尹钰莹^1,2,, 郝晋珉^1,2,, 牛灵安^1,2, 陈丽^1,2
1. 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193
2. 国土资源部农用地质量与监控重点实验室,北京 100193;

Carbon cycle and carbon efficiency of farmland ecosystems in Quzhou,Hebei Province

YINYuying^1,2,, HAOJinmin^1,2,, NIULing’an^1,2, CHENLi^1,2
1. College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University,Beijing 100193,China
2. Key Laboratory for Agricultural Land Quality Monitoring and Control,The Ministry of Land and Resources,Beijing 100193,China
通讯作者:通讯作者:郝晋珉,E-mail:jmhao@cau.edu.cn
收稿日期:2015-12-10
修回日期:2016-03-8
网络出版日期:2016-05-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:国家科技支撑计划项目:“环渤海经济区基本农田建设技术研究与示范”（2015BAD06B01）
作者简介:
-->作者简介:尹钰莹,女,吉林珲春人,硕士生,研究方向为土地利用规划。E-mail:yinyy824@hotmail.com



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摘要
农田生态系统在全球碳循环中具有突出地位,研究农田生态系统碳循环过程、掌握地区碳收支情况,对挖掘农田多功能性、发展低碳农业具有重要意义,同时为制定农业生态补偿提供依据。本文综合分析农田生态系统碳循环过程,并根据实际情况修正核算了碳排放系数,从碳输入、碳输出、固碳三个过程对曲周县农田生态系统碳源和碳汇以及碳效率进行研究。结果表明,2011年曲周县农田生态系统碳平衡值为-3.30万t,当年可固定碳17.61万t。土壤呼吸、农用机械以及氮肥、磷肥的使用是造成碳排的主要因素。各乡镇农田生态系统碳源和碳汇情况有所差异,曲周镇等乡镇由于高投入低产出导致当年系统为碳源,而候村镇、河南疃镇等乡镇由于低投入、高产出导致当年系统为碳汇。曲周县农田生态系统虽整体表现为碳源,但仍具有较强的碳汇能力以及较高的碳效率,在一定程度上可弥补碳排放对环境造成的影响。

关键词：农田生态系统;碳循环;碳排放系数;碳效率;曲周县
Abstract
Given the vital role that farmland ecosystems play in the global carbon cycle,it is of great significance to study carbon cycles and the regional balance of carbon. Studies of this nature contribute to diversity and providing references when developing low-carbon agriculture and establishing eco-compensation systems. We comprehensively analyzed farmland ecosystem carbon cycles and corrected some carbon emission coefficients based on actual conditions. From the perspective of carbon input,carbon output and fixed carbon,parameters for carbon source/sink and carbon efficiency were calculated. Results show that the carbon balance value of farmland ecosystems was -3.30×10⁴t and the carbon was fixed at a level of 17.61×10⁴t in 2011. Soil respiration and some human productive activities including utilization of nitrogen fertilizer,farm machinery and phosphate fertilizer were the main factors in carbon emission. When analyzing the condition of carbon source in each township in Quzhou,we found that during low output and high input,the farmland ecosystem of Quzhou appeared as a carbon source. On the contrary,the farmland ecosystem of Houcun,Henan Tuan and other towns were a carbon sink on account of low input and high output. In conclusion,farmland ecosystems in Quzhou country show remarkable carbon sequestration capacity and relatively high carbon efficiency,despite the overall performance of a carbon source. To some extent,this can function as compensation for some of the negative effects of carbon emissions on the environment.

Keywords：farmland ecosystem;carbon cycle;carbon emission coefficient;carbon efficiency;Quzhou County

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尹钰莹, 郝晋珉, 牛灵安, 陈丽. 河北省曲周县农田生态系统碳循环及碳效率研究[J]. , 2016, 38(5): 918-928 https://doi.org/10.18402/resci.2016.05.11
YIN Yuying, HAO Jinmin, NIU Ling’an, CHEN Li. Carbon cycle and carbon efficiency of farmland ecosystems in Quzhou,Hebei Province[J]. 资源科学, 2016, 38(5): 918-928 https://doi.org/10.18402/resci.2016.05.11

1 引言

工业革命后,大气中温室气体浓度的持续上升被认为是引起气候变暖的重要原因^[1],其中CO₂对温度升高的贡献占70%^[2],人类活动对陆地生态系统碳库的影响和干扰被认为是当今和未来全球气候变暖的根源。
农田生态系统是陆地生态系统中最活跃的碳库,全球耕地面积占全球陆地面积的10.62%^[3],提供着全球66%的粮食供给^[4],其碳储量占全球陆地生态系统碳储量的10%以上,在全球碳循环中具有突出地位^[5]。研究农田生态系统碳循环、挖掘农田多功能性,对最大可能实现农田的碳汇功能、保证粮食产量的同时兼顾环境保护有重要意义,同时为制定农业生态补偿提供依据。
赵荣钦等对1998-2001年中国沿海10个省市农田生态系统碳源及碳汇进行估算,结果显示,该区的农田生态系统碳吸收明显大于碳排放,但同时发现碳排放的增速明显超过了碳吸收^[6]。随着农作物产量对农业投入的依赖性越来越大,对农田生态系统碳源和碳汇的研究更为重要。现有研究大多集中在农田生态系统碳蓄积和碳储量的时间变化上,对碳循环过程的具体核算研究略有欠缺,农田生态系统碳核算体系仍不健全。具体问题表现在:①系统边界模糊。研究系统边界应框定在相同的时间、范围内,否则将出现边界混淆;②核算指标不完整。化肥、农药等因素碳排活动考虑了生产全周期,而农用机械、灌溉等普遍只考虑使用过程中的能耗,未计算制造机械、建造设备等前期活动的碳耗;③排放系数选择欠科学。大多数研究碳排放系数大多直接引用美国****West^[7]、Lal^[8]及IPCC的研究成果,对真实反映中国农田生态系统的碳状况存在一定差距。
黄淮海地区作为中国粮食主产区,农田生态系统碳蓄积量最高,占全国的20%^[9]。河北省曲周县是黄淮海地区典型的农业生产强县,耕地面积占其土地总面积的78%以上。从区域小尺度上研究曲周县农田生态系统碳循环,对研究黄淮海地区有借鉴意义。为使研究结果更贴合实际,本文结合曲周县情况对碳排放系数进行修正及核算。在分析农田生态系统碳源和碳汇的同时,结合碳效率,考虑碳排成本为社会所带来的效益,更全面地衡量曲周县农田生态系统碳收支状况,并从碳减排的角度为曲周县发展低碳农业以及今后相关研究方向提供建议。

2 研究思路

农田生态系统包括人、田间作物、杂草、耕作土壤、非生命物质（如太阳能）等^[10],是在农田上人工建立的以单一或数种作物为中心的特殊生态系统,其稳定依赖于一系列耕作栽培措施和人工养地。碳主要以有机物的形式贮存在土壤、植物及其枯死残体中^[11],形成主要的植物碳库和土壤碳库,其中土壤碳库主要指土壤有机碳^[12]。农田生态系统碳循环,即碳以不同形式在大气碳库、植物碳库和土壤碳库之间循环往复的过程,见图1。
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图1农田生态系统碳循环过程
-->Figure 1The carbon cycle of farmland ecosystem
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具体过程如下:植物通过光合作用固定大气中的CO₂,生成植物体内的碳化合物。植物的枯枝落叶及植物碎屑落到地面,一部分立即分解向大气释放CO₂,其余进入土壤构成土壤碳库（包括活性碳库、缓性碳库、惰性碳库^[13]）,在微生物的作用下分解一部分进入大气碳库。土壤碳库通过土壤呼吸向大气中释放CO₂,形成土壤碳库与大气碳库之间的碳流动。土壤呼吸是土壤有机碳输出的主要形式,包括植物根呼吸、土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸,以及含碳矿物质的化学氧化作用^[14],全球每年向大气释放的CO₂达（50~75）PgC,占陆地生态系统与大气碳交换总量的2/3^[15]。农田生态系统碳循环过程复杂,影响因素众多,土壤理化性质、种植制度、耕作方式、施肥灌溉等因素相互作用、相互影响,共同决定着农田生态系统最终是“碳源”还是“碳汇”。
人类需要不断从农田生态系统中输出粮棉油等物质,为了保持较高的生产力,必须通过投入人力、肥料、水等各种物质和能源来维持农田生态系统平衡,补偿产品输出造成的系统内物质能量亏损,可抽象为碳输入、碳输出、碳固定三个过程。本文即从这三个角度对农田生态系统碳循环展开研究,以曲周县农田生产系统为边界,包含农田生产全过程中的自然生产及人工生产,人工生产即人类参与曲周县农田生产过程所发生的全部行为,不局限于曲周县当地,如发生在异地的农资投入品供应链上游的隐含碳排放,从而对农田生态系统内的碳进行从“摇篮到坟墓”的追踪核算。其中农作物在系统中的固碳作用客观存在,不应该因为未来的碳排放行为而忽略农作物当下的固碳作用,当年的碳输入及碳输出即在当年确认。中国农业生态系统碳循环周期一般为1年^[16],为保证时间范围的一致性,研究周期以一个自然日历年为单位。具体核算思路如下:
（1）碳的输入:碳输入即主要的碳汇途径。主要包括农作物通过光合作用从大气中吸收固定碳、有机肥等有机物料分解后的碳进入土壤碳库。根据实际调查曲周县农户少有施有机肥,故本文不做考虑。
（2）碳的输出:碳输出包括两部分。一是碳移出,碳储存在产品中随其移出而输出系统,并未在曲周县农田生态系统内产生碳排放;二是碳排放,主要指系统内的主要碳排途径。
碳移出的形式主要有以秸秆为原料制成的产品输出。秸秆用作生产原料进行生产加工,碳储存在秸秆产品中被销售至曲周县以外地区,为保证系统边界的完整性,将其视为碳移出。
碳排放考虑了农田生产活动碳排放的全生命周期:农田生产活动的农业源直接排放、能源消费导致的碳排放及农资投入品供应链上游隐含碳排放。农田生产活动的农业源直接排放即自然排放,主要包括植物和土壤的呼吸作用、秸秆用作饲料等利用方式产生的碳排放、人类食用农产品后以各种形式分解排放的碳。能源消费导致的碳排放及农资投入品供应链上游隐含碳排放即人类生产活动碳排放,包括灌溉用电所间接使用的煤炭等化石能源的燃烧、农用机械所消耗的柴油燃烧、农药化肥等生产资料的生产和运输。
（3）碳的固定:碳的固定即碳当年未被消化分解或暂时储存在农田生态系统中。植被从大气中固定碳后部分以农产品及其副产品或废弃物的形式运走或很快释放回大气中,真正蓄积到农田生态系统中的碳大部分为固定在土壤中的碳,主要来自根、根系分泌物及秸秆还田。还有部分碳储存在当年未消耗的农产品中。
农田生态系统上述三个过程碳循环的数量关系可以用下列公式表示:
农田生态系统碳收支平衡值(?C)=碳输入量(I)-碳输出量(O)（1）
碳输出量(O)=碳移出量(L)+碳排放量(D)=碳移出量(L)+自然排放量(D1)+生产排放量(D2)（2）
?C是判断农田生态系统为碳源或碳汇的依据,若 ?C>0,则农田生态系统是碳汇,反之为碳源。
农田生态系统的碳循环若全部发生在系统内部或者系统与大气碳库之间,则此时生态系统碳收支平衡值可看作当年固碳量。但人类生产活动所消耗的碳成本源于农田生态系统之外,由此而产生的碳排放却发生在农田生态系统之内,这部分外来碳源的碳排放在计算农田生态系统净收支时,抵消了部分当年固定在系统中的碳量。农田生态系统当年的实际储碳量,即农田生态系统的NEP可以表示为:
当年储碳量(CS)=碳输入量(I)-碳移出量(L)-自然排放量(D1)（3）

3 研究方法与数据来源

3.1 碳输入计算

曲周县主要种植作物为小麦、玉米、棉花,本文将主要考虑这三种作物。计算农作物固碳量的方法目前主要有面积计算法^[17]和农作物经济产量法。本文采用农作物经济产量法,经济产量反映的是作物扣除自养呼吸消耗后的碳积累量。具体估算方法如下:
Ct=∑inCi=∑inCf×Eui+Edi=∑in[Cf×Yi×(1-Wi)×(1+Ri)]/Hi（4）
式中 Ct为全部作物生育期碳吸收量（tC）; Ci为作物i碳吸收量（tC）; Eui、 Edi为作物i地上、地下生物量（t）; Cf为碳吸收率,即作物光合作用合成单位质量有机质（干重）所需要的碳（tC/t）; Yi为作物i经济产量（t）; Wi为作物i含水率（%）; Hi为作物i经济系数; Ri为作物i根冠比。具体参数值见表1。
Table 1
表1
表1农作物碳固定量计算参数
Table 1The carbon fixation parameters of crops

参数	小麦	玉米	棉花	来源
Cf/（tC/t）	0.49	0.47	0.45	李克让[18] 李克让[18]
Hi/（t/t）	0.40	0.40	0.10
Wi/%	7.00	7.71	7.61	罗怀良[19]
Ri/（t/t）	0.39	0.16	0.12	谷家川[20]

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3.2 碳输出计算

3.2.1 碳移出
根据曲周县三种农作物秸秆利用的实际情况,秸秆用作生产原料的利用方式主要包括玉米秸秆生产防滑垫、棉花秸秆粉碎后生产人造板材,其余秸秆皆全部还田。根据实地调研并结合白运兵^[21]的研究结果,玉米、棉花用作原料生产量分别占各秸秆总量的50%和70%。此部分碳将长期固定在产品中,短期内不会排放,但随着产品的输出移出曲周县农田生态系统。计算公式如下:
Cgi=λi×Yi×Ci×Di（5）
Cgl=∑inCgi×hi（6）
式中 Cgi为作物i秸秆含碳量（tC）; λi为作物i的草谷比（t/t）; Yi为作物i经济产量（t）; Ci为作物i秸秆的含碳率,即单位秸秆中的含碳量（tC/t）; Di为作物i秸秆干物质比例（t/t）; Cgl为秸秆用作生产原料的碳输出量（tC）; hi为作物i秸秆用作原料比例（%）。
具体参数值见表2。
Table 2
表2
表2农作物秸秆碳固定量计算参数
Table 2The carbon fixation parameters of crops straw

参数	小麦	玉米	棉花	来源
λi/（t/t）	1.37	2.00	3.00	杨乐[22] 杨乐[22]
Di/（t/t）	0.83	0.40	0.90
Ci/（tC/t）	0.52	0.47	0.45	北京农业大学[23],郑重[24]

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3.2.2 碳排放
（1）土壤呼吸碳排放。土壤呼吸排放的CO₂主要来自于农田作物根系呼吸以及土壤微生物对有机质（土壤原有机质、枯枝落叶、作物死根）的分解,土壤动物呼吸和化学氧化排放的CO₂量非常微小,可以忽略不计。农田土壤呼吸具有高度的时间和空间变异性,土壤因素、气候因素、人为因素（耕作方式、施肥、灌排条件等）都将影响土壤呼吸^[25]。目前对土壤呼吸量的测定主要采用静态气室法、动态气室法、涡度相关法等,本文采用原位静态碱液吸收法,对曲周县试验地进行长期定位监测,小麦-玉米轮作下的农田土壤每年累计释放CO₂量为18.73t/hm²。前文农作物地下生物量固碳的计算中已扣除作物根自养呼吸释放的CO₂量,故应将此部分土壤呼吸中根的自养呼吸排碳量扣除。结合黄斌对冬小麦、夏玉米轮作下农田土壤呼吸的测定,考虑到土壤环境、水分等因素对土壤呼吸的影响,对自养呼吸量只做保守估计,占土壤呼吸总量的13.5%^[26],土壤呼吸（不包括根自养呼吸）每年的排碳量为4.419tC/hm²。
（2）农产品被食用后的碳排放。曲周县是全国粮棉生产基地,粮棉生产基本实现自给自足,其剩余部分出售外地或在当地储存,其内储碳视为当年在系统内部积蓄。农产品被食用后,当年即以各种形式将碳分解排放到大气中,少量排放到土壤和水中的碳忽略不计。综合中国居民平衡膳食营养宝塔、中国食物与营养发展纲要以及不同****^[27,28]对中国人均粮食需求量预测的研究,以人均粮食消费量每年400kg（温饱水平上线、小康水平下线）为计,估算曲周县每年消费的粮食中的含碳量,这部分碳当年全部释放,总计20.7万tC。
（3）生产活动碳排放。灌溉、农用机械、施用化肥及农药等生产活动碳排放量计算公式如下:
E=∑Et=∑Ti×δi（7）
式中E为生产活动碳排放总量（tC）; Et为灌溉、农用机械使用及化肥、农药的生产运输过程所分别产生的碳排放量（tC）; Ti为各碳排放源（灌溉、农用机械、化肥、农药）的量（hm²或t）; δi为各碳排放源（灌溉、农用机械、化肥、农药）的碳排放系数（tC/hm²或tC/t）。
关于生产活动的碳排放系数国内缺少相关研究,大多直接引用美国****West（美国橡树岭国家实验室）^[7]、Lal^[8]以及IPCC的研究成果。本文依据曲周县实际情况核算了灌溉、农机柴油、化肥的碳排放系数,农药缺乏相关数据故直接引用West的研究结果,各项生产活动碳排放的系数参见表3。1t标准煤燃烧可以产生2.4589tCO₂^[29],据此计算标准煤碳排放系数0.615tC/t。灌溉、柴油、化肥碳排放系数计算过程如下:
Table 3
表3
表3各项生产活动碳排放系数
Table 3The carbon emission coefficients of some production activities

	排放系数	来源
灌溉	0.125 4tC/hm2	计算 计算
柴油	0.895 7tC/t
氮肥	1.338 4tC/t	计算、许秀成[31]、逯非[30]
磷肥	0.168 5tC/t	计算、West[7] 计算、West[7]
钾肥	0.123 7tC/t
农药	4.934 1tC/t	West[7]

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（1）灌溉。灌溉所产生的碳排放产生于发电时对化石能源的消耗,考虑到仅火力发电对化石能源的消耗导致间接碳排放,因而用火电系数（火力发电占中国总发电量之比）对耗电量进行修正。火电系数为0.8050,电力的标准煤系数为0.1229kg标准煤/kWh,根据实际调研统计,曲周县农户平均灌溉耗电量为793.35kWh/hm²。据此计算出灌溉的碳排放系数为125.43kg/hm²,远低于West计算的266.48kg/hm²。
（2）柴油。柴油的标准煤系数为1.4571kg标准煤/kg,据此计算柴油的碳排放系数为0.8957tC/t,与IPCC给出的0.5927tC/t较为接近。
（3）化肥。中国化肥生产过程中需要消耗大量化石能源,尤其是氮肥,IPCC报告指出农业温室气体排放量中70%和氮肥的制造与使用有关。逯非计算尿素和碳铵的生产能耗,得出生产1t氮肥引起1.74t的碳排^[30]。许秀成根据2008年生产的氨量计算生产尿素和碳铵的碳排量,生产1t氮肥引起0.93t的碳排^[31]。本文取二者的平均数,即生产1t氮肥产生1.335t的碳排放量,高于West的0.8675t,但较符合中国实际情况。磷肥和钾肥生产的碳排放系数参考West研究成果,分别为0.1651tC/t、0.1203tC/t。
运输环节估算农资销售半径为200km,货车平均柴油消耗为31.8L/100km（密度0.839kg/L）,额定载重量为14t^[32],据此计算运送1t化肥排碳量为0.0034t。
最终氮肥、磷肥、钾肥的排碳系数分别为1.3384tC/t、0.1685tC/t、0.1237tC/t。

3.3 碳平衡值计算

根据公式（1）-公式（3）,农田生态系统碳收支平衡值可表示为:
?C=I-O=Ct-(Lr+Zr+Zs+E)（8）
当年储碳量可表示为:
Cs=Ct-(Lr+Zr+Zs)（9）
式中?C为农田生态系统碳收支平衡值（tC）; Cs为农田生态系统碳储量（tC）;I为农田生态系统碳输入量（tC）;O为田生态系统碳输出量（tC）; Ct为全部作物生育期碳吸收量（tC）; Lr为作物秸秆移出碳量（tC）; Zr为土壤呼吸排碳量（tC）; Zs为作物被食用排碳量（tC）;E为生产活动碳排放总量（tC）。

3.4 碳效率

碳效率指投入单位碳所产生的经济产量和经济价值等有效价值量。单纯以碳排量或碳平衡值衡量系统对环境的碳效应,忽略了碳成本为社会所带来的效益,分析碳效率在一定程度上可以弥补这一不足。农田生态系统碳效率主要以生产效率、经济效率、生态效率衡量,分别为经济产量、经济产值、光合作用固定的碳与碳投入量的比值,其中碳投入量为农田生产活动过程中化肥、农药等人工投入所造成的碳排放总量,经济产值为经济产量与单价的乘积。农田生态系统碳效率的计算公式如下:
ηp=Y/CM（10）
ηi=P/CM=Yi×Pi/CM（11）
ηe=Ct/CM（12）
式中ηp、 ηi、 ηe分别为生产效率（t/tC）、经济效率（元/tC）、生态效率（tC/tC）; CM为碳投入量（tC）;Y为作物经济产量（t）;P为经济产值（元）; Yi为作物i经济产量（t）; Pi为作物i单价（元）; Ct为全部作物生育期碳吸收量（tC）。

3.5 数据来源

文中计算所需要的作物经济产量、灌溉面积以及柴油、氮肥、磷肥、钾肥使用量数据源于2011年《曲周县统计年鉴》^[33];秸秆利用方式及农户平均灌溉耗电量数据,通过对曲周县10个乡镇各随机选取3个村子实际调研获得;标准煤系数来源于国家统计局能源统计司主编的2011年《中国能源统计年鉴》^[34],火电系数源于2005-2010年《中国能源统计年鉴》^[34]。

4 结果分析

4.1 系统碳循环量

按上述方法,计算得出2011年曲周县各乡镇及全县碳循环情况,具体结果见表4。
Table 4
表4
表42011年曲周县及各乡镇农田生态系统碳循环量
Table 4Carbon turnover of farmland ecosystem in Quzhou during 2011（万t）

碳循环各环节			曲周镇	槐桥乡	白寨乡	安寨镇	大河 道乡	候村镇	依庄乡	河南 疃镇	四疃乡	里岳乡	全县	净碳 排放量/ （t/hm2）
碳输入		农作物	5.14	5.18	7.37	10.03	3.22	10.64	3.42	7.30	6.62	6.19	65.11	13.63
碳输出	碳移出	秸秆	0.44	0.47	0.60	0.83	0.31	0.90	0.33	0.65	0.61	0.54	5.68	1.19
	自然排放	土壤呼吸	2.04	1.64	2.14	2.99	1.21	3.15	1.43	2.42	2.27	1.82	21.11	4.42
		食用消耗	3.59	1.34	2.47	2.65	1.11	2.80	1.40	2.01	1.82	1.52	20.71	4.34
		小计	5.63	2.98	4.61	5.64	2.32	5.95	2.83	4.43	4.09	3.34	41.82	8.75
	人类生 产活动	灌溉	0.07	0.07	0.09	0.13	0.04	0.14	0.05	0.10	0.09	0.08	0.86	0.18
		农用机械	0.53	0.21	0.17	0.13	0.08	0.11	0.04	0.05	0.35	0.34	2.01	0.42
		氮肥	3.67	1.69	0.69	1.41	1.84	0.43	1.90	0.89	1.86	1.55	15.93	3.33
		磷肥	0.35	0.23	0.19	0.08	0.19	0.02	0.24	0.07	0.22	0.19	1.78	0.38
		钾肥	0.01	0.00	0.01	0.00	0.00	0.01	0.00	0.00	0.01	0.00	0.04	0.01
		农药	0.04	0.01	0.01	0.03	0.02	0.02	0.04	0.03	0.04	0.05	0.29	0.06
		小计	4.67	2.21	1.16	1.78	2.17	0.73	2.27	1.14	2.57	2.21	20.91	4.38
	总计		10.74	5.66	6.37	8.25	4.80	7.58	5.43	6.22	7.27	6.09	68.41	14.32
当年固碳值			-0.93	1.73	2.16	3.56	0.59	3.79	0.26	2.22	1.92	2.31	17.61	3.68
碳平衡值			-5.60	-0.48	1.00	1.78	-1.58	3.06	-2.01	1.08	-0.65	0.10	-3.30	-0.69

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2011年全县碳输入总量为65.11万t,碳输出总量为68.41万t,系统内当年可固定碳17.61万t,占输入总量的27.04%。从系统碳增减量分析,2011年曲周县农田生态系统碳平衡值为-3.30万t,系统为碳源,净碳排放量为0.69t/hm²。
虽然曲周县农田生态系统为碳源,但其各乡镇农田生态系统的碳源/汇情况有所差异。侯村镇、河南疃镇、安寨镇、白寨乡、里岳乡碳平衡值为正,农田生态系统为明显的碳汇。其余乡镇碳平衡值为负,为碳源,其中以曲周镇最为明显,其碳输出量最大,占全县的15.70%,碳输入量不足全县的8%。从农田生态系统固碳值来看,候村镇及安寨镇农田生态系统固碳能力最强,2011年分别固碳3.79t和3.56t,平均每公顷农田分别固碳5.34t和5.24t。分析造成不同乡镇间碳源和碳汇差异的原因,受土壤有机质含量、土体剖面构型等因素影响,农田具有碳汇功能的候村镇、安寨镇等乡镇土壤质地较好,地均生产投入较低,氮肥及磷肥的施用量远低于曲周县平均水平,而粮食亩产高于全县平均水平,系统碳输入量大于碳输出量。农田生态系统为碳源的乡镇以曲周镇为例,农业生产投入的氮肥、磷肥施用量是曲周县平均水平的两倍以上,粮食亩产低于全县平均水平,地均生产投入高而粮食亩产低造成这些乡镇的农田生态系统碳输出量大于碳输入量。曲周县土壤中氮素和磷素的平衡值有盈余,氮肥和磷肥施用量普遍超过作物生长的实际需求,曲周镇等农田生态系统为碳源的乡镇生产较为粗放,大量施用氮肥和磷肥不仅对粮食产量的提高作用有限,而且造成了高碳排。若能够减少氮肥和磷肥施用量,合理施肥,提高投入产出比,则曲周县农田生态系统由碳源转变为碳汇具有很大可能性,曲周县农田生态系统碳汇功能有巨大潜力可挖。
从碳输出结构分析,碳移出、自然活动碳排、人类生产活动排碳量分别为5.68万t、41.82万t、20.91万t,分别占输出总量的8.30%、61.13%、30.57%,可见自然活动以及人类生产活动为曲周县农田生态系统的重要碳源,系统碳输出结构见图2。自然碳排放中,土壤呼吸与消耗粮食产生的碳排量基本相当,分别占碳排放总量的30.86%和30.27%。人类生产活动中,氮肥的施用是产生碳排放的主要途径,占生产活动碳排总量的76.19%,占碳排放总量的23.29%,其次碳排放来源于农用机械、磷肥灌溉及农药使用。
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图2农田生态系统碳输出结构
-->Figure 2The carbon output structure of farmland ecosystem
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土壤呼吸高强度源于地温、湿度、土壤扰动、施肥等因素共同作用的结果。氮肥、磷肥的高排碳量源于生产、运输环节的高耗能以及农户大量的粗放低效的施用。影响系统碳平衡值的各个因素之间关系错综复杂,相互作用,不能简单从结果直接下结论该如何碳增汇减排。施用化肥在一定程度上可增加作物产量,从而实现碳增汇,同时也会激活土壤微生物的活性及根的活力,增加土壤呼吸碳排。尽管许多研究表明减少施肥量可明显降低土壤呼吸排碳量^[35-37],但不能盲目过度减少化肥施用量以防降低粮食产量,粮食的减产将间接带来农作物固碳量减少。各项人工生产措施,尤其是施用氮肥,都要控制在合理程度内,高效集约利用以达到最科学的生产方式,不以高碳排换取经济产量。针对曲周镇等碳源乡镇高投入低产出高碳排的现状,应参考碳汇乡镇的生产投入及产出情况,调整其生产管理措施,适度减少化肥等生产资料的投入不会带来粮食产量的减少,反而会增加系统固碳量。

4.2 系统碳效率评价

生产效率越高表明投入单位数量碳所产出的经济产量越高。经济效率越高表明生物生产中投入单位碳获得的经济价值越高。生态效率以1为界线,若小于1则表明农业生产投入碳量大于产出碳量,且越接近于0表示碳排放强度越大,农业生产可持续性差;若大于1,数值越大,表示碳汇能力越高,农业生产可持续性强。根据计算2011年曲周县农田生态系统生产效率为1.95t/tC,经济效率为6.12元/tC,生态效率为3.11tC/tC。综合来看曲周县农田生态系统具有较高的碳效率,虽为碳源,但其本身具有较强的碳汇能力。与投入的碳成本相比具有较高的碳收益,可一定程度上弥补系统碳排对环境造成的影响。
对比不同区域的碳效率,龙攀研究了河北省吴桥县农田碳效率,生产效率、经济效率、生态效率分别为1.06t/tC、2.21元/tC、0.94tC/tC^[38]。李洁静计算太湖农田碳生产效率为2.95t/tC^[39];Dubey测算2000-2004年美国俄亥俄州的农业生态碳效率为（29~43）tC/tC^[40]。河北省吴桥县与曲周县地域相近,同为典型农业大县,均有相似的自然环境、种植结构等。二者对比,曲周县碳效率高于吴桥县,其中经济效率、生态效率差别显著,表明在农田管理措施上,曲周县更为集约,可以通过更少的碳投入获得更高的收益。然而对比太湖、美国俄亥俄州,曲周县农田效率略低于太湖、远低于俄亥俄州,碳效率与二者的差异主要由于种植制度、生产方式、熟制、生产系统等均存在显著差异做造成,同时说明,曲周县农田系统碳效率有很大的提升空间。

5 结论与讨论

5.1 结论

（1）计算结果表明,2011年曲周县农田生态系统为碳源,净碳排放量为0.69t/hm²,碳平衡值为-3.30万t,当年系统可固定碳17.61万t。虽然曲周县农田生态系统整体表现为碳源,但侯村镇、河南疃镇等五个乡镇农田生态系统为明显的碳汇。土壤呼吸以及人类生产活动是曲周县农田生态系统碳排的主要途径。化肥尤其氮肥是生产活动高碳排的主要源头,其次为农用机械的使用。
（2）曲周县农田生态系统具有较高的碳效率,作为碳源的同时又具备较强的碳汇能力,并且与碳投入相比可产生较高的收益,可在一定程度上弥补系统碳排对环境造成的影响。农田碳效率与其相近地区河北省吴桥县相比虽略高,但与李洁静^[39]、Dubey等^[40]对其他地区的核算结果相比仍存在着很大的差距,曲周县农田低碳生产管理方式上仍存在很大的提升空间。

5.2 讨论

（1）对比分析曲周县各乡镇碳源与碳汇系统发现,投入与产出比存在巨大差异。曲周县农户生产过程中氮肥和磷肥施用量过大,土壤中氮素和磷素的平衡值有盈余,普遍超过作物生长的实际需求。不同施肥处理方式下,农田生态系统碳平衡情况会发生变化。黄晶等研究表明无机肥配施有机肥的方式会促进农田生态系统具有较强的碳“汇”功能^[41];郭胜利等认为较低的有机物质投入量是制约农田土壤碳储蓄的主要因素,大量施用有机肥是提高农田生态系统固碳量的重要途径^[42]。结合曲周县农业生产现状,若通过采用改善施肥条件、精准配比施肥、无机肥配施有机肥、改良作物种子等有效技术措施,提高曲周镇等乡镇的投入产出比,施肥过程中减少碳排放量,同时提高作物产量以增加系统固碳量,曲周县农田生态系统将有很大可能性转变为碳汇系统,提高碳积蓄量大有潜力。
（2）从两个角度探索降低农田生产活动排碳量的途径。从农户生产环节减排,在农资产品使用过程中减少排碳量、将各项生产措施控制在合理程度是减少碳排的有效手段。应加强对各项生产措施合理程度的探索,寻求保证粮食产量的同时低碳生产的方式;从农资投入品供应链源头上减排。农资的生产运输以及化石能源的消耗产生了巨大碳排量,应寻找清洁绿色能源代替化石能源,提高生产农业生产资料的效率,降低生产能耗,在生产及使用环节减少碳排。
（3）当前对农田生态系统碳循环的研究中存在系统边界模糊、核算指标不完整、参数不符合实际等问题。本文在研究过程中明确了系统边界,农田生态系统当年的碳输入及碳输出即在当年确认,确保了研究时间范围的一致性。研究根据曲周县实际情况,对生产活动投入品的碳系数进行修正核算,使研究更符合曲周县实际,结果更加精准。进行作物固碳以及碳移出核算时,作物经济系数等参数随着气候、土壤、种植技术等因素的不同会有一定差异,但目前少有关于作物在不同地区的经济系数等参数的研究,尤其是对棉花的研究更为少见,获取研究区范围内相关参数数值难度较大。根据已有研究,全国小麦和玉米的经济系数范围分别在0.38~0.59以及0.38~0.60^[43],各省平均值相差不大。本文在参数选取过程中参考了已有相关文献的引用,选取了相关文献中广泛引用的数值^[5,44,45],在一定程度上可以代表曲周县农作物的实际情况。本文虽然在碳排放系数方面做了些改进,但对于农用机械、灌溉等生产投入的碳排放系数计算,由于情况复杂,并未考虑制造机械、建造设备等前期活动的碳耗,这部分排碳量比实际偏小。此外,曲周县土壤呼吸排碳量采用定位试验获得,以点带面概括了曲周全县,对于县域内土壤环境、水分等因素存在差异的地区,土壤呼吸排碳量可再进一步测定。以上问题在今后的研究中,还有待进一步完善。
The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献文献选项 原文顺序
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