國內農業碳源匯效應研究：視角、進展與改進

　　摘要：結構復雜、自然生態與社會經濟過程交織、地域特征顯著的農業碳源/匯效應存在基于內部結構、雙重屬性、區域尺度等多種研究視角。國內基于內部結構視角的農業碳源/匯效應研究多局限于種植業，且多以單一的碳源或碳匯研究為主;農業組分細化與組分關聯的系統綜合研究明顯不足。在基于雙重屬性視角的研究中，自然生態視角側重于碳吸收和直接碳排放，社會經濟視角則聚焦于間接碳排放;由自然與經濟相互割裂到相互融合的二元農業碳源/匯綜合方法尚需深化�；趨^域尺度視角的研究多集中在大中尺度和樣地尺度，小尺度縣域研究比較薄弱;農產品供應鏈關聯的區域間碳流及減排值得關注。針對中國小規模家庭農場和種養關聯的多種經營特征，農業碳源/匯效應研究應將農業產業組分、農產品碳源/匯構成解析與種養關聯碳源/匯綜合并重，發展和完善評估模型、提高參數本土化程度，追蹤農產品生產、流通與消費等區域間碳流全過程。論文綜述國內基于內部結構、雙重屬性和區域尺度等視角的農業碳源/匯效應研究進展，并提出基于我國農業經營特征的碳源/匯效應改進研究。

　　關鍵詞：碳源/匯效應;內部結構;雙重屬性;區域尺度;種養關聯

　　隨著氣候變化研究的深入，碳減排增匯和適應已成為應對氣候變化的共識[1—3]。受自然和人文雙重影響，農業系統既可是碳源，也可是碳匯。鑒于農業碳減排增匯所具有的巨大潛力以及可能帶來的正外部效應，農業碳源/匯問題受到學術界乃至社會各界的廣泛關注。目前全球及區域農業碳源/匯研究快速推進，并取得大量成果。研究尺度從大洲、國家等大尺度向中小尺度，甚至農場尺度轉化[4]。

　　IPCC發布GuidelinesforNationalGreenhouseGasInventories[2]促進了區域農業碳排放估算，隨后碳足跡(CarbonFootprint，CFP)被引入農業碳源/匯研究[5—6]�；贗PCC清單的排放因子估算法和生命周期評估法(LifeCycleAssessment，LCA)等[4，7]被大量應用并不斷完善。為實現氣候適應、減排和食物安全的協同，出現氣候智能型農業(Climate⁃smartAgriculture，CSA)[8]，并成立氣候智能型農業全球聯盟。

　　國內通過大量區域農業碳收支估算、動態構成、驅動機理及區域分異等研究，提出系列減排固碳對策，為我國農業碳減排增匯提供了有力的科學依據。但農業碳源/匯效應十分復雜，由于缺乏區域農業碳源/匯內外關聯的深刻認識，農業整體和具體農產品碳源/匯效應間存在割裂，尚未形成統一的研究范式，致使該領域研究尚具有很大的不確定性。本文擬綜述國內基于內部結構、雙重屬性和區域尺度等3種視角的農業碳源/匯研究進展，并提出基于農業實際的碳源/匯效應改進研究。

　　1農業產業特性及碳源/匯效應研究視角

　　1.1農業產業特性

　　農業具有復雜的內部結構。廣義農業包括種植業、林業、畜牧業、漁業和農林牧漁服務業(曾稱“副業”)。而狹義農業僅指種植業：糧食、經濟作物、飼料和綠肥等生產。由于種植業地位重要而特殊，狹義的農業概念使用頻繁。農業生產過程是一個自然再生產與經濟再生產相融合的過程，農業系統既包括農田生態系統，也包括與農業生產關聯的社會經濟系統。農田生態系統是一種由環境、生物、生產活動和社會經濟等組成，人類活動影響顯著的半自然人工生態系統。農業最突出的產業特性是兼俱自然、社會雙重屬性以及獨特物質轉化和能量流動過程[9]的復雜產業體系。其具有突出的地域、周期和季節特征，不同區域之間還存在大量農產品和農資物料交換與能量流動。

　　1.2農業碳源/匯效應研究視角

　　由于農業獨特的產業特性，農業碳源/匯效應存在針對產業部門———內部結構、生產過程———自然生態與社會經濟雙重屬性、空間關聯———從樣地到區域乃至全球的區域尺度、動態序列———氣候變化與技術進步的時間動態等多種研究視角。而基于內部結構、雙重屬性和區域尺度等視角是農業碳源/匯效應研究的重要基礎視角。本文著重討論該3種視角的農業碳源/匯效應研究。

　　(1)基于內部結構的研究視角。農業包括種植業、林業、畜牧業、漁業和農林牧漁服務業，其內部各業又存在若干復雜組分。基于內部結構視角的農業碳源/匯效應研究以農業部門、類型和品種等為研究對象，采用順序分解或逐級整合的方式探討其整體與組分的碳源/匯效應。而農業組分間物質交換與能量流動所關聯的復雜碳流是研究難點。(2)基于雙重屬性的研究視角。農業兼具自然生態(自然再生產)與社會經濟(經濟再生產)雙重屬性。農業碳吸收主要通過作物、牧草與林木等植物光合作用吸收CO2。

　　而農業碳排放包括土壤N2O排放、稻田CH4排放，化肥、農膜、農藥、機械、灌溉等農資和能量投入產生的碳排放，以及畜禽腸道發酵和糞便產生的碳排放等。隨著農業對化石能源投入依賴的增加，農業碳排放成為重要的碳源�；陔p重屬性視角的農業碳源/匯效應研究以生產過程為研究對象，分別采用自然生態視角———動植物生長過程中直接碳收支分析、社會經濟視角———農業生產中的農資投入與產出所涉及間接碳排放分析的思路探討農業碳源/匯效應。而融合自然生態與社會經濟的生態—經濟復合農業碳源/匯研究既是研究重點，更是難點。

　　(3)基于區域尺度的研究視角。受自然環境以及社會經濟的制約與影響，不同區域都有相應的種植條件及種植制度。產業分工和農業地域性導致農業生產所需的農資投入以及農產品產出均存在區際流動。基于區域尺度視角的農業碳源/匯效應研究以農業生產的空間關聯為研究對象，探討伴隨農資投入、農產品等物質交換和能量流動在區域間產生的碳轉移、碳減排、碳循環與碳平衡等。

　　2基于內部結構、雙重屬性和區域尺度視角的農業碳源/匯效應研究進展

　　2.1基于內部結構視角的研究進展

　　分別用“農業、種植業、森林/林業、畜牧業、漁/水產業和農林牧漁服務業”等部門名稱，結合“碳吸收/碳匯、碳排放/碳源和碳收支/碳源匯”等主題詞通過CNKI數據庫檢索，合并具有包含關系的檢索結果，得到基于內部結構視角的農業碳源/匯效應研究。

　　(1)多局限于種植業，且多以單一的碳源或碳匯研究為主。由表1可知，部門碳源/匯文獻量排序為：種植業(86.94%)>林業(5.75%)>漁業(4.78%)>畜牧業(3.95%)，而未檢索到農林牧漁服務業的文獻。這表明既有研究多局限于種植業，未能全面覆蓋農業全產業。需要指出的是，在研究文獻中農業與種植業的概念含混。檢索到的7350篇種植業碳源/匯文獻中，僅226篇(3.07%)以“種植業”為題，而96.93%的文獻為“農業”，農業指代種植業較普遍。

　　此外，既有研究多以單一的農業碳源或碳匯研究(91.12%)為主，且碳源文獻(74.20%)遠多于碳匯(25.80%);鮮有將二者有機銜接的碳源/匯研究(僅7.88%)，綜合研究甚是薄弱。農業兼具碳源/匯雙重屬性，單一層面的分析易導致研究結論的片面性。

　　(2)農業組分細化與組分關聯的系統綜合研究明顯不足。無論是國家尺度還是區域尺度的農業碳源/匯效應研究大多將農業生產整體或所有作物作為研究對象，少有針對不同作物或組分進行研究，這限制了對某種作物、組分和某個重要農作區的農業生產提供配套的固碳減排技術以及政策革新方向[10]。

　　近期呈現從農業整體向作物[10—14]、反芻動物[15]、畜禽[16—17]和大棚蔬菜[18]等部門組分細化趨勢，并獲得一些組分差異的認識(如華北平原糧食、飼料和能源作物種植系統碳足跡[19]等)。但既有研究多以單個部門(種植業、林業、畜牧業和漁業)研究占絕對優勢(98.58%)，缺乏多部門組分間碳源/匯效應的系統關聯研究。僅極少量文獻(1.42%)進行種植業與畜牧業的碳源/匯綜合研究(表1)。要準確評估農業碳源/匯效應，必須要加強內部組分細化及組分關聯的綜合研究。

　　2.2基于雙重屬性視角的研究進展

　　(1)自然生態視角側重于碳吸收和直接碳排放，社會經濟視角則聚焦于間接碳排放。自然生態視角的農業碳源/匯效應研究通過土壤和植被碳庫動態估算、溫室氣體通量觀測與模型模擬等方法探討農業生產的碳吸收和直接碳排放。土壤有機碳庫估算主要采用土壤類型法、植被類型法、生命帶類型法和模型法等[20—21]。但土壤有機碳庫估計還存在很大誤差和不確定性[22]。作物植被碳庫估算主要采用參數估算法、遙感資料反演法和環境參數模型法[23—25]。與農田土壤相比，對作物植被碳庫及農田生態系統碳循環的綜合研究相對薄弱，且對作物植被碳庫變化的源匯效應存在不同認識[23]。

　　隨著研究深入，與農業有關的溫室氣體(GHGs)范圍擴大到CO2、N2O和CH4，并將N2O和CH4按增暖潛勢折算(折算系數為298和21—25)為CO2當量(CO2e)[2，26]。稻田CH4[27—28]、農田土壤N2O[29—32]和CO2[33—34]等通量觀測主要采用原位封閉靜態箱—氣象色譜法和微氣象法的窩度相關法。同時，也開展了溫室氣體排放的模型模擬(DNDC生物地球化學過程模型[35]等)。社會經濟視角的農業碳源/匯效應研究以農業生產的經濟過程為研究對象，重點關注農業生產過程中化肥、農藥、種子、地膜、灌溉和耕作等農資物料和能源投入而引起的間接碳排放。目前常采用IPCC清單排放因子估算法、生命周期評估法、投入產出分析和碳足跡估算器等方法[36]進行該視角的農業碳排放研究。

　　該視角研究多采用基于農業投入的宏觀統計數據，從農資投入、能源消費、廢棄物處理和反芻動物等排放源頭進行碳排放估算。單一的農業生產宏觀統計數據很難分配到明確的區域空間，而且對農業經營模式、產品構成、種養關聯等微觀數據有所忽略，必然會導致估算結果具有較大的不確定性和模糊性。

　　(2)由自然與經濟相互割裂到相互融合的二元農業碳源/匯綜合方法尚需深化。農業植被與土壤的碳排放與吸收監測使微小尺度(樣地)農業碳源/匯得以綜合，并被外推到不同尺度農地利用變化與生態系統的碳平衡。但在國家、區域或者局地尺度碳收支估算中，各種方法之間的準確性和精度以及監測實驗數值的區域空間適用性等均缺乏充分而嚴格的評估。

　　當前大部分的碳排放量估算均基于能源消費量和能源排放系數，而碳吸收又多從植物生長過程而獲得，兩者相互隔離。隨著自然科學與社會科學的融合與整化[37]，近年來突破了單一自然生態系統或社會經濟活動領域的視角局限，形成區域“自然—社會”二元碳源/匯綜合研究框架[38—39]。然而，農業的特殊性在于其需要同時緩解和適應氣候變化。由自然與經濟相互割裂到相互融合的二元農業碳源/匯效應研究的綜合方法還需要具體化。

　　2.3基于區域尺度視角的研究進展

　　(1)多集中在大中尺度和樣地尺度，小尺度縣域研究比較薄弱。國內對全國、省域、市縣、鄉鎮和樣地等不同區域尺度的區域農業碳源/匯進行了大量研究。但多集中在大中尺度(全國[40—41]、大地形區、行政區和省區[42—43]等)和樣地尺度，小尺度縣域的研究不足[36]。縣域是我國現階段具有獨立運行功能、完整社會經濟結構、分布最為廣泛的基本地域單元。加強縣域農業碳源/匯研究，可提高研究結果的針對性與可操作性。此外，既有研究偏集東部平原地區，對經營模式多樣、種養構成復雜和內在關聯多元的西部丘陵山地縣域關注明顯缺乏。

　　在區域農業碳源/匯估算基礎上，區域分異、變化趨勢、排放因子分析和公平性評價等研究逐漸深入。如通過碳源/匯強度分析區域空間分異[44—46]，利用環境庫茲涅茨曲線和灰色預測模型[47]、變化斜率[48]等刻畫變化趨勢，采用碳重心和重心移動距離探討區域碳源/匯重心轉移[49—50]，運用LMDI模型和Kaya恒等式剖析區域農業碳源/匯效應的驅動機理[51]和排放因子[52—54];使用碳排放生態承載系數及經濟效率評價區域農業碳排放公平性[55—56]。這些研究為促進農業結構優化和科學減排提供策略依據。

　　(2)農產品供應鏈關聯的區域間碳流及碳減排問題值得關注。農業碳源/匯效應除涉及生產過程外，還與農產品供應鏈關聯的區域間碳流及碳減排問題有關，如碳泄露、食物浪費、熱量消耗過剩以及營養習慣或食物結構等[57—60]。國內僅有城市食物浪費碳足跡[61—62]和部門貿易隱含碳排放[63]等個別報道。部門碳收支揭示了重要的碳流，這些碳流影響到多個部門，如果不計入區域碳收支核算，就是碳泄(滲)漏(carbonleak)。

　　跨部門碳流動包括農資生產投入，以及從農業部門轉移到能源部門的能源作物及其他生物燃料和在其他部門使用的農、林產品等。區域碳收支中可能遺漏的部門流動就是區域間產品的進出口。碳泄漏使一個領域或區域的耗費反映在其他地區的CO2排放中。雖然追蹤地區間化石燃料轉移的機制很發達，但地區間農林牧產品的交換并非如此[57]。

　　面對碳排放增多帶來的氣候變化難題，碳減排責任劃分是各國爭論的焦點。國際貿易造成的“碳泄露”問題已有相當程度的認識，國家間針對碳泄漏可采用對進口產品征收關稅等[63]減少排放泄漏的邊界調整措施。中國的碳減排責任最終要落實到省市尺度上，區域間貿易引起的“碳泄露”同樣值得考慮�？梢允褂枚鄥^域投入產出分析法，分別從生產者和消費者的角度對區域各部門碳排放進行分析，進而估算各部門進出口貿易中隱含的碳排放量[58]。

　　鑒于農業部門溫室氣體排放量巨大，減少食物生產損失和浪費或解決熱量消耗過剩問題的戰略，有很大潛力成為減緩全球氣候變化的有效工具[59]。其中，營養習慣改變對農業能源消費和溫室氣體排放有重要影響[60]，節約和減少糧食浪費等是碳減排的重要途徑。國內區域關聯的碳泄漏需要定量評估，而食物生產損失和浪費等碳減排潛力值得關注。

　　3基于我國農業經營特征的農業碳源/匯效應改進研究

　　3.1我國小規模家庭農場和種養關聯的多種經營特征

　　目前，國內已對作物秸稈草谷比[64]和畜禽糞尿排泄系數[65]等進行大量研究。據估算我國農業年生產有機物料資源量巨大[65]：畜禽糞尿約38億t，秸稈(風干)約10億t。數量龐大的農業有機物料可通過種養關聯的循環農業加以利用。

　　種養關聯的核心是作物秸稈、畜禽養殖廢棄物的資源化利用。由養殖企業、有機肥企業、種植企業、政府等多主導[66]，形成多種以沼氣工程、好氧堆肥和秸稈資源化為紐帶的種養循環農業模式[67]，以及稻田種養結合等空間共生循環農業[68]均具有整體減緩溫室效應的作用。而目前我國農業生產經營的突出特征之一是小規模家庭農場和種養關聯的多種經營，這種經營特征具有種養關聯的分散和隨意性。

　　即使由農戶組織形成的專業生產合作社仍然存在種養比例失調、種養分離與投入過剩[69]等問題。既有研究常將種植業和畜牧業視為獨立生產過程，忽略了種養關聯碳效應。因此，加強種養關聯模式、組織形式及其碳效率的理論探索和實踐均對農業碳減排具有重要意義。

　　4結語

　　國內基于內部結構、雙重屬性和區域尺度等視角的農業碳源/匯研究，為農業減排增匯提供了有力支撐。但農業碳源/匯是一個異常復雜的問題，精確評估小規模家庭農場和種養關聯多種經營特征下的我國農業碳源/匯對制定有效的減排策略、盡早實現碳達峰和碳中和的“雙碳”目標至關重要。未來應集成樣地觀測、農戶調查和統計數據，著力產業組分、農產品碳源/匯構成解析并加強種養關聯碳源/匯綜合研究;拓展和關聯研究視角與數據獲取方式，發展和完善評估模型，提高參數本土化程度;追蹤農產品生產、流通與消費等區域間碳流過程，開展碳減排全過程研究。

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　　作者：羅懷良1，

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