師銀芳， 趙 軍

(西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 甘肅 蘭州 730070)

張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯時空分布特征

師銀芳， 趙 軍

(西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 甘肅 蘭州 730070)

摘要：[目的] 探究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯狀況，為綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)作物類型及其種植模式研究提供參考。[方法] 利用2001—2010年張掖市主要農(nóng)作物產(chǎn)量、耕地面積、農(nóng)作物播種面積及農(nóng)業(yè)投入等數(shù)據(jù)，根據(jù)農(nóng)田碳吸收、碳排放模型估算各縣區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收、碳排放及碳匯，并分析其時空分布特征。 [結(jié)果] 張掖市各縣區(qū)碳吸收、碳排放、碳匯強度存在明顯的時空差異；同一農(nóng)作物的碳吸收強度僅與單產(chǎn)量有關(guān)，且成正比；經(jīng)濟作物中棉花的單位面積變化量對碳吸收的貢獻率最大，糧食作物中大豆的貢獻率最大。碳排放量是化肥施用量、農(nóng)作物種植面積、農(nóng)業(yè)機械總動力及灌溉面積的一次函數(shù)，化肥施用量的單位變化量對碳排放的貢獻率最大，碳排放量呈逐年增加的趨勢；灌溉面積次之，且逐年有降低的趨勢；農(nóng)業(yè)機械碳排放所占比例較小，低于碳排放總量的5%。 [結(jié)論] 近10 a來張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量整體上呈顯著增加趨勢，碳排放總量呈減小趨勢，表明張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有較強的碳匯能力。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng); 碳源; 碳匯; 時空特征

全球變化正逐漸改變陸地生態(tài)系統(tǒng)固有的自然過程，進而威脅到人類生存環(huán)境及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1]。氣候變化導致動植物生境變化，進而影響物種分布及其生態(tài)系統(tǒng)過程[2-3]。而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類活動與自然環(huán)境之間相互作用的復雜性日益受到關(guān)注，如何提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性已成為重要的研究課題[4]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是巨大的碳庫，其碳儲量占全球陸地碳儲量的10%以上[5]。因此，準確合理地估算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放和碳吸收，不僅對制定合理的農(nóng)業(yè)減排措施和適應措施具有重要意義，而且為農(nóng)業(yè)碳減排的合理評價提供科學的參考依據(jù)。近年來，國內(nèi)外學者對不同尺度不同區(qū)域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯進行了大量研究，Lal[6]從全球尺度研究了全球耕地的固碳潛力以及農(nóng)田土壤的固碳能力；劉允芬、魯春霞等[7-8]對全國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程和碳匯功能進行了研究，認為農(nóng)用地生態(tài)系統(tǒng)對溫室氣體的減排潛力巨大；趙榮欽等[9]從流域尺度研究發(fā)現(xiàn)中國沿海地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收大于碳排放；袁再健、王靜等[10-11]從省級尺度上研究了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收與排放認為各省碳吸收總量呈波動增加態(tài)勢，碳排放總量呈逐年上升的趨勢；錢曉雍、祁興芬等[12-13]從市級尺度上分析了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，分析了不同農(nóng)作物及區(qū)域的碳吸收和排放特征。綜上可知，大部分碳源、匯的研究基于全球、全國級、省級尺度，地級市、縣域及綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源、匯研究相對較少。因此，為了更全面地了解農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯狀況，在眾多學者的研究基礎(chǔ)上，以張掖市為例，分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的時空差異，以及不同作物的碳匯強度，為較大尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的遙感估算的進一步研究提供驗證數(shù)據(jù)，對綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)作物類型及其的種植模式提供參考依據(jù)，研究結(jié)果對保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物種的多樣性與穩(wěn)定性具有重要意義。

1研究區(qū)概況

張掖市位于中國甘肅省西北部，河西走廊中段，地理坐標為東經(jīng)97°20′—102°12′，北緯37°28′—39°57′。東靠武威、金昌市，西至嘉峪關(guān)、酒泉市，南與青海省接壤，北和內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，屬溫帶大陸性干旱氣候。冬寒夏暖，四季分明，日照時間長，光熱資源充足，年平均氣溫7 ℃左右，年平均降水量約130 mm。張掖市現(xiàn)轄甘州區(qū)、臨澤縣、高臺縣、山丹縣、民樂縣、肅南縣6個區(qū)縣，總面積約4.10×104km2。張掖地區(qū)有黑河水灌溉，地勢平坦，土壤肥沃，物產(chǎn)豐饒，盛產(chǎn)小麥、玉米、水稻、油菜、胡麻等農(nóng)作物，為全國重點建設(shè)的12個商品糧基地之一。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1　數(shù)據(jù)來源

2001—2010年張掖市6個縣區(qū)各種農(nóng)作物產(chǎn)量、播種面積、耕地面積和灌溉、施肥、農(nóng)業(yè)機械等農(nóng)業(yè)相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)來源于張掖市統(tǒng)計年鑒統(tǒng)計資料。張掖市行政邊界來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心。

2.2　研究方法

碳吸收主要根據(jù)農(nóng)作物的經(jīng)濟系數(shù)、碳吸收率及作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)；碳排放包括農(nóng)田化肥施用、農(nóng)業(yè)機械使用、灌溉過程、地膜及農(nóng)藥的使用等帶來的碳排放。碳吸收、排放及碳匯的計算方法[10,14]為：

(1) 農(nóng)田碳吸收。

(1)

Cd=CfDw=CfYw/H=kYw

(2)

式中：Ca——農(nóng)田作物碳吸收量(t)； i——第i中作物類型； Cd——每種作物全生育期對碳的吸收量(t)； Cf——作物合成有機質(zhì)所需要吸收的碳(碳吸收率)； Dw——生物產(chǎn)量(t)； Yw——經(jīng)濟產(chǎn)量； H——經(jīng)濟系數(shù)(經(jīng)濟產(chǎn)量與生物學產(chǎn)量之比); k——碳吸收率與經(jīng)濟系數(shù)的比值，主要農(nóng)作物碳吸收率與經(jīng)濟系數(shù)[15-16]的比值詳見表1。

表1　主要農(nóng)作物的碳吸收與經(jīng)濟系數(shù)比值

注：k為碳吸收率與經(jīng)濟系數(shù)的比值。

(2) 農(nóng)田碳排放。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量(Ea)主要考慮農(nóng)田化肥施用、農(nóng)業(yè)機械使用和灌溉過程帶來的碳排放3種主要的間接碳排放途徑，其估算公式為：

Ea=Ef+Em+Ei

(3)

式中：Ea——農(nóng)田碳排放量(t)；Ef，Em，Ei——農(nóng)田化肥施用、農(nóng)業(yè)機械使用和灌溉過程帶來的碳排放(t)，其估算公式[17]為：

Ef=Gf·A/1 000

(4)

Em=(Am·B/1 000)+(Wm·C/1 000)

(5)

Ei=Ai·D/1 000

(6)

式中：Gf——化肥施用量(t)；Am——農(nóng)作物種植面積(hm2)；Wm——農(nóng)業(yè)機械總動力(kw)；Ai——灌溉面積(hm2)；A，B，C，D——轉(zhuǎn)換系數(shù)，其值分別為857.54 kg/t，16.47 kg/hm2，0.18 kg/kW，266.48 kg/hm2。

(3) 碳匯。碳匯(Nc)是指研究區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳吸收量(t)，其計算公式為：

Nc=Ca-Ea

(7)

3結(jié)果與分析

3.1　張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收、碳排放及碳匯總量時間變化

利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別計算張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收、碳排放及碳匯總量，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，整體而言，2001—2010年張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量整體上呈顯著增加趨勢，碳排放總量呈減小趨勢。就碳吸收總量而言，自21世紀以來，張掖市碳吸收總量從2001年的5.80×106t增加到2010年的1.00×107t，增幅為72.4%。尤其2003年碳吸收明顯增加，比上年增加了1.70×106t。近10 a來，張掖市耕地面積整體呈增加趨勢，且隨著耕作條件的改善以及有機農(nóng)家肥的使用，提高了農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量，使得農(nóng)作物生育期的碳吸收總量也不斷提高。從碳排放看，近10 a，張掖市碳排放總量呈波動性變化，2001—2004年，張掖市碳排放呈顯著增加趨勢，2004年碳排放總量達到最大，為1.20×105t；2004年以后碳排放總量呈減少趨勢，2010年碳排放量最小，為1.00×105t，與2004年相比，減小了16.5%。這主要是由于近年來“綠色”春耕的興起、化肥的有效施用、有效的灌溉措施以及耕作方式的改變。碳匯總量與碳吸收總量的年際變化趨勢相似，但碳匯總量具有更顯著的增加趨勢。2004年以前增加趨勢比較明顯，碳匯增量為4.10×106t，增加幅度為71.8%；2004年后呈波動性增加趨勢，2010年碳匯總量達到最大，為1.10×107t，說明張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有較強的碳匯能力。

圖1　張掖市2001-2010年碳吸收、

3.2　張掖市各縣區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年均碳吸收、碳排放及碳匯強度空間分布

為了進一步度量碳吸收、碳排放及碳匯能力，根據(jù)各地區(qū)碳吸收、碳排放及碳匯總量以及耕地面積，得到各區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的年均碳吸收、排放強度及碳匯強度空間分布圖(圖2)。從圖2可知，張掖市碳吸收、碳排放及碳匯強度存在明顯的區(qū)域差異，從碳吸收角度而言，碳吸收強度變化范圍最大，碳吸收強度最大的為高臺縣，甘州區(qū)次之，山丹縣最??；肅南縣耕地面積遠小于其他縣區(qū)，碳吸收強度遠大于民樂縣和山丹縣，表明肅南縣單位面積的碳吸收能力較大。從碳排放強度看，近10 a整個張掖市各縣區(qū)年均碳排放強度均小于1 t/hm2,年均碳排放強度最大的為臨澤縣，其值為0.92 t/hm2，年均碳排放總量1.70×104t。從碳匯強度看，張掖市各縣區(qū)年均碳匯強度的極差值為121.1 t/hm2，其中高臺縣和甘州區(qū)的年均碳匯強度較大，其年碳匯總量分別為2.70×106和4.00×106t；山丹縣的碳匯強度最小，僅為5.20 t/hm2，年均碳匯總量為2.07×106t；肅南縣年均碳匯總量僅1.00×105t，這主要是由于肅南縣所占的耕地面積較少，僅占整個張掖市耕地面積的2.7%左右。

圖2　張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年均碳吸收、碳排放及碳匯強度空間分布

3.3　農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收、碳排放及碳匯強度的時間變化

為了進一步分析各縣區(qū)碳吸收、碳排放及碳匯強度的年際變化，分別統(tǒng)計2001—2010年各縣區(qū)碳吸收、碳排放及碳匯強度，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，近10 a碳吸收強度除甘州區(qū)呈略微減少趨勢外，其他各縣均呈增加趨勢。高臺縣碳吸收強度變化尤為顯著，以每年10.26 t/hm2增加；2001—2004年呈跨越式增長，2004—2008年基本呈穩(wěn)定狀態(tài)，這主要是由于高臺縣經(jīng)濟作物碳吸收總量明顯增加引起的。肅南縣碳吸收強度的年增長率為3.86 t/hm2，2003—2007年碳吸收強度迅速增加，于2007年達到最大值，其值為39.4 t/hm2。與其他縣區(qū)相比，山丹縣碳吸收強度最小，但近10 a有明顯的增長趨勢，其年增長率為0.63 t/hm2，這主要是由于農(nóng)業(yè)機械的投入，化肥施用量的增加以及灌溉條件的改善提高了單位面積農(nóng)作物的碳吸收。從圖3可知，2001—2010年民樂縣和山丹縣碳排放強度呈輕微的增加趨勢，其他各縣區(qū)碳排放強度均呈顯著的減少趨勢，其大小依次為：臨澤縣(0.047 t/hm2)>高臺縣(0.036 t/hm2)>張掖市(0.014 t/hm2)>肅南縣(0.010 t/hm2)>甘州區(qū)(0.008 t/hm2)，這主要是由于灌溉條件的改善、單位面積的化肥施用量減少共同作用的結(jié)果。從圖3可知，近10 a來，甘州區(qū)、高臺縣、臨澤縣的碳匯強度均大于張掖市的，其他縣區(qū)均小于張掖市的碳匯強度。山丹縣的碳匯強度最小，仍呈增加趨勢，這是由于山丹縣的碳吸收強度的增加趨勢遠大于碳排放強度的增加趨勢。

綜上所述，近10 a來，除甘州區(qū)外，其他各縣區(qū)碳吸收、碳匯強度均呈增加趨勢；甘州區(qū)、高臺縣、臨澤縣的年碳吸收及年碳匯強度均大于張掖市的；2001—2010年民樂縣和山丹縣碳排放強度呈輕微的增加趨勢，其他各縣區(qū)碳排放強度均呈現(xiàn)出顯著的減少趨勢。

圖3　張掖地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收強度、碳排放強度和碳匯強度年際變化

3.4　農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要途徑的碳排放分析

化肥施用、農(nóng)業(yè)機械和灌溉過程是農(nóng)田碳排放的3種主要途徑。分別統(tǒng)計2001—2010年張掖市的不同途徑的碳排放量，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，整體而言，農(nóng)田化肥施用帶來的碳排放所占比例最大，并呈現(xiàn)逐年增加的趨勢；局部而言，2001—2004年增加趨勢比較明顯，之后呈下降趨勢，這主要是由于春耕時節(jié)有機農(nóng)用肥的施用及肥料配比及施用方式的改變引起的。灌溉過程帶來的碳排放占碳排放總量的30%左右，且逐年呈略微降低的趨勢，主要是因為灌溉方式的改變和各種節(jié)水措施的實施；其中2010年灌溉面積的減少，使得碳排放量迅速減少。農(nóng)業(yè)機械碳排放所占比例較小，不到5%。因此，可以通過增加有機肥施用量，以及改變肥料的施用方式及秸稈還田，如玉米地可采用免耕及有效配方的施肥方式等措施，從而降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量。

圖4　張掖地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要途徑碳排放量年際變化

4結(jié)論與討論

(1) 2001—2010年張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量整體上呈顯著增加趨勢，碳排放總量呈減小趨勢；碳匯總量與碳吸收總量的年際變化趨勢相似，但碳匯總量具有更顯著的增加趨勢，即張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有較強的碳匯功能。各區(qū)縣碳排放、碳吸收及碳匯強度存在明顯的區(qū)域差異。張掖市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)3種途徑碳排放所占碳排放總量的比例存在明顯的差異，大小依次為：農(nóng)田化肥施用>灌溉過程>農(nóng)田機械使用。

(2) 根據(jù)碳吸收計算模型，農(nóng)作物的碳吸收率與經(jīng)濟系數(shù)的比值是一個常數(shù)，因此，同一種農(nóng)作物單位面積的碳吸收量僅與該農(nóng)作物單產(chǎn)量有關(guān)，且呈正比；經(jīng)濟作物中棉花的單位面積變化量對碳吸收的貢獻率最大；糧食作物中大豆的貢獻率最大。碳排放量是化肥施用量、農(nóng)作物種植面積、農(nóng)業(yè)機械總動力及灌溉面積的一次函數(shù)，化肥施用量的單位變化量對碳排放的貢獻率最大，灌溉面積次之。綜上，如何提高農(nóng)作物單位面積的產(chǎn)量，合理有效施用化肥農(nóng)藥及灌溉措施的改善對提高碳匯顯得尤為重要。

(3) 本研究僅用以行政區(qū)劃單元為基礎(chǔ)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對縣區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯進行估算，并未考慮土壤呼吸帶來的碳排放以及氣候、地形等因素對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響。借助遙感手段，準確獲得像元尺度農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的空間分布，對農(nóng)作物品種的選取、農(nóng)藥和化肥的使用量以及合理灌溉具有重要的指導意義，對農(nóng)業(yè)整體素質(zhì)和綜合能力的提升具有重要意義，為發(fā)展低碳、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)提供基礎(chǔ)。

[參考文獻]

[1]葉篤正,符淙斌,董文杰.全球變化科學進展與未來趨勢[J].地球科學進展,2002,17(4):467-469.

[2]Emanuel W R, Shugart H H, Stevenson M P. Climatic change and the broad scale distribution of terrestrial ecosystems complexes[J]. ClimChange, 1985,7(1):29-43.

[3]Rik L, Bas E. Another reason for concern: Regional and global impacts on ecosystems for different levels of climate change[J]. Glob Environment Change, 2004,14(3):219-228.

[4]張潔瑕,郝晉珉,段瑞娟,等.黃淮海平原農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演替及其可持續(xù)性的能值評估[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2008,24(6):102-108.

[5]Paustian K, Andren O, Janzen H, et al. Agricultural soils as a sink to mitigate CO2emissions[J]. Soil Use and Management, 1997,13(4):230-244.

[6]Lal R. Carbon sequest ration in dry land[J]. Annual Arid Zone, 2000,39(1):1-10.

[7]劉允芬.農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究[J].自然資源學報,1995,10(1):1-8.

[8]魯春霞,謝高地,肖玉,等.我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積及其變化特征研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2005,13(3):35-37.

[9]趙榮欽,秦周明.中國沿海地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)部分碳源/匯時空差異[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報,2007,23(2):1-6,11.

[10]袁再健,張京京,付亞男.河北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯時空時空變化及其影響因素[J].水土保持通報,2012,32(6):206-210.

[11]王靜,馮永忠,楊改河,等.山西農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯時空差異分析[J].西北農(nóng)林科技大學學報:自然科學版,2010,38(1):195-200.

[12]錢曉雍.上海農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯時空格局及其影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2011,30(7):1460-1467.

[13]祁興芬.基于低碳經(jīng)濟的山東省德州市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算[J].水土保持通報,2013,33(1):157-161.

[14]邢海虹.陜南地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯時空差異[J].陜西理工學院學報:自然科學版,2013,29(1):67-72.

[15]王修蘭.二氧化碳、氣候變化與農(nóng)業(yè)[M].北京:氣象出版社,1996:53-59.

[16]李克讓.土地利用變化和溫室氣體凈排放與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[M].北京:氣象出版社,2000:260-261.

[17]West T O, Marland G. A synthesis of carbon sequestration, carbon emissions, and net carbon flux in agriculture: Comparing tillage practices in the United States[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2002,91(1/3):217-232.

Spatiotemporal Variation Characteristics of Carbon Source and Sink of Farmland Ecosystem in Zhangye City

SHI Yinfang, ZHAO Jun

(CollegeofGeographyandEnvironmentScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

Abstract：[Objective] The carbon source and sink of farmland ecosystem were illustrated to provide a reference for the crop types and cropping patterns of oasis farmland. [Methods] Based on the collected data of main crop production, arable land, crop cultivated area and agricultural inputs data in Zhangye City during 2001—2010, the carbon absorption, carbon emissions and carbon sinks of farmland ecosystem of each county were estimated using models of agricultural carbon sequestration, and carbon emission,, and the temporal and spatial distribution of these indices were analyzed. [Results] There were obvious temporal and spatial differences in carbon absorption, carbon emission and carbon sink. The carbon absorption intensity was found only positively relevant to crop yield per unit area. The per unit change of cotton among the economic crops, and the soybean among grain crops had the maximum contributions to carbon absorption. The total carbon emission was a function of the chemical fertilizers, crop cultivated area, the total power of agricultural machinery and irrigation area. The unit volume change of chemical fertilizers had the maximum contribution rate to carbon emissions, and the carbon emissions showed an increasing trend. The contribution of irrigated area followed and it had a decreasing trend year by year. Agricultural machinery had the minimal proportional contribution, with a less than 5% of total carbon emissions. [Conclusion] In recent 10 years, the total carbon absorption showed a significant increasing trend, while the carbon emissions showed a decreasing trend, all of which indicated that the farmland ecosystem of Zhangye City had a strong capacity of carbon sink.

Keywords:farmland ecosystem; carbon source; carbon sink; spatiotemporal variation

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0283-05

中圖分類號：S181

收稿日期：2014-06-20修回日期：2014-07-07

資助項目：國家自然科學基金項目“面向黑河流域生態(tài)—水文過程集成研究的數(shù)據(jù)整理與服務”(91025001)

第一作者：師銀芳(1985—),女(漢族),甘肅省靖遠縣人,博士研究生,研究方向為環(huán)境遙感與GIS應用。E-mail:amandasyf@126.com。