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      黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯變化特征及影響因素分析*

      2015-12-02 03:00:52
      關(guān)鍵詞:吸收量碳源總量

      茹 藝

      (1.哈爾濱師范大學(xué);2.哈爾濱市道外區(qū)疾病預(yù)防控制中心)

      0 引言

      全球溫室效應(yīng)逐年加劇,從而引起的氣候變化劇烈等環(huán)境生態(tài)問題已成為全球各環(huán)境保護(hù)組織和各國政府關(guān)注的焦點(diǎn).控制CO2等溫室氣體排放是抑制溫室效應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).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,與人類關(guān)系最為密切,同時(shí)也是重要的大氣碳源和碳匯[1].全球耕地面積占陸地面積的38.5%,大氣中20%的CO2來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)及其相關(guān)過程[2];同時(shí)全球農(nóng)田也是巨大的碳庫,其碳儲(chǔ)量大170Pg,占全球陸地碳儲(chǔ)量的 10% 以上[3].LAL等指出全球耕地總固碳潛力為 0.75~1.0 Pg/a[4].農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫,可以在短時(shí)間內(nèi)通過人為活動(dòng)加以調(diào)節(jié)達(dá)到增匯減排的效果,因此,開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究,促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排,對(duì)于糧食安全與氣候惡劣變化減緩和適應(yīng)都具有積極意義.為此,國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究[5-8].

      黑龍江省作為農(nóng)業(yè)大省,走低碳農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)將成為今后的必然選擇,所以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的減源增匯將成為黑龍江低碳建設(shè)的重要途徑.鑒于此該研究對(duì)2004~2013年黑龍江農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物碳吸收量和主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)碳排放量進(jìn)行了估算,分析了黑龍江農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的變化趨勢(shì)及其影響因素.該研究結(jié)論對(duì)于發(fā)展黑龍江省低碳農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè),促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義.

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)域

      黑龍江省地處中國東北部,介于北緯43°26'~53°33',東經(jīng) 121°11'~135°05'之間,是中國位置最北、緯度最高的省份,北部和東部與俄羅斯相鄰,是中國沿邊開放的重要窗口.黑龍江屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,夏季雨熱同季,冬季漫長(zhǎng).全省年平均氣溫在-4~5℃之間,年平均降水量多介于400~650 mm.黑龍江省土地總面積47.3萬 km2,占全國土地總面積的4.9%.黑龍江省耕地總量2.39億畝,居全國第一位,人均耕地面積0.31 hcm2,為全國人均耕地面積的 3.1倍[9].

      1.2 數(shù)據(jù)來源

      2004~2013年黑龍江省主要農(nóng)作物產(chǎn)量、化肥施用量、農(nóng)機(jī)總動(dòng)力、有效灌溉面積等農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均分別來自各年份《黑龍江統(tǒng)計(jì)年鑒》.

      1.3 研究方法

      1.3.1 碳吸收

      農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳吸收主要為作物生育期的碳吸收,估算方法如公式(1)所示

      公式(1)中,i為農(nóng)作物的種類;Ct為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所有農(nóng)作物全生育期碳吸收量;Cd為i類農(nóng)作物全生育期對(duì)碳的吸收量;Cf為第i類農(nóng)作物光合作用合成單位質(zhì)量干物質(zhì)所要吸收的碳;Dw為生物產(chǎn)量;Yw為第i類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;Hi為i類農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù).中國主要的農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)Hi和碳吸收率Cf經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1[10].

      表1 主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)和碳吸收率

      1.3.2 碳排放

      農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放考慮化肥施用量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和農(nóng)田耕作灌溉等3大類主要的間接碳排放途徑,估算方法見公式(2)~(5):

      其中Ef、Em和Ei分別是農(nóng)田化肥使用、農(nóng)用機(jī)械生產(chǎn)使用和灌溉過程帶來的碳排放.各種碳排放計(jì)算公式見公式(3),其中 ABCD為轉(zhuǎn)換系數(shù)[11].

      Gf為化肥施用量,A=857.54 kg·Mg-1.

      Am為農(nóng)作物種植面積,Wm為農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力,B=16.47 kg·hm-2,C=0.18 kg·kW-1.

      Ai為灌溉面積,D=266.48 kg·hm-2.1.3.3 凈碳匯

      農(nóng)作物生育期的碳吸收減去農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)生的碳排放,即農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳吸收.

      2 結(jié)果與分析

      2.1 碳吸收分析

      2.1.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量變化

      2004~2013年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收情況如圖1所示.十年來黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量總體呈上升趨勢(shì),從2004年的7223.01 萬t增加到2013 年的 13971.66 萬 t,增幅93.43%,年均增加7.61%.單位播種面積碳吸收量呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢(shì),由2004年的6.45 t/hm2,升至 2013 年的 9.50 t/hm2,年平均增長(zhǎng)率為4.39%,這是因?yàn)楹邶埥∞r(nóng)作物播種面積在持續(xù)增加和農(nóng)作物產(chǎn)量的不斷提高所致.其中,糧食作物碳吸收量從5734.12萬t增加到12731.67萬 t,增幅為 122.03%,年均增加9.27%;經(jīng)濟(jì)作物碳吸收量從332.04萬t減少到182.27 萬 t,減幅為 45.10%,年均減少 6.45%;果蔬作物碳吸收量則從1156.85萬 t減少到1057.71 萬 t,減幅為8.56%,年均遞減 0.9%.由圖2可知,黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收比例也發(fā)生了一定的變化,糧食作物碳吸收比例基本保持在79% ~91%之間.經(jīng)濟(jì)作物碳吸收比例則從4.5%下降到1.3%左右,果蔬作物碳吸收比例由16%下降到7.57%左右.這說明黑龍江省近十年來依然以主要糧食作物作為農(nóng)作物生產(chǎn)的主導(dǎo),這是因?yàn)楹邶埥⊥寥蕾|(zhì)量高更適宜種植糧食作物,對(duì)經(jīng)濟(jì)作物和蔬菜、瓜果等都可引進(jìn)來自優(yōu)良產(chǎn)地的產(chǎn)品以滿足人們的需求.

      圖1 2004~2013年黑龍江省農(nóng)作物碳吸收量及其單位播種面積碳吸收量變化趨勢(shì)

      圖2 2004~2013年黑龍江省不同類型農(nóng)作物碳吸收比例變化

      2.1.2 不同農(nóng)作物碳吸收量變化

      通過分析2004~2013年黑龍江省主要農(nóng)作物全生育期碳吸收量的變化(見表2),碳吸收量最大的農(nóng)作物是玉米,從2004年的1937.21萬t增加到2013年的7511.28萬t,占碳吸收總量的38.92%.其次是水稻,從2004年的1116.45萬 t增加到2013年的3187.82萬t,占碳吸收總量的19.03%.碳吸收量較多的還有蔬菜和豆類,但十年來碳吸收量在逐漸減少,分別從2004年的1555.67 萬 t和 1160.15 萬 t減少到1455.97萬 t和806.65萬t.糧食作物中谷子、高粱以及經(jīng)濟(jì)作物中的油菜籽、葵花籽、白瓜籽、麻類和煙葉的碳吸收量較少,總的碳吸收量?jī)H占農(nóng)作物碳吸收總量的1.46%.

      2.2 碳排放分析

      黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放呈逐漸增加的趨勢(shì)(如圖3所示),碳排放總量從2004年的202.49 萬 t增長(zhǎng)到 2013 年的 377.50 萬 t,增幅86.43%.

      表2 2004~2013年黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同農(nóng)作物的碳吸收總量

      單位播種面積碳排放量從2004年的0.18t/hm2,上升到2013年的0.26 t/hm2,年平均增長(zhǎng)率為3.97%.這主要與化肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入的增加以及農(nóng)業(yè)機(jī)械水平的提高有關(guān).其中,化肥施用所帶來的碳排放量從123.33萬 t增加到210.06萬 t,增幅為 70.33%,年均遞增 6.10%;農(nóng)用機(jī)械投入所帶來的碳排放量從18.79萬t增加到 25.09萬 t,增幅為 33.55%,年均遞增3.27%;耕作灌溉過程帶來的碳排放從60.38 萬 t增加到142.36 萬 t,增幅為 135.77%,年均遞增10%,這說明先進(jìn)的灌溉方式的推廣效果不佳.由圖4可知,黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中3種途徑的碳排放的比例變化較小,化肥施用、農(nóng)機(jī)動(dòng)力和耕作灌溉的比例分別維持在60%、10%和30%左右.這從一定程度上反映了近十年來黑龍江省依然保持著靠農(nóng)業(yè)化學(xué)品投入為主,傳統(tǒng)灌溉為輔的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)沒有得到改進(jìn).

      圖3 2004~2013年黑龍江省農(nóng)田系統(tǒng)碳排放量及其單位播種面積碳排放量變化趨勢(shì)

      圖4 2004~2013年黑龍江省不同途徑碳吸收變化

      2.3 凈碳匯量分析

      農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯量反映的是除去碳源后的碳固定情況.十年間黑龍江省碳吸收總量和碳排放總量分別達(dá) 102059.07萬 t和2829.32萬t,碳吸收總量與碳排放總量的比為36.1∶1,碳吸收量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳排放量,凈碳匯量逐年呈上升趨勢(shì),說明黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳匯能力.

      2.4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源匯影響因素分析

      對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收量與主要農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析表明(見表3),碳吸收與水稻、小麥、玉米等糧食作物的產(chǎn)量有顯著的正相關(guān)性(p<0.01),而與葵花籽、麻類等經(jīng)濟(jì)作物以及瓜果類的產(chǎn)量有顯著的負(fù)相關(guān)性(p<0.01).這主要是因?yàn)橛衩椎燃Z食作物是黑龍江省的主要農(nóng)作物,更適宜黑龍江省的黑土土壤類型生長(zhǎng),所以產(chǎn)量與碳吸收量會(huì)明顯高于經(jīng)濟(jì)作物和果蔬作物,而經(jīng)濟(jì)作物種植面積較少,果蔬作物水分含量高、干物質(zhì)含量低,所以碳吸收量要少于糧食作物,需要通過調(diào)整農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)以提高農(nóng)作物固碳能力,進(jìn)而達(dá)到提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力的目的.

      對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量與主要碳排放途徑的相關(guān)性分析表明(見表4),碳排放與化肥施用量、農(nóng)村用電量、農(nóng)用柴油施用量、噴滴灌溉面積和渠道防滲灌溉面積之間有顯著的正相關(guān)性(p<0.01),與低壓管灌溉面積呈顯著的負(fù)相關(guān)(p<0.01).這說明農(nóng)用化學(xué)品投入、能源消耗和灌溉方式是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量的主要原因.因此,隨著農(nóng)業(yè)投入持續(xù)增加和機(jī)械化程度不斷提高,需要從改變肥料施用方式、優(yōu)化農(nóng)用能源利用結(jié)構(gòu)以及推廣先進(jìn)灌溉方式等方面入手,促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)過程中減排的目標(biāo).

      表3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收與主要農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析

      表4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放量與主要碳排放途徑的相關(guān)性分析

      3 結(jié)論與討論

      通過對(duì)黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收、碳排放和凈碳匯量的計(jì)算與分析,得到了如下結(jié)論:

      (1)黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收量呈上升趨勢(shì),碳吸收總量從2004年的7223.01萬t上升至2013年的13510.27萬 t,上升93.43%.隨著農(nóng)作物產(chǎn)量的提高,碳吸收量也明顯增加,增長(zhǎng)幅度最大的是玉米(287.74%),增幅較多的還有水稻和小麥,高粱、薯類、甜菜和煙葉都有少量增幅,谷子、豆類、油菜籽、葵花籽、白瓜籽、麻類和果蔬作物的碳吸收量有少量減幅.這表明農(nóng)作物產(chǎn)量的提高有利于碳固存.

      (2)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要糧食作物碳吸收占全省比例有所提高,由2004年的79.39%增加到2013年的91.12%,經(jīng)濟(jì)作物和果蔬作物碳吸收由2004年的20.61%降至8.88%.這說明隨著黑龍江的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,選擇糧食作物作為主生產(chǎn)作物是更適宜黑龍江的低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展.

      (3)黑龍江省碳排放呈平穩(wěn)增長(zhǎng)趨勢(shì),碳排放總量從2004年的202.49萬t上升到2013年的377.50萬t,增長(zhǎng)86.43%,單位面積碳排放量在0.06 ~0.44 t/hm2之間.相比于南方地區(qū),黑龍江冬季漫長(zhǎng),大部分農(nóng)田屬于停耕狀態(tài),所以碳排放量會(huì)少于南方地區(qū).3種主要碳排放途徑中,化肥施用所導(dǎo)致的間接碳排放所占比例較大,農(nóng)機(jī)動(dòng)力和耕作灌溉所導(dǎo)致的碳排放較少,但耕作灌溉導(dǎo)致的碳排放量有增加趨勢(shì).

      (4)通過對(duì)比黑龍江省農(nóng)田碳吸收量和碳排放量可以看出,碳吸收量明顯大于碳排放量,碳吸收的增速也明顯超過碳排放,說明黑龍江農(nóng)田作物具有較大的凈碳匯功能.

      (5)對(duì)黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯影響因素分析表明,碳吸收與玉米、水稻、小麥等糧食作物的產(chǎn)量成正相關(guān)性,而與葵花籽、麻類等經(jīng)濟(jì)作物和瓜果類的產(chǎn)量有顯著的負(fù)相關(guān)性;碳排放量與化肥施用、農(nóng)用能源消耗、微灌灌溉面積和渠道防滲灌溉面積存在顯著的正相關(guān)性,與低壓管灌灌溉面積呈顯著的負(fù)相關(guān)性.

      因此,在黑龍江省促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程中,不但要追求高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值,也要注重農(nóng)業(yè)的溫室氣體的減源增匯,在保證農(nóng)作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和能源資源利用結(jié)構(gòu),合理配置施肥種類,提高農(nóng)用化學(xué)品的利用率,合理調(diào)整耕作模式,大力推廣節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)等環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù),提升黑龍江省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排的能力.

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