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中国保护性耕作净碳汇的时空分异特征及其驱动力

来源:用户上传      作者:李园园 薛彩霞 柴朝卿 姚顺波 李卫

  关键词保护性耕作;净碳汇;时空分异;驱动力
  气候变暖已成为威胁人类生存和可持续发展的全球性挑战,“气候经济学之父”尼古拉斯・斯特恩曾提出“如果全球温室气体排放照旧,那么将对地球生态系统造成重大影响”[1]。作为负责任的大国,中国于2020年宣布力争在2030 年前实现碳达峰,2060 年前实现碳中和。增加固碳和减少碳排是实现“双碳”目标的两条路径。IPCC全球气候变化评估报告指出农田具有重要的固碳能力和潜力,但耕作措施对其具有重要影响[2]。传统耕作方式因频繁干扰土壤而不利于土壤有机碳的存储,兴起于美国“黑风暴”事件的现代保护性耕作则是一种可以有效提高土壤碳储量和减少碳排的耕作技术[3],其在全球范围内每年的土壤固碳量约为0. 74×109~1. 00×109 t[4],目前已被世界多个国家应用。中国在20世纪60年代引进保护性耕作技术,2002年正式推广,至2019年其应用面积已达7 719. 953 万hm2。那么,保护性耕作在中国近二十年的推广是否起到了固碳减排作用?作用大小如何?各区域间是否存在差异?以及差异背后的驱动力有哪些?这些问题的答案不仅可以为优化不同区域保护性耕作的推广政策提供决策依据,而且对于减缓气候变暖、促进农业可持续发展以及实现“双碳”目标具有重要参考价值。
  1 文献综述
  保护性耕作是低碳农业生产中的一项重要技术,既可以提高土壤碳储量,又可以降低碳排放。现有文献关于保护性耕作固碳减排的研究,主要聚焦于利用田间实验测度免耕和秸秆还田等不同措施对土壤固碳和温室气体排放的影响。目前,学者们对“保护性耕作可以提高土壤固碳能力[5-6]”已基本达成共识。研究表明,保护性耕作较传统耕作方式显著提高了土壤的固碳速率、有机碳稳定系数及其储量[6-7]。当然,其固碳效应的发挥还与不同措施是否联合使用[8]、作物种植制度[9]以及土壤类型[10]等因素有关。保护性耕作的实施改变了土壤的理化性质和生物环境,进而影响到微生物的分解、厌氧发酵等活动,最终将直接或间接影响温室气体排放,但学者们对其减排效应的研究结论尚未达成共识。已有文献中关于免耕对温室气体排放的影响形成了促进、抑制或无显著影响三种观点[11-13],这是由于学者们研究的作物类型、种植制度、位点条件等差异造成的。秸秆还田腐解后能有效增加土壤孔隙度,一般被认为能增加温室气体排放[14]。也有学者采用Meta分析法综合评估了一定区域保护性耕作的固碳减排效应[14-15]。
  学者们关于保护性耕作固碳减排效应已做了大量研究,但仍存在可完善之处:①学者们通过田间试验对“保护性耕作的固碳减排效果受作物类型、位点条件、种植制度等的影响”已形成一致结论,但基于宏观视角的研究较为不足,更何况中国各地区资源禀赋和技术推广程度等存在较大差异。②生物固碳是农业碳汇的重要来源之一[16],保护性耕作会影响作物生长和产量进而带来生物固碳的变化,但现有文献并未将其纳入保护性耕作的固碳效应。③尽管部分学者对不同区域保护性耕作的固碳减排效应进行了综合分析,但尚未对其背后的驱动力予以探究。综上,该研究基于保护性耕作田间实验数据的Meta分析结果与系统试验数据,在测度2000―2019年中国保护性耕作净碳汇的基础上,采用探索性空间数据分析方法揭示其时空格局特征,运用地理探测器探究其空间分异的驱动力,以期为优化保护性耕作的推广政策、实现“双碳”目标及缓解气候变暖提供参考依据。
  2 研究方法与数据来源
  2. 1 中国保护性耕作净碳汇测度
  保护性耕作具有碳汇和碳源的双重属性[3],其核心措施――免耕和秸秆还田主要通过土壤固碳和生物固碳两种方式发挥碳汇效应,但两种措施的联合使用在不同碳汇方式下的交互效应不同。免耕和秸秆还田联合使用时的土壤固碳效应小于各自单独使用时的土壤固碳效应之和,即存在反协同效应;生物固碳源于保护性耕作对作物产量的影响,免耕通常会带来减产,而秸秆还田具有增产作用[17],但秸秆还田对免耕的减产有减缓效应[15]。虽然免耕和秸秆还田实施之后产生了与之前不同的温室气体排放量,但未发现其存在显著交互效应[18]。需要说明的是:保护性耕作碳汇碳排考虑的是作物生长全生命周期中的碳吸收和碳排放,这与IPCC[19]、李克让[16]和田云等[20]测算农业碳的方式一致。保护性耕作净碳汇的具体测算方式参考薛彩霞等[21]的研究:
  2. 2 探索性空间数据分析
  探索性空间数据分析(Exploratory Spatial Data Analysis,ESDA)是以空间关联测度为核心对事物的空间分布格局进行描述与可视化分析以揭示其在空间上的相互作用关系。
  2. 2. 1 全局莫兰指数
  全局莫兰指数(Global Moran’s I)是描述所有空间单元在整个研究区域上与周边地区的平均关联程度。公式如下:
  2. 2. 2 热点分析
  热点分析(Getis?Ord Gi*)可识别具有统计显著性的高值(热点)和低值(冷点)空间聚类,用于揭示局部区域空间集聚特征。公式如下:
  2. 3 地理探测器
  地理探测器是由王劲峰等基于空间分异理论提出的探测空间分异性并揭示其背后驱动力的统计学方法[22],研究中涉及因子探测和交互作用探测。
  2. 3. 1 因子探测
  因子探测是探测自变量对因变量空间分异的解释程度,用q 值度量。公式如下:
  2. 3. 2 交互作用探测
  交互作用探测是评估自变量X1和X2共同作用时是否会增加或减弱对因变量空间分异的解释力(表1)。
  2. 4 指标选取与数据来源
  保护性耕作属于农业生产技术,其效应的发挥依赖于农业资源条件和自然环境,社会经济是保护性耕作推广的“助推器”。借鉴相关文献[23-24],基于科学性和可获得性原则,将可能影响保护性耕作净碳汇空间分异的因素划分为农业资源、社会经济和自然环境三个维度,各变量选择及数据来源见表2。以2000―2019年中国30个省份(西藏及港澳台地区数据缺失较多,未将其纳入)为样本,为使经济类指标可比,给予平减处理,即以2000年为基期进行折算。特别说明的是,选取“(小麦+玉米播种面积)/农作物总播种面积”表征种植结构,原因有二:①保护性耕作技术的“中国化”起源于种植小麦玉米的农区,长期以来小麦玉米的保护性耕作技术和农机具领先于水稻和经济作物;②保护性耕作技术以农业机械为载体,旱作农区的小麦玉米机械化水平高于水田作业的水稻及经济作物的机械化水平。

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  3 结果分析
  3. 1 中国保护性耕作净碳汇时序变化特征
  3. 1. 1 全国及不同区域保护性耕作净碳汇变化
  图1显示,第一,2000―2019年全国及各区域保护性耕作净碳汇均呈增长态势,自2010年增幅明显增大,这是因为自2002年正式推广保护性耕作以来,各地经过探索已形成了较为科学的区域技术模式和先进的专用机具;2009年农业农村部和发改委颁布《保护性耕作工程建设规划(2009―2015年)》,进一步推动了保护性耕作的应用。第二,各区域保护性耕作净碳汇变化趋势不尽相同。中部地区增幅最大,原因是中国现代保护性耕作于1992年最先在山西进行系统试验,2002年农业农村部制定规划推进保护性耕作时,适用于中部地区北方省份旱作农业保护性耕作技术及农机具较为先进且适用,2014年增幅又明显提升,则是因为水田农业保护性耕作技术取得重大进展,推动了中部地区南方省份保护性耕作的应用。西部地区在2000年保护性耕作的净碳汇量最多,之后增长平稳。原因是保护性耕作因沙尘暴而起,沙尘暴多发的西部地区在技术推广之前已得到应用,之后国家提出在“三北”地区示范推广以形成“西北风沙源头区”保护性耕作带[25],因此其技术在西部地区稳步推进。东部地区自2010年趋于平缓,这可能受到其经济发展方向和种植制度影响。东北地区总量较小且呈“U”形变化,2012年之前呈下降趋势,这是由于其秸秆还田实施面积远大于免耕面积,秸秆还田带来的温室气体排放会抵消部分碳汇效应。
  3. 1. 2 不同保护性耕作措施净碳汇变化
  图2显示,第一,2000―2019年两种保护性耕作措施的净碳汇均呈上升态势,其中秸秆还田净碳汇大于免耕措施,说明秸秆还田通过输入有机质所带来的固碳减排效应大于免耕通过减少土壤扰动而带来的固碳减排效应。第二,两种措施的净碳汇呈阶段性变化,秸秆还田在2000―2009年为缓慢增长期,2010―2019年为快速增长期,其净碳汇由620. 188万t上升至2019年的2 583. 768万t;免耕则与之相反,2000―2011年增长速度较快,之后趋于平稳,2019年其净碳汇为848. 783万t。第三,两种措施联合使用时交互作用抵减的净碳汇相对较少,2000年不足10万t,2015年达到峰值259. 643万t,占当年净碳汇的10. 22%,之后在波动中略微下降,2019 年为238. 167万t,这源于两种措施联合使用时的交互作用方向相反。
  3. 2 中国保护性耕作净碳汇空间演变特征
  通过趋势分析反映保护性耕作净碳汇在空间上的演变特征。在趋势分析中,XZ 平面上的曲线表示分析变量在东西方向上的趋势,YZ 平面上的曲线表示其在南北方向上的趋势。图3显示,东西方向上,保护性耕作净碳汇在2000年表现为自西向东递减且呈“U”型分布,随着时间推移“U”型程度逐渐减弱,说明其在东西方向上的差异逐渐缩小。南北方向上,2000年表现为自北向南递减趋势,随后在2010年和2019年呈倒“U”型分布,表明南北方向上的分异特征愈加明显。垂直方向上,空间中的点随时间推移呈增高态势,说明保护性耕作净碳汇增势显著。
  3. 3 探索性空间数据分析
  表3中各期Moran’s I均为正且通过了10%的显著性检验,表明保护性耕作净碳汇在空间上整体呈正相关关系,即相邻省份保护性耕作净碳汇高值区和低值区相对集聚。
  图4为保护性耕作净碳汇的局部空间特征。结果显示,2000年热点区涉及甘肃、内蒙古、山西等省区,冷点区仅贵州和湖南。2010年热点区向南偏移,聚集在山西、河北和山东等省区,海南和浙江为冷点区。2019年热点区较2010年未发生明显变化,冷点区新增四川且呈离散分布。综上,2000―2019年热点区由北向南偏移,但分布相对集中;冷点区分布较为零散,且涉及省区相对较少,即保护性耕作净碳汇冷热点分区明显,空间分异特征显著。
  3. 4 保护性耕作净碳汇空间分异驱动力分析
  鉴于地理探测器要求自变量为类型变量,借助Arc?GIS10. 7进行类型划分,其中,土壤类型依据《1:100万中华人民共和国土壤图》中的分类系统进行划分,其他连续变量依据自然断点法进行离散化和类别化处理。
  3. 4. 1 因子探测
  考虑到各因子驱动力度可能随时间推移发生变化,以2000年、2010年和2019年为研究时点进行系统分析(表4)。
  (1)农业资源因素。农业资源禀赋是保护性耕作净碳汇空间分异的基础条件。其中,农业机械化水平的q 值超过了0. 496,维度内排序稳居第1,维度间排序升至第5,表明农业机械化水平是驱动保护性耕作净碳汇空间分异的重要因素。保护性耕作的实施依赖于机械作业,而机械作业实施的力度取决于农业机械化水平,2004年《农I机械化促进法》的颁布以及农民购机补贴政策的实施使得农业机械化水平不断提高[26],保护性耕作得以持续推广。
  种植结构的q 值由0. 476下降至0. 245,说明其驱动力度逐渐衰退。中国现代保护性耕作起源于种植小麦玉米的旱作区,在技术推广初期,小麦玉米保护性耕作机具较为成熟,以种植小麦玉米为主的省份具有优势,“十一五”期间水稻保护性耕作机具取得进展,自此以种植水稻为主的省份保护性耕作得到大力推广,缩小了由种植结构导致的差异。
  亩均化肥的排序明显上升,说明其驱动力度逐渐增强,原因是化肥有助于作物增产,而作物增产与生物固碳呈正相关关系。耕地面积和复种指数的排序位于中后位置,说明其驱动作用相对较弱。
  (2)社会经济因素。社会经济发展和政府推广是保护性耕作净碳汇空间分异的重要推力。其中,保护性耕作推广强度的q 值超过了0. 559,排序位于前3,表明技术推广是主要驱动力之一。2002年国家正式启动旱作区保护性耕作项目,之后多年的中央一号文件中均提出“推广保护性耕作”,以及各地实施的农机具补贴和作业补贴为保护性耕作的推广提供了良好的政策环境和推广环境,因而其实施面积显著提高。

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  经济发展水平和乡村人均农业总产值的q 值在2000年均超过了0. 602,之后有所下降。原因是,经济越发达的地区农民务农的机会成本越高,越倾向于采用机械替代人工劳动,而保护性耕作依托于农业机械,故经济发展水平的驱动力度较大。保护性耕作兼具生态效益与经济效益,在乡村人均农业总产值越高的省份推广面积较大,因而乡村人均农业总产值的驱动作用也较强;而农业技术存在外溢现象,保护性耕作通过农机跨区作业在实现技术溢出效应的同时,弱化了经济发展水平和乡村人均农业总产值的驱动强度。
  受教育程度是影响农户技术采用决策的重要因素之一[27],保护性耕作的经济效益具有滞后性和长期性,受教育程度更高的农民对其认同度更高,也更愿意采用,即驱动作用;但受教育程度更高的农民更容易获得非农就业机会,由于非农就业的劳动报酬比从事农业更具优势,可能导致其不关心农业生产,不愿意采用保护性耕作技术,即抑制作用。表4 中受教育程度的q 值逐渐增加,维度间排序升至第4,说明受教育程度的驱动作用在增强,抑制作用在减弱。财政支农水平的q 值不断下降,说明其驱动作用呈弱化趋势。可能的原因是,受限于明细数据的获取,文中采用的财政支农水平数据涵盖范围较大。
  (3)自然环境因素。自然环境是保护性耕作净碳汇空间分异的外部情景。其中,日照在2000年和2019年排序稳居第1,表明日照是保护性耕作净碳汇空间分异的主要驱动力之一。日照是作物生长过程中光合作用的基础要素,对土壤表层微生物的活动及农作物的生长影响较大[28],而土壤表层环境、微生物的活动则与土壤固碳和生物固碳效果紧密相关[29],且中国纬度跨度广,各地区日照时长差异显著。2010年的q 值仅为0. 246,这可能与同期国家政策推广强度的驱动作用上升有关。
  降水的q 值逐渐减小且排序降至第10,表明降水的驱动力度在逐渐减弱。降水是农作物吸收水分的重要来源,对作物产量有重要影响,但只有适量降水才会使作物增产,降水过多或过少都不利于作物生长[30]。有研究显示土壤表层有机物的分解、温室气体排放也会受降水的影响[31],据统计,2019年年均降水量较2010年明显减少,这可能是其驱动力弱化的原因之一。气温和土壤类型排序相对靠后,说明驱动作用较小。
  3. 4. 2 交互作用探测
  各因素交互探测的结果表明,双因子交互作用对保护性耕作净碳汇空间分异的解释力度均强于单因子作用,且交互类型以双因子增强和非线性增强为主。限于篇幅,分别对2000年、2010年和2019年的结果进行排序,取q 值位于前10的交互因子进行分析(表5)。
  从时间视角来看,位于前10的交互因子各不相同。2000年农业资源和社会经济因素的交互作用较大;2010年“保护性耕作推广强度+其他因子”交互作用显现;2019年“经济发展水平+其他因子”和“受教育程度+其他因子”的交互作用增。2000年保护性耕作尚处于试验阶段,其固碳排碳效应受农业环境和机械化水平影响较大。随着保护性耕作的正式推广、《农业机械化促进法》的实施以及连续多年政策的支持,保护性耕作作业面积显著增加,因而2010年保护性耕作推广强度与其他因子的交互作用凸显。2015―2019年国家对保护性耕作的推广没有明确的规划引领,农民是技术的直接使用者,受教育程度越高意味着对保护性耕作的认知度与认可度越高,技术采用率也越高[27],由此受教育程度与其他因子的交互作用增强。作业补贴是影响农户采用保护性耕作的重要因素[32],经济发展水平越高的省份利用财政推广保护性耕作的力度越大,因而经济发展水平与其他因子的交互作用增强。
  4 结论与讨论
  4. 1 结论
  该研究在对中国30个省份(未涉及香港、澳门、台湾和西藏地区)2000―2019年保护性耕作净碳汇效应进行测度分析的同时,运用探索性空间数据分析法揭示其时空格局特征,并采用地理探测器分析其空间分异的驱动力,主要结论如下。
  (1)保护性耕作净碳汇呈逐年增长趋势,但不同区域和不同措施保护性耕作净碳汇及增幅存在差异。具体来说,中部地区净碳汇及增幅最大,西部地区次之,东部地区位居第三,东北地区位居最后;秸秆还田的净碳汇及增幅均大于免耕措施,两种措施交互作用抵减的净碳汇相对较少,其在峰值年份2015年的值为259. 643万t,仅占当年净碳汇的10. 22%。
  (2)保护性耕作净碳汇在空间上呈现出北高南低、西高东低的分布格局,且随着时间的推移,东西方向差异逐渐减小,南北方向差异逐渐凸显;探索性空间数据分析结果显示保护性耕作净碳汇呈空间正相关关系且冷热点分区明显,表明存在空间分异现象。
  (3)地理探测器结果表明,保护性耕作净碳汇的空间分异受农业机械化水平、经济发展水平、保护性耕作推广强度和日照的驱动作用较大,且交互作用强于单因子作用,在技术推广前期“保护性耕作推广强度+其他因子”的交互作用凸显,“经济发展水平+其他因子”和“受教育程度+其他因子”的交互作用在后期逐渐显现。
  4. 2 讨论
  基于宏观视角探索2000―2019年中国保护性耕作净碳汇时空分异特征及其驱动力,所得结论既是对保护性耕作技术效果的丰富,也可以为优化推广保护性耕作政策提供参考。相比以往研究,该研究在以下两方面得到了深化:①考量了保护性耕作整体的“纯”碳汇效应。从固碳和排碳双向视角出发,通过反协同系数和减缓系数剥离出免耕和秸秆还田措施联合采用时的交互效应得到保护性耕作的净碳汇效应。研究显示保护性耕作具有较大的净碳汇效应,说明保护性耕作技术有助于缓解气候变暖,是农业领域中实现“双碳”目标的重要路径之一。②研究视野由田间试验拓展为宏观层面。从宏观层面测算中国不同区域和不同措施的保护性耕作净碳汇效应,并分析探讨了其空间分异的驱动力,这为“双碳”背景下优化保护性耕作的区域性推广政策提供了参考依据。尽管保护性耕作以机械化为载体,其在作业过程中使用的化石燃料会产生碳排放,但免耕减少了由机械化翻耕旋耕过程中燃油消耗所造成的碳排放,该研究假定这两者相抵消,可能对结果的准确性有一定影响。当然,该研究还存在不足之处,如保护性耕作的固碳和排碳系数受SOC初始储量、种植制度等多种因素影响,该研究所采用的测算参数是平均效果且以省域为研究尺度,未来可从市域、县域等进行更深入的研究。另外,保护性耕作兼具生态效益和经济效益,对实现“藏粮于地、藏粮于技”战略和绿色农业现代化具有重要意义,未来可将其生态效益与经济效益衔接在一起开展更系统性的研究。

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