要来源是:化肥生产和使用过程中所导致的碳排放;农药生产和使用过程中所导致的碳排放;农膜生产和使用过程中所引起的碳排放;农业机械使用消耗化石燃料(柴油、电力等)所产生的碳排放;农业灌溉过程中电能利用所形成的碳排放;农田土壤碳库动态变化而引起的碳直接排放。本文仅考虑前5种主要的间接碳排放途径,碳排放估算公式为:E=Ef+Ep+Em+Ee+Ei(1)式中:E为农田利用的碳排放总量;Ef为化肥引起的碳排放量;Ep为农药引起的碳排放量;Em为农膜引起的碳排放量;Ee为农业机械引起的碳排放量;Ei为农业灌溉引起的碳排放量。各种碳排放量具体计算公式见公式(2)至公式(6),其中:A、B、C、D、F、G分别为各碳排放源的碳排放系数,参考相关文献获得。Ef=Gf×A(2)式中:Gf为化肥使用量;A=0.8956kg/kg。Ep=Gp×B(3)式中:Gp为农药使用量;B=4.9341kg/kg。Em=Gm×C(4)式中:Gm为农膜使用量;C=5.18kg/kg。Ee=(Ae×D)+(We×F)(5)式中:Ae为农作物种植面积;We为农业机械总动力;D=16.47kg/hm2;F=0.18kg/kW。Ei=Ai×G(6)式中:Ai为灌溉面积;G=266.48kg/hm2。1.3碳的吸收特性及经济系数农田生态系统中所有农作物全生育期对碳的吸收量Ct为:Ct=∑iCd=∑iCfDw=∑iCfYw/H(7)Ct=∑iCd=∑iCfDw=∑iCfYw/Η(7)式中:Cd为i类农作物全生育期对碳的吸收量;Cf为i类作物光合作用合成单位重量干物质所需要吸收的碳;Dw为i类作物总生物量;Yw为i类作物的经济产量;H为i类作物的经济系数。中国主要农作物碳吸收率(Cf)和经济系数(H)见表1。1.4碳足迹及碳生态盈余量计算本文将碳足迹看作生态足迹的一部分,把碳足迹定义为:消纳碳排放所需要的生产性土地(植被)的面积,即碳排放的生态足迹(CEF)。CEF=E/NEP,NEP=Ct/S(8)式中:E为农田利用的碳排放总量,含义同于公式(1)的E;NEP反映了农作物的固碳能力,即1hm2的植被1年吸收的碳量;Ct为农田生态系统中所有农作物全生育期对碳的吸收量,含义同于公式(7)的Ct;S为耕地面积。在碳足迹总量分析的基础上,用碳足迹除以耕地面积可以得到农田生态系统单位面积碳足迹。区域农田生态系统碳足迹如果超过了区域生态承载力(耕地面积),那么就出现碳生态赤字;如果小于区域生态承载力,则表现为碳生态盈余。CED=CEF-CEC(CEF>CEC),CER=CEC-CEF(CEF<CEC)(9)式中:CED为碳生态赤字;CER为碳生态盈余;CEC为生态承载力,即耕地面积。2结果与分析2.1农田生态系统碳排放量1990年我国农田利用所引起的碳排放总量为44.44×106t,2009年为86.17×106t,年平均复合增长率为3.55%。化肥、农药、农膜、农业机械、农业灌溉所产生的碳排放量都呈现不同程度的增长,年均复合增长率分别为3.95%,4.55%,7.99%,0.54%,1.18%(表2)。从农田生态系统主要途径的碳排放比例来看,化肥所引起的碳排放比例最高,超过50%,并且随着年份的递进,所占比例有逐步增大的趋势,1990年占碳排放总量的52.20%,到了2009年所占比例达到了56.17%。进一步分析发现,2009年我国化肥施用强度为443.04kg/hm2,远高于发达国家公认的安全警戒线225kg/hm2,如果我国化肥达到安全警戒线使用水平,则碳减排潜力为24.58×106t。占总排放量比例其次高的是农业灌溉,在20%左右,随着年份的递进,其所占比例有减小的趋势,1990年占碳排放总量的28.43%,到2009年所占比例为18.33%。由于我国的耕地面积从1990年的95.67×106hm2增加到1996年130.04×106hm2,然后缓慢下降到2009年的121.98×106hm2,因此有必要分析单位面积的碳排放量。从表2可知,我国农田生态系统主要途径的碳排放强度总体呈现增加的趋势,1990年为0.46t/hm2,2009年为0.71t/hm2,年平均复合增长率为2.31%。从区域差异来看,农田生态系统碳排放量和排放强度差异明显(图1)。2009年中国各省市自治区农田生态系统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年碳排放强度前5名分别是福建、上海、广东、北京、海南,依次为1.48,1.29,1.20,1.19,1.10t/hm2;碳排放强度后5名分别是黑龙江、青海、贵州、西藏、内蒙古,依次为0.30,0.31,0.32,0.32,0.39t/hm2。2.2农田生态系统碳吸收强度的年变化动态由表3可知,1990年我国农田生态系统碳吸收总量为525.60×106t,2009年为676.13×106t,年平均复合增长率为1.33%。水稻、小麦、玉米等主要粮食作物年碳吸收量都呈现一定程度的增长,年均复合增长率分别为0.16%,0.71%,2.81%,可见玉米碳吸收增速较快。从农田生态系统主要农作物的碳吸收比例来看,粮食作物中的水稻、小麦、玉米吸收量最高,三者合计占到碳总吸收量的70%以上。单个作物来看,水稻碳吸收比例最高,占30%左右,但随着年份的递进,所占比例有逐步减小的趋势,1990年占碳吸收总量的33.17%,到2009年所占比例减小到26.57%。占总吸收量比例其次高的是小麦和玉米,都在20%左右,随着年份的递进,小麦所占比例有减小的趋势,1990年占碳吸收总量的22.67%,到2009年所占比例减小到了20.66%。玉米所占的比例有增加的趋势,1990年占碳吸收总量的18.78%,到2009年所占比例增加到了24.73%。由于我国的耕地面积从1990年的95.67×106hm2增加到1996年的130.04×106hm2,然后缓慢下降到2009年的121.98×106hm2,因此有必要分析单位面积的碳吸收量。从表3可知,我国农田生态系统主要农作物的碳吸收强度总体呈现平稳的态势,主要波动区间在4.5～5.5t/hm2,1990年为5.49t/hm2,2003年降低到4.44t/hm2,2009年为5.54t/hm2。从区域来看,农田生态系统碳吸收量和吸收强度差异明显(图2)。2009年中国各省市自治区农田生态系统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年碳吸收强度前5名分别是河南、湖南、广西、江苏、山东,分别为9.12,8.58,8.38,8.14,7.86t/hm2;碳吸收强度后5名分别是甘肃、山西、贵州、青海、内蒙古,为2.41,2.73,2.95,3.19,3.23t/hm2。单位面积碳吸收量差异较大,第1名的河南是最后1名甘肃的3.78倍。2.3农田生态系统碳足迹分析由表4可知,我国农田生态系统碳足迹呈现不断增加的趋势,1990年为8.09×106hm2,2009年为15.55×106hm2,复合增幅为3.50%。农田生态系统碳足迹占同期生产性土地面积(耕地)的比例约为10%,但随着年份的递进,所占比例有增大的趋势,1990年为8.46%,2009年为12.75%。农田生态系统的碳足迹都小于同期生产性土地面积(耕地)的,说明我国的农田生态系统存在碳生态盈余。据赵荣钦等研究,2007年我国碳生态赤字为28.69×106hm2,因此,农田生态系统的碳生态盈余可以部分补充工业和生活的碳生态赤字,对于地区的可持续发展起到了生态和经济社会作用。我国农田生态系统单位面积的碳足迹呈现不断增加趋势,1990年为0.08hm2/hm2,2009年为0.13hm2/hm2,复合增速为2.59%,说明随着化肥、农药等大量化石能源的利用,农田生态系统的碳库功能在减小。从碳足迹区域差异来看(图3),2009年中国各省市自治区农田生态系统的碳足迹最大的是山东1.04×106hm2,最少的是西藏0.04×106hm2,两者相差高达29.04倍。由于我国各地区耕地面积以及播种面积的巨大差异,有必要分析单位面积的碳足迹,2009年单位面积碳足迹前5名分别是福建、海南、上海、浙江、广东,分别为0.27,0.25,0.22,0.20,0.20hm2/hm2;单位面积碳足迹后5名分别是黑龙江、广西、青海、西藏、吉林,分别为0.08,0.09,0.10,0.10,0.10hm2/hm2。单位面积碳足迹差异较大,第1名的福建是最后1名黑龙江的3.49倍。3农田生态系统土壤碳足迹及碳提取农田生态系统单位面积碳足迹的大小由单位面积碳排放和单位面积碳吸收决定,如果一个地区农田生态系统碳排放多而碳吸收少,则碳足迹大,反之则小。如2009年福建碳足迹全国最大,为0.20hm2/hm2,其单位面积碳吸收量为5.40t/hm2,远高于碳足迹小的贵州(单位面积碳足迹0.11hm2/hm2,碳吸收强度2.95t/hm2)、青海(单位面积碳足迹0.10hm2/hm2,碳吸收强度3.19t/hm2)、内蒙古(单位面积碳足迹0.12hm2/hm2,碳吸收强度3.23t/hm2)等,但由于福建的碳排放强度高(1.48t/hm2),大大高于青海(0.31t/hm2)、贵州(0.32t/hm2)、内蒙古(0.39t/hm2)等地区的,所以造成了其单位面积碳足迹大。因此,对于一个地区来说,要减小其生态足迹,首先需要保护生态环境,构建良好的农田生态系统,使农作物产量品质提高,增强碳吸收能力;其次需要积极推行生态农业建设,形成农田生态系统良性物质循环,合理使用化肥、农药等农用化学品,增施有机肥,减少化石能源的消耗,减少碳排放。土壤碳储量的增加可以减小农田生态系统的碳足迹。在短时期内,土壤有机碳含量受到许多因素的影响,如耕作措施、肥料施用、作物管理、土壤水分、土壤温度、土壤酸碱度、土壤透气性等。本文没有考虑年度间的土壤碳库动态变化情况,但是从长期来讲,分析农田土壤有机碳含量的变化趋势,核算农田土壤碳吸收量或者碳排放量,就可以明确农田生态系统土壤碳足迹情况。诸多学者研究表明,全国农田表土有机碳整体呈上升趋势,如程琨等通过对299个国家级耕地土壤监测点20余年数据统计分析表明,1988年全国农田土壤有机碳含量平均为13.20g/kg,2007年含量为14.20g/kg。按照1hm2农田耕层土壤重1500t计算,198