云南省農田生態系統碳源/匯變化分析

萬思琦，董曉波，伏成秀，2，董云峰，鄢文光，張曉嬌，袁 媛*

（1.云南省農業科學院 農業經濟與信息研究所，云南 昆明 650000；2.云南省農業科學院 農業環境資源研究所，云南 昆明 650000）

0 引言

2010—2019年全球溫室氣體年平均排放量處于人類歷史上的最高水平，2019年達到590億t，比2010年增長了12%［1］，雖然總排放量不斷上升，但增長速度逐漸放緩。2020年我國6個區域本底站的CO2和CH4平均濃度比上年呈現出明顯的增長趨勢［2］，因此，應對氣候變化、減少全球溫室氣體排放以及實現碳中和的壓力依然存在。2021年以來，中國積極落實《巴黎協定》，相關的低碳政策不斷完善。在農業生產方面，通過建立新的種植和養殖模式，促進了節能減排和資源利用，如在保證水稻產量的同時減少秸稈還田甲烷排放的新型水稻種植模式，降低了水稻的甲烷排放強度，實現了化肥減量增效。2021年，云南省農用化肥施用折純量比2016年減少了20.49%，農藥施用量比2016年減少了29.86%。為深入貫徹落實國家碳達峰相關政策精神，云南省全力推進碳達峰工作，在農業用地方面，牢牢守住耕地保護紅線，在農田建設方面，積極推進農業農村減排固碳。通過持續增加城鄉生態綠量、發展綠色低碳循環農業、改進有機農業減碳增匯技術、推廣二氧化碳氣肥技術等，促進畜禽糞污、秸稈和其他資源及藻類的能源利用，并積極實施減施化肥和農藥的行動。農田生態系統是地球土壤生態系統的重要部分，中國在社會經濟快速發展的同時，人類與自然之間的復雜性受到越來越多的關注，農田生態系統的可持續低碳發展是一個重要的研究方向，因此，精準、合理地估算云南省農田碳排放和碳吸收情況，對制定科學合理的農田減排措施以及提供農田低碳政策建議具有重要意義，同時為云南省農田減排的合理評價體系提供了科學的參考依據。

近年來，相關領域的學者對不同地區的農田生態系統碳源/匯進行了大量研究，根據IPCC 估算［3］，合理的農業管理措施能使全球土壤碳庫提高0.4~0.9 pg C/a；師銀芳等［4］通過研究張掖市農田碳匯發現，糧食作物以及經濟作物中的大豆、棉花碳吸收量最大；張精等［5］運用空間可視化方法對安徽省碳源/匯進行了研究分析；譚美秋等［6］運用2種方法核算了河南省農田生態系統碳匯，認為凈碳匯方法更適用于測算河南省的農田碳匯；田云等［7］運用Kaya恒等式研究了我國農地中碳排放的影響因素 ，發現農業規模的變化是農地碳排放最主要因素；祁興芬［8］研究了2001—2010年德州市農田碳匯功能，提倡農業生產技術低碳化。

目前,學者們對農田碳源/匯的分析因素系數仍然有待進一步明晰，對于云南省農田碳匯的估算研究尚有空缺，因此，對云南省農田生態系統的碳源/匯進行分析研究很有必要。本文以云南省耕地數據和農田生態系統相關數據為基礎，采用凈碳匯法，結合前人的研究，分析2005—2021年云南省農田生態系統碳源/匯的變化趨勢，以期對云南省低碳農田發展提供參考。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 研究區域概況

云南省位于97°31′~106°11′E，21°8′~29°15′N，東部與貴州、廣西為鄰，北部與四川相連，西北部緊依西藏，西部與緬甸接壤，南部和老撾、越南毗鄰。云南省最低與最高海拔之間相差大約6600 m，整體呈現東南低、西北高，海拔呈階梯式上升。云南省屬山地高原地形，其中山地、高原、丘陵等地形占全省總面積的94%，盆地占6%。2022年，云南省農業總產值為6635.8億元，比上年增長了5.5%；糧食作物總播種面積為421.10萬hm2，總產量為1957.96萬t，全省新建高標準農田32萬hm2［9］。

1.2 研究方法

1.2.1 農田生態系統碳排放估算 農田生態系統的碳排放包括兩大類：（1）農用物資的投入引起的碳排放；（2）農田CH4排放核算［10］。

1.2.1.1 農用物資碳排放 根據IPCC(2006)的公開數據，將農田生態系統碳排放源按農田利用物資與生產活動劃分為化肥、農藥、農膜、農用柴油、農業翻耕、農業灌溉、農業機械7類，本研究主要考慮這7種途徑的碳排放量，計算公式為：

式（1）中：E投入為云南省農田的碳排放總量（萬t）;Ti為各類農田生產要素投入的使用量（萬t）；Di為各類農田生產要素的碳排放系數，本文確定的7種農田生產要素投入的碳排放系數如表1所示［7］。

表1 碳排放系數及來源

1.2.1.2 農田CH4排放核算 稻田種植是農田生態系統排放CH4的主要來源，研究表明，CH4和N2O的增溫潛勢分別是CO2的25和268倍，其排放的CH4占全球人為排放CH4總量的60%左右［3，11］。我國不同地區稻田CH4排放不同，各區域水稻CH4的排放率有差異。本研究選取均值［12］，計算公式為：

式（2）中，ECH4為云南省中季稻CH4的排放量，EFr為中季稻排放系數，取值為7.25 g/m2；Sr為水稻的種植面積（104hm2）；28為轉換系數，即CH4當量轉換為CO2。

1.2.2 農田生態系統碳吸收估算 農田生態系統碳匯量主要包括農作物固碳量，農作物的碳匯能力主要是通過作物光合作用吸收CO2，形成有機物，通過將碳儲存在農作物體內這一過程實現。

本文釆用NPP的方法測算云南省農田農作物的碳吸收量，云南省的主要農作物包括小麥、玉米、豆類等，根據不同農作物的生長習性以及借鑒學者們［13-18］研究的基礎上，建立云南省農田作物吸收的估算模型，計算公式為：

式（3）中，Ct為云南省農作物的碳吸收總量（萬t）；Ai為第i類農作物的碳吸收率（%）；Yi為第i類農作物的產量（萬t）；Wi為第i類農作物的水分系數（%）；Ri為第i類農作物的根冠比；Hi為第i類農作物的經濟系數（%）。具體指標取值如表2所示。

表2 各農作物碳排放及碳匯量核算參數

1.2.3 凈碳匯法 選用目前學者們［19-21］普遍采用的凈碳匯法，對農田生態系統碳源/碳匯的分布情況進行研究。碳匯（Nt）指農田生態系統中主要農作物的碳吸收量與稻田的CH4、農田生產要素投入過程中產生的碳排放量的差值，其計算公式為：

式（4）中，Nt為云南省農田生態系統的碳匯（萬t）；Ct為云南省農田碳吸收總量（萬t）；Et為云南省農田碳排放總量（萬t）。

1.2.4 數據來源 本研究數據主要來源于2004—2022年《云南省農村統計年鑒》《云南省統計年鑒》、國家統計局等，采用Excel軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 凈碳匯計算結果

采用凈碳匯法對2005—2021年云南省農田生態系統碳吸收和碳排放結果進行核算，碳排放為農用物資和稻田碳排放，碳吸收為主要農作物的碳吸收，具體分析如下。

2.1.1 農田生態系統碳排放 由圖1可知，2005—2021年云南省農田生態系統碳排放分為2個階段：第一階段為2005—2017年，該階段碳排放呈現上升趨勢，年均增幅為5.57%，出現這一趨勢的原因可能是當時云南省一直在加強糧食供給，對農業生產物資的投入未進入綠色生產階段，導致農用物資的碳排放持續增長；第二階段為2017—2021年，該階段碳排放呈現下降趨勢。2016年碳排放總量達到最高值，為1205萬t，2020年有所下降，降幅為17.5%，出現這一變化特征的原因可能是國家及云南省高度重視農業農村綠色發展，降低了化肥、農藥、農膜等農用物資的使用量，碳排放量得到控制，其中柴油減排量變化較大，降幅達70.46%。2005—2017年，云南省稻田甲烷排放呈現先略微上升又逐漸下降的趨勢，2017—2021年又出現略微下降的趨勢，稻田CH4排放年均增幅為2.45%，稻田CH4排放增加的原因可能是2016—2021年云南省稻田的種植面積穩步增長，2016年的種植面積是2015年的1.3倍，相應的碳排放量也逐漸增加。

從農田生態系統碳排放來源（表3）看，2005—2021年農用物資中的化肥、翻耕及農業機械總動力的碳排放量占比相對較大，2021年分別占總排放量的13.36%、18.30%及42.40%。2016—2021年，農用物資中的化肥、翻耕及農業機械總動力的碳排放量平均降幅分別為4.10%、0.30%及3.50%，其中翻耕的降幅最低；灌溉在云南省農田生態系統碳排放量中的占比最低。2005—2021年，化肥排放量呈先逐年增長（2005—2016年）再逐年遞減（2016—2021年）的變化趨勢，主要是因為云南省積極響應國家號召，減少了化肥使用量；翻耕和農業機械總動力在2005—2017年也均呈逐年上升的趨勢，2017—2021年又略微下降，這一變化趨勢與低碳政策的逐步穩定落實密切相關；2005—2021年，農田灌溉一直處于逐年略微上升的趨勢。

表3 云南省農田生態系統各農用物資碳排放量 萬t

2.1.2 農田生態系統碳吸收 由圖2可以看出，2005—2021年云南省農田生態系統碳吸收量整體呈現上升趨勢，由2005年的2298.53萬t增加至2021年的3054.97萬t，凈增加756.44萬t，增幅為32.91%?？赡艿闹饕蚴菄壹霸颇鲜〈罅Πl展綠色低碳循環農業，提升生態農業減碳增匯，實施化肥農藥減量增效行動，提高土地的利用效率，從而增強了碳匯能力。

圖2 云南省農田生態系統碳匯量碳吸收強度變化

由圖3可以看出，云南省農田生態系統的碳吸收比例發生了一定的變化，2005—2021年，糧食作物的碳吸收比例介于51%～60%之間，碳吸收比例變化較??；經濟作物的碳吸收比例介于33%~44%之間，碳吸收比例變化出現了略微下降的趨勢，從2005年的38%下降到2021年的33%；園藝作物的碳吸收比介于4%~8%之間，碳吸收比例呈現出略微上升的趨勢，從2005年的4%上升到2021年的8%。云南省以糧食作物作為農作物生產的主導，糧食作物的碳吸收比例相對穩定；經濟作物碳吸收比例出現略微減少的情況，可以依靠進出口貿易予以解決；園藝作物碳吸收比例出現略微升高，其原因是種植園藝作物經濟效益較好，農民種植意愿相對更高。

圖3 2005—2021年云南省農田生態系統不同類型農作物碳吸收比例變化

由表4可知，2005—2021年，糧食作物的碳吸收量從2005年的1342.84萬t上升到2021年的1795.51萬t，增幅為33.71%，年均增幅為2.11%；經濟作物的碳吸收量從2005年的868.30萬t上升到2021年的1012.06萬t，增幅為16.56%，年均增幅為1.03%；園藝作物的碳吸收量從2005年的87.38萬t上升到2021年的247.40萬t,增幅為183.13%，年均增幅為11.44%。其中，糧食作物中玉米的碳吸收量從2005年的491.70萬t上升到2021年的1086.30萬t，增長了1.2倍；經濟作物中油料類的碳吸收量從2005年的54.10萬t上升到2021年的101.50萬t，增長了0.9倍，甘蔗的碳吸收量也在逐年增長；園藝作物中的蔬菜的碳吸收量從2005年的87.40萬t上升到2021年的247.40萬t，增長了1.8倍。

表4 2005—2021年云南省主要農作物碳吸收量 萬t

2.2 云南省農田生態系統凈碳匯量

由圖4可以看出，2005—2021年云南省農田凈碳匯量呈現出上下波動的變化特征，整體來看，農田凈碳匯量從2005年的1446.66萬t上升到2021年的1849.73萬t，增幅為27.86%，年均增幅為1.74%，2017年之后出現了穩定上升的趨勢。云南省天然環境資源稟賦較好，國家及云南省重視農業綠色發展，制定的相關政策推動了農地高效利用，化肥、農藥及農膜的綠色使用方法不斷得到提升改進，促進了碳匯穩步增長的趨勢。

圖4 云南省農田生態系統凈碳匯量的變化趨勢

3 結論

（1）2005—2021年，云南省農田生態系統碳排放總量呈現先上升后下降的趨勢，碳排放總量由2005年的851.86萬t上升到2017年的1416.04萬t,再下降到2021年的1205.24萬t,年均增幅為3.20%。云南省主要種植的稻谷為中季稻，一年一熟制，在云南省的農田生態系統碳排放源中，農業機械總動力碳排放量在農用物資中占比最大，約占50%，且有逐年增大的趨勢，其次是化肥、翻耕、稻田CH4的碳排放量。其中化肥在2017—2021年的減排速度最快，達到了4.10%；2016—2021年云南省稻田的CH4碳排放量隨著面積的增加排放不斷增加，說明在增產減排工作方面，還需要加大整治力度，依靠科學有效的方法實現高效的增產減排；灌溉的碳排放量呈逐年穩定上升的趨勢，因此，在灌溉的低碳措施方面還有待加強。

（2）2005—2021年，云南省農田生態系統碳吸收量呈現平穩上升趨勢，從2005年的2298.53萬t上升到2021年的3054.97萬t，年均增長2.06%，其中糧食作物的碳吸收量從2005年的1342.84萬t上升到2021年的1795.51萬t,增幅為33.71%，年均增幅為2.11%；經濟作物的碳吸收量從2005年的868.30萬t上升到2021年的1012.06萬t，增幅為16.56%，年均增幅為1.03%；園藝作物的碳吸收量從2005年的87.38萬t上升到2021年的247.40萬t,增幅為183%，年均增速為11.44%。糧食作物的碳吸收比例最高，超過了50%，經濟作物的碳吸收比例占1/3，園藝作物的碳吸收比例每年略有上升。在一定程度上說明糧食作物對于碳吸收具有更大的優勢。