西南地区农业碳排放及碳汇时空差异研究

邱丫丫

（云南农业大学经济管理学院，云南昆明 650500）

随着全球气候变暖和极端天气的频繁出现，世界各国越来越重视生态环境问题。CO2是导致全球气候变暖和极端天气频繁出现的关键因素，为了减少CO2的释放、增强国民的环保意识，我国提出了碳达峰和碳中和目标。要减少CO2等温室气体的排放，既要增加碳的吸收量（碳汇），也要减少碳排放量（碳源），而农业生产活动所排放的CO2具有很大缩减空间[1]。农业系统中存在碳源的同时也存在碳汇，农作物通过光合作用吸收和固定空气中的CO2，并将CO2以生物能的形式贮存在农作物中[2-3]，土壤中释放的CO260%～70%可通过农作物耕作和土地的合理利用重新固定[4]。因此，对农业碳汇和碳源进行综合研究具有重要意义。

近年来，相关研究主要围绕农田生态系统中土壤和农作物的碳源和碳汇，研究区域多为全球、全国及省级大城市。相关研究多围绕滨海城市或小块区域进行[5]，对农业生态中的碳汇和碳源的综合研究较少。研究发现我国西南地区碳排放呈增长趋势，而经济发展水平是碳增排的最主要因素[6-7]。林秀群等[8]对我国西南地区农田生态系统碳源及碳汇的时空研究发现，农田生态系统碳吸收能力强于碳排放能力。为了丰富及更新我国西南地区农田生态系统碳源及碳汇的研究数据，本文在已有的研究基础上带入最新数据，以分析最近几年的碳源和碳汇变化情况。

1 数据来源及研究方法

1.1 研究区域概况和数据来源

我国西南地区地形地貌复杂，多以高原、山地为主，位于97°21'～110°11'E、21°08'～33°41'N 之间，总面积达250 万km2，生态资源丰富，该区域农业呈现如下特点：①农业机械化程度低。我国西南地区山地丘陵众多，农作物的生产活动大都集中在山间，机械难以发挥作用，仍以传统手工劳作居多。②旱地较多。我国西南地区因海拔较高，喀斯特地貌丰富，农业土地水土流失较严重，YN、GZ、CQ、SC旱地在耕地面积中的占比分别为79.37%、74.42%、62.29%和55.6%。③土壤类型多样，气候变化明显，以粮食作物种植为主。

研究数据主要来源于2011—2022 年西南地区各省市自治区的统计年鉴、《2011—2022 年中国统计年鉴》《2011—2022 年中国农村统计年鉴》，以及XZ政府官网。

1.2 估算方法

碳源和碳汇是两个相对的概念，前者表示个体向大自然中释放出CO2的能力，后者表示个体从大自然中吸收CO2的能力。在农业生产活动中，农业化肥、农药、农膜、农业柴油等投入要素会增加农业中的碳排放量，被视作碳源；农作物在生长发育过程会进行光合作用吸收CO2，可被视为碳汇。化肥农药等投入要素可提高农作物产量，从而增加农作物碳吸收量，因此对农业生态的研究应从碳源和碳汇2个方面开展。

1.2.1 农作物碳排放估算方法我国西南地区的碳排放总量为GZ、SC、YN、CQ 和XZ 的碳排放量之和，即各项碳源的碳排放总量等于西南地区各省市自治区对应的各项碳源的碳排放量之和。碳源主要包括7 个指标，具体为农药使用量、化肥折纯使用量、农业塑料薄膜（农膜）使用量、农业柴油使用量、农业机械总动力、有效灌溉面积和农地翻耕面积。其中，农业机械使用和农业灌溉的碳排放主要来自机械使用和灌溉的过程中电能消耗产生的碳；农业翻耕的碳排放主要来自土壤翻耕后有机物质分解所产生的碳，用农地翻耕面积作为计算指标。农业碳排放强度为单位播种面积的农作物碳排放量，可分为我国西南地区整体碳排放强度和西南地区各省市自治区的碳排放强度。农业碳排放量和碳排放强度的估算公式如下：

其中：C为农业碳排放总量；Ci为第i个碳源的碳排放量；Ti为第i个碳源的使用量，主要有农药使用量、农膜使用量、化肥折纯使用量以及柴油使用量、有效灌溉面积和农地翻耕面积、农业机械总动力；μi为第i个碳源的碳排放系数，如表1所示；Uc为碳排放强度；S为农作物的播种面积。

表1 碳排放系数

1.2.2 农作物碳吸收估算方法我国西南地区的碳吸收总量等于GZ、SC、YN、CQ 和XZ 的碳吸收量之和。农作物通过光合作用吸收CO2，不同农作物碳吸收能力存在差异，故碳吸收率β也会有所差异；含水量也因农作物种类的不同而存在区别，由此引入含水系数ω；因为碳吸收是农作物整体进行的，于是引入经济系数ε。我国不同农作物的β、ω、ε如表2[11-14]所示。西南地区主要种植的农作物有稻谷、玉米、小麦、蔬菜、花生、油菜、烟叶、豆类、薯类以及其他粮食作物，仅有SC、GZ 和YN 在部分年份种植棉花。农作物碳吸收强度为农作物单位播种面积的碳吸收量，本文对我国西南地区整体的碳吸收强度和西南地区各省市地区的碳吸收强度分别进行的估算。碳吸收量和碳吸收强度的估算公式如下：

表2 不同农作物的β、ω、ε指标

其中：A为农作物碳吸收总量；Ai为第i种农作物的碳吸收量；Yi为第i种农作物的产量；βi为第i种农作物的碳吸收率；ωi为第i种农作物的含水系数；εi为第i中农作物的经济系数；Ua为碳吸收强度；S为农作物播种面积。

2 结果与分析

2.1 农业碳排放的时空差异

从表3 可知，近12 年农业碳排放总量变化趋势为先逐年增加再逐年降低，在2016 年达到最大值2 083.32×104t。此外，2010 年农业碳排放总量为1 860.76×104t，2021年农业碳排放总量为1 888.67×104t，2016 年较2010 年碳排放总量增幅接近12%，2021 年较2010 年碳排放总量增幅接近2%，即我国西南地区农业碳排放量总体上呈上升趋势，但是2021 年的增幅极大地减少了；同样地，碳排放强度的变化为先波动性增加再逐年降低，碳排放强度在2015 年达到最大值0.82 t/hm²。而2010 年的碳排放强度为0.79 t/hm²，2021年该数据为0.72 t/hm²，2015年较2010年碳排放强度增幅接近4%，2021年较2010年碳排放强度则出现了下降，降幅接近9%，2021 年的碳排放强度低于2010 年。西南地区碳排放量增幅极大减少以及碳排放强度减少，原因在于近年来我国在大力发展现代化农业的同时也注重农业绿色化发展，追求低碳生产、保护生态环境。从表3 可得，我国西南地区2010—2021 年的农业碳排放总量中，占比最高的投入要素为翻耕，占比41%～44%，其次是化肥，占比为31%～34%，农膜和灌溉占比分别为8%～9%和9%～10%。

表3 碳排放情况

从区域角度看，2010—2021 年我国西南地区各省市自治区的碳排放总量和碳排放强度存在显著差异，且均呈先增加再降低的变化趋势（图1～2）。分析农业碳排放量可知，排放量最大的是SC，其农业碳排放量从2010年的405.51×104t先增加2016年的423.73×104t，最大增幅接近5%，再下降到2021年的374.05×104t，降幅接近8%；碳排放量仅次于SC的是YN，其农业碳排放量从2010 年的313.96×104t先增加到2017 年的399.34×104t，最大增幅为27%，再下降到2021 年的320×104t，增幅接近2%；碳排放量低于YN 的是GZ 和CQ，两区域农业碳排放量很接近，2010 年分别为138.87×104和139.61×104t，农业碳排放量分别于2016 和2015 年达到最大值，最大增幅分别接近26%和8%，2021 年GZ 降幅接近5%，CQ 增幅接近0.3%；农业碳排放量最少的是XZ，从2010 年的13.45×104t 先增加到2016 年的17.25×104t，最大增幅为28%，再下降到2021 年的15×104t，增幅接近12%，XZ由于农业碳排放量基数较小，农业碳排放增幅也最大。2021 年，SC 农业碳排放量是XZ的25倍，这是因为XZ农作物种植面积和产量都远低于SC，2021年SC农作物产量为XZ 的45倍，因而XZ 农业生产投入要素低于SC。分析农业碳排放强度可知，2010—2021 年农业碳排放强度最高的为XZ，其次是YN，SC 和CQ 碳排放强度相近排在第三梯队，碳排放强度最低的是GZ。XZ 的碳排放强度从2010 年的0.61 t/hm2增加到2015 年的0.73 t/hm2，最大增幅接近20%，再下降到2021 年的0.55 t/hm2，降幅接近10%。同样地，YN、SC、CQ和GZ的碳排放强度分别在2016、2016、2015 和2015 年达到最大值，较2010 年碳排放强度最大增幅分别为18%、2%、2%和11%，2021 年YN、SC、CQ、GZ 碳排放强度降幅分别为10%、16%、9%和14%。

图1 碳排放量变化情况

图2 碳排放强度变化情况

2.2 农作物碳汇的时空差异

农作物碳吸收总量总体上呈上升趋势，碳吸收强度呈波动性增长（表4）。农作物碳吸收总量从2010年的7 858.32×104t增加到2021 年的9 169.3×104t，增幅接近17%；碳吸收强度从2010 年的3.32 t/hm2增加到2021 年的3.5 t/hm2，增幅为5%。甘蔗的碳吸收总量先增加后下降，小麦、稻谷、烟叶和棉花的碳吸收总量呈下降趋势，蔬菜、豆类、油菜农作物碳吸收总量都呈增长趋势。2010—2021 年我国西南地区农作物碳吸收总量中，占比最高的为玉米和稻谷，占比分别从2010 年的27%、31%增加和下降到2021 年的29%、26%，其次是甘蔗、蔬菜和油菜，占比分别从2010 年的11%、7%、7%下降和增加到2021年的8%、11%、10%。

表4 碳吸收情况

从区域角度看，五省市自治区的农作物碳吸收量和碳吸收强度差异较大。各区域农作物碳吸收量均呈上升趋势，除SC 和YN 碳吸收强度呈上升趋势外，GZ、CQ 以及XZ 碳吸收强度呈下降趋势（图3～4）。分析农作物碳吸收量可知，吸收量最大的是SC，从2010 年的3 311.91×104t 增长到2021 年的4 012.76×104t，增幅为21%；碳吸收量仅次于SC的是YN，从2010年的2 293.01×104t 增长到2021年的2 778.34×104t，增幅为21%；碳吸收量低于YN 的是GZ 和CQ，分别从2010 年的1 141.71×104、1 005.55×104t 增长到2021 年的1 208.27×104、1 049.22×104t，增幅分别接近6%、4%；XZ 碳吸收量最少，从2010 年的106.15×104t 增长到2021 年的120.71×104t，增幅接近14%。分析碳吸收强度可知，SC 和YN 碳吸收强度呈上升趋势，而GZ、CQ、XZ 总体呈下降趋势。2010—2021 年，碳吸收强度最高的是XZ，该地区碳吸收强度从2010 年的4.85 t/hm2下降到2021 年的4.40 t/hm2，降幅为9%；其次是YN、SC 和CQ，2010 年的碳吸收强度分别为3.66、3.62 和3.21 t/hm2，2021 年分别为3.94、4.01 和3.08 t/hm2，增幅分别接近8%、11%和-4%。碳吸收强度最低的是GZ，该地区2021 年碳吸收强度为2.23 t/hm2，较2010年减少了4%。

图3 碳吸收量变化情况

图4 碳吸收强度变化情况

3 结论与讨论

农业碳排放总量先逐年增加再逐年下降，并于2016 年达到了峰值，变化范围为1 860.76×104～2 083.32×104t。碳排放强度先波动性上升再逐年下降，并于2015 年达到峰值，变化范围为0.72～0.82 t/hm2。碳排放总量占比前三的农业生产要素投入依次为翻耕、化肥、农膜。2010—2021 年我国西南地区五省市自治区碳排放量和碳排放强度有很大差异，碳排放量由高到低依次为SC、YN、GZ、CQ、XZ，碳排放强度由高到低依次为XZ、YN、CQ、SC、GZ。

我国西南地区2010—2021 年间农作物碳吸收总量和碳吸收强度均呈上升趋势，碳吸收总量范围为7 858.32×104～9 169.3×104t，碳吸收强度范围为3.19～3.5 t/hm2。在碳吸收总量中占比前三的农作物依次为玉米、稻谷、甘蔗。我国西南地区五省市自治区碳吸收量和碳排放强度有很大不同，2010—2021 年碳吸收量由高到低依次为SC、YN、GZ、CQ、XZ，碳吸收强度由高到低依次为XZ、YN、SC、CQ、GZ。

通过分别对比分析2010—2021 年我国西南地区碳吸收总量和碳排放总量，碳吸收强度和碳排放强度可知，碳吸收总量与碳吸收强度都远大于碳排放总量与碳排放强度，表明我国西南地区的农业生态环境正朝着向好方向发展，具有较强的农业碳汇能力。以2010 年作为比较基期，2010—2021 年间碳排放总量最大增幅接近12%，碳吸收总量最大增幅17%，后者是前者的1.4 倍，碳排放强度最大增幅接近4%，碳吸收强度最大增幅5%，后者是前者的1.25 倍。与林秀群等[8]的研究结果相比，倍数关系有所下降，原因在于农业现代化战略的推进和农业绿色发展的注重。农业生产和环境保护并重下，西南地区的农业碳源和碳汇在逐渐往积极方向发展。