2011-2020年汾渭平原农田生态系统碳足迹的时空格局演变.pdf

生态环境学报 2023,32(6):1149-1162 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（2022QNYL27；2021GDZC08）作者简介：张露（2001 年），女（苗族），硕士研究生，主要研究方向为碳足迹核算。E-mail:*共同第一作者：何雨霏与第一作者同等贡献*通讯作者，E-mail: 收稿日期：2023-03-29 20112020 年汾渭平原农田生态系统碳足迹的时空格局演变 张露1,2*，何雨霏1,3*，陈坦1,4*，杨婷1，张冰1，金军1 1.中央民族大学生命与环境科学学院，北京 100081；2.四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065；3.北京师范大学环境学院，北京 100875；4.中央民族大学/北京市食品环境与健康工程技术研究中心，北京 100081 摘要：农田是重要的温室气体排放源，同时也是陆地生态系统的重要碳汇。充分认识我国重要粮食生产基地汾渭平原的碳库潜力，深入了解汾渭平原农业活动的碳排放特征，可为汾渭平原产业结构调整和区域可持续发展提供基础信息。通过收集 20112020 年汾渭平原农田生态系统农业投入要素及作物产量数据，解析了汾渭平原农田生态系统的碳源/碳汇及碳足迹时空变化及影响因素，核算了汾渭平原农田生态系统的碳生态盈余/赤字。20112020 年，汾渭平原碳排放总量从 3.78106 t先升高至 4.16106 t 后逐步下降到 3.72106 t，单位播种面积碳排放呈上升趋势，最高达 0.880 thm2，两者均呈现西部高于东部、中心高于边缘的分布格局，而化肥使用是碳排放的主要因素（碳排放总量年均贡献率达 58.8%），其所贡献的碳排放量与总碳排放量的变化趋势大体一致。汾渭平原碳吸收总量从 2.48107 t 先升高到 2.69107 t 后下降至 2.38107 t，空间分布较为均衡，而单位播种面积碳吸收随时间呈上升趋势，最高达 5.98 thm2，且逐步由东部高于西部演变为西部高于东部，其中粮食作物是碳吸收的主要贡献源，其碳吸收量占农田总吸收量的 92.7%。汾渭平原碳足迹从 5.94105 hm2先升高至 6.44105 hm2后下降至 5.54105 hm2，空间分布不规律，而单位面积碳足迹呈上升趋势，大体呈现西部高、东部低的分布格局。汾渭平原农田整体呈碳生态盈余状况，然而近年也出现了盈余下降趋势，其农田生态系统碳库功能有削弱风险。各城市间农业发展不均衡较为明显。重视第一产业的绿色发展对保持农田碳汇规模、实现区域碳达峰具有重要意义。关键词：碳足迹；汾渭平原；农田生态系统；碳吸收；碳排放 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.06.017 中图分类号：X22 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2023）06-1149-14 引用格式：张露,何雨霏,陈坦,杨婷,张冰,金军,2023.20112020 年汾渭平原农田生态系统碳足迹的时空格局演变J.生态环境学报,32(6):1149-1162.ZHANG Lu,HE Yufei,CHEN Tan,YANG Ting,ZHANG Bing,JIN Jun,2023.The spatial and temporal pattern evolution of carbon footprint of farmland ecosystem in Fenwei Plain from 2011 to 2020 J.Ecology and Environmental Sciences,32(6):1149-1162.温室气体导致的气候变化问题日益严峻，农业是重要的温室气体排放源，全球有 10%12%的温室气体来自农业活动，而我国农业碳排放量在碳排放总量中所占的比例（16%17%）高于国际平均水平（Tian et al.，2014；Huang et al.，2019；Liu et al.，2021）。农田同时也是陆地生态系统的重要碳汇，我国的农田生态系统贡献了全国约 12%的陆地碳储量（王珂等，2021）。2012 年以来，我国对生态环境保护的认识不断增强，于 2020 年提出了“碳达峰”、“碳中和”的目标，生态文明建设的国家战略地位日益显著（王雨辰等，2022）。充分研究和合理利用农田的碳源-碳汇双重属性，可为我国区域减排增汇提供基础依据，也对保障粮食安全、促进区域产业结构调整和统筹协调发展具有重要意义（黄祖辉等，2011）。碳足迹法是研究碳源-碳汇作用的重要理论方法，能够从生命周期的角度反映碳排放的整个过程（张鹏岩等，2017）。目前以碳足迹刻画温室气体排放强度的方法不断推广（Shi et al.，2021），应用已从家庭、产业等微观层面（Liu et al.，2019；Andersson，2020；Burchart-Korol et al.，2020；Wang et al.，2020；Jack et al.，2021；Lvay et al.，2021；柳君波等，2022）逐渐扩大至组织、企业（Filimonau et al.，2021；Hu et al.，2021；Marinelli et al.，2021；Rizan et al.，2021）乃至区域和国家（Moran et al.，2018；Zheng et al.，2020），耕作方式、种植结构、耕地面积、土地利用方式变化等都是影响农田碳足迹的重要因素（陈中督等，2019；李春喜等，2020；1150 生态环境学报 第32卷第6期（2023年6月）郝小雨等，2022）。针对农田生态系统的碳足迹研究已取得积极进展，如王敬哲等（2016）、李明琦等（2018）、叶文伟等（2021）和张精等（2021）分别讨论了新疆、云南、海南岛和安徽农田生态系统碳足迹的时空变化，识别出化肥是农田生态系统碳排放的主要因素，而 Tian et al.（2016）除了提出化肥是影响农田碳排放的主要因素外，还报道了城市化率与农业人均 GDP 增长对农田碳排放的扩大影响。田志会等（2018）基于京津冀一体化，分析了京津冀地区的碳足迹变化，发现京津冀地区农田生态系统碳汇功能持续减弱，主要由粮食播种面积和经济产量的大幅下降所致。Li et al.（2021）核算了青藏高原 19902015 年长时间尺度的农业碳足迹，报道了农业碳足迹先下降后上升的趋势，认为经济和人口的增长导致了农业碳足迹的增加。我国目前农田生态系统碳足迹研究大多以行政区划为研究范围的边界，然而以自然地理单元为研究区域的农田碳足迹研究报道尚较少。自然地理单元往往具有更强的环境系统性，如更利于水资源调配和水污染治理的上下游联动和产业布局调整等。分析自然地理单元的农田生态系统碳足迹，对认识农业生产的碳排放和产业结构、提出农业生产碳减排的可行方案具有重要意义。自然地理单元汾渭平原是黄河流域重要的农业生产基地，是中国七大粮食产区之一，生态环境相对脆弱，四周高山环绕，重工业发达，空气污染较为严重，该区域的碳排放尚需关注。本研究核算了 20112020 年汾渭平原农田生态系统的碳源-碳汇作用及碳足迹，分析其时空分布变化规律，以深入了解汾渭平原农业活动的碳排放特征，提供汾渭平原产业结构和区域可持续发展的基础信息。1 材料与方法 1.1 研究区概况 汾渭平原是黄河中游地区最大的冲积平原，由汾河平原、渭河平原及其周边台塬阶地构成，呈东北西南向分布，东西长 760 km，南北宽约 40100 km，地势从东到西逐渐开阔。汾渭平原包括陕西省西安市、宝鸡市、咸阳市、渭南市、铜川市，山西省晋中市、吕梁市、临汾市、运城市，以及河南省洛阳市、三门峡市等共 11 个地级市。属温带半湿润气候，东部气温高于西部，但降水略少于西部。汾渭平原总面积约 1.60107 hm2，其中耕地约4.00106 hm2，2020 年 GDP 约 2.95 万亿元。汾渭平原的产业结构在 20112020 年间出现了较为明显的调整，各城市第一产业在产业结构中一直贡献最少，多数城市的支柱产业从第二产业调整为第三产业。西安市经济体量最大，洛阳市次之，其余城市 GDP 总量差异不大。汾渭平原是我国原煤和焦炭的重要产区，重工业仍是部分城市的支柱产业（如宝鸡、三门峡），其能源结构也仍以煤炭为主（Wang et al.，2021）。1.2 农田生态系统碳足迹核算方法 1.2.1 碳排放的估算 目前农业碳排放测算研究的方法有排放系数法、模型模拟法以及实地测量法等，其中排放系数法收录于政府间气候变化委员会的国家温室气体清单指南，目前最为常用（胡永浩等，2023）。本文采用排放系数法计算碳排放量，选择化肥使用过程、农药使用过程、农用塑料薄膜、农业机械过程、农业灌溉过程和农业机械柴油使用等 6 种主要碳排放途径估算农田碳排放量，计算公式如下：E=GfA+GpB+GmC+(AeD+WeF)+AirG+GsJ （1）式中：E区域内农田碳排放总量，t；Gf农用化肥使用量，t；Gp农药使用量，t；Gm农膜使用量，t；Ae农作物播种面积，hm2；We农业机械总动力，kW；Air农田有效灌溉面积，hm2；Gs农业机械柴油使用量，t；A、B、C、D、F、G 和 J碳排放系数，根据我国农田生产特点和文献报道（West et al.，2002），选取本领域的常用值，分别为 0.8956 tt1、4.9341 tt1、5.18 tt1、0.01647 thm2、1.8104 tkW1、0.26648 thm2和 0.5927 tt1。1.2.2 碳吸收的估算 利用农作物产量及其相应经济系数、含水率、含碳量和根冠比等特征指标计算农田生态系统全生命周期的碳吸收能力（张剑等，2009；段华平等，2011；韩召迎等，2012；王敬哲等，2016；Li et al.，2021；Shi et al.，2021），建立碳吸收估算公式如下：11=(1)(1)/nniiiiiiiiWWCYVRH=+（2）式中：W区域内农田生态系统总碳吸收量，t；i作物种类；Yi 第 i 类作物收获的鲜物质质量，t；Ci 第 i 类作物的含碳率，%；Vi 第 i 类作物的含水率，%；张露等：20112020 年汾渭平原农田生态系统碳足迹的时空格局演变 1151 Ri 第 i 类农作物的根冠比系数，无量纲；Hi 第 i 类作物经济系数，无量纲。Ci、Vi、Ri、Hi的取值参考文献（田志会等，2018；孙小祥等，2021）（见表 1）。1.2.3 碳足迹的核算 本文使用碳足迹核算公式为：VCEF=E/VNEP（3）VNEP=W/S（4）式中：VCEF碳足迹，即农田生态系统吸收其净碳排放所需要的播种面积（Li et al.，2021），hm2；E区域内农田碳排放总量，t；VNEP单位面积耕地上植被的碳吸收量，即农田生态系统单位耕地面积碳吸收量，thm2；W区域内农田生态系统总碳吸收量，t；S区域内耕地面积，hm2。碳生态赤字/盈余则可以用区域农田生态系统碳足迹 VCEF与区域耕地面积 S 的比值表示。当农田生态系统碳足迹超过区域生态承载力（耕地面积）时，即该值大于 1 hm2hm2时，说明存在碳生态赤字状态，反之则表现为碳生态盈余状态。1.3 基础数据获取 20112020 年汾渭平原各市主要农作物产量及播种面积、化肥施用量、农药使用量、农业机械总动力、农田有效灌溉面积和农业机械柴油等数据主要获取自相应年份的山西省农村统计年鉴、中国区域经济统计年鉴以及各省市统计年鉴，部分城市的耕地面积数据获取自其相应年份的国民经济和社会发展统计公报。个别城市部分年份数据缺失，以计算相应指标在本省历年平均占比填补；山西省运城市农用机械柴油数据利用其机械总动力在全省所占的平均比例估算；所用的全省数据获取自各省份统计年鉴及相应年份的中国统计年鉴和中国农村统计年鉴。2 结果与讨论 2.1 汾渭平原农田生态系统的碳排放 20112020 年间汾渭平原农田生