国内农业碳源汇效应研究：视角、进展与改进

　　摘要：结构复杂、自然生态与社会经济过程交织、地域特征显著的农业碳源/汇效应存在基于内部结构、双重属性、区域尺度等多种研究视角。国内基于内部结构视角的农业碳源/汇效应研究多局限于种植业，且多以单一的碳源或碳汇研究为主;农业组分细化与组分关联的系统综合研究明显不足。在基于双重属性视角的研究中，自然生态视角侧重于碳吸收和直接碳排放，社会经济视角则聚焦于间接碳排放;由自然与经济相互割裂到相互融合的二元农业碳源/汇综合方法尚需深化。基于区域尺度视角的研究多集中在大中尺度和样地尺度，小尺度县域研究比较薄弱;农产品供应链关联的区域间碳流及减排值得关注。针对中国小规模家庭农场和种养关联的多种经营特征，农业碳源/汇效应研究应将农业产业组分、农产品碳源/汇构成解析与种养关联碳源/汇综合并重，发展和完善评估模型、提高参数本土化程度，追踪农产品生产、流通与消费等区域间碳流全过程。论文综述国内基于内部结构、双重属性和区域尺度等视角的农业碳源/汇效应研究进展，并提出基于我国农业经营特征的碳源/汇效应改进研究。

　　关键词：碳源/汇效应;内部结构;双重属性;区域尺度;种养关联

　　随着气候变化研究的深入，碳减排增汇和适应已成为应对气候变化的共识[1—3]。受自然和人文双重影响，农业系统既可是碳源，也可是碳汇。鉴于农业碳减排增汇所具有的巨大潜力以及可能带来的正外部效应，农业碳源/汇问题受到学术界乃至社会各界的广泛关注。目前全球及区域农业碳源/汇研究快速推进，并取得大量成果。研究尺度从大洲、国家等大尺度向中小尺度，甚至农场尺度转化[4]。

　　IPCC发布GuidelinesforNationalGreenhouseGasInventories[2]促进了区域农业碳排放估算，随后碳足迹(CarbonFootprint，CFP)被引入农业碳源/汇研究[5—6]。基于IPCC清单的排放因子估算法和生命周期评估法(LifeCycleAssessment，LCA)等[4，7]被大量应用并不断完善。为实现气候适应、减排和食物安全的协同，出现气候智能型农业(Climate⁃smartAgriculture，CSA)[8]，并成立气候智能型农业全球联盟。

　　国内通过大量区域农业碳收支估算、动态构成、驱动机理及区域分异等研究，提出系列减排固碳对策，为我国农业碳减排增汇提供了有力的科学依据。但农业碳源/汇效应十分复杂，由于缺乏区域农业碳源/汇内外关联的深刻认识，农业整体和具体农产品碳源/汇效应间存在割裂，尚未形成统一的研究范式，致使该领域研究尚具有很大的不确定性。本文拟综述国内基于内部结构、双重属性和区域尺度等3种视角的农业碳源/汇研究进展，并提出基于农业实际的碳源/汇效应改进研究。

　　1农业产业特性及碳源/汇效应研究视角

　　1.1农业产业特性

　　农业具有复杂的内部结构。广义农业包括种植业、林业、畜牧业、渔业和农林牧渔服务业(曾称“副业”)。而狭义农业仅指种植业：粮食、经济作物、饲料和绿肥等生产。由于种植业地位重要而特殊，狭义的农业概念使用频繁。农业生产过程是一个自然再生产与经济再生产相融合的过程，农业系统既包括农田生态系统，也包括与农业生产关联的社会经济系统。农田生态系统是一种由环境、生物、生产活动和社会经济等组成，人类活动影响显著的半自然人工生态系统。农业最突出的产业特性是兼俱自然、社会双重属性以及独特物质转化和能量流动过程[9]的复杂产业体系。其具有突出的地域、周期和季节特征，不同区域之间还存在大量农产品和农资物料交换与能量流动。

　　1.2农业碳源/汇效应研究视角

　　由于农业独特的产业特性，农业碳源/汇效应存在针对产业部门———内部结构、生产过程———自然生态与社会经济双重属性、空间关联———从样地到区域乃至全球的区域尺度、动态序列———气候变化与技术进步的时间动态等多种研究视角。而基于内部结构、双重属性和区域尺度等视角是农业碳源/汇效应研究的重要基础视角。本文着重讨论该3种视角的农业碳源/汇效应研究。

　　(1)基于内部结构的研究视角。农业包括种植业、林业、畜牧业、渔业和农林牧渔服务业，其内部各业又存在若干复杂组分。基于内部结构视角的农业碳源/汇效应研究以农业部门、类型和品种等为研究对象，采用顺序分解或逐级整合的方式探讨其整体与组分的碳源/汇效应。而农业组分间物质交换与能量流动所关联的复杂碳流是研究难点。(2)基于双重属性的研究视角。农业兼具自然生态(自然再生产)与社会经济(经济再生产)双重属性。农业碳吸收主要通过作物、牧草与林木等植物光合作用吸收CO2。

　　而农业碳排放包括土壤N2O排放、稻田CH4排放，化肥、农膜、农药、机械、灌溉等农资和能量投入产生的碳排放，以及畜禽肠道发酵和粪便产生的碳排放等。随着农业对化石能源投入依赖的增加，农业碳排放成为重要的碳源。基于双重属性视角的农业碳源/汇效应研究以生产过程为研究对象，分别采用自然生态视角———动植物生长过程中直接碳收支分析、社会经济视角———农业生产中的农资投入与产出所涉及间接碳排放分析的思路探讨农业碳源/汇效应。而融合自然生态与社会经济的生态—经济复合农业碳源/汇研究既是研究重点，更是难点。

　　(3)基于区域尺度的研究视角。受自然环境以及社会经济的制约与影响，不同区域都有相应的种植条件及种植制度。产业分工和农业地域性导致农业生产所需的农资投入以及农产品产出均存在区际流动。基于区域尺度视角的农业碳源/汇效应研究以农业生产的空间关联为研究对象，探讨伴随农资投入、农产品等物质交换和能量流动在区域间产生的碳转移、碳减排、碳循环与碳平衡等。

　　2基于内部结构、双重属性和区域尺度视角的农业碳源/汇效应研究进展

　　2.1基于内部结构视角的研究进展

　　分别用“农业、种植业、森林/林业、畜牧业、渔/水产业和农林牧渔服务业”等部门名称，结合“碳吸收/碳汇、碳排放/碳源和碳收支/碳源汇”等主题词通过CNKI数据库检索，合并具有包含关系的检索结果，得到基于内部结构视角的农业碳源/汇效应研究。

　　(1)多局限于种植业，且多以单一的碳源或碳汇研究为主。由表1可知，部门碳源/汇文献量排序为：种植业(86.94%)>林业(5.75%)>渔业(4.78%)>畜牧业(3.95%)，而未检索到农林牧渔服务业的文献。这表明既有研究多局限于种植业，未能全面覆盖农业全产业。需要指出的是，在研究文献中农业与种植业的概念含混。检索到的7350篇种植业碳源/汇文献中，仅226篇(3.07%)以“种植业”为题，而96.93%的文献为“农业”，农业指代种植业较普遍。

　　此外，既有研究多以单一的农业碳源或碳汇研究(91.12%)为主，且碳源文献(74.20%)远多于碳汇(25.80%);鲜有将二者有机衔接的碳源/汇研究(仅7.88%)，综合研究甚是薄弱。农业兼具碳源/汇双重属性，单一层面的分析易导致研究结论的片面性。

　　(2)农业组分细化与组分关联的系统综合研究明显不足。无论是国家尺度还是区域尺度的农业碳源/汇效应研究大多将农业生产整体或所有作物作为研究对象，少有针对不同作物或组分进行研究，这限制了对某种作物、组分和某个重要农作区的农业生产提供配套的固碳减排技术以及政策革新方向[10]。

　　近期呈现从农业整体向作物[10—14]、反刍动物[15]、畜禽[16—17]和大棚蔬菜[18]等部门组分细化趋势，并获得一些组分差异的认识(如华北平原粮食、饲料和能源作物种植系统碳足迹[19]等)。但既有研究多以单个部门(种植业、林业、畜牧业和渔业)研究占绝对优势(98.58%)，缺乏多部门组分间碳源/汇效应的系统关联研究。仅极少量文献(1.42%)进行种植业与畜牧业的碳源/汇综合研究(表1)。要准确评估农业碳源/汇效应，必须要加强内部组分细化及组分关联的综合研究。

　　2.2基于双重属性视角的研究进展

　　(1)自然生态视角侧重于碳吸收和直接碳排放，社会经济视角则聚焦于间接碳排放。自然生态视角的农业碳源/汇效应研究通过土壤和植被碳库动态估算、温室气体通量观测与模型模拟等方法探讨农业生产的碳吸收和直接碳排放。土壤有机碳库估算主要采用土壤类型法、植被类型法、生命带类型法和模型法等[20—21]。但土壤有机碳库估计还存在很大误差和不确定性[22]。作物植被碳库估算主要采用参数估算法、遥感资料反演法和环境参数模型法[23—25]。与农田土壤相比，对作物植被碳库及农田生态系统碳循环的综合研究相对薄弱，且对作物植被碳库变化的源汇效应存在不同认识[23]。

　　随着研究深入，与农业有关的温室气体(GHGs)范围扩大到CO2、N2O和CH4，并将N2O和CH4按增暖潜势折算(折算系数为298和21—25)为CO2当量(CO2e)[2，26]。稻田CH4[27—28]、农田土壤N2O[29—32]和CO2[33—34]等通量观测主要采用原位封闭静态箱—气象色谱法和微气象法的窝度相关法。同时，也开展了温室气体排放的模型模拟(DNDC生物地球化学过程模型[35]等)。社会经济视角的农业碳源/汇效应研究以农业生产的经济过程为研究对象，重点关注农业生产过程中化肥、农药、种子、地膜、灌溉和耕作等农资物料和能源投入而引起的间接碳排放。目前常采用IPCC清单排放因子估算法、生命周期评估法、投入产出分析和碳足迹估算器等方法[36]进行该视角的农业碳排放研究。

　　该视角研究多采用基于农业投入的宏观统计数据，从农资投入、能源消费、废弃物处理和反刍动物等排放源头进行碳排放估算。单一的农业生产宏观统计数据很难分配到明确的区域空间，而且对农业经营模式、产品构成、种养关联等微观数据有所忽略，必然会导致估算结果具有较大的不确定性和模糊性。

　　(2)由自然与经济相互割裂到相互融合的二元农业碳源/汇综合方法尚需深化。农业植被与土壤的碳排放与吸收监测使微小尺度(样地)农业碳源/汇得以综合，并被外推到不同尺度农地利用变化与生态系统的碳平衡。但在国家、区域或者局地尺度碳收支估算中，各种方法之间的准确性和精度以及监测实验数值的区域空间适用性等均缺乏充分而严格的评估。

　　当前大部分的碳排放量估算均基于能源消费量和能源排放系数，而碳吸收又多从植物生长过程而获得，两者相互隔离。随着自然科学与社会科学的融合与整化[37]，近年来突破了单一自然生态系统或社会经济活动领域的视角局限，形成区域“自然—社会”二元碳源/汇综合研究框架[38—39]。然而，农业的特殊性在于其需要同时缓解和适应气候变化。由自然与经济相互割裂到相互融合的二元农业碳源/汇效应研究的综合方法还需要具体化。

　　2.3基于区域尺度视角的研究进展

　　(1)多集中在大中尺度和样地尺度，小尺度县域研究比较薄弱。国内对全国、省域、市县、乡镇和样地等不同区域尺度的区域农业碳源/汇进行了大量研究。但多集中在大中尺度(全国[40—41]、大地形区、行政区和省区[42—43]等)和样地尺度，小尺度县域的研究不足[36]。县域是我国现阶段具有独立运行功能、完整社会经济结构、分布最为广泛的基本地域单元。加强县域农业碳源/汇研究，可提高研究结果的针对性与可操作性。此外，既有研究偏集东部平原地区，对经营模式多样、种养构成复杂和内在关联多元的西部丘陵山地县域关注明显缺乏。

　　在区域农业碳源/汇估算基础上，区域分异、变化趋势、排放因子分析和公平性评价等研究逐渐深入。如通过碳源/汇强度分析区域空间分异[44—46]，利用环境库兹涅茨曲线和灰色预测模型[47]、变化斜率[48]等刻画变化趋势，采用碳重心和重心移动距离探讨区域碳源/汇重心转移[49—50]，运用LMDI模型和Kaya恒等式剖析区域农业碳源/汇效应的驱动机理[51]和排放因子[52—54];使用碳排放生态承载系数及经济效率评价区域农业碳排放公平性[55—56]。这些研究为促进农业结构优化和科学减排提供策略依据。

　　(2)农产品供应链关联的区域间碳流及碳减排问题值得关注。农业碳源/汇效应除涉及生产过程外，还与农产品供应链关联的区域间碳流及碳减排问题有关，如碳泄露、食物浪费、热量消耗过剩以及营养习惯或食物结构等[57—60]。国内仅有城市食物浪费碳足迹[61—62]和部门贸易隐含碳排放[63]等个别报道。部门碳收支揭示了重要的碳流，这些碳流影响到多个部门，如果不计入区域碳收支核算，就是碳泄(渗)漏(carbonleak)。

　　跨部门碳流动包括农资生产投入，以及从农业部门转移到能源部门的能源作物及其他生物燃料和在其他部门使用的农、林产品等。区域碳收支中可能遗漏的部门流动就是区域间产品的进出口。碳泄漏使一个领域或区域的耗费反映在其他地区的CO2排放中。虽然追踪地区间化石燃料转移的机制很发达，但地区间农林牧产品的交换并非如此[57]。

　　面对碳排放增多带来的气候变化难题，碳减排责任划分是各国争论的焦点。国际贸易造成的“碳泄露”问题已有相当程度的认识，国家间针对碳泄漏可采用对进口产品征收关税等[63]减少排放泄漏的边界调整措施。中国的碳减排责任最终要落实到省市尺度上，区域间贸易引起的“碳泄露”同样值得考虑。可以使用多区域投入产出分析法，分别从生产者和消费者的角度对区域各部门碳排放进行分析，进而估算各部门进出口贸易中隐含的碳排放量[58]。

　　鉴于农业部门温室气体排放量巨大，减少食物生产损失和浪费或解决热量消耗过剩问题的战略，有很大潜力成为减缓全球气候变化的有效工具[59]。其中，营养习惯改变对农业能源消费和温室气体排放有重要影响[60]，节约和减少粮食浪费等是碳减排的重要途径。国内区域关联的碳泄漏需要定量评估，而食物生产损失和浪费等碳减排潜力值得关注。

　　3基于我国农业经营特征的农业碳源/汇效应改进研究

　　3.1我国小规模家庭农场和种养关联的多种经营特征

　　目前，国内已对作物秸秆草谷比[64]和畜禽粪尿排泄系数[65]等进行大量研究。据估算我国农业年生产有机物料资源量巨大[65]：畜禽粪尿约38亿t，秸秆(风干)约10亿t。数量庞大的农业有机物料可通过种养关联的循环农业加以利用。

　　种养关联的核心是作物秸秆、畜禽养殖废弃物的资源化利用。由养殖企业、有机肥企业、种植企业、政府等多主导[66]，形成多种以沼气工程、好氧堆肥和秸秆资源化为纽带的种养循环农业模式[67]，以及稻田种养结合等空间共生循环农业[68]均具有整体减缓温室效应的作用。而目前我国农业生产经营的突出特征之一是小规模家庭农场和种养关联的多种经营，这种经营特征具有种养关联的分散和随意性。

　　即使由农户组织形成的专业生产合作社仍然存在种养比例失调、种养分离与投入过剩[69]等问题。既有研究常将种植业和畜牧业视为独立生产过程，忽略了种养关联碳效应。因此，加强种养关联模式、组织形式及其碳效率的理论探索和实践均对农业碳减排具有重要意义。

　　4结语

　　国内基于内部结构、双重属性和区域尺度等视角的农业碳源/汇研究，为农业减排增汇提供了有力支撑。但农业碳源/汇是一个异常复杂的问题，精确评估小规模家庭农场和种养关联多种经营特征下的我国农业碳源/汇对制定有效的减排策略、尽早实现碳达峰和碳中和的“双碳”目标至关重要。未来应集成样地观测、农户调查和统计数据，着力产业组分、农产品碳源/汇构成解析并加强种养关联碳源/汇综合研究;拓展和关联研究视角与数据获取方式，发展和完善评估模型，提高参数本土化程度;追踪农产品生产、流通与消费等区域间碳流过程，开展碳减排全过程研究。

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　　作者：罗怀良1，