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JOURNAL OF NATURAL RESOURCES >

2022 , Vol. 37 >Issue 5: 1164 - 1182

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20220505

Dual Carbon Goals and Natural Resources Management

Study on spatio-temporal pattern of conservation tillage on net carbon sink in China

  • XUE Cai-xia , 1 ,
  • LI Yuan-yuan 1 ,
  • HU Chao 2 ,
  • YAO Shun-bo 1
Expand
  • 1. College of Economics and management, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China
  • 2. College of Marxism, Guangxi Normal University, Guilin 541006, Guangxi, China

Received date: 2021-11-01

  Revised date: 2022-01-24

  Online published: 2022-07-28

Fold

Abstract

Studying the spatio-temporal patterns of net carbon sinks under conservation tillage is of great significance to the formulation of policies. Based on the analysis of the mechanism of carbon sink and emissions and the construction of its measurement method under conservation tillage, this paper analyzed the spatio-temporal pattern of net carbon sink and predicted its potential under conservation tillage from 2000 to 2019 in the provinces (autonomous regions and municipalities, hereafter provinces) of China. The results showed that: first, the carbon sink under conservation tillage is about twice the carbon emissions, soil carbon sequestration accounts for more than 2/3 of carbon sink, and biological carbon sink accounts for less than 1/3. Second, from 2000 to 2019, the net carbon sink under conservation tillage in China showed an increasing trend year by year, and the net carbon sink in North, Northwest and Southeast China increased significantly. The net carbon sink showed a trend of expansion-agglomeration-expansion in space, with the center of gravity shifting from north to south. Third, the net carbon sink under conservation tillage in the whole country had the characteristics of obvious spatial imbalance. In 2019, there was a "three-legged" pattern in North, Northwest and Southeast China. The seven provinces of Henan, Shandong, Inner Mongolia, Xinjiang, Anhui, Hubei and Jiangxi belong to high-carbon sink areas, Hebei, Jilin, Shaanxi, and Shanxi belong to low-carbon sink areas, and other provinces belong to carbon-neutrality areas. Fourth, the net carbon sink potential under conservation tillage from 2020 to 2030 will continue to increase, and the peak value will be between 57943800 t C and 79629300 t C in 2030.

Key words： conservation tillage; carbon sink; carbon emissions; spatio-temporal pattern; potential

Cite this article

XUE Cai-xia , LI Yuan-yuan , HU Chao , YAO Shun-bo . Study on spatio-temporal pattern of conservation tillage on net carbon sink in China[J]. JOURNAL OF NATURAL RESOURCES, 2022 , 37(5) : 1164 -1182 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20220505

2020年9月,中国首次明确要求采取更有力的政策和措施,以使CO2排放力争于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。碳达峰碳中和的实现路径是“做加减法”,即在固碳减排上“做加法”,在能源消费碳强度上“做减法”。在IPCC全球气候变化评估报告中,农田被认为是当前具有重要固碳能力和固碳潜力的陆地生态系统之一[1]。农田虽具有巨大的固碳潜力,但耕作措施对其有重要影响[2⇓-4]。保护性耕作是一种有效提高土壤碳储量的耕作技术[5⇓-7],既可以缓解气候变化又能维持粮食的可持续生产[8],免耕和秸秆还田是被广泛推广的有助于减缓气候变化的保护性耕作措施[5,9]。据估计,全球因传统耕作而损失的土壤有机碳约为0.3~1.0 Pg C/a[10],秸秆还田的固碳潜力约为28 Tg C/a[11]。中国自2002年推广保护性耕作,在作业补贴和示范推广的推动下,2019年免耕播种面积和秸秆还田面积分别占全国耕地面积的10.85%和40.28%。因此,了解中国保护性耕作净碳汇效应的时空格局,不仅可以为进一步制定保护性耕作推广政策提供参考依据,而且对缓解环境气候变化、促进粮食可持续生产及实现碳达峰和碳中和具有现实意义。
自1992年在山西省临汾市拉开“现代保护性耕作中国化”的序幕以来,利用田间实验测度免耕、秸秆还田等保护性耕作措施对土壤固碳、温室气体排放及作物产量的影响,成为学者们关注的焦点。尽管选取试验田位置存在差异,但学者对“免耕和秸秆还田均会提高土壤有机碳（Soil Organic Carbon,SOC）的储量”已基本达成共识[12⇓-14],且免耕与秸秆还田联合措施对SOC储量的提升效果显著高于单一措施[15,16]。初始有机碳的含量、种植制度[17]、持续时间[18]、土壤类型[19]、气候条件[20]等是影响保护性耕作土壤固碳效应的重要因素。关于保护性耕作对温室气体排放影响的研究表明,免耕减少了CO2和CH4的排放[7,21],秸秆还田增加了CO2和CH4排放[22,23],对N2O排放的影响则因区域、种植作物而异[24⇓-26]。总之,就温室气体排放而言,免耕显著降低了全球变暖潜势,秸秆还田增加了全球变暖潜势[21,22,27];也有研究表明,在粗放型农业经营中保护性耕作对温室气体排放的影响不显著[28]。秸秆还田的增产效应已被文献证实[22,29],尽管秸秆还田初期秸秆分解可能导致微生物氮同化,限制土壤短期氮有效性,但其对作物产量的不利影响可以通过还田时间来平衡[30]。关于免耕的产量效应形成了增产[21]和减产[31]两种观点,但减产比例显著高于增产比例[32⇓-34]。研究得出不同结论的原因是,作物产量除了耕作措施的影响之外,还受土壤性质、种植制度、气候条件等的影响[31,35,36]。Pittelkow等[37]对全球610项5463对实验结果的研究发现,尽管在某些地区免耕具有增产效应,但整体上免耕对作物产量的影响为-5.7%,当同时采用秸秆覆盖或管理措施时,免耕对作物产量的负面影响最小。
现有文献关于保护性耕作固碳排碳效应的研究成果丰硕,但存在以下尚待完善之处：一是现有文献主要采用田间试验测度保护性耕作的固碳排碳效应,从宏观视角关注其碳汇效应的文献较为缺乏;二是生态系统中农作物产量变化会导致碳吸收或碳排放的变化,即生物固碳的变化[38],但现有文献对保护性耕作碳汇效应的研究却未将其生物固碳纳入分析框架;三是免耕和秸秆还田同属于保护性耕作的核心措施,而现有文献对两者固碳排碳效应大多是分开研究的,对保护性性耕作整体净碳汇效应的研究较为不足。基于此,本文基于现有文献中保护性耕作在中国田间试验的Meta分析和综合系统分析数据,在考虑免耕和秸秆还田交互效应的基础上,从土壤固碳、生物固碳和温室气体排放三方面较为系统地建立保护性耕作净碳汇的测度方法,对中国2000—2019年间保护性耕作的净碳汇进行测度,分析其时空格局变化并预测其潜力,以期为“双碳”背景下保护性耕作技术的推广提供政策参考。

1 保护性耕作固碳排碳机理分析

农田生态系统中,农作物在生长过程中通过光合作用对大气CO2的固定属于生物固碳,是碳汇的重要来源之一[38],而减少温室气体排放和增加SOC对缓解气候变化有显著贡献[39]。因此,本文研究的保护性耕作固碳效应包括土壤固碳和生物固碳,排碳效应是指温室气体排放。
耕作措施对土壤碳库的干扰已被公认为是对SOC的影响[5]。免耕因减少了对土壤的干扰而为土壤团聚体有机碳提供了更好的物理保护,从而减少了SOC的分解[40]。秸秆还田通过提供更多的有机质来加速大团聚体的形成以增加SOC固存[41]。与常规耕作相比,免耕条件下较高的土壤湿度和较低的土壤温度会减缓有机残留物的降解速度,促进土壤的碳固存[29],因此,免耕与秸秆还田联合措施的土壤固碳效应高于单一措施[22],但存在“反协同效应”,即免耕和秸秆还田两种措施同时采用时的土壤固碳量低于各自单独采用时固碳量的总和[2,16,33]。
保护性耕作通过改变作物的生长环境及产量影响生物固碳。免耕提高了土壤结构稳定性、养分有效性和持水能力,使作物有更高的产量[20,42,43];但免耕容易致使土壤板结,抑制作物生长[44],也会因土壤温度降低而不利于作物种子的萌发,导致作物产量降低[37,45]。秸秆还田不仅直接增加土壤的碳输入,而且改善土壤结构、提高养分含量和增加微生物生物量[46],进而有助于作物产量的增加。当免耕与秸秆还田联合采用时,更大程度上改善了土壤的水分渗透,保存了土壤水分,因此,秸秆还田对免耕造成的作物减产具有减缓效应[37]。
农田是温室气体（主要包括CO2、CH4和N2O）排放的来源之一,农田系统中N2O和CH4比CO2排放量分别多265倍和28倍[28]。免耕和秸秆还田之后,土壤的物理、化学性质及微生物得以改变,产生了与保护性耕作之前不同的温室气体排放量[47]。免耕减少了壁犁耕作导致的SOC损失致使CO2释放量降低,降低了土壤温度而使CH4排放量减少[22,48]。秸秆还田因增加SOC和土壤孔隙度而促进土壤呼吸,增加CO2的排放量;有机质腐化过程消耗O2,强化厌氧环境,抑制甲烷菌的活性,导致CH4排放增加;秸秆还田为反硝化或硝化提供更多的碳氮基础,促进N2O的排放[49⇓-51]。免耕和秸秆还田两者交互对温室气体排放的影响尚未达成共识[50],赵鑫[33]Meta分析结论表明,免耕和秸秆还田对温室气体排放的影响不存在显著的交互效应。综上所述,保护性耕作的固碳排碳机理见图1。
图1 保护性耕作固碳排碳机理

Fig. 1 Mechanism of conservation tillage on carbon sink and emissions

2 研究方法与数据来源

2.1 净碳汇测算方法

2.1.1 净碳汇

根据以上分析,保护性耕作净碳汇效应由土壤固碳、生物固碳和温室气体排放三部分组成,即：
C = C 1 + C 2 - C 3
式中： C表示保护性耕作净碳汇（t C）; C 1表示保护性耕作土壤固碳（t C）; C 2表示保护性耕作生物固碳（t C）; C 3表示保护性耕作温室气体排放（t C）。需要说明的是, C 1、 C 2和 C 3均指碳当量。

2.1.2 土壤固碳

在参考Du等[15]、Wang等[52]测度免耕、秸秆还田土壤固碳效果方法的基础上,考虑免耕和秸秆还田土壤固碳效果的反协同效应,构建保护性耕作土壤碳汇的公式为：
C 1 = C ' 1 + C ″ 1 - α × ∑ [ S i × ( Δ S O C ' + Δ S O C ″ ) ]
式中： C ' 1和 C ″ 1分别表示免耕的土壤固碳和秸秆还田的土壤固碳（t C）; α为反协同效应系数,其计算方法见式（3）; S i为各省份保护性耕作（同时采用免耕和秸秆还田）的面积（khm2）; Δ S O C '、 Δ S O C ″分别表示免耕（相对于翻耕）、秸秆还田（相对于秸秆不还田）的年固碳速率 [t C/(hm2·a)]。
α = Δ S O C ' + Δ S O C ″ - Δ S O C ‴ Δ S O C ' + Δ S O C ″
式中： Δ S O C ‴为免耕+秸秆还田（相对于翻耕+秸秆不还田）的年固碳速率 [t C/(hm2·a)]。
免耕的土壤固碳 C ' 1和秸秆还田的土壤固碳 C ″ 1的估算公式分别如下：
C ' 1 = ∑ S ' i × Δ S O C ' i
C ″ 1 = ∑ S ″ i × Δ S O C ″ i
式中： S ' i表示各省份免耕面积（khm2）; S ″ i表示各省份秸秆还田面积（khm2）。

2.1.3 生物固碳

借鉴Song等[53]和李克让[54]估算农作物固碳的方法,免耕生物固碳 C ' 2估算公式如下：
C ' 2 = ∑ Δ Y ' i k × C k / H k = ∑ P i k × S ' i × y i k × β ' × C k / H k
式中： C ' 2为免耕的生物固碳（t C）; Δ Y ' i k表示免耕引起 k农作物产量变化（t）; k表示农作物的种类,包括小麦、玉米和稻谷; P i k为各省 k农作物的播种面积占比（%）; y i k表示各省 k农作物的单产（t）; β '表示免耕的相对产量,数据来源于张雄智等[34]对中国各省份免耕措施的产量测算; C k和 H k分别表示 k农作物的碳吸收率和经济系数,其参数来源于李克让[54]和田云等[55]的文献。
同理,秸秆还田的生物固碳 C ″ 2估算公式如下：
C ″ 2 = ∑ Δ Y ″ i k × C k / H k = ∑ P i k × S ″ i × y i k × β ″ × C k / H k
式中： C ″ 2为秸秆还田的生物固碳（t C）; Δ Y ″ i k表示秸秆还田引起的 k农作物的产量变化（t）; β ″表示秸秆还田的相对产量,数据来源于张雄智等[34]对中国各省份秸秆还田措施的产量测算。
在借鉴Pittelkow等[37]衡量保护性耕作对作物产量影响方法的基础上,考虑秸秆还田对免耕减产的减缓效应,构建保护性耕作生物固碳的公式：
C 2 = C ' 2 + C ″ 2 + λ ∑ P i k × S i × y i k × β ' × C k / H k
式中： λ表示减缓效应系数。

2.1.4 温室气体排放（碳排）

借鉴IPCC[1]计算温室气体碳排效应的方法,构建保护性耕作的碳排效应公式：
C 3 = C ' 3 + C ″ 3
式中： C ' 3为免耕的碳排效应（t C）; C ″ 3为秸秆还田的碳排效应（t C）。在对农田温室气体排放量进行处理时,将CO2、CH4和N2O统一折算为标准C,1 t CO2产生 0.272728 t C,由IPCC第四次评估报告可知,1 t CH4和1 t N2O所产生的温室效应分别相当于25 t CO2（6.8182 t C）和298 t CO2的温室效应（81.2727 t C）[1]。
免耕的碳排效应 C ' 3的估算公式为：
C ' 3 = ∑ S ' i × Δ G H G ' i
式中： Δ G H G ' i为免耕（相对于翻耕）的碳排效应（t C）。
秸秆还田的碳排效应 C ″ 3的估算公式为：
C ″ 3 = ∑ S ″ i × Δ G H G ″ i
式中： Δ G H G ″ i为秸秆还田（相对于秸秆不还田）的碳排效应（t C）。

2.2 参数说明

由于土壤、气候和耕作制度的地区性差异显著,因而保护性耕作的固碳排碳具有区域性特征。本文以学者采用Meta分析和综合系统分析田间试验结果的数据为基础进行保护性耕作碳汇和碳排参数的测算,在参数选择时,省级数据优先,区域数据次之,全国数据最后。结合实验数据试验点的情况与中国农田作物类型,本文将研究区域共划分为五大区域（表1）,表2为各区域保护性耕作技术测算的主要参数结果及其来源。
表1 中国农田区域划分及作物类型

Table 1 China's farmland division and crop types

区域 省（市、自治区） 主要作物类型
东北 黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古东北部 玉米、大豆、春小麦一熟
华北 北京、天津、河北、河南、山东、安徽北部、江苏北部 冬小麦与玉米、水稻等两熟
西北 山西、甘肃、陕西、宁夏、内蒙古非东北部、新疆、青海 冬小麦与玉米等一熟（两熟）
东南 上海、福建、江西、浙江、湖北、湖南、广东、广西、安徽中南部、江苏中南部、海南 冬小麦、油菜与水稻两熟（三熟）
西南 四川、云南、重庆、贵州 冬小麦、油菜与水稻两熟（三熟）
表2 不同区域保护性耕作碳汇碳排的主要参数及来源

Table 2 Parameters and sources of conservation tillage on carbon sinks and emissions in different regions

区域 土壤固碳 生物固碳 碳排
免耕/[t C/(hm2·a)] 秸秆还田/
[t C/(hm2·a)]		 反协同
效应系数		 免耕/[t C/(hm2·a)] 秸秆还田/[t C/(hm2·a)] 减缓效
应系数		 免耕/[t C/(hm2·a)] 秸秆还田/[t C/(hm2·a)]
东北 0.39 0.53 0.24 -0.0179 0.0486 0.0952 -0.1289 0.7725
华北 0.76 0.68 -0.0309 0.0184 0.6732
西北 0.91 0.41 0.0053 0.0726 -0.0709
东南 0.97 0.73 -0.0059 0.0481 0.8873
西南 0.88 0.63 -0.0045 0.0323 0.5698
数据
来源		 高旺盛[56] 据田康等[2]的研究结果计算 据张雄智等[34],李克让[54],田云等[55]的研究结果计算 据赵鑫[33]的研究结果计算 据胡立峰等[27]的研究结果计算 据张国等[57]的研究结果计算
原始文献数/篇 104 157 61 164 — 52
实验数据/对 158 303 1162 1006 — —
实验
类型		 田间长期位点 田间长期
位点		 大田长期位点 — 大田长期位点 大田长期位点
由表2可知,只有西北地区免耕的土壤固碳系数和生物固碳系数均为正,在东北、华北、东南和西南地区的土壤固碳系数为正,生物固碳系数为负,这与Sun等[20]基于全球260个位点1970对数据的研究发现“干旱地区的免耕可以实现土壤碳汇和提高作物产量的双赢结果,潮湿地区只能增加土壤有机碳,较冷地区往往会发生作物产量损失”的结果是相吻合的,Pittelkow等[37]也得出了相似的结论。免耕的碳排系数为负,这与Abdalla等[7]、Kessel等[25]的“免耕系统比传统耕作系统的温室气体排放量更少”的观点一致。秸秆还田的碳排系数只在西北地区为负,在其他地区均为正,这与Zhao等[58]研究发现的“中国干旱地区的秸秆还田减少温室气体排放”和Guo等[22]、Zhang等[59]研究所得的“中国中东部稻麦系统的秸秆还田增加温室气体排放”的结论是一致的。
免耕与秸秆还田联合措施的土壤固碳反协同系数为0.24,即从均值来看,秸秆还田可以提高免耕土壤固碳效果的33.89%,与赵鑫[33]基于Meta分析的中国免耕与秸秆还田联合措施对SOC效果所计算的结果基本相当,也与Li等[16]利用全球243项1928对数据研究发现的“秸秆管理可以提高耕作措施SOC储量的18.2%~50.0%”相吻合。秸秆还田对免耕生物固碳的减缓效应系数为0.0952,由于生物固碳与作物产量密切相关,因而,这与Pittelkow等[37]基于全球保护性耕作的研究结果“秸秆管理措施对免耕作物产量负面影响的减缓效应为4.8%~10.1%”相吻合。

2.3 数据来源

考虑到中国推广保护性耕作的时间以及数据的最大可得性,本文选择2000—2019年除中国澳门、香港和台湾之外的各省（市、自治区）作为研究单元,由于西藏数据缺失较多,故在分析时也将西藏予以剔除。免耕播种面积、秸秆还田面积和保护性耕作面积的数据来源于历年《中国农业机械工业年鉴》和《中国农业机械化年鉴》。保护性耕作面积缺失数据为2000—2007年和2018—2019年,分别以2008年和2017年为基期根据每年各省份秸秆粉碎还田机增长率与免耕播种机增长率两者的最小值作为保护性耕作面积增长率的代理变量进行估算。秸秆粉碎还田机和免耕播种机的数量也来自于历年的《中国农业机械工业年鉴》和《中国农业机械化年鉴》。小麦、玉米、稻谷的播种面积与产量来源于历年的《中国统计年鉴》,潜力预测中各省份的耕地面积来自于2020年的《中国农村统计年鉴》。

3 结果分析

3.1 保护性耕作净碳汇时序变化

3.1.1 全国净碳汇总量与结构变化

根据上文保护性耕作净碳汇的测算方法,测算2000—2019年中国保护性耕作的土壤固碳、生物固碳和碳排,并以此为基础计算净碳汇的变化情况,结果如表3所示。
表3 中国保护性耕作净碳汇的总量与结构

Table 3 Quantity and structure of conservation tillage on net carbon sinks in China

年份 土壤固碳 生物固碳 总碳汇
/万t C		 碳排
/万t C		 净碳汇 碳汇
/碳排
总量/万t C 占比/% 总量/万t C 占比/% 总量/万t C 增速/%
2000 1077.98 67.22 525.61 32.78 1603.58 808.58 795.00 — 1.98
2001 1107.33 67.12 542.49 32.88 1649.82 849.25 800.57 0.70 1.94
2002 1137.69 70.05 486.36 29.95 1624.05 783.75 840.30 4.96 2.07
2003 1163.99 70.59 484.94 29.41 1648.93 798.70 850.23 1.18 2.06
2004 1503.70 72.61 567.29 27.39 2070.99 1033.59 1037.40 22.01 2.00
2005 1589.64 73.29 579.45 26.71 2169.09 1101.04 1068.05 2.95 1.97
2006 1757.02 74.52 600.63 25.48 2357.66 1204.76 1152.90 7.94 1.96
2007 2024.04 80.37 494.28 19.63 2518.31 1215.08 1303.24 13.04 2.07
2008 2039.88 77.92 577.98 22.08 2617.87 1239.15 1378.72 5.79 2.11
2009 2276.07 79.50 587.01 20.50 2863.09 1400.87 1462.21 6.06 2.04
2010 2575.81 78.10 722.41 21.90 3298.22 1600.53 1697.69 16.10 2.06
2011 2852.57 76.61 870.82 23.39 3723.39 1775.19 1948.19 14.76 2.10
2012 3122.82 78.29 866.21 21.71 3989.03 1969.03 2020.00 3.69 2.03
2013 3202.95 74.98 1068.73 25.02 4271.68 2099.03 2172.65 7.56 2.04
2014 3609.11 72.67 1357.08 27.33 4966.19 2431.81 2534.38 16.65 2.04
2015 3854.83 72.33 1474.48 27.67 5329.31 2612.12 2717.19 7.21 2.04
2016 4031.24 72.20 1552.41 27.80 5583.65 2741.05 2842.60 4.62 2.04
2017 4236.25 71.18 1715.25 28.82 5951.51 2849.53 3101.97 9.12 2.09
2018 4339.29 70.71 1797.63 29.29 6136.92 2897.30 3239.63 4.44 2.12
2019 4472.77 69.65 1949.11 30.35 6421.88 3049.83 3372.05 4.09 2.11
由表3可知,2000—2019年中国保护性耕作的碳汇和碳排均呈现逐年上升趋势,碳汇/碳排的值在1.94~2.12之间波动,也就是说,中国保护性耕作的碳汇碳排均呈现持续增长态势,但每年的碳汇基本是碳排的2倍。从碳汇的内部构成来看,土壤固碳是保护性耕作技术固碳的主要路径,其固碳量占总碳汇的2/3以上,2000—2019年土壤固碳占比呈现倒“U”型的趋势,2000年占比为67.22%,升至2007年的80.37%,之后缓慢降至2019年的69.65%;生物固碳占比小于1/3,呈现“U”型的变化趋势。2007年成为生物固碳占比峰值的原因是：当年中央一号文件提出“改革农业耕作制度和种植方式,开展免耕栽培技术推广补贴试点”,免耕面积由2006年的6658.99 khm2增至2007年的9204.15 khm2,增加了38.22%,而免耕通常会带来作物的减产,进而导致2007年生物固碳比2006年生物固碳大幅减少。
2000—2019年中国保护性耕作净碳汇呈现逐年上升态势,由2000年的795.00万t C增加到了2019年的3372.05万t C,增长了3.24倍,但增速在不同年份间的差异较大,这是由国家对保护性耕作一系列推动政策导致的。经过10年的系统试验,2002年原农业部正式在北方旱作农业区推广保护性耕作,并启动“保护性耕作示范建设”项目,由此带来保护性耕作技术较大面积的推广及其净碳汇近5%的增长率。2004年中国保护性耕作净碳汇的增长率高达22.01%,其主要原因有以下两点：一是2003年原农业部颁布了《保护性耕作项目实施规范（试行）》和《保护性耕作项目实施要点（试行）》,为各地实施保护性耕作提供了具体的技术指导。二是2004年《农业机械化促进法》开始实施,农业机械化进入依法促进阶段,当年购机补贴政策启动,并将保护性耕作农机具纳入到农机购置补贴的范畴,推动了保护性耕作机具的普及,并降低了农户采用保护性耕作的成本,由此导致农户对该技术的响应度提高。2005年中央一号文件明确提出“改革传统耕作方法,发展保护性耕作”,之后2006—2012年的中央一号文件都提到“发展或推广保护性耕作技术”,保护性耕作迎来了更有利的政策环境,走上了快速发展轨道。2007年《关于大力发展保护性耕作的意见》的颁布和2009年《保护性耕作工程建设规划（2009—2015年）》的出台致使2007年、2010年和2011年的保护性耕作净碳汇增长率分别高达13.04%、16.10%和14.76%。2014年中国保护性耕作净碳汇的增速高达16.65%,一是因为原农业部和财政部在山东等11个省组织实施农机报废更新补贴试点,早期的保护性耕作农机具被更先进的机具替代,二是不少省份实施免耕、秸秆还田作业补贴,由此带来保护性耕作面积大幅增加。

3.1.2 不同区域净碳汇的时序变化

图2为中国不同区域保护性耕作净碳汇的变化趋势。从图2可以看出,第一,在2000—2019年间,华北、西北和东南地区保护性耕作净碳汇大幅增长,东北地区增长缓慢,西南地区变化不大。第二,2000年时各区域保护性耕作净碳汇整体偏少且差异较小,西北地区位居首位,经过20年的发展,目前保护性耕作净碳汇呈现华北、西北和东南“三足鼎立”的格局。第三,华北、西北、东南地区保护性净碳汇的快速增长期不同步,华北首先进入快速增长期,西北次之,东南最后。
图2 不同区域保护性耕作净碳汇的变化趋势

Fig. 2 Trend of conservation tillage on net carbon sinks in different regions of China

华北地区保护性耕作净碳汇一直保持增长趋势,2005年超过西北地区,之后稳居首位,2003—2015年是其快速增长期,2019年净碳汇接近1000万t C。西北地区在2000年时的保护性耕作净碳汇明显高于其他区域,2006—2014年是其快速增长期,2019年净碳汇900万t C左右,位居第三。“现代保护性耕作的中国化”起源于种植小麦与玉米的山西,在国家大面积推广保护性耕作之前,西北地区通过自主交流与技术传播,保护性耕作已得到较大面积推广,故其净碳汇量位居首位。2002年国家开始正式推广保护性耕作,华北地区与西北地区的粮食作物均以玉米、小麦为主,但前者为一年两熟制,后者为一年一熟制,由于熟制差异,导致华北地区的保护性耕作净碳汇比西北地区增长快。东南地区保护性耕作净碳汇在2000年排名第四,2000—2009年增长较慢,2010年开始快速增长,2019年升至第二位。东南地区保护性耕作净碳汇的快速增长期滞后于华北和西北地区,其原因是东南地区的作物类型中水稻占比高,而水稻保护性耕作技术及其农机具的发展水平落后于小麦和玉米,直到“十一五”期间水稻保护性耕作技术及其农机具才取得较为显著的进展[60]。东北地区保护性耕作净碳汇在2000—2012年间一直在200万t C以下波动,2013年开始超越200万t C,且呈现缓慢的增长趋势,是由于东北地区秸秆还田的面积远高于免耕面积,秸秆还田导致较多的温室气体排放,抵减了大部分碳汇。西南地区一直位居最后,保护性耕作净碳汇量小,但在2017年之后呈现微弱的增长趋势,其原因是该地区的粮食作物面积产量较少,且以丘陵山区为主,导致以机械化为载体的保护性耕作技术推广面积较少。

3.1.3 各省份净碳汇的Kernel密度估计

Kernel密度估计是一种采用连续密度曲线描述随机变量分布形态的非参数估计方法。设随机变量的密度函数为 f ( x ),对于随机变量 X有 n个独立同分布的观测值,分别为x1, x2, ⋯, xn, x -为其均值,则Kernel密度函数的估计量为：
f ( x ) = 1 n h ∑ i = 1 n K x i - x - h
式中： n为研究区域的个数（个）; h为带宽; K ( · )为随机核函数。本文采用Kernel密度估计从整体上描述全国各省份保护性耕作净碳汇在考察期内的演变。
由图3可知,从整体上来看,密度函数中心明显下移,波峰更为平缓,变化区间逐步扩大,表明保护性耕作净碳汇不断增多的省份在增加,省份间的差距在变大。具体来说,2000年的Kernel密度曲线在0附近有一个耸立的高峰,曲线向右延伸但范围较小,曲线末端有个微弱的小高峰,表明2000年大部分省份的保护性耕作净碳汇基本为0,大部分省份尚未进行保护性耕作的推广。2010年Kernel密度函数高峰中心比2000年明显下降,且有一个峰值在150万t C的微弱小波峰,曲线向右延伸范围明显变宽,说明与2000年相比,2010年保护性耕作净碳汇位于0附近的省份明显减少,净碳汇增加的省份明显增多,这与中国保护性耕作技术在全国推广的范围息息相关。2002年推广保护性耕作时的目标为10年内在“三北”地区示范推广保护性耕作面积1000万hm2,形成“环京津区”和“西北风沙源头区”两条保护性耕作带,并适度向黄淮海地区推进。2019年的峰值比2010年又明显下降,曲线更为平缓,范围向右大幅延伸至近450万t C,同时也向左稍微伸展,表明2019年各省份保护性耕作净碳汇分异明显,在0~150万t C稍多一点,最多的省份接近450万t C,但也有极个别省份的保护性净碳汇出现负值。其原因是,2010年之前保护性耕作的推广都定位于“示范工程”或“保护性耕作项目”,导致其无法全面推广,2010年中央一号文件明确提出“推广保护性耕作”,自此各省份充分发挥市场机制和政府引导优势,大力发展保护性耕作,但由于不同技术碳汇碳排在省份间有别以及不同省份保护性耕作推广面积的差异,导致其净碳汇分异较大。
图3 中国各省份净碳汇的Kernel密度估计

Fig. 3 Kernel density estimation of net carbon sinks in China

3.2 保护性耕作净碳汇空间格局演变

3.2.1 各省份净碳汇的空间分异特征

2020年中国农业总碳汇约为1.57亿t C[61],各省农业碳汇均值约为500万t C,结合各省份保护性耕作净碳汇的结果,将净碳汇位于-40万~50万t C的省份视为碳中和区（约占农业碳汇均值的-8%~10%）,位于50万~200万t C视为低碳汇区（约占农业碳汇均值的10%~40%）,200万t C以上视为高碳汇区（约占农业碳汇均值的40%以上）。运用ArcGIS 10.7软件对各省份保护性耕作净碳汇进行等级划分,绘制了2000年、2010年和2019年保护性耕作净碳汇的空间分布图（图4）。
图4 中国保护性耕作净碳汇空间分布

注：本图基于自然资源部标准地图服务系统下载的标准地图制作,底图无修改,下同。

Fig. 4 Spatial distribution of conservation tillage on net carbon sinks in China

由图4可以看出,2000年大部分省份的保护性耕作净碳汇处于碳中和状态,新疆、山西、陕西、河北、内蒙古和吉林六地区属于低碳汇地区,无高碳汇地区。新疆自20世纪80年代初开始引进免耕播种技术,90年代在北疆天山一带得到较大面积的推广, 2000年免耕面积近30 khm2,秸秆还田面积超过875 khm2。山西、陕西、内蒙古和河北成为低碳汇区的原因是,中国农业大学、山西省农机局和澳大利亚昆士兰大学从1992年开始合作在山西进行保护性耕作试验,逐步形成了以中小型农机具为实施手段的旱地农业保护性耕作体系,1999年保护性耕作在河北、内蒙古、陕西等地区试验示范。吉林的保护性耕作起步于20世纪八九十年代引进、推广秸秆还田技术,1998年开始推广具有吉林特色的保护性耕作技术。
2010年保护性耕作净碳汇的空间分布与2000年较为相似,值得注意的是山东和河南成为高碳汇区,安徽、江西由碳中和区升为低碳汇区,吉林则由低碳汇区变为碳中和区。山东和河南成为高碳汇区的原因有二：一是产粮大省和种植作物的优势。中国的保护性耕作起源于种植粮食作物的旱作农业,小麦、玉米的保护性耕作农机具比水稻更为先进,这两省均属于小麦—玉米一年两熟的种植区,因而保护性耕作的推广速度更快,作业水平更高。二是适宜机械化的地形优势。保护性耕作的作业手段是机械化,平原地形更有利于保护性耕作技术的推广,山东、河南省域内的地形平原占比分别为65.56%和55.70%。安徽和江西成为低碳汇区是由于相关项目的示范推广,安徽在“十一五”期间建立了“两深一精”机械化技术试验区,其核心示范区面积达4.11 khm2,其中保护性耕作是其核心技术之一[62]。江西2004—2009年在国家科技部研究专项“长江中下游江西省双季稻保护性耕作技术集成示范”的资助下,示范推广水稻的直播、免耕、秸秆还田技术,直接推广面积达2万hm2[63]。在保护性耕作全面推广的态势下,吉林“独树一帜”,其免耕和秸秆还田的面积分别从2000年的98.55 khm2、1655.46 khm2下降到2010年的75.00 khm2、332.50 khm2,故降为碳中和区。
对比2019年与2010年的保护性耕作净碳汇分布图可以发现：第一,高碳汇地区明显增加,且可以分为两类,一是地域辽阔的新疆和内蒙古,二是黄淮海地区平原占比较高的产粮大省,包括山东、河南、安徽、江西、湖北。免耕和秸秆还田技术实现依赖于农业机械,而农业机械的投资效应具有持续性和空间溢出性。依靠保护性耕作机械的投资效应,新疆、内蒙古、安徽和江西从低碳汇区升为高碳汇区,山东、河南依旧维持高碳汇区位。湖北与高碳汇区的河南、安徽、江西等相邻,2019年其境内跨区作业面积超过1000 khm2,说明其周边省份的保护性耕作机械通过跨区作业发挥了空间溢出效应。此外,湖北从2015年开始重点推广秸秆机械化还田,2016年对秸秆粉碎还田机、免耕机、大型联合收割机等敞开补贴,由此带动湖北免耕、秸秆还田面积比2010年分别增加了101.03 khm2、2209.16 khm2,使其从碳中和区升为高碳汇区。第二,吉林由碳中和区升为低碳汇区。这是由于该省实施以秸秆还田和免耕播种为核心内容的保护性耕作作业补贴,对秸秆还田覆盖免耕播种技术模式补贴450元/hm2,高留根茬还田免耕播种技术模式补贴300元/hm2,2010—2019年免耕面积增加了12.59倍,秸秆还田面积增加6.64倍。

3.2.2 空间分布特征演变的标准差椭圆分析

标准差椭圆方法（Standard Deviation Ellipse,SDE）是从全局、空间角度采用以中心、长轴、短轴、方位角为基本参数的空间椭圆来描述地理要素空间分布特征的一种方法[64]。保护性耕作净碳汇的标准差椭圆中心即重心及其变化轨迹描述的是其空间发展的方向;面积及其变化描述的是净碳汇的相对展布范围,可以判断净碳汇是处于集聚还是离散的发展趋势;长轴方向描述净碳汇的主要展布方向,方位角的变化反映净碳汇主方向的变化。SDE主要参数的计算公式如下：
X = ∑ i = 1 n ω i x i / ∑ i = 1 n ω i
Y = ∑ i = 1 n ω i y i / ∑ i = 1 n ω i
σ x = ∑ i = 1 n ( ω i x i * c o s θ - ω i y i * s i n θ ) 2 / ∑ i = 1 n ω i 2
σ y = ∑ i = 1 n ( ω i x i * s i n θ - ω i y i * c o s θ ) 2 / ∑ i = 1 n ω i 2
t a n θ = ∑ i = 1 n ω i 2 x i * 2 - ∑ i = 1 n ω i 2 y i * 2 + ∑ i = 1 n ω i 2 x i * 2 - ∑ i = 1 n ω i 2 y i * 2 2 - 4 ∑ i = 1 n ω i 2 x i * 2 y i * 2 / 2 ∑ i = 1 n ω i 2 x i * y i *
D α → β = k × ( x i α - x i β ) 2 + ( y i α - y i β ) 2
式中： X , Y为保护性耕作净碳汇的重心坐标; x i , y i为某省域的空间坐标; x i * , y i *为各省份与区域重心的相对坐标; ω i为权重,在本文中为各年份保护性耕作净碳汇集中度; σ x 、 σ y分别为沿 x轴、 y轴的标准差; θ为椭圆方位角,表示正北方向顺时针旋转到椭圆长轴所形成的夹角（°）; D α → β表示保护性耕作净碳汇重心从第 α年到第 β年移动的距离（km）; x i α , y i α、 x i β , y i β分别表示重心随时间变化而移动的地理坐标; k取值111.111 km,表示由地球表面坐标（度）转化为平面距离（km）的系数。
本文采用大部分研究中默认的一个标准差椭圆（即覆盖68%的净碳汇量）进行空间统计[64],反映中国保护性耕作净碳汇的核心区域,基于ArcGIS 10.7平台进行保护性耕作净碳汇的标准差椭圆空间统计,表4显示的是椭圆参数,图5是空间统计标准差椭圆。由表4和图5可以看出,2000—2019年中国保护性耕作净碳汇空间分布重心有明显的由北向南移动趋势,略有向东移动趋势。净碳汇重心向南移动292.99 km,向东移动18.28 km,总体移动293.59 km。椭圆面积呈现先减少后增加的趋势,整体减少了 23.38万km2,长半轴和短半轴均呈现先下降后上升的“U”型变化趋势,表明中国保护性耕作净碳汇效应呈现扩张—集聚—扩张的发展态势。尽管椭圆面积和形状在不断发生变化,但华北平原、黄土高原和内蒙古的中西部一直处于椭圆的内部区域,其保护性耕作净碳汇增长总体快于其他区域。空间密度呈持续增长态势,由2000年的2.23 t C/km2增长到了2019年的10.12 t C/km2。标准差椭圆的形状指数在0.56~0.60之间波动,由2000年的0.57增加到了2019年的0.60,稍有圆形化的趋势。标准差椭圆的方位角持续增大,说明长轴方向不断沿着顺时针方向旋转,这是由黄淮海区域保护性耕作净碳汇增长较快带来的。
表4 中国保护性耕作净碳汇的标准差椭圆参数

Table 4 Standard deviation ellipse parameters of conservation tillage on net carbon sink in China

年份 重心经度/(°) 重心纬度/(°) 长半轴
/km		 短半轴
/km		 椭圆面积
/万km2		 旋转角/(°) 密度
/(t C/km2)		 形状指数
(短轴/长轴)
2000 110.85 38.64 1413.53 803.13 356.62 97.90 2.23 0.57
2005 111.90 37.66 1285.75 767.90 310.15 102.39 3.44 0.60
2010 111.11 36.79 1250.00 705.76 277.13 110.59 6.13 0.56
2015 111.33 36.49 1275.99 739.05 296.24 111.68 9.17 0.58
2019 111.06 36.00 1329.63 797.83 333.24 112.17 10.12 0.60
图5 中国保护性耕作净碳汇分布的标准差椭圆及其重心

Fig. 5 Standard deviation ellipse and its center of gravity of conservation tillage on net carbon sink in China

3.3 中国保护性耕作净碳汇潜力预测

3.3.1 预测情景假设

根据2020年3月农业农村部、财政部联合发布的《东北黑土地保护性耕作行动计划（2020—2025年》部署和2021年政府在“中国国民经济和社会发展十四五规划”中关于东北地区黑土地保护性耕作规划,到2025年年底,东北地区保护性耕作实施面积将达到1.4亿亩,占东北地区适宜区域耕地总面积的70%左右。结合之前发布的《保护性耕作工程建设规划（2009—2015年）》中的规划区域与2021年农业农村部对“赵剡水关于统筹兼顾做好保护性耕作模式推广应用建议”的答复,本文设置两种情境对保护性耕作的固碳潜力进行预测。不同情境下保护性耕作发展情况见表5,其中,情景I为东北地区基本实现保护性耕作,情景II为中国北方及苏北、皖北基本实现保护性耕作,其实,这两种情景下的净碳汇分别是保护性耕作净碳汇效应的下限和上限。
表5 不同情境下中国保护性耕作的发展

Table 5 Development of conservation tillage in different situations in China

情景设置 情景I 情景II
时间段/年 2020—2025 2016—2030 2020—2025 2016—2030
东北地区 至期末达到70% 保持70% 至期末达到70% 保持70%
北方其他地区及苏北皖北 自然增长 自然增长 自然增长 至期末达到70%
南方其他地区 自然增长 自然增长 自然增长 自然增长

3.3.2 预测理论假设与原则

根据文献对保护性耕作长期效应的研究,对其净碳汇潜力预测做如下理论假设：（1）在预测期内,免耕和秸秆还田的固碳排碳效果不存在时间效应。尽管有研究表明保护性耕作实施的时间长短对其土壤固碳和生物固碳效果有影响,但差异基本都体现在十年以后[17,65],考虑现在中国保护性耕作推广的现实,暂不考虑时间效应。（2）在预测期内,土壤固碳效果具有可持续性[66]。（3）保护性耕作通过温室气体排放带来的碳排效应具有稳定性。研究表明,在保护性耕作实施不同年份的CO2、CH4和N2O排放量不尽相同,但从造成的温室效应来看,其碳排相对稳定[7,22]。
考虑到保护性耕作的碳汇减排受到种植制度、土壤特性、作物类型等的影响,预测过程基于以下三个原则：（1）各地的种植制度、作物类型、作物产量不会出现较大波动;（2）保护性耕作实施的范围包括小麦、玉米和稻谷三种粮食作物;（3）规划期末要实现的目标在规划期内平均实现。以2019年保护性耕作数据为基础,自然增长按照2017—2019年的三年平均增长速度发展,预测2030年碳达峰前保护性耕作碳汇贡献的变化情况。

3.3.3 潜力预测结果

根据前文预设的保护性耕作发展情景,对中国保护性耕作2020—2030年的碳汇、碳排及净碳汇进行预测,结果见表6。
表6 中国保护性耕作净碳汇潜力预测

Table 6 Prediction of conservation tillage on net carbon sink potential in China (万t C)

年份 情景I 情景II
碳汇 碳排 净碳汇 碳汇 碳排 净碳汇
2020 6291.39 2860.98 3430.41 6291.39 2860.98 3430.41
2021 7038.15 3193.48 3844.67 7038.15 3193.48 3844.67
2022 7732.43 3511.81 4220.61 7732.43 3511.81 4220.61
2023 8289.48 3793.14 4496.34 8289.48 3793.14 4496.34
2024 8846.54 4074.46 4772.08 8846.54 4074.46 4772.08
2025 9403.88 4355.71 5048.17 9403.88 4355.71 5048.17
2026 9666.47 4470.29 5196.18 9684.06 4384.31 5399.75
2027 9930.67 4584.93 5345.74 10295.29 4407.78 5887.51
2028 10194.83 4699.57 5495.27 10959.90 4453.34 6506.56
2029 10459.02 4814.20 5644.81 11721.33 4508.53 7212.80
2030 10723.22 4928.84 5794.38 12521.36 4558.43 7962.93
在情景I即东北地区基本实现保护性耕作情景下,中国保护性耕作的固碳潜力和排碳潜力将在2020—2025年呈现较快的增长阶段,2026—2030年增长较慢,2030年中国保护性耕作净碳汇潜力将达到5794.38万t C,是2019年净碳汇的1.72倍。在情景II即北方及皖北苏北基本实现保护性耕作情境下,2020—2030年中国保护性耕作的固碳潜力一直处于稳步增长状况,而碳排潜力将在2026年之后保持基本稳定,因而净碳汇潜力在整个预测期的前半段处于缓慢增长态势,而在后半段则呈现出快速增长的态势,至2030年净碳汇达7962.93万t C,是2019年的2.36倍。比较两种情境下的预测结果可知：由于情景I中2026—2030年中国保护性耕作推广面积比情景II小,故其碳汇较少,但情景I中的碳排却比情景II中的碳排多,其原因是秸秆还田在西北地区具有减排效应,而在其他地区则表现为增加碳排。

4 结论与启示

本文在考虑免耕和秸秆还田交互效应的基础上,构建了保护性耕作固碳排碳的测度体系,基于文献Meta分析结果和综合系统分析数据,利用2000—2019年中国各省份相关数据,对中国保护性耕作的净碳汇进行了测算,并结合两种保护性耕作推广情景预测了其净碳汇的潜力,得出以下研究结论：
第一,2000—2019年中国保护性耕作的碳汇和碳排均呈现逐年递增趋势,但每年碳汇基本是碳排的2倍,土壤固碳占保护性耕作碳汇的2/3以上,生物固碳占比小于1/3。第二,2000—2019年中国保护性耕作净碳汇呈现逐年递增趋势,由2000年的795.00万t C增加到了2019年的3372.05万t C,增加了3.24倍,华北、西北和东南地区保护性耕作净碳汇增幅较大,不同省份间的差异在扩大;在空间上表现为扩张—集聚—扩张态势,其重心由北向南移动,碳密度持续增加,华北平原、黄土高原和内蒙古的中西部一直处于保护性耕作净碳汇标准差椭圆的核心区域。第三,中国保护性耕作净碳汇呈现明显的空间非均衡性特征,2019年保护性耕作净碳汇呈现华北、西北和东南地区“三足鼎立”之格局;河南、山东、内蒙古、新疆、安徽、湖北和江西7个地区属于高碳汇区,河北、吉林、陕西和山西属于低碳汇区,其他地区属于碳中和区。第四,根据中国北方及皖北苏北基本实现保护性耕作和东北地区基本实现保护性耕作两种情境下的预测,2020— 2030年中国保护性耕作净碳汇呈逐年增长趋势,至2030年保护性耕作的净碳汇潜力峰值将处于5794.38万t C和7962.93万t C之间。
基于以上结论,本文得出以下政策启示：第一,保护性耕作具有较大的净碳汇效应,免耕和秸秆还田联合措施是一种兼有经济效益和生态效益的农田管理措施,具有更大的碳汇功能,且当两者同时采用时,免耕的负面影响会最小化。第二,在西北地区实施保护性耕作具有“固碳”和“减排”的双重作用,应尽快出台西北旱区实施保护性耕作的全面推广政策;再以循序渐进为原则,在北方其他地区及皖北苏北全面推广保护性耕作;在推广中,以国家投入为引导,广泛吸收社会多元化投入,开展保护性耕作的市场化、社会化服务,逐步建立保护性耕作发展的长效机制。第三,保护性耕作及其净碳汇具有区域性特点,而农业机械是其技术载体,各区域保护性耕作技术支撑和机具保障参差不齐,因而需通过农机农艺等多技术协作提升保护性耕作技术“低洼区”的农机具保障,并通过农机购置补贴、作业补贴等方式提高农户对保护性耕作的响应度。
本文研究过程中存在一些不足,从测算系数来看,保护性耕作的固碳和排碳系数受种植作物、SOC初始储量、气候条件等多种因素的影响,所采用的测算参数主要来自于文献基于Meta分析结果和综合系统分析数据,是保护性耕作在一定范围内一定时期的平均效果,再加上数据的限制,文中有部分系数采用区域平均系数表征区域内各省份具体系数的情况,因此,本文对中国保护性耕作碳汇碳排的测算只是估算结果,而非精准的计算结果。另外,尽管免耕和秸秆还田是通过机械化实现的,机械化秸秆还田过程中化石燃料使用造成了碳排放,而免耕则由于减少了在播种之前土地耕作的作业环节,因而减少了机械化翻耕或旋耕土地过程中燃油消耗造成的碳排放。本文假定机械化秸秆还田的燃油碳排放和免耕减少的燃油碳排放相互抵消,这也可能对结果的准确性产生一定影响。未来对保护性耕作净碳汇效应的研究可以尝试作物生产模型,对不同区域下作物碳汇碳排系数进行模拟,从而更准确地描述保护性耕作净碳汇的变化情况。

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