湖南省农业碳排放的时空特征及其影响因子

邓运员，龚霞辉，何清华，郑文武

（衡阳师范学院 城市与旅游学院，湖南 衡阳 421002）

全球气候变化与大气中温室气体的增加息息相关，农业生产活动直接或间接产生的碳排放是全球温室气体排放的重要组成部分。中国作为世界上的碳排放大国，面临节能减排的迫切任务，已有研究表明农业源产生的温室气体排放占全国总量的17%[1]。关注农业发展所产生的碳排放对于农业经济的可持续发展具有重要作用[2]，农业碳排放及其影响因子研究已被众多研究者关注。从国家层面来看，吴贤荣等采用DEA-Malmquist 指数分解法测算了省域的农业碳排放量与影响因素[3]，并进一步探讨了中国省域农业碳减排潜力[4-5]，吴义根等从时间和空间2 个维度分析了全国31 个省（市、区）的农业碳排放分布规律[6]，而刘欣铭等则从公平性角度关注了省域农田生态系统碳排放时空差异[7]。从省级层面来看，张志高[2]王方怡[8]和刘楚菊[9]等分别关注了河南省、福建省和湖南省的农业碳排放特征及影响因子，赵先超不仅关注了湖南省碳排放的影响因素[10]，还探讨了其与农业经济关系[11]，然而赵先超和刘楚菊均未关注湖南省农业碳排放的空间特征，且赵先超的研究缺乏湖南省近5 年来农业碳排放特征，这对湖南省制定具有针对性的农业碳排放政策欠缺现势性和充分性。因此，本文在地理信息技术的支持下，着重论述了湖南省农业碳排放的时空演化特征与影响因子，并提出具有针对性的农业碳减排优化方案，以期为湖南省农业的可持续发展提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 农业碳排放测算方法

关于农业碳排放的研究，目前尚未形成统一的测算方法[10]。本研究关注人为农田经营生产投入行为所导致的直接或间接的碳排放[2,10]，主要包括由化肥、农膜、农药、农业机械、农业灌溉和农业翻耕等产生的碳排放，计算公式如下：

式（1）中，D 为农业碳排放总量；Df 为农田化肥投入产生碳排放量；Dp 为农田农药投入产生的碳排放量；Dm 为农田农膜投入产生的碳排放量；Di为农田灌溉消耗能源产生的碳排放量；Dt 为翻耕导致土壤释放的碳排放量；Ds 为农业机械消耗能源产生的碳排放量。各要素农业碳排放量计算公式如下：

式（2）中，Dn 各要素农业碳排放量，Pn 要素使用量，a为要素n的碳排放系数。参考国内外已有研究成果[2-3]，农田化肥、农药、农田农膜、农田灌溉、农田翻耕、农田柴油的碳排放系数分别为0.8956 kg/kg、4.9341kg/kg、5.18kg/kg、266.48kg/hm2、312.6 kg/km2、0.592 7 kg/kg。农业碳排放强度为农业碳排放总量与耕地总面积的比值。

1.2 农业碳排放影响因素分解模型

碳排放影响因素分解模型主要有IPAT 模型、STIRPAT 模型、迪氏对数指标分解法(LMDI)、Kaya公式，借鉴张志高[2]的研究成果，本文采用LMDI 因素分析法，从农业生产效率、产业结构、经济水平和劳动力规模4 个方面分析湖南省农业碳排放的影响因素。其表达式为：

式（3）-（4）中C为农业碳排放总量；PLA、AGRI和P分别为种植业总产值、农林牧渔业生产总值和农业劳动力总数，α、β和γ分别表示农业生产效率因素、农业产业结构因素和农业经济水平因素。农业碳排放量也可表达为：

对式（5）两边取对数，则有：

对式（6）采用加和分解，将差分分解为：

则各分解因素贡献值的表达式如下：

式(7)～(11)中，T代表总的变化，t代表目标年，0 代表基准年，则总效应为：

1.3 数据来源与处理

本研究中所需的农田化肥施用量、农田农药使用量、农田农膜使用量、农田柴油用量等数据来源于数据《湖南省统计年鉴》（2014-2018 年）和《湖南省农村统计年鉴》（2014-2018 年），农田农药使用量、农田农膜使用量和农田柴油用量以当年实际使用量为准，农田化肥施用量以按纯量计算的数值为准，农田灌溉面积以有效灌溉面积为准，农田翻耕面积采用农作物播种面积替代[2]。农业碳排放影响因素选取的指标包括种植业总产值、农林牧渔业生产总值、农业劳动力规模。所有数据的整理与计算均在Excel2010 中完成，农业碳排放空间分布图在Arc GIS10.3 中完成。

表1 湖南省2013-2017 年农业碳排放情况

2 湖南省农业碳排放的时空特征分析

2.1 湖南省农业碳排放的时间演变特征

2.1.1 湖南省2013-2017 年农业碳排放总量的演变特征

根据公式（1）（2）计算了2013-2017 年湖南省农业各要素产生的碳排放以及碳排放总量，并计算了全省农业碳排放的强度。由表1 可知，湖南省农业碳排放总量总体上呈现先增加后逐渐减少的趋势，最高值出现在2014 年，最低值出现在2017 年，2013年农业碳排放由435.83×104t 增至2014 年的436.74 ×104t，随后缓慢下降至2017 年的433.63×104t。由表1可知，湖南省农业碳排放强度的变化趋势与农业碳排放总量较为一致，总体上表现为先升高后降低趋势，最高值出现在2014年。从2013年的1 051.16 kg/hm2增加到2014 年的1 052.45 kg/hm2，随后开始平稳下降，2017 年降至最低点，其值为1 045.2 kg/hm2。

湖南省2013-2017 年农业碳排放环比增速更好地佐证了变化的趋势，2014 年的碳排放总量环比2013年增加0.21 %，随后开始逐年下降，且下降的幅度越来越大，2017 年的碳排放总量已比2016 年减少了0.33%，表明湖南省农业碳排放正朝着节能减排的方向前进，且与大力推广和发展绿色农业相关，农田化肥和农药使用量的逐渐减少致使碳排放量亦逐年降低（表1）。

2.1.2 湖南省2013-2017 年农业碳排放构成要素解析

湖南省农业碳排放以化肥、灌溉和农药使用产生的碳为主。由表2 可知，化肥施用产生的碳排放量最高，平均占总量的50.77%，灌溉和农药产生的碳排放分别占总量的19.06%和13.72%，三种类型产生的碳排放量占全省农业碳排放总量的83.55%，这与赵先超对湖南省1999 至2014 年农业碳排放的构成要素结果相似，其在研究中发现以化肥、农药、农膜和灌溉4 个要素为主[10]。此外，化肥和农药使用产生的碳排放量所占虽大，但2013 年以来所占比重逐年下降，农膜和农用柴油产生的碳排放量所占比重略有上升，翻耕导致的碳排放量比重最低且几乎没有变化。由此可见，化肥和农药使用量以及农业灌溉是湖南省未来农业碳减排关注的重点领域。

表2 湖南省农业碳排放要素构成比例（单位：%）

图1 湖南省农业碳排放总量的空间分布特征（左：2013 年，右：2017 年）

2.2 湖南省农业碳排放的空间分布特征

2.2.1 湖南省农业碳排放总量的空间分布特征

为确保不同时间尺度下各地市农业碳排放数据的标准性与可比性[2]，本研究采用相等间隔法将全省14个地市州的农业碳排放总量分为5个等级，间距为15×104t，分别用不同的颜色表征碳排放量的多少，颜色越深表示农业碳排放量越高。同样，相等间隔法将全省14 个地市州的农业碳排放强度分为5 个等级，间距为165 kg/hm2。由图1 可知：2013 年，常德市是湖南省农业碳排放量最高的地级市，处于第4级，为全省农业碳排放总量高值区的中心，岳阳市、衡阳市、永州市、邵阳市、益阳市、长沙市和郴州市7 个地级市处于农业碳排放总量的第3 等级，由此可见，湖南省2013 年农业碳排放的高值区集中分布于湘北地区和湘南地区。与此相对，张家界市是全省农业碳排放总量最少的地级市，娄底市的农业碳排放总量略高于张家界市，2 个地级市同属于农业碳排放总量的第1级，为全省农业碳排放的低值区的中心。湘西地区的湘西州和怀化市、湘中地区的湘潭市以及湘东地区的株洲市处于第2 等级，总体来看，湖南省农业碳排放总量的低值区分别位于湘西地区和湘中地区。

2017 年，湖南省农业碳排放总量的空间特征大致与2013 年相似，全省农业碳排放总量以常德市和岳阳市为核心在湘北地区形成高值区，且常德市和岳阳市的农业碳排放总量分别比2013 年的排放总量提高了一个等级，位于第5 级和第4 级。湘南地区的永州市和衡阳市依然位于农业碳排放总量的第3 级，郴州市的农业碳排放总量则有所下降，位于农业碳排放总量的第2 级。总体来看，湘南地区的永州市、衡阳市连同邻近的邵阳市形成了湖南省农业碳排放的次高值区。2017 年湖南省农业碳排放总量的低值区依然分布在以张家界市为中心的湘西地区和以娄底市为中心的湘中地区。湘北地区是全省农业碳减排应重点关注的地区。

2.2.2 湖南省农业碳排放强度的空间分布特征

为进一步明确湖南省农业碳排放的空间分布特征，本文还比较了湖南省14 个地市州2017 年的农业碳排放强度。农业碳排放强度最大的区域分布在湘北地区，常德市、益阳市、岳阳市和长沙市位于农业碳排放强度的第5级，农业碳排放强度最大，此外，湘中地区的湘潭也位于农业碳排放强度的第5 级。湘南地区的永州市和衡阳市处于农业碳排放强度的第4 级，邻近的郴州市和邵阳市处于碳排放强度的第3级，总体上来看，全省农业碳排放强度在湘南地区形成了次中心。湖南省2017 年农业碳排放强度最低的分别是怀化市和株洲市，处于农业碳排放强度的第1 级，湘西地区的张家界市和湘西州以及湘中地区的娄底市处于农业碳排放的第2 级，是农业碳排放强度的次级低值区。综上所述，湖南省农业碳排放强度的空间分布特征与碳排放总量总体上相似，农业碳排放强度的高值区集中在湘北地区和湘南地区，湘西地区和湘中地区则是农业碳排放强度的低值区，但其内部的核心区却与农业碳排放总量不同，高值区的核心依然是常德市和岳阳市，但是低值区的核心却是怀化市。

3 湖南省农业碳排放的驱动因素及其减排策略

3.1 湖南省农业碳排放的驱动因素分析

因素分解法是一种数学统计分析方法，指利用数学方法分解被解释变量在变动过程中受到各个因素的影响程度，其实质是将总体变量分解为多个影响因素的乘积，然后根据各个影响因素对总体变量变化过程中的影响程度来确定其权重值，最终确定各个分解的因子对总体变量变动程度的贡献份额。根据公式（3）至公式（12），本研究计算了湖南省2013-2017 年农业碳排放的影响因素，包括农业生产效率、产业结构、经济水平和劳动力规模4 个因素。由表3 可知，农业经济水平是导致湖南省2013-2017年农业碳排放增加的主要因素，5 年间总贡献量达106.95×104t，而农业生产效率、产业结构和劳动力规模则抑制了湖南省的农业碳排放量，其贡献值分别为63.29×104t、9.59×104t和36.28×104t，湖南省农业碳排放影响因素的抑制效果由强到弱分别为农业生产效率、劳动力规模和产业结构，这与张志高等人对河南省农业碳排放的影响因素的研究结论相似[2]，但与赵先超等人对湖南省1999-2014 年农业碳排放影响因素的研究结论略有差异，在赵先超的研究中，农业经济结构和农业产业结构均是湖南省农业碳排放的促进因子，而农业生产效率和劳动力规模才是湖南省农业碳排放的抑制因子[10]。

表3 基于LMDI模型计算的湖南省农业碳排放因素分解（单位： 104t）

由表3总效应来看，农业生产效率、产业结构、经济水平和劳动力规模4 个影响因素对湖南省农业碳排放是有抑制作用的，除2014年以外，4个因素总效应均为负数，表明除2014 年表现为农业碳排放增加外，其他年份湖南省农业碳排放均得到了抑制，且随着时间的变化，4 个因素对湖南省农业碳排放量的抑制效果越来越明显，这与前文所述一致，2014 年是湖南省农业碳排放量的最高值。

由表3 可知，农业生产效率2014-2017 年累计减排63.29×104t，且2016 年对农业碳排放的抑制作用最强，这与湖南省现代农业技术的改进、推广密切相关，农业生产工作效率优化有助于提高农业资源的利用程度，从而减少农业碳排放。农业劳动力规模2014-2017年累计减排36.28×104t，对湖南省农业碳排放量的抑制作用总体上呈不断增强的趋势，这表明湖南省从事农业生产的劳动力规模在不断减少，与农业技术改进和机械化程度不断提高相关。农业产业结构对湖南省农业碳排放的贡献具有波动性，2014-2016年对湖南省的农业碳排放具有抑制作用，而2017年却又促进了湖南省农业碳排放量的增加，在赵先超[10]对湖南省2000-2014 年湖南省农业碳排放的研究中，农业产业结构并没有抑制农业碳排放，表明湖南省农业产业结构一直处于变动中，产业结构对湖南省农业碳排放的抑制作用并不稳定。经济水平是所有因素中唯一不抑制农业碳排放的因子，总体上呈现出先增加后下降的趋势，最高值出现在2016年。总体来看，优化农业产业结构，关注农业经济的可持续发展是湖南省农业碳排放的重点工作。

3.2 湖南省农业碳排放的减排策略

第一，减少化肥与农药等农业生产物资的投入。湖南省农业碳排放主要来源于化肥、灌溉和农药使用，湖南省农业碳减排目标的实现依赖于化肥和农药的使用量的减少，且与其使用效率密切相关。湖南省可重点推广绿色生态农业的发展，使用有机肥来替代部分化肥的使用，或根据农地测土配方来施肥，减少化学农资的投入，从总量上控制化肥的使用量。另一方面应注重提升化肥和农药的利用效率，并减少农资废弃物的生成，间接减少碳排放量。同时，大力发展滴灌喷灌技术，推广节水农业的发展，逐步淘汰高耗能的灌溉农机，降低农业灌溉中因能源消耗引起的碳排放量，不断提高农业生产过程中资源的利用率。此外，提高农民的碳减排意识也至关重要，农民是农业最直接的生产者，农业的低碳发展离不开农民的支持。政府可从意识层面加以引导，通过农业科技下乡、农村媒体等方式宣传低碳农业，让农民在农业生产中树立低碳发展的观念，借助政策倾斜或资金补贴，引导更多的地区实现从传统高投入、高污染、高产出的农业发展模式转向低投入、高产出、低碳排放的发展模式，使农民在农业经济增长的过程中自觉地参与农业低碳化，从而助推湖南省全省农业的低碳化发展。

第二，组织编制实施湖南省低碳农业发展中长期规划。湖南省农业碳排放高值区主要分布在湘北地区和湘南地区，为湖南省最主要农业生产区，农业经济对其中某些地市具有重要作用，如何在实现农业减排的同时兼顾地区经济发展速度？省域层面的低碳农业发展规划编制显得尤为重要。规划应以现有农业发展规划为基础，同时兼顾各地市州的经济发展水平，明确各个地市州低碳农业发展的目标、实施步骤和重点任务，建立完整的农业碳减排评估体系，有计划、有步骤的引导各地市州完成农业碳排放量的减排目标。此外，政府应加强14 个地市州和各相关部门的协调性，成立专门的协调机构负责农业碳减排的各项工作，搭建起农业碳减排最新政策、信息、技术的共享共用平台，保障湖南省低碳农业发展规划的落地与实施，从而为湖南省农业的低碳化发展构建起完善的体制机制。

第三，注重农业产业结构的优化调整。随着湖南省在农业领域的持续投入，农业生产总值不断增加，农业碳排放虽已有小幅度的下降，但如何在保证经济稳定的前提下长久的实现农业低碳化发展仍面临诸多的问题。在湖南省农业碳排放因素中，农业产业结构因素对湖南省农业碳排放的作用波动性较大，对湖南省农业碳减排的贡献还有相当大的优化空间。农业经济水平和农业生产效率分别是促进或抑制湖南省农业碳排放的两大主要因素，通过不断优化产业结构可能是当前保证稳定经济并提高农业生产效率的重要手段。因此，湖南省农业发展应注重科技创新的发展理念，不断拓宽农业发展的广度和深度，在充分保证粮食安全的条件下，因地制宜的发展特色农业，尤其是优化种植业在全省农业中的比重，并适当地提升畜牧业、渔业以及林业的比重，从结构上促进农、林、牧和渔业的和谐发展，优化全省农业的种植结构。此外，湖南省各地市可结合自身的特色，探索现代都市农业或观光休闲农业的发展模式，发展产值高排放低的农业发展模式，从而促进农业向低碳绿色农业的转变。

4 结论

农业碳排放是全球温室气体贡献的重要来源，抑制农业碳排放是各区域尤其是主要农业生产区的碳减排的重要组成部分。本文关注湖南省的农业碳排放，基于湖南省统计年鉴的数据，采用间接计算农业碳排放的方法，明确了湖南省农业碳排放的时间演变过程，解析了湖南省2013 年至2017 年农业碳排放的要素构成，并在ArcGIS 的支持下，探索了湖南省农业碳排放总量和农业碳排放强度的空间特征，借助LMDI模型分解了农业碳排放的主要影响因子，且基于此提出了湖南省农业碳减排的优化策略，以期促进湖南省生态绿色农业的发展。