中国沿海地区农田生态系统部分碳源_汇时空差异

生态与农村环境学报 2007, 23 ( 2 ) : 1 - 6, 11
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中国沿海地区农田生态系统部分碳源 / 汇时空差异
赵荣钦 , 秦明周 (1. 华北水利水电学院 资源与环境学院 ,河南 郑州 450011; 2. 河南大学 环境与规划学院 ,河南 开封
基金项目 : 中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX1- S W - 01- 17) 收稿日期 : 2006- 08- 15
生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 23 卷 ・2・
估计 ,在未来的 50 ～ 100 a 内 , 全世界农田可固碳 [9] 20 ～30 Pg。另据 LAL 等 研究 ,全球耕地总固碳潜 力为 0. 75 ～1. 0 Pg・a 。这表明农田生态系统特 别是农田土壤具有巨大的固碳潜力 。通过最佳管理 措施 ( BM P, best m anagement p ractices) , 如休耕 、 残 落物管理 、 恢复退化土壤等措施 ,可以增加土壤固碳 [9] 能力 ,并实现碳增汇 /减源的目的 。农田固碳不 仅符合《 京都议定书 》 的要求并补偿工业领域的温 室气体排放 ,而且与工业领域的减排相比成本较低 。 因此 ,国内外逐渐开展了关于农业和农田碳汇问题 [ 7 - 15 ] 的研究 。但在国内 , 关于农田土壤碳方面的研 究较多 ,而对农田生态系统碳源 /汇功能的综合估算 和评价方面的研究则很少 。对农田生态系统碳源 / 汇强度时空差异的估算分析 , 有助于提供更精确的 农业源碳排放清单 ,系统了解农业碳循环过程 ,为研 究其他陆地生态系统类型的碳源 /汇强度提供参照 和对比的可能 ,从而能更深入地了解陆地生态系统 碳源 /汇的分布状况 ; 同时 , 也有助于认识我国农田 在碳循环中的地位 ,并提供农田碳排放清单 ,这对于 在国际减排谈判中赢得主动 、 保护我国的民族工业 具有重要的现实意义 。
1 农田生态系统碳源 /汇特征
在联合国气候变化框架公约 ( UNFCCC ) 中 , 源 ( source )是指向大气排放温室气体 、 气溶胶或有排 放温室气体前兆的过程或活动 , 汇 ( sink ) 是指将温 室气体从大气中移除的任一过程 、 活动或机制 。固 碳 ( carbon sequestration ) 是指固定并确保碳储存以 免碳排放到大气中 。 农田生态系统是一个开放系统 , 主要受人为因 素控制 。人类必须不断从事各种活动 , 才能使农田 生态系统朝着对人类有益的方向发展 。为使系统保 持平衡并维持较高的生产力水平 , 必须通过多种途 径投入人力 、 水及用于各种农业机械的化石燃料等 [ 17 ] 物质和能源 , 以补偿产品输出后所出现的亏损 , 而这些过程需要有机碳的消耗 。因此 , 从碳循环角 度而言 ,农田经营过程也是碳的输入输出过程 。 农田生态系统主要的碳源 /汇途径见图 1。图 1 中 ,左侧为碳输入过程即主要的碳汇途径 ,右侧为碳 排放过程即主要的碳源途径 。此处考虑将肥料生产 过程和农业机械耗能等过程释放的碳 , 也看作是农 田碳排放的一种方式 。尽管肥料 、 农业机械 、 农药等 本身不含能量 ,但在其制造或运输过程中消耗了大
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图 1 农田生态系统的主要碳源 /汇途径
F ig. 1 M a jor pa ths of carbon source / sin k of the farm land ecosystem
2 研究区概况
选取中国沿海 10 个省市自治区 (辽宁、 河北、 天 津、 山东 、 江苏、 上海、 浙江、 福建、 广东、 广西 ) 的农田 生态系统作为研究对象。该区域基本上代表了我国 农业主产区不同的农田生态系统类型 ,各省市自治区 农作物种植结构差异明显 。这为研究我国不同农田 生态系统类型碳循环差异提供了便利 。
分 ,与人类关系最为密切 ,同时也是重要的大气碳源 和碳汇 。一方面 , 大气中 20% 的 CO2 、 70%的 CH4 和 90%的 N2 O 来源于农业活动及其相关过程
Pg,占全球陆地碳储量的 10%以上
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;另
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一方面 ,全球农田也是巨大的碳库 ,其碳储量达 170 。据 COLE
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lectric Power, Zhengzhou 450011, China; 2. College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475001, Chi2 na) Abstract: Based on the statistic data of crop yield and agricultural input in the period from 1981 to 2001, carbon sources and sinks of the far m land ecosystem s in the 10 coastal p rovinces, metropolises and autonomous regions of China were esti2 mated. Conclusions are reached as follow s: (1) The total carbon sink of the farm land ecosystem in coastal China was zigzag2 ging upward since 1981, and the total carbon em ission clim bing rap idly . But comparison show s the former went at a higher rate than the latter . However, the increasing rate ( 94% ) of the indirect carbon em ission caused by agricultural input ex2 ceeds that of carbon sink (44% ) during the crop grow ing season. (2) Significant temporospatial variation is observed of to2 tal carbon sink and em ission and of carbon sink and em ission per unit area betw een different regions and among them , both total em ission and em ission per unit area showed a rising trend w ith each passing year . The drastic variation of the carbon sink in developed regions is a result of relatively higher agricultural input . The total carbon sink in relatively developed re2 gions showed a downward trend from 1981 to 2001, which indicates that decreased acreage of farm land in the costal regions reduced carbon sink during the crop grow ing season. (3) The p roportion of carbon fixed by the main crop s in the farm land ecosystem of the coastal region against that of the whole nation ′ s was decreasing, which indicates that w ith the decrease in acreage of crop land and increase in agricultural input, the carbon sink function of the coastal region is weakened. Key words: coastal region; farm land ecosystem; carbon absorp tion; carbon em ission; carbon source; carbon sink
全球碳循环及“ 碳失汇 ” 研究表明 , 北半球中纬 [1 - 5] 度地区陆地生态系统是大气 CO2 的重要碳汇 。 最近几十年基于森林普查和大气观测资料的全球碳 收支研究已经证实了这一结论 , 但要确定“ 碳失汇 ” 形成的机制仍有很多困难 。为探索减缓温室效应的 对策 ,对陆地生态系统碳源 /汇强度 、 碳储量 、 通量及 减源增汇对策的研究成为目前碳循环领域的研究热 点 。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部
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量间接工业辅助能 ,而这些物质和能量在农业生 产中参与了循环 ,因此在其生产过程或耗能过程中 释放的碳也应看作是农田生态系统碳排放的途径之 [ 19 ] ( full C cycle a2 一 。W EST等 称之为“ 全碳分析 ” ) nalysis ,即包括对能源使用 、 肥料 、 灌溉和农业机械 的碳排放的估算 。
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3 数据来源与研究方法
3. 1 数据来源
采用 1981 —2001 年沿海 10 个省市自治区各种 农作物产量 、 种植面积和灌溉 、 施肥 、 农业机械 、 农村 用电等农业投入统计数据 (由中国科学院自然资源 数据库提供 ) 。 3. 2 研究方法 对碳吸收和碳排放采用分别估算的方法 。其 中 ,碳吸收主要依据农作物产量数据 、 经济系数和碳 吸收率进行估算 ; 碳排放主要从不同碳排放途径的 角度 ,结合国外相关专家确定的碳转化系数进行估 算 。这里仅对部分碳源 /汇进行了估算 。 作物生育期碳吸收 ( C t )估算公式为 :
475001) 摘要 : 运用 1981 —2001 年作物产量 、 农业投入等统计数据 ,对沿海 10 个省市自治区农田生态系统部分碳源 /汇进 行了估算 ,得到以下主要结论 : ( 1 )总碳吸收从 1981 年以来呈波动增加趋势 , 总碳排放则呈明显增长趋势 。二者 相比 ,碳排放明显低于碳吸收 ,但由主要途径农业投入导致的间接碳排放的增长速度 ( 94% ) 超过了作物生育期碳 吸收的增长速度 (44% ) 。 (2)各省市自治区碳吸收 、 碳排放变化的区域差异显著 ,单位面积碳吸收 、 碳排放变化的 差异也十分明显 。其中 ,各省市自治区总碳排放和单位面积碳排放基本上逐年增加 ,表明沿海发达地区农业投入 较高 ; 而碳吸收变动幅度较大 ,发达地区 (如浙江 、 福建和上海等 )碳吸收呈下降趋势 ,反映沿海地区农作物种植面 积下降致使农作物生育期总碳吸收量降低 。 (3)沿海地区农田生态系统主要粮食作物碳吸收占全国比例有所下 降 ,说明沿海地区农业种植面积减少和农业投入增加削弱了农田生态系统的碳汇功能 。 关键词 : 沿海地区 ; 农田生态系统 ; 碳吸收 ; 碳排放 ; 碳源 ; 碳汇 中图分类号 : X21; S181 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 - 4831 (2007) 02 - 0001 - 06
Tem porospa ti a l Var ia tion of Parti a l Carbon Source / S in k of Farm land Ecosystem in Coa sta l Ch ina. ZHAO R ong 2
1 2 qin , Q IN M ing 2zhou ( 1. College of Resources and Environment, North China Institute ofW ater Conservancy and Hydroe2