陈丽^1,2,, 郝晋珉^1,2,, 王峰³, 尹钰莹^1,2, 高阳^1,2, 段文凯^1,2, 杨君^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
3. 泰安市国土资源局,泰安 271000

Carbon sequestration function of cultivated land use system based on the carbon cycle for the Huang-Huai-Hai Plain

CHENLi^1,2,, HAOJinmin^1,2,, WANGFeng³, YINYuying^1,2, GAOYang^1,2, DUANWenkai^1,2, YANGJun^1,2
1. College of Resources 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
3. Bureau of Land and Resources of Taian,Taian 271000,China
通讯作者:郝晋珉,E-mail:jmhao@cau.edu.cn
收稿日期:2015-10-27
修回日期:2016-02-25
网络出版日期:--
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:科技部国家科技支撑计划项目（2015BAD06B01）
作者简介:
-->作者简介：陈丽,女,山东聊城人,博士生,研究方向为土地信息技术、土地利用规划。E-mail:lichenbj@163.com



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摘要
耕地固碳作为陆地主要生态系统固碳的有效补充,越来越引起学术界的广泛关注。但是,目前耕地固碳功能研究多从生态学角度研究耕地植被、土壤等碳吸收、碳释放以及将耕地看作纯自然生态系统研究系统碳平衡,缺乏从土地利用和管理学科角度对耕地固碳功能进行系统阐述和研究。黄淮海平原作为中国重要的粮食主产区,区内耕地面积大,耕地利用模式典型。本文以黄淮海平原为研究区,从耕地利用系统的角度出发,基于整个系统碳循环过程,构建了黄淮海平原耕地利用系统固碳功能研究基本框架,并基于生态学角度陆地生态系统固碳相关研究成果,从耕地固碳能力、固碳效率和固碳优势度三个方面对黄淮海平原耕地固碳功能进行了评价。研究结果表明：耕地利用过程中的耕地固碳功能认识,应从自然固碳能力、理想固碳能力、现实固碳能力和区域固碳能力4个层次展开,黄淮海平原耕地固碳能力在各个层级上均表现出正向性;此外,黄淮海平原耕地平均固碳效率为2.5,固碳优势度达到0.85,黄淮海平原耕地固碳功能在本区域具有不可忽视以及区域内其他生态系统不可替代的重要作用,在本区域应该作为耕地的重要功能进行显化。本研究不仅可为耕地生态功能理论研究提供新思考点,也为提升耕地的生态效益、缓解气候变化以及耕地生态补偿方面研究提供了参考和支撑。

关键词：耕地;固碳功能;碳循环;黄淮海平原
Abstract
Cultivated land carbon sequestration as an effective supplement to the terrestrial ecosystem is recognized; however,research on the carbon sequestration function of cultivated land has been conducted from the perspective of ecology. For example, carbon uptake and carbon release of vegetation and arable soil and carbon balance in agro-ecosystems is often a focus and there is a lack of research into the carbon sequestration of cultivated land from the viewpoint of land science. Here we built a basic research framework for the carbon sequestration function of cultivated land use for the Huang-Huai-Hai Plain based on the carbon cycle process of cultivated land use system theory. Then the carbon sequestration function was evaluated from three aspects of carbon sequestration ability,carbon sequestration efficiency and carbon sequestration dominance. The results suggest that the carbon sequestration function of cultivated land use can be known from four aspects：natural carbon sequestration ability, ideal carbon sequestration ability,practical carbon sequestration ability and regional carbon sequestration ability. The carbon sequestration of cultivated land use systems of the Huang-Huai-Hai Plain is a carbon sink. The carbon sequestration efficiency and carbon sequestration dominance degree are 2.5 and 0.85 respectively. The carbon sequestration function of cultivated land use system plays an irreplaceable role on the Huang-Huai-Hai Plain,which should be a prominent function in this area. This study provides a new way of thinking about ecological function theory research for cultivated land,and support for promoting the ecological benefits of cultivated land,mitigating climate warming,and administering cultivated land ecology interregional compensation.

Keywords：cultivated land use system;carbon sequestration function of cultivated land;carbon cycle;Huang-Huai-Hai Plain

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陈丽, 郝晋珉, 王峰, 尹钰莹, 高阳, 段文凯, 杨君. 基于碳循环的黄淮海平原耕地固碳功能研究[J]. , 2016, 38(6): 1039-1053 https://doi.org/10.18402/resci.2016.06.04
CHEN Li, HAO Jinmin, WANG Feng, YIN Yuying, GAO Yang, DUAN Wenkai, YANG Jun. Carbon sequestration function of cultivated land use system based on the carbon cycle for the Huang-Huai-Hai Plain[J]. 资源科学, 2016, 38(6): 1039-1053 https://doi.org/10.18402/resci.2016.06.04

1 引言

工业革命以来,由于化石燃料燃烧、水泥生产和土地利用变化每年约产生8.9Pg的碳排放（IPCC5）,截至2013年,全球大气中CO₂浓度比工业革命前已经提高了42%^[1]。为了减缓CO₂浓度升高引发的气候变化及其影响,增加陆地生态系统碳汇能力已成为重要的CO₂减排策略和途径,纳入《京都议定书》等一系列国际公约或协定^[2]。陆地生态系统与大气的碳交换过程十分复杂,与陆地生态系统类型直接相关^[3]。耕地作为陆地生态系统的组成部分,其地上植被通过光合作用能够固定空气中的CO₂,同时农田土壤又储存了全球陆地生态系统约10%的碳^[4],是重要的陆地碳库。耕地固碳作为陆地主要固碳系统的有效补充,越来越引起学术界的广泛关注。
据Lal研究,全球耕地总固碳潜力为（0.75~1.00）Pg/a^[5]。近几十年来,随着中国农作物生产能力的提高,农田生态系统碳蓄积量也在不断增加。黄淮海平原是中国重要的粮食主产区,2012年耕地面积1988.39万hm²,占该区域土地总面积的52.45%,占全部具有生态功能用地（含耕、园、林、草地）的78.5%,其主要农作物碳蓄积量约占全国的37%。可见,黄淮海平原耕地植被固碳在区域碳循环中占有突出地位。然而,耕地固碳功能不同于林地固碳功能,耕地是一个半自然人工生态系统,在中国农业高投入高产出的生产模式下,耕地在利用过程中还向大气释放出大量碳,且主要以CO₂形式。因此,对耕地固碳功能的理解,不应仅局限于植被或土壤的固碳作用,应充分考虑耕地利用过程以及系统碳循环过程,多层次、多角度深入剖析、研究耕地的固碳功能。
目前,陆地植被固碳,土壤固定、释放和蓄积碳,以及陆地生态系统净碳收支或碳平衡研究已取得显著成果。罗怀良、徐素娟、谷家川等分别对中国不同地区农田作物碳蓄积量及动态变化进行了分析^[6-8]。史磊刚等研究了华北平原主要作物生产的碳效率^[9]。牛灵安、魏燕华、张明园等研究了不同耕作和管理方式对华北平原农田土壤呼吸、固碳以及碳平衡的影响^[10-12]。李成芳进行了不同耕作方式下稻田土壤CH₄和CO₂的排放及碳收支估算^[13]。赵荣钦等、卢娜等从不同尺度研究了农田生态系统碳收支状况^[4,14]。本文基于以上研究,从耕地利用系统以及其整个系统碳循环过程,进行不同层面耕地固碳功能分析,并从耕地固碳能力、固碳效率和固碳优势度三个方面对黄淮海平原耕地固碳功能进行评价,以期为耕地生态功能理论研究和耕地生态补偿制定提供参考和支撑。

2 耕地固碳功能研究框架

2.1 固碳功能研究的时间尺度及系统碳循环

耕地固碳受气候状况、土壤类型、管理措施、计量时间等多因素影响。由于各因素的时空变异性,耕地固碳能力在不同的尺度上存在较大差异。空间小尺度上,农田管理仅考虑秸秆全量还田,张权测得华北平原小麦-玉米整个生育期大部分时间表现为碳汇,但在小麦和玉米的轮作期以及玉米生长季初期,农田表现为明显的碳源,若以1年为计量时间核定净固碳量,则表现为弱碳汇^[15]。小尺度和短时间的耕地固碳功能研究,耕地碳收支机理和过程清楚,净固碳量测算精确,但该方法不适合在大尺度范围开展研究^[16]。大尺度研究中,刘允芬以省为单位模拟计算的分区农业系统碳平衡,全国大部分地区为碳汇,京津沪、广东及云贵川等地为碳源^[17]。可见,区域尺度的耕地利用系统固碳研究,通常以年尺度净累积的系统碳吸收与碳释放净差值,来表示其固碳能力,而忽略其年内的碳收支动态变化。
黄淮海平原耕地利用系统碳吸收途径为农作物的光合作用,碳释放途径为：农作物自养呼吸释放、秸秆部分燃烧释放、土壤非根呼吸释放以及农田管理活动排放。其中,前3种途径的碳释放主要来自农作物光合固定的碳,农业管理活动引起的碳排放,其碳源主要来自化石能源。耕地利用系统碳循环过程如图1所示。
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图1黄淮海平原耕地利用系统碳循环过程
-->Figure 1Carbon cycle process of cultivated land use system in Huang-Huai-Hai Plain
-->

2.2 基于系统碳循环的耕地固碳功能阐述

传统耕地固碳功能研究,多将耕地看成是纯自然生态系统,从耕地（植被+土壤）固碳的固有自然特性方面展开研究。杨志新等、叶延琼等以农作物的年净生物量所包含的碳量表示耕地或农田生态系统的固碳能力^[18,19]。白杨等认为作物固定的CO₂随着当年食用即被消耗释放,并没有真正被固定在农田生态系统中,因此以农田土壤固碳速率来反映农田生态系统固碳效益^[20]。张宏峰等在研究农田生态系统服务功能价值时,提出固碳量应是植被光合固碳量与防止土壤侵蚀形成的固碳量之和^[21]。然而,耕地利用系统是人工控制下的开放式自然生态系统。自然因素与人类活动共同构成了系统内的碳循环过程,整个系统固碳结果受到碳吸收和碳释放的双向影响。如果系统碳吸收小于碳释放,说明耕地在利用过程虽然固定了一定量的碳,但同时也向空气中排放了更多的碳,耕地固碳功能没有得到减排意义的发挥。只有当系统的碳吸收大于碳释放,表现为净碳汇,耕地的固碳功能才真正显化出来。因此,从耕地利用过程讲,耕地的固碳功能应从自然因素和人为调控因素驱动下的净固碳能力或碳收支状况来认识。而这种净固碳能力的直接反应,即耕地利用带来的大气中CO₂的减少。根据耕地利用系统碳循环过程（图1）可以看出,耕地利用系统固定的碳最终存储在经济产量和土壤碳库中,前者以动态存储的形式存在,后者以相对稳定存储的形式存在。在耕地数量严格管控以及生态化利用下,动态存储的这部分固碳量会随着农作物经济产量的提高而不断增加。此外,耕地利用系统不同于林地生态系统,耕地利用系统碳固定后存储的载体之一——农产品有其特殊性,即在一定时间内会被消耗,释放出碳。林木虽然也存在被消耗释放碳的可能,但除部分商品林外,这并不是森林生态系统的根本目的。基于耕地利用的根本目的,耕地系统不但自身存在边界,还存在一定的系统支撑区域。耕地植被固定的碳,可能无法满足本系统所在区域的消耗,也可能用于支撑其他系统区域。这种支持其他区域的耕地固碳功能正是区域间发展不公平导致的耕地保护生态补偿的核心。
通过上述分析,耕地固碳功能可以划分为自然固碳能力、理想固碳能力、现实固碳能力、区域固碳能力。自然固碳能力指耕地植被通过光合作用吸收CO₂,同时扣除保证自身生长所释放CO₂后的净固碳能力,其大小可以用耕地植被净初级生产力或生产量含碳进行衡量。理想固碳能力是指在自然固碳能力基础上将系统内自然生态过程释放碳去除后的固碳能力,系统释放碳的自然生态过程主要是指土壤呼吸（不含植物根呼吸）。自然固碳能力和理想固碳能力都属于传统理解上的耕地固碳功能。现实固碳能力则进一步考虑了耕地利用过程中的农业管理活动碳排,如果耕地利用系统净固碳量大于0,耕地具有现实固碳能力,而耕地是否具有现实固碳能力跟系统自身特性及人工对系统的控制均有较大关系。区域固碳能力是指耕地利用系统固碳在满足自身支撑区域基本农产品消耗碳释放后的剩余固碳能力,这部分净固碳量存储在经济产量和土壤中,其中部分已被固定的碳,可能会跟随存储载体的区域外消耗而释放到大气中。可见,认清研究区域耕地的现实固碳能力和区域固碳能力,对于明确耕地的生态效益和计算耕地保护外部性的区际补偿更有实际意义。

3 研究区概况与数据来源

3.1 研究区概况

黄淮海平原由黄河、淮河、海河冲积而成,行政区划上主要涉及北京、天津、山东、河北、河南、安徽、江苏5省2市。本研究中的黄淮海平原是在区域地貌特征的基础上,根据2012年底中国行政区划,以市级行政区为基本研究单元汇总得到,共含40个市（图2）,区域面积37.91万km²,占全国总面积的4%。该区域光热条件优越,宜农土地资源丰富,是中国重要的农产品生产基地。2012年,黄淮海平原主要粮食作物（含小麦、玉米、稻谷）产量达1.44亿t,约占全国粮食总产量的27.2%。
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图2黄淮海平原区位
-->Figure 2Location and districts of Huang-Huai-Hai Plain
-->

3.2 数据来源

本研究所需的行政区划矢量数据和土地利用数据均来自2012年度国家级土地变更调查数据库,其中行政区划矢量数据进行了抽稀平滑等处理;农作物产量、播种面积、人口数据以及农药、化肥等农业生产投入数据来自北京、天津、山东、河北、河南、安徽、江苏5省2市2013年统计年鉴^[22-28]、《中国区域经济统计年鉴2013》^[29]及部分地市统计年鉴^[30-33];林木蓄积面积和蓄积量来自第七次全国森林资源清查结果。

4 研究方法

随着现代科学技术的发展,区域陆地系统碳循环、碳收支观测技术和评价方法也在不断创新,例如生态系统通量观测的涡度相关技术、基于高塔观测的大气CO₂浓度反演方法、航空观测和温室气体观测卫星技术、以及生态系统模型模拟等^[16]。但是比较而言传统的生物量和土壤碳储量清单调查方法,以及基于典型生态系统实际观测结果的区域尺度扩展方法更实用、更有效^[16,34]。本文根据数据资料的易得性,采用生物量碳储量清单调查和典型区域试验观测结果相结合的方法进行研究。

4.1 耕地固碳功能

黄淮海平原主要种植作物为小麦和玉米,近年来,随着农业生产机械化水平提高,以及农机具技术快速发展,麦玉秸秆还田现象越来越普遍。目前,黄淮海平原小麦机收率达到98%以上,除部分地区收集用作造纸原料外,小麦秸秆基本实现全量还田^[35]。其中,北京^[36]、天津^[37]、德州^[38]、漯河^[39]等地市的小麦秸秆还田率分别达到90%（2012a）、87.7%（2012a）、95.6%（2014a）和98%（2013a）。玉米秸秆由于部分被用作饲料,还田比例略低于小麦,但仅限于少数畜牧业比较发达地区,像栾城、定州、顺平、河间、曲周等县市玉米秸秆还田率也达91%^[40]。此外,用作饲料的秸秆,其所含碳的转移、释放过程比较复杂,秸秆过腹还田后也会重新回归土壤。秸秆焚烧是一种比较简便的秸秆处理方式,但随着秸秆资源化利用水平的提高、人们环保意识的增强以及政府对秸秆焚烧行为管控和处罚力度的加大,全国大部分地区焚烧秸秆现象已得到有效控制。根据环保部发布的环境卫星秸秆焚烧火点监测日报数据^[41]统计,2015年全国秸秆焚烧火点数目为4454,比2005年减少73.6%^[42],而处于本研究区的秸秆焚烧火点数仅867个,且多为局地个人行为,秸秆焚烧范围不大。因此,为简化计算假设该区域的农作物秆茎全部还田。
4.1.1 自然固碳能力计算
耕地自然固碳能力计算^[8,43]公式为：
Ac=∑i=1mAci=∑i=1mCpi×Yi×(1-Wi)×(1+Ri)Hi（1）
式中 Ac为耕地自然固碳能力（t）; Aci为农作物 i的碳吸收量（t）; Cpi为农作物 i的含碳率; Yi为农作物 i的经济产量（t）; Wi为农作物 i的水分系数; Hi为农作物 i的经济系数; Ri为农作物 i的根冠比;m为研究区主要作物类型数目,m=6。由于含碳率、水分系数、经济系数以及根冠比等指标与作物类型以及作物品种直接相关,而本文研究范围较广,无法一一获得这些参数的详尽实测数据,但在各省份之间基本都有一个区间范围^[44,45]。本文为简化计算,研究区内6种作物（表1）不再考虑地区或品种差异,统一取1个数值。各种农作物固碳量的计算参数引自谷家川^[8]、谢光辉^[44,45]、李克让^[46]的研究成果,黄淮海平原油料作物类型主要为花生,占比达到89.5%,所以油料的含碳率、水分系数、经济系数以及根冠比均以花生的为替代。具体参数值详见表1。
Table 1
表1
表1农作物碳固量计算参数^[8,44-46]
Table 1Calculation parameters of carbon sequestration in crops

作物类型	Cpi	Wi	Hi	Ri
小麦	0.470 7	0.116 7	0.363 2	0.393 0
玉米	0.463 7	0.122 3	0.462 8	0.156 0
稻谷	0.417 1	0.118 6	0.485 4	0.600 0
棉花	0.450 0	0.115 0	0.276 7	0.122 0
油料	0.450 0	0.150 0	0.430 0	0.720 0
蔬菜	0.450 0	0.900 0	0.600 0	0.000 0

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4.1.2 理想固碳能力计算
耕地理想固碳能力计算公式为：
Bc=Ac-Es（2）
Es=Sw×U+Sr×V×0.75（3）
式中Bc为理想固碳能力（t）;Es为耕地土壤非根呼吸释放碳量（t）; Sw为耕地面积（hm²）;U为麦-玉轮作秸秆全量还田下单位面积土壤非根呼吸释放CO₂含碳量（t/（hm²·a））; Sr为研究区稻谷播种面积（hm²）;V为单位面积CH₄排放系数;0.75为CH₄的碳转换系数;Ac含义同上。
由于不同农作物土壤非根呼吸数据不容易获得,为方便计算,将系统土壤非根呼吸释放碳,简化为两个主要来源：①麦玉轮作秸秆全量还田方式下的CO₂释放;②水稻田的CH₄释放。其中,麦玉轮作秸秆全量还田下土壤非根呼吸释放CO₂中的碳量,引用张权^[15]试验实测数据7.187tC/（hm²·a）,水稻田CH₄排放导致的碳排量,以北京、天津、河北、河南、山东、江苏、安徽各省（市）中季稻平均单位面积CH₄排放系数^[47] ×相应地区播种面积×转换系数得到。
4.1.3 现实固碳能力计算
黄淮海平原农田管理碳排的生产活动主要有：农药、化肥、地膜等农用物资投入直接或间接引发的碳排放;农业生产过程中机播机收耗费柴油所带来的碳排放;农业灌溉耗电所引起的碳排放等。目前,农田管理活动的碳排放系数,大多直接引用美国****West（美国橡树岭国家实验室）^[48]、Lal^[49]及IPCC的研究成果。虽然这些成果不能准确代表中国实际情况,但对于本身内部就存在差异的区域研究来说,也具有一定的指示性作用。本文耕地生产活动碳排系数引自田云^[50]的研究成果。
耕地现实固碳能力计算公式为：
Cc=Bc-Ep（4）
Ep=∑i=1nNi×Ei（5）
式中Cc为现实固碳能力（t）;Ep为耕地生产活动碳排放量（t）; Ni为农药、化肥、地膜、机耕耗柴油的使用量（t）或者灌溉面积（hm²）; Ei为相应生产活动的碳排放系数;n为农田管理碳排生产活动数目,n=5;Bc含义同上。
4.1.4 区域固碳能力计算
不同农产品消耗分解周期不同,农产品流通复杂难统计,为方便计算,本文仅考虑粮食消费。不同国家社会经济发展水平、饮食和消费习惯、饮食结构、营养标准不同,粮食消费标准存在较大差异。美国在20世纪70年代粮食消费标准就已高达（600~700）kg/a,同期日本为390kg/a。中国小康水平下人均粮食消费水平普遍认为在（400~500）kg/a^[51-53]。本文以人均粮食需求量400kg/a为标准计算黄淮海平原的粮食消费碳释放量。
耕地区域固碳能力计算公式为：
Dc=Cc-Ee（6）
Ee=P×δ×Cp×(1-W)（7）
式中Dc为区域固碳能力（t）;Ee为区域理想农产品消耗碳释放量（t）;P为区域常住人口（人）; δ人均粮食消费量（kg/（人·a））; Cp为平均粮食作物含碳率;W为平均粮食作物水分系数;Cc含义同上。

4.2 耕地固碳效率

碳效率是衡量区域农业生产可持续性的重要指标之一,史磊刚在碳的生产和经济效率基础上提出碳的生态效率,利用光合作用固定在作物体内的碳量与碳投入量的比值,进一步说明农业生产的可持续性^[9]。耕地固碳效率应是耕地现实固碳能力与耕地利用碳投入量的比值。其值小于0,说明耕地实际固碳效率为负;其值大于0,说明耕地具有减排意义上的固碳效率,且数值越大,耕地固碳效率越高,计算公式如下：
σ=Cc/Ep（8）
式中 σ为耕地固碳效率;Cc、Ep含义同上。

4.3 耕地固碳优势度

一般认为森林、草地和湿地具有明显的固碳功能,且由于碳吸收大于碳排放,表现为碳汇。耕地虽然具有固碳的功能,但单位面积的耕地与林地比,其固碳能力相差甚远。若想了解耕地的固碳功能在区域内的地位,可以利用耕地现实固碳能力占区域生态系统总固碳能力的比重进行衡量,即耕地固碳优势度。如果比值越趋近于1,说明耕地固碳功能在区域内发挥着显著作用,应重点突出和显化。其计算公式如下：
D=Cc∑i=1tCi=CcCc+Cf+Cg+Cm（9）
式中D为耕地固碳优势度; Ci为区域陆地生态系统总固碳量（t）;Cf、Cg、Cm分别为林地、园地、草地系统净固碳量,其数值分别为571万t、196万t、217万t;Cc含义同上。
由于林地、园地、草地的净固碳量研究不是本文的重点,且计算过程复杂,将会在其他论文中进行详细探讨,因此,本文仅做计算方法或过程的说明。
（1）林地净固碳量计算。林地净固碳量与森林植被碳吸收、土壤碳释放、枯枝落叶分解速率等关系密切,受林分类型和大小、地形地貌、气候等因素影响^[54-56]。因此,当前林地固碳研究多是针对某一地区某种林分的实测研究,区域大尺度林地固碳功能研究方法还不十分成熟。但通过森林普查资料建立的生物量与蓄积量关系、生物量与生产力关系,为评估区域尺度净生产力提供了有效手段,在理论和现实具有可行性^[57]。乔木林与灌木林固碳量之间存在较大差距,因此需要分开计算其净固碳量。根据土地利用现状分类标准中有关有林地、灌木林地和其他林地（包括疏林地、未成林造林地、迹地和苗圃）的描述,本文有林地选择按乔木林计算,灌木林地和其他林地按灌木林计算。
有林地净固碳量的计算步骤为：
①在林下无灌木丛、草丛等植被,系统年内无林木砍伐、系统凋落物仅为叶的基本假设条件下,根据黄淮海平原林地生态系统的碳循环过程,得出该系统的碳平衡方程。林地净固碳量计算公式如下：
Fc=Fpc-Fac-Fdc-Frc=(Fnc-Flc)+Flrc+Fsc（10）
式中Fc为林地净固碳量（t）;Fpc为林地植被光合固碳量（t）;Fac为林地植被自养呼吸释放碳量（t）;Fdc为地表枯枝落叶分解释放碳量（t）;Frc为林地土壤非根呼吸释放碳量（t）;Fnc为林地植被年净固碳量（t）;Flc为初始调落物含碳量（t）;Flrc为初始凋落物分解剩余量含碳量（t）;Fsc为土壤固碳量（t）。
②根据《全国森林资源统计——第七次全国森林资源清查》^[58]和《中国森林资源图集——第七次全国森林资源清查》^[59]确定黄淮海平原乔木林主要林木类型,并进行森林普查数据与土地利用调查数据间的林地面积和蓄积量的转换;
③根据陈遐林^[60]建立的华北平原主要林木类型总生物量与蓄积量和不同器官生物量与蓄积量的关系,林分年净增长量-林分总生物量（含根）之间的回归模型,以及陈遐林^[60]、马钦彦^[61]、张萍^[62]、查同刚^[63]、李海玲^[64]、耿相国^[65]等关于林木及其各器官含碳率的研究成果,计算求得黄淮海平原主要类型林木的年净固碳量和叶器官的年净固碳量;
④根据李海玲^[64]、王意锟^[66]、王欣^[67]、王瑾^[68]、吕瑞恒^[69]、李国雷^[70]、Tateno^[71]等研究的暖温带内涉及黄淮海平原主要林木类型凋落物分解速率,计算得到地表凋落物年分解剩余量的含碳量;
⑤林地土壤固定的碳主要来自凋落物,基于已有研究可知,林地土壤年固碳量约为凋落物的1/3,本文以此作为林地土壤固碳的粗略估算。
由于灌木林和其他林地的生物量、凋落物分解和土壤固碳研究较少,本文以黄淮海平原有林地单位面积平均净固碳量为替代进行计算。
（2）园地净固碳量计算。黄淮海平原园地净固碳量计算方法与前述灌木林和其他林地相同,按照有林地单位面积平均净固碳量为替代进行计算。
（3）草地净固碳量计算。黄淮海平原草地面积123.53万hm²,占土地总面积的3.26%,且主要分布在北京、衡水、郑州、东营和许昌5市。本文根据方精云建立的跨植被类型的植被生产力（NPP）和碳汇之间的关系来估算草地的碳汇^[72]。其中,x数据参考陈世荣分省研究结果^[73]。其计算公式如下：
y=-4/1000000x2+0.0026x-0.243（11）
式中y为草地碳汇（kgC/（m²·a））;x为NPP（gC/（m²·a））。

5 结果及分析

5.1 耕地固碳功能分析

黄淮海平原耕地自然固碳能力为22 193.10万t。其中,对耕地自然固碳贡献最大的农作物为小麦,固碳量为12 101.88万t,占总固碳量的54.53%,对耕地自然固碳贡献最小的农作物为棉花,固碳量为314.21万t,占总固碳量的1.42%。农作物按照其对耕地自然固碳贡献强度进行排序,依次为小麦>玉米>蔬菜>稻谷>油料>棉花,但单位面积农作物平均固碳能力却是小麦>稻谷>玉米>油料>蔬菜>棉花。虽然蔬菜单位面积固碳能力不及稻谷的一半,但由于其种植面积较大,总固碳贡献率略大于稻谷（详见表2）。
通过表3可以看出,在自然固碳能力基础上考虑土壤非根呼吸碳释放后,黄淮海平原耕地理想固碳能力为7852.40万t。而土壤非根呼吸释放CO₂和CH₄造成碳损失14 340.70万t,且以CO₂形式的碳释放为主,占到99.65%。进一步考虑农田管理活动碳排放后,黄淮海平原耕地现实固碳能力为5607.76万t。农田管理活动碳排放造成的碳损失达2244.64万t,其中施用化肥造成的碳排放量最大,占57.05%,其次为农田灌溉、机耕耗油、施药和使用地膜。具体到各地市,周口、商丘、潍坊和驻马店4市农田管理碳排量最大,均超过90万t,是黄淮海平原农田管理碳排的主要贡献地区,且这4个地市的农田管理碳排总量超过了鹤壁、淮北、淮南、漯河、北京等13个地市的排放总量（详见图3）。此外,在现实固碳能力基础上,考虑耕地系统支撑区域农产品消耗碳排后,研究区耕地区域固碳能力为1322.23万t,仅占自然固碳能力的5.96%。综合可见,只要耕地保持耕种状态,农作物就在不断吸收固定空气中的CO₂,使整个系统保持动态正碳平衡。至于如何推进该动态正平衡上升至更高阶的平衡,则需要从作物种植结构调整、土壤呼吸、管理碳排等多方面进行综合考虑。但如果能够在减少耕地管理碳排的同时,严格管制耕地数量,同时提高农产品经济产量,带动经济产品动态固碳量的增加,将会是当前重点研究的土壤固碳以外,增加耕地现实固碳能力的另一有效途径。
Table 2
表2
表2不同农作物自然固碳能力
Table 2Natural carbon sequestration ability of different crops

	小麦	玉米	稻谷	棉花	油料	蔬菜	合计
总固碳能力/万t	12 101.88	5 766.05	1 429.88	314.21	1 039.89	1 541.19	22 193.10
占比/%	54.53	25.98	6.44	1.42	4.69	6.94	100.00
播种面积/万hm2	1 178.97	878.73	142.46	171.29	174.05	422.44	2 967.94
平均固碳能力/（t/hm2）	10.26	6.56	10.04	1.83	5.97	3.65	7.48

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Table 3
Table 3Carbon sequestration function at different levels of cultivated land in Huang-Huai-Hai Plain in 2012 （万t,%）

分类	固碳能力	碳排放途径		碳排放量	占比
自然固碳能力	22 193.10	土壤非根呼吸释放		14 340.70	100
		其中：	CO2形式释放	14 290.59	99.65
			CH4形式释放	50.11	0.35
理想固碳能力	7 852.40	农田管理排放		2 244.64	100
		其中：	农用化肥施用	1 280.52	57.05
			农用柴油使用	285.63	12.72
			农药使用	167.57	7.47
			地膜使用	116.86	5.21
			农业灌溉	394.06	17.56
现实固碳能力	5 607.76	经济产量消耗释放		4 285.53	100
区域固碳能力	1 322.23	-		-	-

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图32012年黄淮海平原各地市农田管理碳排贡献率
-->Figure 3Contribution rate of carbon emission from farmland management of different cities in Huang-Huai-Hai Plain in 2012
-->

5.2 耕地固碳功能空间分异

在耕地各层次固碳能力平均水平基础上,上下浮动40%将研究区域划分为高中低3级（见图4）,其中一级区固碳能力最大,三级区固碳能力最小,整个黄淮海平原耕地固碳功能表现出明显的区域差异。从固碳能力强弱上看,研究区域中部纵向由德州到驻马店一线的耕地一直保持较强固碳能力,东北部京津到潍坊一线耕地固碳能力一直较弱。从耕地自然固碳能力到区域固碳能力,随着碳释放因素逐渐增多,研究区域内逐步出现“入不敷支”耕地固碳能力丧失地区,且以京津为核心不断蔓延扩大,截至区域固碳能力,耕地固碳能力丧失区数量增至13个地市。
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图42012年黄淮海平原耕地固碳功能空间分异
-->Figure 4Spatial differentiation of carbon sequestration function of Cultivated land in Huang-Huai-Hai Plain in 2012
-->

具体到耕地各层级固碳功能,由图4a可知,不仅研究区内耕地自然固碳能力具有空间分异性,不同地区耕地自然固碳能力主要支撑载体也存在差异,除东南部有6个地市耕地自然固碳功能的主要支撑载体是小麦和稻谷外,其余地区均为小麦玉米。本文研究区的土壤非根呼吸碳释放量,是在一定基本假设前提下得到的结果,与实际区域土壤非根呼吸碳释放量之间肯定存在差异,因此在此基础上计算得出北京、天津和东营市耕地不具备理想固碳能力,这可能与实际不符。但是本文的研究结果仍可以揭示出一种现象,即这三个地市的耕地碳吸收能力较小,即使实际耕地具备理想固碳能力,但其耕地现实和区域固碳能力丧失几率也高于其他地市。由图4b可以看出,黄淮海平原区域内耕地理想固碳能力的空间分异趋势基本与耕地总体固碳能力趋势相同,土壤非根呼吸碳释放量与耕地面积相关性较大。现实固碳能力是最能体现耕地实际固碳水平的一项指标,由图4c可以看出,研究区域内有5个地市耕地在利用过程中实际发挥着碳源的功能,分别是北京、天津、廊坊、东营和郑州。这些地市耕地毋庸置疑具有固碳功能,准确说是自然固碳能力,但是对于减缓全球气候变暖却在发挥负效应。此外,从黄淮海平原不同农田管理途径碳排放比例可以看出,京津冀地区除施肥碳排占较大比例外,机械耕作和农业灌溉碳排所占比例也较高;其他地市均以施肥碳排和灌溉碳排为主,且施肥碳排比重均超过50%。因此,积极施用有机肥,少耕或免耕是增加区域耕地现实固碳能力的有效措施。黄淮海平原耕地总区域固碳能力为1322.23万t,但这并非意味着区内各地市耕地均有区域固碳功能,由图4d可以看出,研究区内有近1/3地市的耕地不具备区域固碳功能,这些地市由于自身农产品供给有限,需要从其他地市调入农产品,而这些调入农产品的消耗,一方面增加了调入地的碳排放量,使其丧失区域固碳功能,另一方面,对于调出地而言,则是损耗了调出地耕地的固碳成果。

5.3 耕地固碳效率及固碳优势度

通过计算,黄淮海平原耕地固碳效率为2.5,作为一个整体,其耕地利用处于一种可持续利用状态。然而其可持续状况究竟如何,由于目前没有针对全国的一个整体研究,因此无法进行区域间横向比较。但从区域内部看,不同地区耕地固碳效率存在较大差异,北京、天津、廊坊、东营和郑州5市耕地实际固碳效率为负。此外,按照固碳效率小于1和大于区域平均水平2.5,将研究区域各地市耕地固碳效率划分为3级（图5）。其中,一级区 σ≥2.5,地市数有24个;二级区 σ∈[1,2.5）,地市数有7个;三级区 σ<1,地市数有4个。黄淮海平原大部分地区的耕地固碳效率高于区域平均水平,且空间分布上呈现中南部高于北部的总体态势。此外,通过计算,黄淮海平原耕地固碳优势度高达到0.85。可见,作为粮食主产区的黄淮海平原,其陆地生态系统固碳量中的85%来自耕地。其中既有相对稳定的存储于土壤中的碳,也有动态稳定的存储于经济产量中的碳。耕地的固碳功能在该区域具有重要地位,可以作为本区域耕地重要生态功能类型进行显化。
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图5黄淮海平原耕地固碳效率空间分异
-->Figure 5Spatial differentiation of carbon sequestration efficiency of Cultivated land in Huang-Huai-Hai Plain
-->

6 结论与讨论

（1）耕地是人工控制下的开放式自然生态系统,自然因素与人类活动共同构成了系统内的碳循环过程。本文从耕地利用系统的角度出发,基于整个系统碳循环过程,以1年作为区域尺度耕地固碳功能研究的周期,通过分析黄淮海平原耕地利用系统碳循环过程,提出耕地固碳功能具有层次性,可以划分为自然固碳能力、理想固碳能力、现实固碳能力和区域固碳能力。其中,自然固碳能力和理想固碳能力是属于传统理解上的耕地固碳功能,现实固碳能力和区域固碳能力才是对缓解气候变化、进行耕地生态区际补偿有现实意义的功能。
（2）通过分析计算,黄淮海平原耕地的自然固碳能力、理想固碳能力、现实固碳能力和区域固碳能力分别为22 193.10万t、7852.40万t、5607.76万t和1322.23万t。无论从哪个层面看,黄淮海平原耕地的固碳效应均表现出正向性,并且作为一个整体,黄淮海平原的耕地利用具有一定的可持续性,在利用过程中实现的动态和相对静态固碳量占全区生态系统总固碳量的85%。黄淮海平原的耕地不但具有固碳功能,而且其固碳功能在本区域具有不可忽视以及区域内其他生态系统不可替代的重要作用。此外,耕地利用系统不同层次的固碳功能在区域内部表现出明显空间分异性。总的来看,研究区域中部纵向由德州到驻马店一线的耕地一直保持较强固碳能力,东北部京津到潍坊一线耕地固碳能力较弱。随着耕地固碳功能层次性的不断递进,研究区域内逐步出现“入不敷支”耕地固碳能力丧失地区,且以京津为核心不断蔓延扩大。此外,研究区内部不同地市间影响耕地固碳功能的碳释放因素也存在明显差异。而耕地利用系统碳循环的碳吸收和碳释放,这“一入一出”两个过程上所表现出来的空间差异,将为今后研究分类型、分区域采取措施,进行耕地生态利用提供明确方向。
（3）区域尺度固碳功能研究,目前没有完全准确、有效的观测技术和计算方法。因此本文耕地固碳能力和其他陆地生态系统固碳能力的估算结果,与实际情况之间还存在一定差异。如何准确提高区域耕地固碳能力,乃至陆地生态系统固碳能力研究的准确性,还需进行更加深入的探讨和研究。
The authors have declared that no competing interests exist.

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