贵州喀斯特农田生态系统碳足迹时空差异研究

白义鑫，盛茂银，胡琪娟，高梦迪

（1.贵州师范大学喀斯特研究院，贵阳 550001；2.贵州省喀斯特石漠化防治与衍生产业工程实验室，贵阳 550001；3.国家喀斯特石漠化治理工程技术研究中心，贵阳 550001）

近年来，由温室气体排放引起的全球气候变暖问题已经引起了世界各国的高度关注[1]。为应对这一问题，减源增汇成为国内外研究的热点，也成为国内外许多生态建设项目的主要目标[2-3]。农田生态系统作为人类控制下的半自然生态系统，既是重要的碳源也是重要的碳汇[4-5]。一方面，农业活动作为重要的温室气体排放源，20%的CO2、70%的CH4以及90%的N2O 来源于农业及其相关过程[6-8]。另一方面，农田生态系统碳储量达170 pg，占全球陆地碳存量的10%以上[9]。Tang X.L.等[10]研究指出我国农田生态系统在陆地生态系统碳库中贡献了12%的固碳量。可见，农田生态系统在碳吸收方面潜力巨大。因此，定量分析农田生态系统碳源、汇变化特征及其影响因素对区域农业减源增汇意义重大。

碳足迹是在生态足迹概念的基础上提出的，指的是由某种活动（产品）生命周期内直接或间接引起的CO2排放量的度量[11-13]。农田生态系统碳足迹是指人类在农田上进行生产活动形成的碳流量[14-16]。在过去的几十年中，碳足迹已经被广泛应用于全球范围内与作物生产相关的碳投入的量化评价[17-18]。目前，国内学者对国家、省级碳足迹变化进行了较多研究，其中田云、段华平、赵荣钦等对中国农田生态系统碳足迹进行了研究[19-21]，王静[22]、张鹏岩[4]、王梁[5]、韩召迎[23]、钱小雍[24]、田云[25]、谢淑娟[26]、张燕[27]、袁再建[28]、黄晓敏[29]、Tian J.X.等[30]分别对山西、河南、山东、江苏、上海、武汉、广东、安徽、河北、黑龙江、湖南等省份农田生态系统碳足迹进行研究。杨皓然等[31]研究了潍坊市农田生态系统碳源汇及碳足迹变化，王梁等[32]对临沂市碳源汇变化及其影响因素进行分析。可见，当前国内学者对碳源汇及碳足迹进行较多研究，但多集中于沿海及农业发达省份地区，而对于西南喀斯特地区省份研究较少。喀斯特地区由于其生态系统的脆弱性以及人类不合理的土地利用等活动，石漠化问题突出，而喀斯特区域农业的低碳化对于石漠化治理以及中国乃至全球生态系统减源增汇至关重要[33-34]。贵州省作为中国南方喀斯特的中心[35]，其碳足迹较少的研究极大限制了西南喀斯特地区农业的低碳发展。张宝成等[36]对贵州省农业碳汇进行分析，但对于贵州省农田生态系统碳源、汇及碳足迹变化的综合研究至今未见报道。据此，本文以贵州省及其所辖贵阳、遵义、六盘水三市为研究对象，从不同尺度定量分析2007—2016年贵州省农田生态系统碳排放量、碳吸收量与碳足迹的变化特征及其影响因素，以期为贵州省农田生态系统碳排放清单提供基础，并为农业的可持续发展提供理论基础和技术支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

贵州省地处我国大陆西南部，云贵高原东部，24°37'～29°13'N、103°36'～109°35'E 之间，全省国土总面积1.76×105km2。属亚热带湿润季风气候，温暖湿润，雨量充沛，雨热同期，年均气温14.8 ℃，年平均降水在983～1 380 mm 之间。贵州省境内喀斯特广泛发育，喀斯特面积占全省面积比例高达61.9%，地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜。贵州省是全国唯一没有平原支撑的省份，土地资源以山地、丘陵为主，平坝地较少，分别为108 740 km2、54 197 km2、13 230 km2，其中山地、丘陵占全省土地总面积的92.8%，这种地形特点使得可用于农业开发的土地资源较少。贵州省农作物种类较多，主要有水稻、玉米、小麦、花生、油菜、烤烟等。本文以贵州省及其所辖贵阳、遵义、六盘水三市为研究对象，对其农业活动产生的碳排放量、碳吸收量及碳足迹进行测算，进而分析不同尺度农田生态系统碳源、汇及碳足迹变化特征，并对其影响因素进行分析。

1.2 农田碳足迹概念及边界界定

尽管碳足迹已被广泛应用，但其内涵却并不完全相同。碳足迹的定义主要有两种：一是指某种活动引起的（或某种产品生命周期内积累的）直接或间接的CO2排放量或温室气体转化的CO2等价物排放量；二是指吸收化石燃料燃烧排放的CO2所需的生产性土地面积[37-38]。具体而言，前者指碳排放量，后者指碳排放的占地面积。为便于与区域承载力比较以及与其他生态足迹组分的合并，本文选用第二种定义。本文以贵州省农田生态系统为研究对象，选择农地翻耕、化肥、农药、农膜、农用柴油、农田灌溉六种碳排放类型，小麦、玉米、水稻等10 种主要农作物为碳吸收类型进行农田生态系统碳源、汇核算。

1.3 农田生态系统碳排放量估算

在参考田云等[19]、赵荣钦等[21]碳排放方程建立方法的基础上，构建农田生态系统碳排放公式如下：

式（1）中：E 为农田生态系统碳排放总量，Ei为各类碳源碳排放量，Pi为各碳排放源的数量[包括翻耕面积（hm2）、化肥用量（t）、农药用量（kg）、农膜用量（t）、农用柴油用量（t）、灌溉面积（hm2）]，Qi为各排放源的碳排放系数，具体见表1。

表1 碳排放源类型及系数Table 1 Carbon source types and coefficients

1.4 农田生态系统碳吸收量估算

农田作物碳吸收指的是作物光合作用形成的净初级生产量，即生物产量[23]。根据贵州省农作物生长周期和特征，选取小麦、玉米、水稻、油菜籽、蔬菜、甘蔗、花生、烤烟、豆类、薯类10 种种植类型，在参考田云等[19]，张鹏岩等[4]碳吸收估算方程基础上结合张宝成等[36]对贵州省农田生态系统碳汇计量的方法，构建贵州省农田生态系统碳吸收估算公式，如下：

式中，T 为区域农田生态系统碳吸收总量，Ti为第i 种农作物碳吸收量，Ci为含碳率，Yi为第i 种农作物经济产量，Vi为第i 种农作物的含水率，Ri为第i 种农作物的根冠比系数，Hi为第i 种农作物的经济系数，n 为农作物种类数，本文n=10。各系数具体指标见表2[4，19，36]。

1.5 农田生态系统碳足迹估算

本研究农田生态系统碳足迹研究参考段华平等[20]的研究方法，公式如下：

式中，CEF 为农田生态系统碳足迹，E 为农田生态系统碳排放总量，NEP 为1 hm2的植被1年吸收的碳量，T 为农田生态系统中所有农作物全生育周期对碳的吸收量，S 为耕地面积。在碳足迹总量分析的基础上，碳足迹与耕地面积之比即单位面积碳足迹。

将农田生态系统碳足迹与区域耕地面积（S）进行比较，如果前者大于后者，表现为碳生态赤字（CED）；反之，则为碳生态盈余（CER）。公式如下：

1.6 数据来源

本研究数据资料主要来源于2007—2016年《贵州省统计年鉴》《贵阳市统计年鉴》《遵义市统计年鉴》和《六盘水市统计年鉴》以及其他相关统计报表。其中化肥、农药、农膜和农用柴油数据均以当年实际使用量为准，翻耕数据以当年实际播种面积为准，农业灌溉以当年实际灌溉面积为准。

表2 不同农作物碳吸收估算系数Table 2 Estimation factors for carbon absorption of different crops

2 结果与分析

2.1 贵州喀斯特农田生态系统碳排放特征

2.1.1 碳排放年度变化分析

根据前文所给公式，测算2007—2016年贵州省农田生态系统碳排放量，如表3所示。结果表明，2007—2016年，贵州省农田生态系统碳排放总量总体呈现逐年增长的趋势，由2007年的102.46×104t增至2016年的137.54×104t，年平均增幅为3.31%。其中，化肥、农药、农膜、翻耕、农用柴油、灌溉的碳排放量分别由 2007年的 73.48×104、5.28×104、3.22×104、1.41×104、17.46×104、1.6×104t 变化为 2016年的92.85×104、6.75×104、6.58×104、1.74×104、26.45×104、3.18×104t。此外，贵州省农田生态系统单位面积碳排放量呈现与总量基本一致的变化趋势，总体也呈逐年上升趋势，分别从2007年的330 kg/hm2上升到2016年的442 kg/hm2。这表明随着化肥、农药等农业投入品的增加以及农业机械化水平提高，农业产量增加的同时，其碳排放量也在不断增加。

由于贵州省的耕地面积由2007年的446.45 万hm2增长至2016年的559.68 万hm2，为更全面研究碳排放内容，在此分析不同碳源单位面积碳排放量。由图1可知，贵州省农田生态系统不同碳源单位面积碳排放以化肥施用排放占主导地位，由2007年的 236.4 kg/hm2增长至 2016年的 298.23 kg/hm2。其次为农膜，由2007年56.17 kg/hm2增长至2016年的84.94 kg/hm2，不仅总量大且增速也较快。而农药、农用柴油、翻耕及农田灌溉碳排放产生量显著小于化肥与农膜。可见，对于耕地面积变化较小的贵州省，以化肥为主导的农用投入的增加是导致农田碳排放增加的主要原因。

表3 贵州省农田生态系统碳排放量与单位面积碳排放量Table 3 Carbon emissions and carbon emissions per unit area of farmland ecosystems in Guizhou Province

图1 不同碳源类型单位面积碳排放量Figure 1 Carbon emissions per unit area of different carbon sources

2.1.2 不同空间尺度碳排放分析

由于贵州省各地区耕地面积、种植结构等存在差异，因此讨论不同尺度农田生态系统碳排放量成为研究贵州省碳排放量的必经之路。选择贵州省农业发展程度较高、规模较大的贵阳、遵义及六盘水三市，以2016年各市化肥、农药、农膜、农用柴油、翻耕、农田灌溉等计算碳排放总量及单位面积碳排放量。由图2可知，贵阳、遵义、六盘水三市碳排放总量存在显著差异，分别为贵阳（7.43×104t）＜六盘水市（7.55×104t）＜遵义（27.63×104t），这主要是由于农用化学品的投入以及资源能源消耗总量的不同引起的。单位面积碳排放则呈现出与总量相反的变化趋势，表现为贵阳＞贵州省＞六盘水＞遵义。原因可能是贵阳市作为省会城市，城市化的发展导致人口剧增，对粮食需求不断加大，因此需要在有限土地上加大农用投入以提高作物产量；而六盘水、遵义碳排放总量大主要是因为其耕地面积相对较大，以至于碳排放总量与单位面积碳排放量呈现出不同的变化趋势，可见对于不同尺度农田生态系统应采取不同的措施进行调控。

图2 不同尺度农田生态系统碳排放Figure 2 Carbon emissions from farmland ecosystems at different scales

2.1.3 主要碳排放途径分析

通过分析贵州省2007—2016年农田生态系统6 种主要碳排放途径（表3、图1），结果表明，施用化肥产生的碳排放量占总排放量的比例最大，平均为68%，而且呈现逐年增加的趋势。2016年贵州省化肥使用强度为298.23 kg/hm2，虽远低于山东省的430.61 kg/hm2及河南省的763.54 kg/hm2，但仍高于发达国家公认的安全警戒线225 kg/hm2，因此，农田化肥的施用应引起足够的重视[4-5]。其次为农膜使用产生的碳排放量，占总排放量的19%，原因可能是在生境脆弱的喀斯特地区，使用农膜可以有效起到保土保墒的作用。农药、农用柴油产生量占比均为5%，而翻耕、灌溉产生量共占碳排放总量的3%。结合表3、图1和图2可知，贵州省与贵阳、遵义、六盘水三市主要碳排放途径表现出相同的趋势，均为化肥所占比例最高，依次为68%、73%、81%、72%，其次为农膜使用产生的碳排放量，分别占碳排放总量的19%、16%、10%、14%，两者所产生碳排放量占总排放量比分别为87%、89%、91%和86%。因此，优化肥料施用的种类及方式、减少并科学地进行农膜使用应是未来碳减排的重点，对于贵州省农田生态系统减源增汇意义重大。

2.2 贵州省喀斯特农田生态系统碳吸收分析

2.2.1 碳吸收量年度变化分析

根据2007—2016年贵州省农田生态系统主要农作物产量及播种面积计算碳吸收总量与单位面积碳吸收量，如表4。结果显示，贵州省近10年农田生态系统碳吸收呈现先上升后下降再上升的趋势，变化范围为 1 399.03×104～1 921.64×104t，2011年处于低谷，较最高时期（2016年）减少了27.2%。与之相对应，单位面积碳吸收量呈现与碳吸收总量一致的变化趋势，也表现为上升、下降再上升的趋势，变化范围在4.58～6.46 t/hm2，最低值出现在2011年的4.58 t/hm2，其中，碳吸收总量与单位面积碳吸收量下降的原因主要是粮食播种面积下降，而粮食播种面积下降则主要是由于贵州省喀斯特地区的退耕还林、生态退耕等政策[40]。2011年后恢复性增长主要是因为政府对农业生产的扶持力度加大以及农业机械化水平提高促使农作物单产水平提高，此外，粮食价格提高也是一大因素，在一定程度的促使粮食播种面积增加。

在研究期间内，贵州省不仅耕地面积发生变化，各种农作物的播种面积亦随之发生变化，因此，研究不同种植类型单位面积碳吸收量变化十分必要。由图3可知，贵州省2007—2016年不同农作物单位面积碳吸收总体上呈现增加趋势。其中，水稻单位面积碳吸收量较大但增速缓慢，由2007年的13.78 t/hm2变化至2016年的13.31 t/hm2，究其原因为水稻种植面积较大且研究期间耕地面积变化较小；其次为甘蔗和玉米，甘蔗单位面积碳吸收量较大且增速较快，由 2007年的 6.36 t/hm2变化为 2016年的 9.54 t/hm2，但其种植面积较小，碳吸收总量较小；玉米单位面积碳吸收量由6.06 t/hm2变化为5.73 t/hm2，但2013年以后呈现增加趋势，此外玉米种植面积较大，所以碳吸收量相对较大。此外，蔬菜由于其经济价值高且需求量大，种植面积由2007年的527.85 万hm2变化为2016年的1 050.92 万hm2，但其单位面积碳吸收量较小，仅为1.61 t/hm2，故碳吸收总量不大。其余种植类型单位面积碳吸收量较小且变化趋势平稳。

表4 贵州省农田生态系统碳吸收量与单位面积碳吸收量Table 4 Carbon absorption and Carbon absorption per unit area of farmland ecosystems in Guizhou Province

图3 不同种植类型单位面积碳吸收量Figure 3 Carbon absorption per unit area of different planting types

2.2.2 不同空间尺度碳吸收量比较分析

贵州省各地区耕地面积、种植结构等存在差异，因此讨论不同尺度地区不同种植类型碳吸收总量及其单位面积碳吸收量具有现实意义，以2016年贵阳、遵义、六盘水三市相关数据计算三市不同种植类型碳吸收总量及其单位面积碳吸收量。由图4可知，贵阳、遵义、六盘水三市碳吸收总量存在显著差异，表现为贵阳（95.94×104t）＜六盘水（118.33×104t）＜遵义市（653.24×104t），其差异主要体现在遵义市水稻碳吸收量大于六盘水市且远大于贵阳市。而贵阳市蔬菜碳吸收量则大于遵义及六盘水两市，原因主要为贵阳市城市化发展，人口急剧增加，对蔬菜等经济价值高的作物需求加大，使得蔬菜种植面积增加。单位面积碳吸收量则表现出与碳排放总量不同的趋势，表现为六盘水市＜贵阳市＜贵州省＜遵义市，但差别不大。

2.2.3 主要碳吸收途径分析

通过分析贵州省2007—2016年农田生态系统主要农作物全生育期碳吸收量的变化可知，不同农作物碳吸收量差异较大（表4）。其中，水稻碳吸收量远高于其他农作物，由2007年的931.88×104t 到2016年的 897.03×104t，平均占碳吸收总量的50.9%，但呈现减少趋势。其次为玉米，2016年碳吸收量为424.13×104t，占碳吸收总量的23%，2007—2016年水稻和玉米碳吸收量占总吸收量比重平均为69%。农作物碳吸收量较大的作物还有小麦和蔬菜，并呈增加趋势，其中蔬菜由2007年的90.10×104t 增加至 2016年的 169.06×104t，增加了 47%，主要是由于蔬菜经济价值较高，激发农户种植热情，使得蔬菜耕地面积增加。由表4、图3、图4可知，2016年贵阳、遵义、六盘水三市也表现出相同趋势，水稻、玉米两者碳吸收量占总碳吸收量的比例分别为63%、76%、88%。因此，利用国家和省政府粮食鼓励政策积极发展水稻、玉米等传统作物对地区农田生态系统碳汇意义重大，蔬菜、油料作物的发展增速较快，也应加大相关基础设施建设促使其单位面积产量快速提高。

图4 不同尺度农田生态系统碳吸收Figure 4 Carbon absorption of farmland ecosystems at different scales

2.3 贵州省喀斯特农田生态系统碳足迹分析

2.3.1 碳足迹年度变化特征分析

根据前文公式计算贵州省农田生态系统碳足迹（表5）可知，2007—2016年贵州省农田生态系统碳足迹总体呈现增长趋势，由2007年的20.51×104hm2增加至 2016年的 28.20×104hm2，最大值出现在2011年，为33.16×104hm2。农田生态系统碳足迹占同期生产性土地面积的比例约为8.6%，但随着时间的推移，呈现增加趋势，2007年为6.5%，2016年为9.1%。此外，贵州省农田生态系统的碳足迹均远小于同期耕地面积，说明贵州省农田生态系统存在生态盈余。据赵荣钦等[42]研究结果显示，农田生态系统碳生态盈余可以补充工业发展与社会生活的碳生态赤字，这对于贵州省的可持续发展具有积极意义。2007—2016年贵州省农田生态系统单位面积碳足迹总体呈增加趋势，2007年和2016年分别为0.066 hm2/hm2和0.091 hm2/hm2，平均增幅达到2.3%。说明随着化肥、农药、农膜等大量施用以及农用机械、灌溉等现代农耕技术的广泛应用，贵州省农田生态系统碳库作用正不断减弱，增汇型种植以及农业的去石油化势在必行。

2.3.2 不同空间尺度碳足迹特征分析

由图5可知，2007—2016年贵州省和贵阳、遵义、六盘水三市碳足迹总量虽有变化，但总体呈增长趋势。三地级市碳足迹存在差异，表现为遵义（7.08～21.02 万 hm2）＞六盘水（2.17～8.20 万 hm2）＞贵阳（1.47～2.98 万 hm2）。由于贵州省以及贵阳、遵义、六盘水三市农田生态系统耕地面积及播种面积的差异，有必要分析单位面积的碳足迹。贵州省不同尺度地区农田生态系统单位面积碳足迹与碳足迹总量存在显著差异，表现为六盘水＞贵阳＞遵义＞贵州省，2016年四地单位面积碳足迹分别为0.46、0.21、0.12、0.09 hm2/hm2。其中单位面积碳足迹最大的六盘水市与最小的贵州省相差5.11 倍，表明贵州省省市间、市市间碳足迹差异较大，且碳足迹增减差异也较大。因此，不同尺度碳足迹的深入研究对于贵州省农田生态系统碳足迹意义重大。

表5 2007—2016年贵州省农田生态系统碳足迹变化Table 5 Changes in carbon footprint of farmland ecosystems in Guizhou Province from 2007 to 2016

图5 不同尺度农田生态系统碳足迹Figure 5 Carbon footprint of farmland ecosystems at different scales

3 讨论与结论

2007—2016年，贵州省农田生态系统碳排放量总体呈现逐年增长的趋势，由2007年的102.46×104t增至 2016年的 137.54×104t，年均增长 3.31%，其中化肥施用引起的碳排放量占总碳排放量的比例最高，平均为68%，呈现逐年增加的趋势。2016年贵州省化肥使用强度为298.23 kg/hm2，虽远低于山东、河南等[4-5]农业省份，但仍高于发达国家公认的安全警戒线225 kg/hm2。研究区域内部不同尺度地区碳排放量与单位面积碳排放量均存在差异且呈现不同的变化次序，贵阳、遵义、六盘水三市碳排放总量与单位面积碳排放量甚至呈现相反的变化顺序。不同尺度地区主要碳排放途径较为一致，均以化肥施用为主，其次为使用农膜所产生的碳排放，究其原因可能为喀斯特地区土壤贫瘠、土壤养分含量低[33-35]，因此以化肥、农膜为主体的化学投入品使用较多，这与邵计新等对毕节地区研究结果类似。此外，探究其单位面积碳排放发现，贵州省农田碳排放的增加主要原因为以化肥为主导的农地投入品增加，这与张鹏岩[5]、李明琦等[44]研究结果相似。可见，化肥、农膜等农用投入增加是贵州省碳排放量增加的主要原因，应引起足够的重视。

2007—2016年，贵州省农田生态系统碳吸收量呈现先上升后下降再上升的趋势，变化范围为1 399.031 04～1 921.641 04t，2011年处于低谷，较最高时期（2016）年减少了27.2%，单位面积碳排放量也表现出相同的趋势。研究区域内部不同尺度地区不同种植类型的碳吸收总量与单位面积碳吸收量也表现出不同的变化趋势，如碳吸收量最高的遵义市与最小的的贵阳市约相差6.5 倍。不同农作物碳吸收量差异较大。水稻单位面积碳吸收量较大，且种植面积大，因此碳吸收量远高于其他农作物，平均占碳吸收总量的50.9%，但呈现减少的趋势，其次为玉米，占碳吸收总量的23%，2007—2016年水稻和玉米碳吸收量平均占总吸收量的69%，且贵阳、遵义、六盘水三市均表现出相同的趋势。此外，甘蔗单位面积碳吸收量较大，但种植面积较少，因此碳吸收总量小；蔬菜种植面积较大，但单位面积碳吸收量小，故碳吸收量较小。贵州省农田单位面积碳吸收总体呈增长趋势，表明农作物产量逐年增加这与李明琦[44]、王梁[5]、袁再建等[28]研究结果相似。研究发现，贵州省农田生态系统碳吸收量明显高于碳排放量，表明贵州省农田生态系统具备较强的固碳能力，与张鹏岩等、赵荣钦等[4，21]研究结果一致。

2007—2016年，贵州省农田生态系统碳足迹及单位面积碳足迹总体呈现不断增加的趋势，贵阳、遵义、六盘水三市也表现出相同的趋势，碳足迹及单位面积碳足迹均呈现不同程度的增长。但三市内部差异较大，其中单位面积碳足迹最大的六盘水市与最小的贵州省相差5.11 倍。贵州省农田生态系统碳足迹均远远小于同期生产性土地面积，说明贵州省农田生态系统存在较大的碳生态盈余，这与韩召迎等[23]、段华平等[20]、张鹏岩等[4]研究结果一致。但随着化肥、农药等大量施用，贵州省农田生态系统单位面积碳足迹不断增加，表明其碳库功能有所减弱。

本研究通过对贵州省不同尺度农田生态系统碳排放量、碳吸收量以及碳足迹的测算，基本掌握贵州省农田生态系统碳源汇现状及其影响因素，得出贵州省农田生态系统碳排放主要是由以化肥、农膜为主导的农地投入增加导致；碳吸收的主要贡献来自于水稻、玉米和小麦。因此贵州省农业减源增汇应主要采取以下措施：基于减源视角，应控制和减少农药、化肥等农用投入品的施用，科学配比施肥、进行有机无机配施以及采取喷灌、滴灌等现代农业技术[45-46]；基于增汇视角，首先应加强农田基础设施建设，稳定及提高农作物单产，从而增加农田生态系统碳吸收能力。基于碳足迹视角应加强对农田生态系统碳生态盈余的生态管护，增加生产性农田土地的固碳速率，从而补充工业发展与社会生活的碳生态赤字，促进农业可持续发展。