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四川省农田生态系统碳足迹和碳生态效率时空变化
李　华，袁鹏飞，王　洁，李晓英，王文玉
（绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳６２１０００）
  摘要：农田生态系统具有碳源和碳汇功能，是陆地生态系统的重要组成部分，探究农田碳足迹进而为农田生态系统的可持续发展提供参考。基于２０００—２０２０年四川省以及２１个市（州）的农田生
产投入和农作物产量等数据，构建农田生态系统碳足迹模型，对碳足迹、碳生态效率的时空变化特征和影响因素进行探讨。结果表明，２０００—２０２０年四川省农田生态系统碳排放量呈先波动上升后下降的趋势，拐点发生在２０１６年，其中土壤翻耕、化肥使用为碳排放量的主要贡献因素，占比分别为４４．７４％、３０．２２％。碳吸收量呈先减后增的趋势，２００６年碳吸收量减至最低值，气象灾害是主要影响因素。水稻、玉米、小麦对碳吸收量的贡献较大。农田生态系统碳足迹呈先波动增长后持续下降的变化，２００６年为最大值。２０００—２０２０年四川省农田生态系统均为碳生态盈余状态，碳生态效率年均为５．１５０ｋｇＣ／ｋｇＣＥ。从空间上看，四川省农田生态系统碳排放、碳吸收、碳足迹、碳生态效率均呈现西北低、东南高的分布格局；单位面积碳足迹却呈现西北高、东南低的分布，空间差异和变化幅度差异均较大，主要是因为各地区农业生产条件和发展水平不同。应因地制宜，从农资投入、田间管理、种植结构等进行优化调节，进而促进农田生态系统绿发展。  关键词：农田生态系统；碳足迹；碳排放；碳吸收；碳生态效率；时空变化特征；四川省  中图分类号：Ｓ１８１  文献标志码：Ａ  文章编号：１００２－１３０２（２０２３）１１－０１９２－１０
收稿日期：２０２２－０８－１６
基金项目：四川省社会科学重点研究基地－四川县域经济发展研究中心项目（编号：ｘｙ２０２２０５９）。
作者简介：李　华（１９７９—），女，四川绵阳人，硕士，讲师，主要从事农业生态环境与可持续发展研究。Ｅ－ｍａｉｌ：２４３８６２２３＠ｑｑ．ｃｏｍ。
  近年来，温室气体排放导致气候变暖已成为全球关注的焦点问题，其中减源增汇成为研究热
点［１］。应对气候变化，中国提出“双碳”目标［２］。根
据２０１８年《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》，甲烷、氧化亚氮排放总量成为位居我国第二和第三的温室气体，而农业生产活动产生的甲
烷占我国甲烷排放量的４
０．５％，而氧化亚氮占总量的６５．４％，农业生产活动成为重要的温室气体排放源。农田生态系统是半自然的生态系统，兼具碳源
和碳汇作用，是陆地生态系统的重要组成部分［３－５］
。分析农田生态系统碳足迹以及影响因素对区域农
业低碳发展具有重要意义［１］
。
Ｒｅｅｓ提出生态足迹，并由此而产生包括生态足迹、碳足迹和水足迹的足迹家族，为全面评价区域资源环境压力提供了理论
基础［６－７］
。碳足迹是指在一定时间和空间内，某种活动引起的直接或间接的二氧化碳排放量的度
量［５］
。农田碳足迹是指农田生产活动中，吸收农田
生产性投入而引起的碳排放所需的生产性的土地面积［５，８］。国内学者从多尺度对农田碳足迹进行探究，田云等对中国农业碳排放以及农田生态系统碳足迹进行分析［９－１０］；郭永奇等对河南省农田生态系统碳足迹时空变化进行探讨［１１－１２］；张精等分别对安徽、吉林、江苏、湖南、新疆、云南、海南等省域农田生态系统碳足迹进行研究［８，１３－１７］，各区域生态足迹差异明显；市域尺度下，杨皓然等分别研究安徽省潍坊市农田生态系统碳足迹变化以及碳足迹动态影响效应［１８－１９］；县域尺度下，唐廉等研究重庆市酉阳县农田生态系统碳足迹特征［２０］，邵技新对贵州省毕节地区岩溶山区县域农业碳足迹进行分析［２１］。当前国内学者对碳源、碳汇以及碳足迹进行较多研究，而碳足迹与碳效率的联合分析较少。田志会等对北京市农田生态系统碳足迹以及碳生态效率进行研
究［２２］，史磊刚等对华北平原主要作物生产的碳效率进行研究［２３］。四川省是我国中西部地区最具代表性的农业大省，是全国优质粮、油、畜、禽、菜、果、茶等农产品重要基地，是全国重要粮食主产区和重要农产品供给区［２４－２５］，随着农业化肥和农业机械在农业生产过程中的广泛应用，农业碳排放所造成的环境问题也日益突出，已成为造成农业生态环境恶化的重要原因之一［２５－２６］。目前对于四川省农田生态系统碳足迹以及碳效率的时空变化研究尚未见报道。本研究分析四川省近２０年来的碳源／汇、碳足迹、碳效率时空变化特征以及主要影响因素，以期为四川省农田生态系统管理以及农业可持续发展提供科学依据。
１　材料与方法
１．１　研究区概况
四川省位于中国西南地区内陆，辖区面积４８．６万ｋｍ２，地处长江上游，素有“天府之国”的美誉。地貌东西差异大，地形复杂，气候多样。四川省作为我国传统农业大省，是全国１３个粮食主产区之一，四川省农业发展取得重大成效。在全省由农业大省向农业强省跨越的同时，农业环境被污染，农田生态系统被破坏，农业的可持续发展面临严重威胁。１．２　数据来源
本研究数据主要来源于《四川统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《四川农村统计年鉴》以及２１个市（州）的统计年鉴、统计公报，包括２０００—２０２０年四川省以及各市（州）的化肥、农药、农膜
、农用柴油用量，农作物播种面积、灌溉面积、耕地面积以及各类农作物经济产量。
１．３　研究方法
１．３．１　农田生态系统碳排放量估算　农业生产碳排放包括农业生产过程所投入的化肥、农药、农膜所引起的碳排放；农业机械使用所消耗化石燃料（如柴油）所产生的碳排放；农业翻耕引起土壤有机碳库的碳排放；农业灌溉过程中间接消耗化石燃料所形成的碳释放［３，１１］，其计算公式［８］为
Ｔ＝∑Ｔ
ｉ
＝∑Ｅ
ｉ
×δ
ｉ
。（１）
式中：Ｔ表示四川省农田生态系统的碳排放总量；Ｔ
ｉ表示第ｉ种碳源的碳排放量；Ｅ
ｉ
表示第ｉ种碳源的
数量；δ
ｉ
表示第ｉ种碳源的碳排放系数［８，２７－２８］，其中化肥０．８５９６ｋｇ／ｋｇ，农药４．９３４１ｋｇ／ｋｇ，农膜５ １８ｋｇ／ｋｇ，柴油０．５９２７ｋｇ／ｋｇ，翻耕３１２．６２ｋｇ／ｈｍ２，农业灌溉２６６．８ｋｇ／ｈｍ２。
１．３．２　农田生态系统碳吸收量估算　结合农作物产量、经济系数、碳吸收率和含水率等指标，计算农作物碳吸收量［２９－３０］，计算过程为
Ｃ
Ａ
＝∑ｎ
ｉ＝１
Ｃ
ｉ
＝∑ｎ
ｉ＝１
Ｃ
ｆ
Ｙ
ｉ
×（１－Ｗ
ｉ
）／Ｈ
ｉ
。（２）
式中：Ｃ
Ａ
表示农作物的碳吸收总量；Ｙ
ｉ
表示第ｉ类
农作物的经济产量；Ｗ
ｉ
表示ｉ类作物产量中的含水
率；Ｈ
ｉ
表示第ｉ类农作物的经济系数；Ｃ
ｆ
表示第ｉ类农作物光合作用吸收的碳，即碳吸收率。四川省农业农田生态系统的主要农作物包括水稻、小麦、玉米、豆类、薯类、花生、油菜、棉花、甘蔗、烟草、蔬菜、瓜果类等，其经济系数、含水率和碳吸收率［３１］见表１。
表１　主要农作物经济系数、含水率、碳吸收率
农作物经济系数（Ｈｉ）
含水率（Ｗｉ）
（％）
碳吸收率（Ｃｆ）
水稻０．４５１２０．４１４０
小麦０．４０１２０．４８５３
玉米０．４０１３０．４７０９
豆类０．３５１３０．４５００
薯类０．７０７００．４２２６
史磊
花生０．４３１００．４５００
油菜０．２５１００．４５００
棉花０．１０８０．４５００
甘蔗０．５０５００．４５００
烟草０．５５１７０．４５００
瓜果类０．７０９００．４５００
蔬菜０．６５９００．４５００
１．３．３　农田生态系统碳足迹估算　碳足迹为消纳
碳排放所需要的生产性土地的面积，即ＣＥＦ（ｈｍ２）。其计算公式［１５－１６］为
ＣＥＦ＝Ｔ／ＮＥＰ；（３）
ＮＥＰ＝Ｃ
Ａ
／Ｓ。（４）式中：Ｔ表示农田生态系统的碳排放总量；ＮＥＰ表示
农田生态系统单位面积植被的碳吸收量；Ｃ
Ａ
表示农田生态系统中农作物的碳吸收量；Ｓ表示种植面积，ｈｍ２。农田生态系统碳足迹大于生态承载力（播种面积），为碳生态赤字（ＣＥＤ）；农田生态系统碳足迹小于生态承载力，则为碳生态盈余（ＣＥＲ）。
ＣＥＤ＝ＣＥＦ－ＣＥＣ  ＣＥＦ≥ＣＥＣ；（５）
ＣＥＲ＝ＣＥＦ－ＣＥＣ  ＣＥＦ≤ＣＥＣ。（６）１．３．４　农田生态系统碳生态效率计算　参考田志会等的研究结论［２２］，碳生态效率的计算公式为
Ｃ
Ｓ＝Ｃ
Ａ
／Ｔ。（７）
Ｃ
Ｓ
碳生态效率（ｋｇＣ／ｋｇＣＥ）是指作物通过光合作用固定的碳量与碳投入量的比值，是评估农业生产可持续性的指标之一。其值小于１，表明农田生态系统是碳源，农业生产可持续性降低；碳生态效率大于１，则农田生态系统为碳汇，其值越大表明农业生产可持续性越高。
２　结果与分析
２．１　四川省农田生态系统碳排放特征
２．１．１　碳排放的时间变化特征　２０００—２０２０年四川省农田生态系统碳排放量总体呈现为先波动上升再下降的趋势（图１）。２０００—２０１６年碳排放量波动增加，自２０００年的６２１．６３万ｔ增加至２０１６年的６９０．０２万ｔ，年均增长率为０．６５４％，主要原因为农膜、柴油和农业灌溉碳排放量的持续增加，分别自２０００年的２５．１７万、１７．６０万、６５．７９万ｔ增加至２０１６年的４７．７５万、２７．８０万、７５．０１万ｔ，年均增长率分别为４．０８％、２．９０％、０．８２％；２０１７—２０２０年碳排放量呈现下降趋势，从２０１７年的６８６．２０万ｔ下降到２０２０年６６７．４０万ｔ，其中化肥、农膜、农药引起的碳排放量减少趋势较明显，从２０１７年的２０８．０２万、４７．１１万、２７．５１万ｔ分别下降到２０２０年的１９０ ０４万、４１．０４万、２０．７９万ｔ。２０００—２０２０年在碳排放的驱动因素中，农业翻耕和化肥使用导致的碳排放量所占比例最高，平均分别为４４．７４％、３０ ２２％，其他驱动因素如农膜、农药、柴油所占百分比较小，平均占比分别为５．８５％、４．２８％、３．７２％
。  由于四川省的耕地面积以及不同农作物的种植面积在２０００—２０２０年均发生改变，碳排放总量不能充分反映碳排放特征，单位面积碳排放量的研究尤为必要。四川省农田单位面积碳排放总量呈先上升再下降的趋势：２０００—２０１１年单位面积碳排放量总体呈现上升的趋势，从２０００年的６４６．９２ｋｇ／ｈｍ２增加到２０１１年的７３０．８１ｋｇ／ｈｍ２，年均增长率为１ １１％。２０１２—２０２０年呈现下降趋势，从２０１２年的７２９．００ｋｇ／ｈｍ２下降为２０２０年的６７７．６３ｋｇ／ｈｍ２，年均下降速率为０．９１％，原因是化肥、农药、农膜用量持续减少。
２．１．２　碳排放的空间变化　四川省农田生态系统碳排放量总体呈现“西北低、东南高”的格局（图２）。２０００—２０２０年平均碳排放量较大的地区有川东经济区的南充市、达州市和成都平原经济区的成都市，为农业生产发达地区，年平均碳排放量均超过５５万ｔ，其贡献比分别为８．６４％、８．０８％、８ ２０％。年平均碳排放总量低于１０万ｔ的有川西北的甘孜州、阿坝州和攀西经济区的攀枝花市，其碳排放量占比分别为０ ８２％、０．７９％、１．０５％，甘孜州的碳排放量最低，仅为５．９１万ｔ。甘孜州、阿坝州以畜牧业发展为主，农田种植较少，各地区碳排放量最大值与最小值之间相差近１５倍。从时间上看，多地的碳排放量呈现先上升后下降的趋势。凉山州的碳排放量持续增长，自２０００年的３０．２９万ｔ增加到２０２０年６０．７３万ｔ，增幅为１００．５％，年均增长率为３．５４％。成都市碳排放量呈现下降趋势，自２０００年的６９．２５万ｔ下降到２０２０年５５．７１万ｔ，年均降幅为１．１％。由此可见，四川省农田碳排放量在空间分布上不均匀，时间变化幅度也存在较大差异。
  四川省农田生态系统单位面积碳排放量空间分布不均匀（图３），单位面积碳排放量年均最大的为攀枝花市，达１１７１．３９ｋｇ／ｈｍ２。２０１５年攀枝花市单位
面积碳排放量达到最高值，为１３５４．０７ｋｇ／ｈｍ２，农业生产仍以农资高投入为主，资源利用率不高；最低值为资阳市，仅为６０３．９４ｋｇ／ｈｍ２。２０００—２０１５年多地单位面积碳排放量呈现增加趋势，农业资源的投入水平仍为持续增加状态；２０１５—２０２０年单位面积碳排放量呈现下降趋势，与碳排放总量的变化趋势一致，农业生产向可持续状态发展。
２．２　四川省农田生态系统碳吸收特征２．２．１　碳吸收的时间变化特征　２０００—２０２０年四川省
农田生态系统碳吸收总量呈先减后增的趋势
变化（图４）。２０００—２００６年碳吸收总量和单位面积碳吸收量均呈波动下降趋势；２００７—２０２０年碳吸收总量和单位面积碳吸收量均持续上升，年均增幅为分别为１．５８％、１．０９％。碳吸收总量和单位面积碳吸收量的最低值均出现在２００６年，因为２００６年川渝地区遭遇自有气象记录以来最严重的干旱，导致主要粮食作物水稻、玉米、小麦产量大幅下降。农业生态系统碳库构成中水稻、玉米、小麦、油菜为主要碳吸收的农作物，碳吸收总量分别为１２０２．７５万、８１３．２５万、４０６．４４万、３６２．２２万ｔ，贡献比为水稻（３５．５９％）＞玉米占（２４．０６％）＞小麦（１２．０３％）＞油菜（１０．７２％）。２０００—２０２０年玉米、油菜、蔬菜、豆类等的碳吸收量均持续增长，其中玉米的碳吸收量从２０００年的６３１．５３万ｔ增至２０２０年的１０９０．７８万ｔ，年均增幅为２．７７％；小麦的碳吸收量持续下降，从２０００年的６５５．８６万ｔ降至２０２０年的２６３．３９万ｔ，年均降幅为４．４６％；２０００—２００６年水稻的碳吸收量波动下降，２００７—２０２０年保持稳定，变化较小。不同作物碳吸收量的时间变化差异较大，是因为种植结构调整、种植面积以及产量变化而导致。２．２．２　碳吸收的空间变化特征　四川省农田生态系统碳吸收量呈现西北低、东南高的格局（图５）。２０００—２０２０年平均碳吸收量最大的地区为南充市、成都市和达州市，碳吸收量均在３００万ｔ左右，
贡献比分别为９．３８％、８．７６％、８．２０％。碳吸收量低于５０万ｔ的地区为攀枝花市、阿坝州、甘孜州、分别占碳排放总量的０．９４％、０．４５％、０．３５％，甘孜州的碳吸收量仅为１１．９６万ｔ。碳吸收量最大值与最小值的地区相差２８倍，地区差异较大。从时间上看，２０００—２００５年除甘孜州的碳吸收量微弱增加外，其他２０个地区的碳吸收量均在减少，多个地区持续减至２０１０年。２０１０—２０２０年除雅安市和广安市的碳吸收量减少外，其他１９个地区的碳吸收量均持续增加。２０００—２０２０年甘孜州和广元市的碳吸收量均有较大增幅，甘孜州自２０００年的８．９３万ｔ持续增加至２０２０年的１６．７０万ｔ，增幅为８７．０１％；广元市自２０００年的１４９．１４万ｔ持续增加至２０２０年的２０２．７６万ｔ，增幅为３５．９５％
。