农田生态系统碳足迹时空变化——以河南省为例

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,起着碳源和碳汇的双重作用,对维持整个生态系统碳平衡具有重要意义.本文基于ArcGIS 10.1、SPSS 20.0、Sigmaplot 12.5等分析平台,以农田生态系统为研究对象,构建农田生态系统碳足迹模型,分析2005—2014年河南省农田生态系统碳排放、碳吸收和碳足迹及三者之间的关系.结果表明: 2005—2014年,研究区碳排放年平均增长率为2.7%,其中因化肥施用引起的碳排放量占总碳排放量的比例最高,占66.2%,且化肥的使用强度为890.38 kg·hm^-2,远高于发达国家公认的安全警戒线225 kg·hm^-2.河南省农田生态系统的碳总储量整体呈逐年上升趋势,其中,小麦的碳吸收比例最高,占总吸收量的60%,水稻的碳吸收增速最快,为7.9%.河南省农田生态系统存在碳生态盈余,且农田生态系统碳足迹总体呈现不断增加趋势,农田生态系统碳足迹占同期生产性土地面积(耕地)的平均比例为5.7%.研究区碳排放、碳吸收、碳足迹的空间变化较为一致,均呈现东南多、西北少的空间分布规律,且地区差异及变化幅度差异较大是三者的最主要外部特征.     

湖南省双季稻生产系统碳效率

提高农作物生产系统的碳效率是实现低碳农业的重要途径之一.本文采用2004—2012年农作物产量、农田作物生产系统农资投入等统计数据,利用生命周期法和投入产出法,对湖南省双季稻生产系统碳排放、碳吸收和碳效率特征及其动态进行估算.结果表明:湖南省2004—2012年双季稻生产系统年均碳排放总量为656.4×107kg CE,其中化肥和农药生产运输碳排放占农资投入碳排放总量的大部分,分别约占70.0%和15.9%,碳排放总量年际间持续降低,年均降低率为2.4%,碳排放强度则表现为增长趋势;湖南双季稻生产系统2004—2012年年均碳吸收总量为1547.0×107kg C,也呈现逐年降低的趋势,年降低率为1.2%,单位面积稻田碳吸收强度则表现为增长趋势;碳生产效率呈现缓慢增加的趋势,碳经济效率随着年份递进增加幅度较大,年均增长率为9.9%,碳生态效率则表现为稳定且较低,保持在2.4kg C·kg-1CE左右.表明湖南近几年双季稻生产系统碳综合效率提高缓慢,降低肥料和农药的投入量,提高利用效率是提高双季稻生产系统碳效率的关键.     

银川市城市生态经济系统的碳吸收与碳排放

基于生态经济学、统计学和地理学理论,借助物质流分析法(MFA)和指数平滑法(ES),并以碳汇与碳排放计算结果等为分析数据,对2006—2012年银川市生态经济系统中的碳流动进行了分析。结果表明:(1)银川市碳吸收总量为波动增长,碳排放总量保持高速增长。经济系统的碳排放量要远高于生态系统的碳吸收量,生态经济系统碳滞留量过度膨胀。(2)农田和湿地是银川市生态系统的主要碳吸收库。玉米、水稻和小麦的固碳比重较大,人工湿地、湖泊与沼泽的碳储存较多。碳汇空间受非绿色用地挤压,碳吸收量增长缓慢。能源、交通和建筑是银川市三大碳排放源。能源碳排放主要集中在原煤、原油和天然气消耗上,公路货运和施工建筑碳排放增长迅猛。(3)未来5年,银川市碳吸收预估量每年保持3.96%的增长率;碳排放预估量年均增长1140.92×104t,预估增速有所下降,碳排放量将会处于高基准、低增长阶段。银川市经济增长的生态成本较高,经济发展对生态环境的依赖较大,发展方式没有实现低碳转型。     

闽三角城市群生态系统格局演变及其驱动机制

生态安全是城市群社会经济可持续发展的根本保障之一,然而目前城市群生态安全受到巨大的威胁。本文选取2000、2005、2010和2015年Landsat TM/ETM+OLI影像,提取闽三角城市群土地覆盖/生态系统类型数据并结合社会经济要素,从生态系统的面积变动、类型转移和空间格局三方面探讨其空间格局的演变特征与驱动机制。结果表明:2000—2015年,城镇生态系统面积呈正增长态势,森林和农田生态系统呈负增长态势,灌丛、湿地、草地和其他生态系统基本保持稳定,各生态系统面积占比顺序为森林农田城镇灌丛湿地草地其他生态系统;2000—2005年,各生态系统类型之间相互转移强度小;2005—2010年,生态系统相互转移强度大,城镇生态系统的转入量最大,其他生态系统转出量最大;2010—2015年,生态系统相互转移强度也较大,其他生态系统的转出量最大,森林生态系统的转入量最大;2000—2015年,森林生态系统不均匀分布于各区域,农田和城镇生态系统主要分布于中部和东部地区,湿地生态系统的分布与水系基本保持一致,草地、灌丛和其他生态系统分布相对零散,且其景观格局特征基本保持稳定,在斑块数量、斑块密度以及集聚化特征等方面均变化不大,但不同生态系统之间存在显著差异。2000—2015年,闽三角城市群生态系统的空间格局基本保持稳定,而不同生态系统呈现非均衡变化,不同时期各生态系统的转移强度有显著差异。经济与产业发展、城镇化和城市格局变化等对生态系统尤其是森林、农田和城镇生态系统的格局演变具有显著的驱动作用。     

基于碳足迹的江西生态补偿标准时空格局

碳足迹是一种测度碳排放影响的新方法,可利用区域碳足迹和碳承载力的差值来确定区域生态补偿标准.通过构建碳足迹、碳承载力与生态补偿标准模型,研究江西省及11地市生态补偿标准的时空变化.结果表明: 2000—2013年,江西省碳足迹呈现快速增长趋势,年均增长率为8.7%,碳承载力呈波动变化趋势,各年份均有碳盈余,但净碳盈余呈波动下降趋势.南昌和九江对江西省总碳排放贡献率较大,赣州、吉安和上饶对碳吸收贡献较大.2013年,江西碳盈余生态补偿额为22.73亿元,赣州、吉安、抚州和上饶可优先获得较高的生态补偿额度.研究结果可为江西省生态补偿机制建立以及CO₂排放权的有偿转让等提供一定的科学依据.     

黄土高原地区生态系统碳储量空间分布及其影响因素

准确估算生态系统碳储量,探明其空间分布及其影响因素对区域生态管理具有重要意义,但黄土高原地区碳储量现状、空间格局及其驱动因素尚不清楚。选择黄土高原地区森林（包括乔木林和灌木林）,草地和农田生态系统为对象,基于大量实测样点通过克里金插值和地统计方法,评估了三种生态系统地上生物量碳密度、地下生物量碳密度和0-100 cm土壤有机碳密度空间分布,并通过路径分析探讨了各碳库的主要影响因素。结果表明：黄土高原地区约占全国总面积的6.7%,其生态系统总碳储量约为2.29 Pg,仅占我国生态系统碳储量的2.3%。生态系统各碳库中,地上生物量碳储量、地下生物量碳储量、土壤有机碳储量分别为0.44、0.32和1.52 Pg;森林、草地、农田（仅指土壤）生态系统碳储量分别为0.98、1.09和0.21 Pg。气候（年均温度、年均降水）、海拔、坡度、土壤质地（砂粒、粉粒、粘粒含量）、植被覆盖状况（用NDVI表示）等因子可解释地上生物量碳密度、地下生物量碳密度、农田土壤有机碳密度空间变异的12%、8%和32%,其中,年均降水、海拔、粘粒含量是黄土高原地区生态系统碳储量空间格局的主要影响因素。本研究表明,由于黄土高原地区独特的气候、地形和土壤条件,其生态系统虽然具有较大的碳储量,但是低于我国生态系统碳储量的平均水平。     

2001—2009年中国碳排放与碳足迹时空格局

碳排放引发的全球变暖给自然环境及人类社会都带来了显著影响,而碳足迹可以衡量自然生态系统对人类活动碳排放的响应。为研究自然-社会二元系统碳动态,基于MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)数据和统计资料计算2001—2009年中国陆地植被净初级生产力、能源消费碳排放、碳足迹和碳赤字;在GIS(Geographic Information System)技术支持下,运用空间自相关分析方法讨论其时空格局;据此划分生态经济区。结果表明:(1)2001—2009年全国植被净初级生产力(Net Primary Production,NPP)平均值为3.32 Pg C/a(1 Pg=1015g),呈西南地区东南沿海华中、华东地区东北、华北地区西北地区的空间格局;(2)2001—2009年全国能源消费碳排放逐年增加,年均增长率16.7%,多年平均值2.53 Pg C/a,呈东部中部西部的空间格局;(3)2001—2009年全国碳足迹逐年增加,年均增长率14.7%,多年平均值6.98×106km2;具有正碳赤字(即碳源)的省份为山西、环渤海地区各省、长三角地区各省、广东;相邻省份碳赤字的相对大小由于互相影响而改变;(4)全国分为中东部、南部、北部、西部四个生态经济大区。研究结果直观揭示了中国碳排放和碳足迹的时空动态,为实现自然-社会二元系统的可持续发展提供科学依据。     

粤港澳大湾区生态系统格局变化与模拟

快速城市化是导致粤港澳大湾区生态系统时空格局变化的主要驱动力之一,模拟生态系统变化趋势对于优化区域土地利用格局、防控城市化的生态风险具有重要意义。以2000、2005、2010、2015、2018年5期土地利用数据,分析该区域生态系统格局演变,并运用CA-Markov模型模拟2025年的生态系统格局。研究结果表明:(1)2018年大湾区的森林、农田和城镇为主要生态系统类型,分别占区域总面积的53.99%、22.67%和14.51%。(2)2000—2018年农田、森林、湿地面积分别下降了1983、740、278 km~2,城镇和草地面积分别上升了2896、103 km~2,城镇面积增长的主要途径是对周围农田、林地和湿地的侵占,草地面积增长是因为管理经营不善导致部分林地退化为草地。(3)大湾区的景观多样性和均匀度下降,景观正在向小斑块趋势发展,空间连通性下降,破碎度增加。(4)模拟2025年的生态系统格局发现,与2018年相比,城镇面积增长了609 km~2,农田和森林分别减少了309 km~2和316 km~2。基于大湾区生态系统格局变化与模拟发现,快速城市化区域中,落实耕地保护红线和生态保护红线制度、保护重要生态空间完整性,对于降低城市化的生态风险具有重要作用。     

国家重点生态功能区2010-2015年生态系统服务价值变化评估

国家重点生态功能区是国家重要的生态安全屏障，其生态保护价值对维护国家生态安全具有重要意义。基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法，采用模型运算和地理信息空间分析，定量分析了25个国家重点生态功能区在实施转移支付后（2010-2015年）生态系统服务价值的时空分布格局及其变化特征。研究结果表明：（1）2015年，全国重点生态功能区生态系统服务价值呈现明显的"西北低，东南高"的分布格局。从25个重点生态功能区来看，中高值区的面积占比31.60%，个数占比60%。4类自然生态功能区的生态系统服务价值大小排序为水土保持型功能区 > 生物多样性维护型功能区 > 水源涵养型功能区 > 防风固沙型功能区。（2）2010-2015年，全国重点生态功能区的生态系统服务价值整体呈明显增加趋势，增幅为16.46%。从空间分布来看，80.14%面积的生态系统服务价值基本持衡；从分级变化特征来看，高值区、较高值区的面积增加，中值区面积减少，较低值区面积增加，低值区面积减少。（3）近5年来，25个重点生态功能区的生态系统服务价值呈增加的有21个，占比84%，而生态系统服务价值出现减少区域的变化幅度均小于1%；4类自然生态功能区生态系统服务价值均呈增加趋势，其变化幅度从高到低依次为水土保持生态功能区（1.44%） > 水源涵养生态功能区（0.22%） > 防风固沙生态功能区（0.21%） > 生物多样性生态功能区（0.08%）。生态系统服务价值整体呈上升趋势，反映出生态保护与工程建设成效明显。本文研究成果可为分类分区开展生态系统保护、改善及其效果的定量综合评估提供科学依据，为重点生态功能区管理和国家生态安全格局的构建提供有效参考依据。     

生态-经济发展情景下内蒙古宏观生态系统模拟与分析

内蒙古自治区是我国北方面积最大、种类最全的生态功能区，是我国北方的重要生态屏障，其宏观生态系统状况不仅关系民众生存和生计，而且关系华北、东北、西北乃至全国的生态安全。构建了1990、2000及2015年3期宏观生态系统格局与影响因子数据集；融合区域生态系统发展规划，设置了基准、生态-经济协同发展和生态-经济权衡发展三种情景；应用土地利用均衡分析模型，模拟了3种情景下2025年及2035年内蒙古六大类生态系统结构与空间格局变化。结果表明：在延续历史发展趋势的基准情景和注重经济发展的生态-经济权衡发展情景下，草地和农田生态系统在2035年均无法恢复至2000年的水平，宏观生态系统结构难以达到规划目标；在注重生态保育的生态-经济协同发展情景下，草地、森林与湿地生态系统面积增长较大，符合内蒙古构建中国北方生态屏障的战略定位。从空间上看，农田生态系统面积的减少主要集中在农牧交错带地区，该区域的退耕还草构成了草地生态系统增加的主要来源；草地生态系统面积扩张还分布在近十年来发生草地退化的区域，这与近年来通过实施"京津风沙源治理"、"草原奖补政策"等生态工程建设后内蒙古自治区原有退化的草地生态系统在逐渐恢复的趋势相吻合；森林生态系统面积增加主要集中分布在大兴安岭等几个植被恢复地；城市生态系统主要以原有城镇居民点为中心，在其周边区域呈扩散式增长，特别是在采矿场、工业用地、交通沿线附近城镇面积增加较为显著；荒漠生态系统的缩减主要发生在与其它生态系统的交界处，这与开发利用的便利性、原有生态系统的可开发潜力等密切相关。研究表明，生态-经济发展情景下的宏观生态系统的空间显性模拟是区域国土空间规划和可持续发展的重要科学依据。     

农地利用碳强度及可持续性动态变化——以山东省平度市为例

以中国东部山东省平度市为案例区,通过识别重要的农地利用碳排放源和构建碳排放测算体系,包括农用化学物质投入间接碳排放、耗能碳排放、氮肥施用后导致的土壤直接N_2O释放、秸秆燃烧碳排放和牲畜养殖CH_4和N_2O排放,测算了1995—2013年农地利用的碳排放量;结合农产品产值分析了农地利用碳强度变化特征,结合农作物碳吸收分析了农地利用的碳可持续指数的变化规律。研究得出:(1)1995—2013年平度年均碳排放量的次序是:农资投入22.50万t牲畜养殖17.41万t秸秆燃烧6.62万t,其中秸秆燃烧碳排放呈逐年增加态势,而农资投入和畜牧养殖均呈逐年减少趋势。(2)平度农地利用碳强度变化结果表明,农产品产值增加速度超过农地利用碳排放速度,单位产值碳排放已从1995年的1.24 t/元降至2013年的0.35 t/元。(3)碳可持续性指数变化特征表明,平度农地利用过程中碳吸收大于碳排放,且碳可持续性指数以年均7.12%速率增长,故平度农作物生产期的碳吸收能够完全消纳农地利用过程中所产生碳排放。该研究不仅为中小尺度以及我国东部区域的农地利用碳排放及可持续发展提供科学依据,而且有益于推进我国农业的碳减排,并为国际全球环境变化人文因素计划中LUCC、碳循环等重大问题的研究提供基本素材。     

基于土地利用变化的四川省碳排放与碳足迹效应及时空格局

土地利用变化的碳排放与碳足迹研究对了解人类活动对生态环境的扰动程度及其机理、制定有效的碳排放政策具有重要意义。采用1990—2010年四川省能源消费数据和土地利用数据,通过构建碳排放模型、碳足迹及其压力指数模型,对研究区20年来土地利用的碳排放及碳足迹进行了定量分析。结果表明:(1)土地利用变化的碳排放和能源消费碳的足迹呈显著增加趋势。碳排放增加5407.839×10~4t,增长率达143%;能源消费的碳足迹增加1566.622×10~4hm~2,四川全省的生态赤字达1563.598×10~4hm~2。(2)建设用地和林地分别为四川省最大的碳源与碳汇。20年间建设用地的碳排放增加5407.072×10~4t,增长率达126.27%,占碳排放总量的88%以上;林地的碳汇减少10.351×10~4t,但仍占四川省碳汇的96%以上。(3)土地利用碳排放、碳足迹和生态赤字存在明显区域差异。成都平原区碳排放、碳足迹压力最大,生态赤字严重,西部高山高原区和盆周山区碳排放、碳足迹最小,未出现生态赤字;成都、德阳、资阳和内江等地的碳排放、碳足迹压力最大,生态赤字最严重,甘孜、阿坝等地的碳排放、碳足迹最小,未出现生态赤字。(4)土地利用结构与碳排放、碳足迹存在一定的相互关系,趋高的碳源、碳汇比导致土地利用的碳源效应远大于碳汇效应。因此,四川省减排的重点应该在保持或增加现有的林地的同时,主要以降低建设用地的碳排放、碳足迹为主。     

典型亚热带森林生态系统碳密度及储量空间变异特征

以浙江省森林生态系统为研究对象,基于GIS网格布点,采集了838个森林样地样本(土壤、枯落物等),结合浙江省森林资源监测中心相关数据,利用地统计学和Moran's I相结合的方法系统研究了浙江省森林生态系统碳密度及碳储量空间变异特征。结果表明:浙江省森林生态系统平均碳密度为145.22 t/hm~2,其中森林植被、土壤、枯落物和枯死木层碳密度分别为27.34、108.89、1.79、1.38 t/hm~2。克里格空间插值和局部Moran's I指数结果表明碳密度空间分布规律呈现从西南向东北方向逐渐递减的趋势,与浙江省地形、地势较为一致,受海拔、树龄、森林类型、台风气候等自然因素和人类活动共同影响。浙江省森林生态系统碳储量为877.19 Tg C,森林植被、土壤、枯落物和枯死木层碳储量分别为203.88、656.20、10.84、6.27 Tg C,分别占总碳储量的23%、75%、1.3%、0.7%。在浙江省森林生态系统碳储量空间分布格局中,土壤层是森林生态系统中最大的碳库,约是森林植被层的3.22倍,是整个浙江省森林生态系统碳储量最主要的贡献者。浙江省森林资源丰富,大多数森林仍处于中幼龄林阶段,碳密度水平较低,但是中幼龄林生长速度较快,加强对全省中幼龄林的健康管理,是未来整体提升浙江省森林生态系统固碳潜力的关键。     

农田生态系统碳汇研究进展

农田生态系统碳汇包括农作物生物量碳汇和农田土壤碳汇两个方面，中国农田生态系统面积大，碳储量高，是全球生态系统碳循环的重要组成部分。厘清中国农作物生物量和土壤有机碳含量、变化率和影响因素对于解析全球碳循环和维系粮食安全具有重要意义。梳理农田生态系统碳汇相关概念的基础上，比较农田生态系统碳汇研究方法的适用性及存在问题，通过以往研究和SoilGrids250数据研究中国农田生态系统碳库时空分布，并分析农田生态系统碳汇的影响因素及固碳方法。结果表明，中国近30年来农作物生物量呈现增加趋势，农田土壤有机碳含量普遍较低且空间分布不均，0-5cm土壤有机碳含量平均值在16.7 g/kg到86.5 g/kg之间，增加农田土壤有机碳含量是未来中国农田生态系统碳汇的重要方向。肥料和有机残留管理、保护性耕作、种植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有机碳汇的主要措施，但农田生态系统碳汇潜力估算仍存在不确定性。最后，从农田生态系统碳汇潜力估算、影响因素厘定和增汇技术研发3个方面提出未来研究方向。研究结果有助于推动农田生态系统碳汇科学研究和技术推广，为实现农田生态系统助力"碳中和"寻求重要路径。     

葡萄园生态系统碳源/汇及碳减排策略研究进展

葡萄园生态系统是农业生态系统的重要组成部分, 集中连片栽培的葡萄园具有重要的生态价值。开展葡萄园生态系统碳源/汇的研究, 是完整探讨葡萄园生态系统碳循环必不可少的内容。随着葡萄生态学研究的进一步深入, 如何直观地揭示葡萄园生态系统碳循环规律和碳汇功能已经成为葡萄生态学领域关注的热点问题。研究发现, 葡萄园生态系统固定大量碳, 将碳封存在葡萄果实等一年生器官、主干等多年生器官以及土壤碳库中。葡萄园生态系统碳输入量大于碳输出量, 是碳汇; 土壤是葡萄园生态系统最大的碳库, 占总碳储量的70%, 尤其是土藤界面; 覆盖和免耕作为葡萄园的碳减排策略, 可以减少碳排放, 提高葡萄园土壤肥力。基于此, 为了阐明葡萄园生态系统的碳汇价值, 该文围绕葡萄生态学最新研究进展, 系统回顾了葡萄园生态系统中碳循环规律、碳汇研究进展及碳减排策略, 为葡萄生态学的研究提供理论基础, 并对本领域未来的研究方向和应用前景进行展望。     

减氮施肥对春玉米-晚稻生产系统碳足迹的影响

随着对气候变化和粮食安全的的日益认识,低碳农业引起了人们的广泛关注.低碳农业的研究需要综合考虑作物产量和温室气体排放,改进氮肥管理可能有助于减缓作物生产系统的温室气体排放,同时实现对作物稳产甚至高产的需求.本试验利用生命周期法研究了不同施氮量(150、225、300 kg N·hm^-2)对春玉米-晚稻轮作系统碳足迹的影响.结果表明: 随着氮肥用量增加,两季作物生产过程中温室气体和碳足迹增加.在春玉米生产过程中,氮肥生产和施用引起的温室气体排放对碳足迹贡献最大,占36.2%～50.2%;而在晚稻生产中,甲烷的排放贡献最大,占42.8%～48.0%,并且随氮肥用量增加甲烷排放增加.当氮肥施用量减少25%(225 kg N·hm^-2)和50%(150 kg N·hm^-2)时,春玉米生产的温室气体排放分别下降了21.9%和44.3%,碳足迹分别下降了20.3%和39.1%;晚稻生产的温室气体排放分别下降了12.3%和20.4%,碳足迹分别降低了13.7%和16.7%.氮肥减量对春玉米产量无显著影响,而晚稻产量在225 kg N·hm^-2施肥量下最高.因此,春玉米氮肥用量降低至150 kg N·hm^-2和晚稻氮肥用量降低至225 kg N·hm^-2不仅能够保持作物高产,而且还能大幅度降低作物系统的碳足迹.     

Effects of 21st‐century climate,land use,and disturbances on ecosystem carbon balance in California

Terrestrial ecosystems are an important sink for atmospheric carbon dioxide (CO₂), sequestering ~30% of annual anthropogenic emissions and slowing the rise of atmospheric CO₂. However, the future direction and magnitude of the land sink is highly uncertain. We examined how historical and projected changes in climate, land use, and ecosystem disturbances affect the carbon balance of terrestrial ecosystems in California over the period 2001–2100. We modeled 32 unique scenarios, spanning 4 land use and 2 radiative forcing scenarios as simulated by four global climate models. Between 2001 and 2015, carbon storage in California's terrestrial ecosystems declined by ?188.4 Tg C, with a mean annual flux ranging from a source of ?89.8 Tg C/year to a sink of 60.1 Tg C/year. The large variability in the magnitude of the state's carbon source/sink was primarily attributable to interannual variability in weather and climate, which affected the rate of carbon uptake in vegetation and the rate of ecosystem respiration. Under nearly all future scenarios, carbon storage in terrestrial ecosystems was projected to decline, with an average loss of ?9.4% (?432.3 Tg C) by the year 2100 from current stocks. However, uncertainty in the magnitude of carbon loss was high, with individual scenario projections ranging from ?916.2 to 121.2 Tg C and was largely driven by differences in future climate conditions projected by climate models. Moving from a high to a low radiative forcing scenario reduced net ecosystem carbon loss by 21% and when combined with reductions in land‐use change (i.e., moving from a high to a low land‐use scenario), net carbon losses were reduced by 55% on average. However, reconciling large uncertainties associated with the effect of increasing atmospheric CO₂ is needed to better constrain models used to establish baseline conditions from which ecosystem‐based climate mitigation strategies can be evaluated.