发展低碳经济作为应对气候变化、 促进可持续发 展的一项战略选择，正日益受到国际社会的高度关 注。 碳足迹是由生态足迹 ^[1] 衍生而来的概念，是指人类 在日常生活和经济活动中所直接和间接排放的 CO₂ （ 或温室气体 ） 总量 ^{[2, 3]} ，已被广泛用作衡量人类碳排放 对大气环境影响的一个新测度指标。 碳足迹研究也成 为当今国内外生态学界的新兴研究热点之一，内容涉 及碳足迹概念内涵、 计算方法、 不同尺度和领域的实 例分析，以及与社会经济影响因素的关系 ^{[4, 5, 6]} 。总体而言，现有碳足迹的研究在产业部门方面主要集中于工 业、建筑业、 交通等能源消费密集行业 ^{[7, 8]} ，而将农业或 农田系统作为一个整体进行全过程碳足迹核算尚不 多见。

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分， 不同于城市和森林、 草地等生态系统，既是重要的碳 源亦是碳汇，但对于其是净碳源还是碳汇的问题尚存 在争议。一些学者 ^{[9, 10, 11]} 认为，农业活动及其相关过程是 重要的温室气体排放源而非碳汇，对全球 CO₂ 的吸收 贡献不大； 而更多研究者倾向于农田具有巨大的碳汇 量^{[12, 13, 14]} 。目前农田碳汇研究已从研究农田土壤的碳汇效 应向研究整个农田生态系统的净碳汇效应转移 [12 ，15-17] ， 并出现以碳足迹表征农田生态系统的碳流变化及其 与生态承载力的比较，如段华平等对中国农田生态系 统碳足迹的分析 ^[18] ，但这方面的研究总体上还较缺 乏。 江苏省是经济大省，也是农业大省，耕地占全省土 地面积的 40%以上，以江苏省为区域案例，定量分析 其农田碳足迹变化特征及其影响因素，为区域碳排放 清单提供基础，对制定农业减排增汇政策及管理措施 也具有指导意义。 1 农田碳足迹概念界定与核算方法 1.1 农田碳足迹概念界定

尽管碳足迹近年来被广泛应用，但是其内涵并不 完全一致，使得计算结果出入较大。为此，首先需要明 确碳足迹内涵。目前国内外碳足迹基本上有两种涵 义： 一是指某种活动引起的 (或某种产品生命周期内 积累的) 直接或间接的 CO₂ 排放量或温室气体转化的 CO₂ 等价物排放量； 二是指吸收化石燃料燃烧排放的 CO₂ 所需的生产性土地面积，可看作生态足迹的一部 分，即化石能源的生态足迹。 简单地讲，前者指碳排放 量 （ tC ），后者指碳排放的占地面积 （ hm² ）。

本文从生态足迹的内涵与特色出发，认为第二种 定义更便于与区域生态承载力的比较以及与其他生 态足迹组分的合并，因此，明确农田碳足迹为吸收农 田生产投入引起的直接或间接的化石燃料燃烧排放 的 CO₂ 排放量所需的生产性土地面积，由农田各项投 入碳排放量与单位农田面积的碳吸收能力相比得到。 1.2 农田生产投入碳排放计算

农田生态系统为一个开放的生态经济复合系统， 主要受人为因素调控。从碳循环角度而言，农田生产 经营过程也是碳的输入输出过程，为使系统保持碳素 收支平衡并维持较高的碳生产力水平，必须通过多种途径投入化肥、农药、 机械燃油、 电力及人力等大量物 质和能量，以补偿产品输出后所出现的亏损，而这些 过程都需要碳成本—— —化石能源的消耗，并释放 CO₂ 影响大气环境。

农田投入碳排放总量 （ E ） 包括化肥、农药、农膜、 农机、 灌溉等投入在生产、 运输及使用过程中的直接 或间接的碳释放，其计算式表示为：

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其中，E_i为各项生产投入的碳排放量，tC · a^-1 ； Q_i 为各项投入的数量 （包括氮磷钾各类化肥用量，t、农 机柴油用量，t、农药用量，kg、 灌溉面积，hm² 、农膜用 量，t ）；γ_i为各项投入的碳排放系数。

农药、 柴油、 磷肥和钾肥的碳排放系数因缺乏国 内的研究数据，直接引用美国学者 West ^[19] 的研究结 果，系依上世纪 90 年代中期美国化肥、农药等生产 与运输过程中化石燃料能源的消耗情况计算而来的， 这也是目前国内外相关研究引用较多的，分别为农药 （ 主要指杀虫剂 ） 4.93 kgC · kg^-1 、 柴油 0.5927 kgC · kg^-1 、 磷肥 165.09 kgC · t^-1 、 钾肥 120.28 kgC · t^-1 。而氮肥的 碳排放系数，来自逯非等 ^[20] 根据我国 2004 年氮肥生 产能耗特点 （ 以煤为主 ） 及其 CO₂ 排放研究结果，按照 IPCC 推荐的方法估算得出我国生产 1t 氮肥的碳排 放为 1.740 tC。 灌溉碳排放系数为 20.476 kgC · hm^{-2 [21]} ， 是用我国 2004—2008 年平均火电系数对原有碳排放 系数修订来。农膜 5.18 kgC · kg^{-1 [21]} 。 1.3 农田作物碳吸收计算

农田作物碳吸收就是指作物光合作用形成的净 初级生产量，即生物产量，计算式表示如下：

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式中，C 为区域农田作物碳吸收总量，tC · a^-1 ； C_i 为某种作物的碳吸收量，tC · a^-1 ； k 表示区域农作物种 类数； ca_i为作物通过光合作用合成单位有机质所需 吸收的碳； Y_i为作物的经济产量，t · a^-1 ； wc_i为作物经 济产品部分的含水量，%； HI_i为作物经济系数。粮食 作物和经济作物的碳吸收率与经济系数主要引用王 修兰 ^[22] 资料 （ 表 1 ）。蔬菜、 瓜类等园艺作物由于缺乏 分类产量统计详细资料，并且也难以查找到每种园艺 作物的经济系数资料，只能根据文献 ^{[23, 24]} 粗略估算，而 其碳吸收率则取常见值 0.450 （ 表 1 ）。

表 1 主要农作物经济系数、 含水量和碳吸收率 Table 1 Economic coefficient,water content, and C absorption rate of major crops

表选项

农田土壤有机碳固定和碳呼吸由于缺少逐年的数据资料，只能根据年平均值估算其总量，所以此项 单列出来。 虽然国内在农田土壤固碳方面的研究成果 较多，但因气候、 土壤、 种植制度、 管理方式等影响而 存在较大差异。本文主要依据韩冰等 ^[14] 和金琳等 ^[25] 通 过对全国多个定位试验站过去 20a 的长期观测数据 进行全面分析的研究结果，其中前者指出长期施用化 肥和施用有机肥情况下土壤固碳速率平均分别为 0.380 tC · hm^-2 · a^-1 和 0.316 tC · hm^-2 · a^-1 ，后者分析则得出 长期施用化肥、 施用有机肥、 无机有机配施情况下土 壤固碳速率平均分别为 0.129、 0.545 tC · hm^-2 · a^-1 和 0.889 tC · hm^-2 · a^-1 。本文经综合平均将土壤年均固碳 速率确定为 0.452 tC · hm^-2 · a^-1 。

土壤呼吸碳释放，即土壤有机质分解和根呼吸， 这方面的定量研究很少。 本文主要参考李洁静等 ^[16] 在 江苏苏州太湖地区长期不同施肥处理下水稻-油菜轮 作系统的研究（ 每年氮磷钾化肥施用量分别为427.5、 45、 84 kg · hm^-2 ，鲜猪粪 16.8t · hm^-2 ），以及陈义等 ^[26] 在 浙江台州长期施用有机肥配合氮肥 （ 每年施用鲜猪厩 肥 16.5~49.5t · hm^-2 和尿素 N 165~330 kg · hm^-2 ）对滨 海水稻土 CO₂ 释放的研究，将土壤年均碳呼吸大致取 值为 0.670 tC · hm^-2 · a^-1 。 1.5 农田生态系统碳足迹计算

根据前面的定义，农田生态系统碳足迹由农田生 态系统碳排放总量与单位面积碳吸收的比值形成，可 用下式表示：

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式中，CEF 为农田生态系统碳足迹，hm² · a^-1 ；ECE 是农田生态系统碳排放总量，t · a^-1 ，包括农田投入碳 排放量 （ E ） 和土壤呼吸碳释放量 （ ES ）； NEP 为农田系 统单位面积的碳吸收能力，t · hm^-2 · a^-1 ； C 为作物碳吸 收量，t · a^-1 ； CS 为土壤碳固定量，t · a^-1 ； A为耕地面积， hm² 。

将农田碳足迹与区域生态承载力 （ 耕地面积） 比 较，如果前者大于后者，表现为碳生态赤字； 反之，则 表现为碳生态盈余，碳盈余量的大小即为耕地面积与 农田碳足迹面积的差值。 1.6 数据来源

以上计算所需的化肥用量、农药消耗量、 灌溉面 积、农机燃料量、农膜用量、 耕地面积、 农作物种植面 积、 农作物产量等统计数据资料均来自 《江苏省统计 年鉴 》 （ 1995—2009 ） 和同期各地市的统计年鉴。 2 结果与分析 2.1 农田作物碳吸收时空变化 2.1.1 江苏全省农田作物碳吸收时序变化

江苏省农田作物碳吸收总量近 15a 的变化大 体呈先下降后上升的 “V” 形趋势 （图 1 ） ，变化范围为 2 933.6×10⁴ ~3 896.9×10⁴ t · a^-1 ，2003 年处于低谷，较最 高时期 （ 1997 年 ） 减少了 24.7%。相应地，单位面积碳 吸收强度也呈现出与碳吸收总量一致的变化趋势，变 化范围在 6.04~7.71t · hm^-2 · a^-1 。碳吸收水平从 1999 至 2003 年的大幅降低，主要原因是粮食播种面积的下 降，而粮食播种面积的下降一方面与耕地面积的下降 有直接的关系，另一方面是农业结构调整、 生态退耕 等农业政策实施的结果 ^[27] 。2003 后的恢复性增长，主 要是政府对粮食生产的扶持力度加大、 价格提高等因 素的刺激，使粮食播种面积增加和单产水平提高，使 在耕地面积继续下滑的情况下，农田生态系统的碳汇 水平得以恢复提升。在此期间全省耕地面积持续缩 减，15a 共减少 37.36 万 hm² 。

图 1 农作物碳吸收量和碳吸收强度变化 （ 江苏） Figure 1 Changes of crop carbon absorption amount and intensity in Jiangsu Province

图选项

不同作物的碳吸收量差异较大 （图 2 ） ，主要粮食 作物水稻和小麦的碳吸收量，远大于其他作物，其中 水稻碳吸收量占全省碳吸收总量的比重常年保持在 40%左右，变化不大，其次为小麦碳吸收量，约占 20%~ 30%，波动较大，二者合计约占 60%~70%。其他作物 中蔬菜瓜类虽然面积与产量近年来增加不少，棉花下 降较多，但占比均在 10%以下，对全省碳吸收总量影 响不会太大。显然，水稻和小麦的碳吸收量在全省碳 吸收总量中居于绝对主导地位，其变动情况对全省碳吸收量趋势影响举足轻重。从碳吸收强度来说，水稻 具有显著高于旱作的生产力，可以固定更多的碳，许 多学者一致认为水田比旱地更有利于促进土壤有机 碳积累，固碳潜力十分突出 ^[25] 。 因此，稳定稻田面积对 于江苏省农田生态系统的固碳减排、 发展低碳高效农 业，也是一项有效措施。

图 2 农田作物碳吸收比重变化 （ 江苏） Figure 2 Proportions of carbon absorption of main crops in Jiangsu Province

图选项

江苏省不同地市的农田作物碳吸收总量差异较 大 （ 图 3 ），总体分布特点是北部地区普遍高于中部地 区，中部地区又高于南部地区，最高的盐城市与最低 的无锡市之间相差 8.7 倍，这主要与各地区的耕地面 积大小有关。而碳吸收强度则以中部地区为最高，其 次为北部，最低在南部，最大的泰州市（ 10.20t · hm^-2 · a^-1 ）与最小的南京市 （ 5.14t · hm^-2 · a^-1 ） 之间相差约 2 倍。碳吸收强度主要与作物单产水平的高低有关，位 于中部的江苏省里下河平原近年来已成为江苏粮食生产的集中地区。

图 3 江苏省各地市农作物碳吸收总量和碳吸收强度 （ 2009 ） Figure 3 The regional comparisons of crop carbon absorption amount and intensity in 2009

图选项

与农田碳吸收变化趋势不同，江苏省农田投入碳 排放呈逐渐增长趋势 （图 4 ） ，碳排放总量从 1995 年 的 727.2×10⁴ t · a^-1 增长到 2009 年的 882.7 ×10⁴ t · a^-1 ， 增幅为 15.5%；碳排放强度从 1.43t · hm^-2 · a^-1 上升到 1.88t · hm^-2 · a^-1 ，涨幅为 31.5%。 这说明随着化肥和农 机等农业投入量的增加，农田碳排放强度也在逐年提 高，虽然与碳吸收强度相比，碳排放强度较低，不及碳 吸收强度的 1/3，但其增速较快，已超过碳吸收的增长 幅度，所以不容轻视。

图 4 农田投入碳排放量及其强度变化趋势 （ 江苏） Figure 4 Changes of the amount and intensity of carbon emission form energy inputs in Jiangsu Province

图选项

在农田投入碳排放中 （图 5 ） ，化肥施用的碳排放 占最大部分，年均约占总排放量的 50%，其次为农业 机械作业的排放，占 28%，再次为灌溉占 12%，而农 膜农药所占比重较小，合占不足 10%。各投入项中化 肥的碳排放在 1995—1999 年期间增加较快，之后保 持平稳； 农业机械、农药农膜碳排放呈明显上升趋势， 尤其是农业机械，增长了 55.2%。 因此，从碳排放总量 的占有份额和增长的速度来看，江苏省农田碳排放量 的控制主要在化肥和农业机械碳排放增长方面。

图 5 各项农田投入的碳排放比较 （ 江苏） Figure 5 Comparisons of carbon emission amount among different inputs in Jiangsu Province

图选项

江苏省当前农田投入碳排放空间分布特点与作 物碳吸收的空间分布相似 （图 6 ），均表现为由北部向南部递减的分布格局，最大和最小的地区分别为徐州 （ 150.0×10⁴ t ） 和无锡 （ 21.5×10⁴ t ），相差 6.98 倍。而碳 排放强度的空间分布与碳吸收强度有所不同，最高是 北部的徐州 （ 2.54t · hm^-2 · a^-1 ），最小的是南京 （ 1.37t · hm^-2 · a^-1 ），相差 1.86 倍，并非碳吸收强度最高的中部 地区碳排放强度最大，说明北部的一些地区农田投入 水平高、 但投入效率较低。

图 6 江苏省各地市农田投入碳排放量和碳排放强度 （ 2009 ） Figure 6 Regional comparisons of carbon emission amount and intensity in Jiangsu in 2009

图选项

从表 2 可知，1995 至 2009 年期间，全省农田生 态系统的净碳汇变化与作物碳吸收量变化趋势相近， 2003 年最低。全省农田碳足迹呈先升高后略有降低 的变化趋势，范围在 136.8×10⁴ ~175.6×10⁴ hm² · a^-1 之 间，占同期耕地面积的比重达到 27.0%~36.1%，即农 田生产排放的 CO₂ 需要全省约 1/3 的耕地来消纳。 各 地市农田碳足迹分布格局与碳排放基本一致 （ 图略 ）， 为北部高南部低，徐州最高（ 27.85×10⁴ hm² · a^-1 ）、 南京 最低 （ 4.04×10⁴ hm² · a^-1 ），相差 6.89 倍，分别占耕地面 积的47.2%和 16.7%。虽然全省各年和各地市农田生 态系统均处于碳生态盈余状态，但由于耕地面积的缩 减，碳生态盈余呈明显的下降趋势。

表 2 1995—2009 年区域农田碳足迹变化 （ 江苏） Table 2 Carbon footprint of farmland ecosystem in Jiangsu Province from 1995 to 2009

表选项

为了进一步考察农田碳足迹随时间变化与碳吸 收之间的关系，从碳投入成本角度反映农田生产效 率，本文提出碳足迹效率的概念，将其定义为农田碳 吸收总量与碳足迹的比值，表示单位农田碳足迹所形 成的碳吸收量，此值越大，表明碳足迹效率越大，反之，则表明碳足迹效率越小。 表 2 的计算结果显示，江 苏省农田碳足迹效率主要受碳吸收影响，近 15a 呈 “V” 形波动，以 2003 年最低，总体有所下降，变化范 围为 29.95~17.99t · hm^-2 。

以上指标较一致地反映出江苏现代农业产生的 碳排放对环境的压力已相当大，使农田生态系统发挥 生态屏障、 接纳工业和城镇生活碳排放的能力受到较 大限制。因此，今后还需要在保障农田碳吸收增加的 同时，有效控制农田生态系统碳排放与碳足迹的增 长。采用合理有效的农业技术和管理措施，如推广有 机无机配施、 秸秆还田、 保护性耕作、 测土配方施肥 等，在农业源温室气体减排增汇方面具有重要的作 用 ^{[25, 28, 29]} 。 许多长期定位试验研究均一致认为，有机无 机配施和秸秆还田，既可有效增加作物产量，提高土 壤有机碳含量、 促进土壤碳固定，又可减少来自能源 利用的碳排放，有机无机配施的净碳汇量甚至达到单 施化肥的 2~3 倍 ^{[15, 16]} 。另外，利用作物秸秆、 畜禽粪便 和专用能源作物等生物质能源替代化石燃料，也是目 前国际上重视的一项减排农业措施 ^[28] 。 3 讨论

本文采用系数法，从碳循环角度初步分析了 1995—2009 年江苏省区域农田生态系统的碳排放、 碳吸收、 碳足迹及碳足迹效率的时空变化。由于国内 相关基础研究较为薄弱，核算结果尚存在一定的不确 定性。首先，农田各项投入的碳排放系数γ_i本质上均 为变量，随作物类型、 地区和时间等发生变化 ^[19] ，但限 于目前我国这方面研究的缺乏，本文农药、 柴油、 磷钾 肥的碳排放系数引自美国上世纪 90 年代的研究数 据，两国在能源结构、农资生产工艺以及农田管理 方式等方面存在的差异势必会造成一定的误差。 逯非 等 ^[20] 根据我国情况计算出来的氮肥碳排放系数 1.740 tC · t^-1 高于 West 的 0.857 5 tC · t^-1[19] 两倍之多，因而实 际的碳排放系数以及由此计算出来的碳排放总量也 将更大些。

其次，在农田作物碳吸收方面，地处经济发达地 区的江苏省，园艺作物包括设施园艺作物种植增长迅 速。 但目前的统计年鉴缺乏园艺作物种植面积和产量 的详细分类统计，使其碳吸收总量及其构成变化的估 计受到影响。 另外，作物经济系数虽然较为稳定，但随 着品种类型的更新换代，也会发生变化，如超级稻的 经济系数已到达 0.60 以上，而目前计算使用的经济 系数普遍偏低，致使作物碳吸收量可能被低估。 最后，土壤碳固定与呼吸速率的取值方面，现有研究结果受 种植制度、 土壤、 气候等因素影响存在较大的不一致， 而土壤呼吸的定量研究很少，有的研究甚至认为土壤 碳固定与碳呼吸大致抵消，或认为土壤呼吸很小可以 忽略不计 ^[18] 。 这方面的不确定性也可能成为影响核算 结果的精确度的一个原因。

上述涉及到的不确定性问题，也说明了开展更多 深入细致研究的必要性，包括符合国情的碳排放系数 推算、作物经济系数测定、 园艺作物产量的分类调查、 不同条件下的土壤呼吸速率研究、 不同管理方式的碳 足迹效应比较研究等等，以便为区域碳排放清单提供 更多、 更准确的数据资料。

在全球人类活动引起的 CH₄ 和 N₂O 排放总量 中，农业的贡献占到 52%和 84% ^[30] ，目前国际上已加 强了对农业温室气体排放总量的研究 ^{[28, 29, 30]} 。本研究主 要核算了温室气体 CO₂ 的农田碳排放及碳足迹，至于 农田投入过程的 N₂O 排放和 CH₄ 排放，因相关数据 的不完善和为了突出分析碳排放效应而暂未考虑。 逯 非等 ^[20] 根据我国氮肥使用的 N₂O 排放试验研究结果， 按照 IPCC 推荐的不同温室气体 100a 全球增温潜势 （ GWP ） 折算温室效应的方法，估算出我国农田施用1 t 氮肥产生的 N₂O 排放量相当于 1.59 tC 的碳排放量， 几乎与生产氮肥过程中化石燃料燃烧引起的碳排放 量 （ 1.74 tC ） 等量。据张强等 ^[31] 研究，2007 年全国农田 单位耕地面积 N₂O-N 直接排放的平均值为 2.36 kg · hm^-2 ，江苏省更是超过 4.0 kg · hm^-2 ，位居前茅。为了应 对气候变化，未来不仅要进一步提高 CO₂ 足迹的测算 精度，势必还需要加强对 N₂O 和 CH₄ 足迹的计算和 预测。 4 结论

近 15a 来，江苏省农作物碳吸收总量和碳吸收 强度呈 “V” 字形变化，变化范围分别为 2 933.6 ×10⁴ ~ 3 896.9×10⁴ t · a^-1 和 6.04~7.71t · hm^-2 · a^-1 ，水稻和小麦 碳吸收量占全省碳吸收总量年均达到 70%。 农业投 入碳排放呈逐渐上升趋势，碳排放强度从 1.43t · hm^-2 · a^-1 上升到 1.88t · hm^-2 · a^-1 ，增长了 31.5%，增速超过作 物碳吸收，化肥排放始终占据主导地位。

农田生态系统碳足迹呈现波动增长，范围在 13.68×10⁵ ~17.56×10⁵ hm² · a^-1 之间，占同期耕地面积的 比重达到 27.0%~36.1%，碳生态盈余呈明显减少趋 势。各地市农田碳吸收、碳排放和碳足迹大体上均呈 现自北部向南部递减的格局，碳足迹以徐州为最高、南京为最低，两者相差 6.89 倍。全省各地，特别是北 部地区应重视农田减排控制，推广有机无机肥配施和 秸秆还田、 降低肥料用量与提高肥料利用率、 稳定稻 地面积等固碳减排农业措施，控制碳足迹增速，提高 农田生态系统碳汇功能。