河南省中北部不同土地利用类型净碳汇及其价值

滕永忠，白保勋，陈东海，徐婷婷，宋长新，王卫华

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002； 2.郑州市农林科学研究所，河南 郑州 450005； 3.开封市国有林场，河南 开封 475000； 4.周口市农业技术推广站，河南 周口 466000)

生产活动与化石燃料燃烧等活动释放了种类与数量较多的温室气体，改变了大气成分。其中，CO2排放量最多，对温室效应作用最大[1-3]。大气成分的变化对气候、自然环境等造成了不良影响[4-6]。随着经济的快速发展，中国已经成为世界上最大的CO2排放国[7-9]。

物资和能量投入对农林业生产起到积极作用，但是农林业生产活动与过量的物质投入会增加农田碳投入量[3-4]。农林业生产活动投入形式有机械柴油与电能2 种，前者包括耕作、播种、收获等柴油消耗，后者为灌溉电能投入；农林业物资投入为化肥(氮、磷、钾肥)与农药(杀虫剂、除草剂)[3-12]。

农林业生态系统是在一定地域内相互作用的生物因素和非生物因素构成的功能整体，绿色植物通过光合作用，吸收CO2释放O2，净化空气[13-14]。在农林业生态服务功能中，植物净碳汇对生态系统价值的贡献较大[15-16]。现有的研究主要对林木和粮经作物净碳汇进行探讨，对果树、设施农业进行的研究较少。多年生林木、果树和生长周期较短的粮经作物在研究方法上存在较大差异，粮经作物核算净碳汇时扣除了碳投入，而林地、果园、城镇绿地核算净碳汇时未考虑碳投入，从而导致农林业净碳汇无法进行精确比较。农林业一般处于同一个生态系统之中，故尝试采用统一的方法，把碳投入纳入净碳汇计算，量化评价农林业生态系统碳汇功能，对进一步了解农林业生态系统的碳收支，科学高效地经营管理农林业资源具有重要的现实意义[17-18]。

鉴于此，调查河南省中北部农林业生产活动与物资投入，确定农林业碳投入量，测定不同种类植物净生产力，计算植物固碳量，根据不同种类植物净碳汇，用碳税法计算不同种类植物与土地利用类型净碳汇的价值，旨在为农林业资源合理利用与低碳农林业发展提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

河南省中北部属暖温带大陆性季风气候，四季分明、雨热同期、干冷同季、灾害天气频繁。春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雨。年平均温度14.0～14.3 ℃，年平均降雨量599.5～707.0 mm。

该区域东部为平原，中部为低山丘陵，西部为山地。地带性土壤为棕壤及褐土，东西方向上变化显著，由东向西逐渐由潮土、褐土过渡到棕壤；受地形、母质、时间和人类活动等多种因素影响，土壤类型多样化，主要有褐土、潮土、风砂土、棕壤与水稻土等。

河南省中北部植被受地形和气候的影响，呈现出平原到山地不同环境的过渡性，同时，受人类活动的影响较大。按照经营目的、植物种类与生长环境的差异，把河南省中北部分为粮经作物、露地蔬菜、温室作物、果园、林地、城镇绿地6个土地利用类型。

1.2 研究方法

1.2.1 碳投入量 农业生产中碳投入量主要包括农业生产活动耗能与物资投入碳排放量的总和。碳投入量按照以下公式计算[19-20]：

(1)

式中，Ct为碳投入量，单位：kg/(hm2·a)；i为农业生产过程能源消耗种类，包括柴油、电能等；Cti为第i种能源消耗碳投入量，单位：kg/(hm2·a);j为农业生产资料消耗种类，包括农药、化肥等；m为生产资料消耗量，单位：kg/(hm2·a)，β为第i种生产资料的碳排放参数。不同农业生产资料的碳排放参数：施用1 kg N，碳投入量1.56 kg；施用1 kg P2O5，碳投入量1.63 kg；施用1 kg K2O，碳投入量0.65 kg；施用1 kg除草剂，碳投入量6.3 kg；施用1 kg杀虫剂，碳投入量5.1 kg；电能碳投入量 0.25 kg/(kW·h)；柴油碳投入量0.94 kg/kg[21-22]。

在6个土地利用类型中，林地、果园、城镇绿地中植物为多年生，取年碳投入量的多年平均值作为其碳投入量；粮经作物中植物为一年两茬轮作的草本，碳投入量为主要植物年碳投入量平均值的2倍；露地蔬菜与温室作物碳投入量均按照1 a内轮作作物碳投入量总和计算。

1.2.2 固碳量 在河南省中北部不同土地利用类型中，选择有代表性的植物，在植物生长季节设置样地。乔木林样地规格：10 m×10 m，灌木林样地规格：5 m×5 m，草本群落样地规格：2 m×2 m。用收获法测定不同种类植物生物量，多年生植物用其总生物量除以生长年限得到净生产力；生命周期不超过1 a的植物，其生物量即为净生产力[23-24]。

不同种类植物固碳量用以下公式计算[23]：

G碳=1.63R碳B年

(2)

式中，G碳为植物年固碳量，单位：kg/(hm2·a)；B年为植物净生产力，单位：kg/(hm2·a)；R碳为CO2中碳的含量，为27.27%。

在6个土地利用类型中，林地、果园、城镇绿地取植物年固碳量的平均值，作为其固碳量；粮经作物固碳量以主要植物固碳量平均值的2倍计算；露地蔬菜与温室作物固碳量按照1 a内轮作作物固碳量总和计算。

1.2.3 净碳汇及其价值 用固碳量减去相应的碳投入量得到不同种类植物的净碳汇，用碳税法评价不同种类植物净碳汇的价值[11-12]。

U碳=C碳(G碳-Ct)

(3)

式中，U碳为植物年固碳价值，单位：元/(hm2·a)；G碳为植物年固碳量，单位：kg/(hm2·a)；Ct为碳投入量，单位：kg/(hm2·a)；C碳为碳的价格，单位：元/kg，2015年人民币与美元的平均汇率为6.228 4，碳税率折合人民币为0.934 元/kg。

2 结果与分析

2.1 不同种类植物净碳汇及其价值

2.1.1 碳投入量 根据调查结果，用公式(1)计算不同种类植物碳投入量。由表1可知，粮经作物碳投入量由大到小的顺序为水稻、小麦、玉米、花生；露地蔬菜碳投入量由大到小的顺序为番茄、黄瓜、莲藕、豆角、白菜、萝卜；温室作物碳投入量由大到小的顺序为番茄、黄瓜、菜椒、菊花、辣椒；果园碳投入量由大到小的顺序为柿树、苹果、葡萄、桃树、枣树、核桃；林地碳投入量由大到小的顺序为金银花、泡桐、杨树、柳树、国槐、油松、柏木、刺槐；城镇绿地碳投入量由大到小的顺序为月季、悬铃木、紫薇、雪松、银杏、石楠、黄山栾、女贞。

表1 不同种类植物的碳投入量 Tab.1 Carbon input of different plant species kg/(hm2·a)

续表1 不同种类植物的碳投入量 Tab.1(Continued) Carbon input of different plant species kg/(hm2·a)

2.1.2 固碳量 按照公式(2)计算不同种类植物的固碳量。由表2可知，粮经作物固碳量由大到小的顺序为水稻、玉米、小麦、花生；露地蔬菜固碳量由大到小的顺序为萝卜、白菜、莲藕、黄瓜、番茄、豆角；温室作物固碳量由大到小的顺序为辣椒、菜椒、番茄、黄瓜、 菊花；果园固碳量由大到小的顺序为柿树、葡萄、核桃、苹果、桃树、枣树；林地固碳量由大到小的顺序为刺槐、国槐、杨树、泡桐、柳树、油松、柏木、金银花；城镇绿地固碳量由大到小的顺序为悬铃木、银杏、石楠、雪松、女贞、黄山栾、紫薇、月季。

表2 不同种类植物的固碳量Tab.2 Carbon fixation of different plant species kg/(hm2·a)

2.1.3 净碳汇及其价值 用不同种类植物固碳量减去其碳投入量，得到净碳汇。由表3可知，粮经作物净碳汇及其价值由大到小的顺序为水稻、玉米、小麦、花生；露地蔬菜净碳汇及其价值由大到小的顺序为萝卜、白菜、莲藕、黄瓜、豆角、番茄；温室作物净碳汇及其价值由大到小的顺序为辣椒、菜椒、番茄、菊花、黄瓜；果园净碳汇及其价值由大到小的顺序为柿树、葡萄、核桃、苹果、桃树、枣树；林地净碳汇及其价值由大到小的顺序为刺槐、国槐、杨树、泡桐、柳树、油松、柏木、金银花；城镇绿地净碳汇及其价值由大到小的顺序为悬铃木、银杏、石楠、雪松、女贞、黄山栾、紫薇、月季。

表3 不同种类植物的净碳汇及其价值Tab.3 Net carbon sink and their value of different plant species

2.2 不同土地利用类型净碳汇及其价值

2.2.1 碳投入量 根据不同种类植物碳投入量，计算不同土地利用类型碳投入量。由表4可知，不同土地利用类型碳投入量，温室作物最大，其后依次为露地蔬菜、粮经作物、果园、城镇绿地，林地最小。为了获得较高产量的蔬菜产品，温室作物农业生产活动与物资投入较多；露地蔬菜化肥与农药使用量较大，碳投入量较高；粮经作物与果园碳投入量中等；城镇绿地与林地以多年生木本植物为主，前者需要修剪、施肥、喷药，后者一般除了喷药，经济林与丰产林施用化肥之外，不采取其他管理措施，碳投入量较低。

2.2.2 固碳量 根据不同种类植物固碳量，计算不同土地利用类型固碳量。由表5可以看出，不同土地利用类型固碳量以温室作物最大，其后依次为露地蔬菜、粮经作物、果园、城镇绿地、林地。温室作物生长过程中，农业生产活动与物资投入量高，即碳投入量高，植物生长加快，固碳量较高。城镇绿地与林地一般生长在立地条件较差的区域，以自然生长为主，碳投入量较小，固碳量较低；果园碳投入量较高，促进结果与果实生长，因此果实生物量所占比例较大，净生产力较高，固碳量较高。

2.2.3 净碳汇及其价值 根据不同种类植物净碳汇及其价值，计算不同土地利用类型净碳汇及其价值。由表6可知，不同土地利用类型净碳汇及其价值由大到小的顺序为温室作物、露地蔬菜、粮经作物、城镇绿地、林地、果园。不同土地利用类型的净碳汇及其价值主要取决于其固碳量与碳投入量，固碳量较高，碳投入量较低的土地利用类型具有较高的净碳汇及价值。

表4 不同土地利用类型的碳投入量Tab.4 Carbon input of different land-use types kg/(hm2·a)

表5 不同土地利用类型的固碳量Tab.5 Carbon fixation of different land-use types kg/(hm2·a)

表6 不同土地利用类型的净碳汇及其价值Tab.6 Net carbon sink and their value of different land-use types

3 结论与讨论

不同类型植物生长的环境差别较大，在河南省中北部的东部平原区，以农作物种植为主；在中西部丘陵区,林木、果树与农作物相间分布，在较为平坦的区域一般种植农作物，在坡度较小的区域栽培果园，在坡度较大的区域种植林木；城镇绿地主要种植多年生乔木与灌木、草本植物。粮经作物在农作物中所占面积较大，其次为露地蔬菜，温室作物种植面积较小。温室作物、露地蔬菜、粮经作物虽然均为农作物，但是获取的农产品差别较大，生长状况差别较大。温室作物与露地蔬菜生长环境有较大差别，所以分别归为2个土地利用类型；城镇绿地主要植物群落为多年生木本与草本植物，立地条件较差，受人为影响较大，生长较慢。

为了获得更高的产量，温室作物化肥和农药使用量较大，生产管理投入量较大，在不同土地利用类型中，碳投入量最大；露地蔬菜轮作茬数多于粮经作物，化肥和农药使用量较多，机械耗能较高，其碳投入量仅次于温室作物；粮经作物能量消耗和物质投入小于露地蔬菜，在以上3种土地利用类型中碳投入量最小。在多年生木本植物中，果园需要精细管理，能量和物质消耗量最大，碳投入量最大。新营造的森林在成林之后，除了喷药防治病虫害，基本无其他碳投入，碳投入量最低。多年生木本植物碳投入量小于生长期较短的草本植物。

在某一地域，农业和林业共处于同一个生态系统，不同种类植物是农林业生态系统的主要组成部分，提供生态、生产、生活等多种功能。绿色植物可以吸收二氧化碳，排放氧气，对于改善城乡空气质量具有重要作用。从观测计算结果来看，人工种植的草本植物，包括温室作物、露地蔬菜、粮经作物等，生长较快、固碳量较大；在多年生木本植物中，果树年生长量最大，其后为城镇绿地、林地，因此其固碳量也依次降低。 农林业生产活动与物资投入将增加农林业碳投入，降低了农林业净碳汇，过量化肥投入是农林业碳排放的主要来源，化肥进入土壤分解释放的气体也是造成雾霾的原因之一[25-28]。因此，大力推广测土配方施肥、水肥一体化、精准施肥、氮肥深施、多施有机肥等，以提高肥料利用率，达到降低碳排放目的。推广免耕、少耕等保护性耕作措施，有利于土壤固碳，提高土壤肥力，减少作物生产中肥料的施用量[11]。建议在农林业生产过程中增加净碳汇较大种类植物的种植面积，提高农林业植被净碳汇价值。当前，对林木净碳汇价值已经实施了生态补偿，与林木相比，农作物净碳汇价值更高，但是其净碳汇价值未进行生态补偿，建议把农作物净碳汇纳入生态补偿体系，减少农作物碳投入，提高农产品质量，充分发挥农作物净化空气的生态功能。