文献参数: 张蓓蓓, 王梁, 赵杰, 等.沂蒙山区农业碳排放时空特征与脱钩弹性[J].水土保持通报,2026,46(2):260-269. Citation:Zhang Beibei, Wang Liang, Zhao Jie, et al. Spatiotemporal characteristics and decoupling elasticity of agricultural carbon emissions in Yimeng Mountainous area [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation,2026,46(2):260-269.
中国是农业大国,农业活动温室气体排放量占全国排放总量的17%
[1],农业减排固碳是中国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要组成部分。近年来,国家出台了《“十四五”全国农业绿色发展规划》《农业农村减排固碳实施方案》《国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》等政策指导文件,明确提出增强农业减排固碳能力的具体要求。为充分发挥农业领域温室气体减排潜力,深入研究农业碳排放量及时空分布特征对碳减排目标实现、农业绿色转型和生态文明建设具有重要意义。
近年来,国内外学者围绕农业碳排放开展了大量研究,研究内容主要涉及农业碳排放量测算,时空演变特征研究,影响因素分析,农业碳排放与经济发展关系研究等方面,研究尺度以全国
[2]、省市
[3-5]、区域
[6-7]为主。农业碳排放量测算主要采用IPCC碳排放系数法、灰色预测模型、STIRPAT模型等方法研究农业碳排放总量、排放强度并预测未来变化趋势等
[8-12]。农业碳排放源主要包括农业生产要素投入、土地管理、动物肠道发酵、畜禽粪便管理等方面
[13-14]。在农业碳排放时空演变特征研究中,多采用莫兰指数、冷热点分析、标准差椭圆等探索性空间统计方法考察农业碳排放的时空演变规律、空间相关性与异质性等
[15-17]。同时,学者们采用Kaya恒等式、LMDI模型、GWR模型、STIRPAT模型、灰色关联模型等方法,探究经济规模、产业结构、生产技术、劳动力规模等因素对农业碳排放量变化的影响程度
[18-20]。在农业碳排放与经济发展关系的研究中,多采用Tapio脱钩模型、耦合协调模型、EKC模型等方法
[19,21-23]。总体上,现有关于农业碳排放的研究内容和方法不断丰富,重点以省域或大区域为研究对象,而县域农业碳排放测算及时空格局研究相对较少,且县域农业碳排放与经济发展关系研究不足。县域是双碳目标和政策落实的关键行政单元,自然环境、资源禀赋、经济基础等因素导致县域农业产业结构不同,进而使得农业碳排放结构存在较大差异
[24]。因此,加强县域农业碳排放结构和布局研究是把握农业碳排放变化趋势、制定精准减排政策的基础。
沂蒙山区位于山东省中南部,是中国著名的革命老区,境内地貌类型齐全,农业资源丰富,农业产业结构差异显著,其核心区域临沂市农林牧渔业总产值位居全省第4位,农业碳排放量及农业碳排放强度排在山东省前列
[8,25]。当前,临沂市农业高质量发展仍面临与资源环境协调发展的突出矛盾,农业绿色低碳转型水平位居山东省各市尾部
[26],需深入推进农业绿色低碳转型发展。2021年《国务院关于新时代支持革命老区振兴发展的意见》提出支持革命老区振兴发展的总体要求,强调要“培育壮大特色产业”,“促进绿色转型发展”等。加快农业发展全面绿色转型,促进资源利用高效集约和产业模式低碳循环,是支持新时代沂蒙革命老区振兴发展的重要任务。目前,针对沂蒙山区县域农业碳排放量测算及分布特征的研究少见报道。本研究以临沂市为研究对象,在构建农业碳排放测算指标体系的基础上,全面评估2000—2023年临沂市及各县区农业碳排放总量及强度,分析其时空差异及结构特征,以期为沂蒙山区农业低碳可持续发展提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
沂蒙山区主要包括临沂市全市和潍坊市临朐县、淄博市沂源县、济宁市泗水县、泰安市新泰市及日照市莒县、五莲县(
图1)。核心区域临沂市是山东省人口最多、面积最大的地级市,辖3区9县、2个国家级开发区(高新区)和1个省级新区,总面积1.72✕10
4 km
2。临沂市属温带季风气候,境内沂山、蒙山、尼山3条主要山脉呈西北东南向延伸,山地、丘陵和平原分别占20%,40%和40%,地势西北高东南低。临沂市是山东省重要的粮油、果菜、畜产品供应基地,2023年全市农作物总播种面积9.97✕10
5 hm
2,占全省总播种面积的9.06%;肉蛋奶总产量1.75✕10
6 t,占全省总产量10.32%,居全省第2位;农林牧渔业总产值1 004.33亿元,其中种植业和畜牧业产值分别为548.49亿和306.73亿元。
1.2 数据来源
原始数据主要来自2001—2024年《临沂统计年鉴》。其中,农用柴油、农药、农膜均为当年用量;农用化肥为折纯量;灌溉面积为有效灌溉面积;翻耕面积为当年农作物播种面积;饲养周期大于1 a的畜禽年均饲养量采用该畜禽的年末存栏量,饲养周期小于1 a的畜禽年均饲养量按照(当年出栏量×平均生命周期)/365计算,猪、羊、家禽的平均饲养周期分别为200,210和55 d
[10,17]。农业产值为种植业和畜牧业的总产值,为剔除价格因素干扰,基于2000年不变价对历年农业产值数据进行折算。
1.3 研究方法
1.3.1 农业碳排放量测算
参考已有研究成果及临沂市农业生产实际,选取土地管理、水稻种植、畜禽肠道发酵和粪便管理4类农业碳排放源,构建临沂市农业碳排放指标测算体系。土地管理和水稻种植为种植业碳源,其中土地管理涉及农资投入(化肥、农药、农膜、农用柴油及农业灌溉)和土地翻耕产生的碳排放。肠道发酵和粪便管理为畜牧业碳源,包括畜禽肠道发酵产生的CH4以及粪便管理产生的CH4和N2O。为便于核算碳排放总量,将农业温室气体CO2,CH4和N2O统一折算为标准碳(C)。依据IPCC报告,CH4和N2O的换算系数分别为6.82和81.27。
根据IPCC发布的碳排放系数,农业碳排放量测算公式为
式中:
E为农业碳排放总量(10
4 t);
i为农业碳源种类;
Ei 为第
i种碳源的碳排放量(10
4 t);
Ti 为第
i种碳源的实际投入量;
αi 为第
i种碳源的碳排放系数。各类农业碳源的碳排放系数及参数来源见
表1。
1.3.2 农业碳排放强度计算
选取农业碳排放强度衡量临沂市及各县区的农业碳排放水平。计算公式为
式中:Ij 为农业碳排放强度(t/万元);Ej 为j时期农业碳排放量(104 t);GDP j 为j时期农业产值(万元)。
1.3.3 Tapio脱钩模型
采用Tapio脱钩模型探究临沂市农业碳排放量对农业经济变化的敏感程度并明晰二者的脱钩状态。基于Tapio脱钩理论,脱钩弹性计算公式为
式中:
e为脱钩弹性;
E为基期农业碳排放量(10
4 t),
ΔE为农业碳排放变化量(10
4 t);GDP为基期农业产值(万元);
ΔGDP为农业产值变化量(万元)。根据农业环境压力(∆
E/E)、农业经济增长(∆GDP/GDP)和脱钩弹性(
e)的不同,确定农业碳排放与农业经济发展的脱钩状态(
表2)。
2 结果与分析
2.1 全市农业碳排放时序变化特征
2.1.1 农业碳排放总量及结构
2000—2023年,临沂市农业碳排放总量先增加再降低,变化曲线呈现倒“U”形,总量为1.21✕10
6~1.52✕10
6 t(
图2)。2011年临沂市农业碳排放总量达到峰值(1.52✕10
6 t),随后进入缓慢下降阶段,2023年碳排放总量为1.21✕10
6 t,比2011年下降20.33%,年平均降幅约2%。
从农业碳排放结构看,临沂市各碳源碳排放量及其占总量比例大小依次为土地管理(7.84✕105 t,56.39%)、肠道发酵(3.02✕105 t,21.67%)、粪便管理(2.40✕105 t,17.17%)、水稻种植(6.65✕104 t,4.77%),种植业和畜牧业占比分别为61.16%和38.84%。土地管理是第一大农业碳源,碳排放量自2009年以来呈现下降趋势,2023年比2009年下降了30.61%。其中,农资投入碳排放占比在2007年达最大值(63.27%),随着农业现代化发展及化肥农药减量增效工作推进,农资投入碳排放量及其占比整体呈下降趋势,2023年分别为6.33✕105 t和52.43%。畜禽肠道发酵是第二大农业碳源,碳排放量由2000年3.51✕105 t下降至2023年的2.56✕105 t,占总量比例由26.28%降低至21.24%。粪便管理碳排放占比在12.89%~21.95%之间波动,猪和牛的贡献最大。临沂市水稻种植面积持续减少,由2000年6.48✕104 hm2减少至2023年3.86✕104 hm2,水稻种植过程产生的碳排放量由9.53✕104 t下降至5.67✕104 t,2023年占农业碳排放总量比例不足5%,对临沂市农业碳排放影响较小。
2.1.2 农业碳排放强度
临沂市农业碳排放强度整体呈现先上升后下降的趋势,由2000年的0.73 t/万元提高至2003年的0.81 t/万元,随后逐年下降至2023年的0.22 t/万元,其中,2007年碳排放强度降幅最大(20.40%)。
图3表明,2000—2023年种植业和畜牧业碳排放强度均表现出明显下降态势,少数年份虽有增长,但幅度不大。种植业碳排放强度为0.22~0.74 t/万元,其中2023年为谷值,比2003年峰值下降了69.90%;畜牧业碳排放强度为0.23~1.02 t/万元,其中2000年为峰值,2023年为谷值,2023年较2000年下降77.62%。
2.2 各县区农业碳排放演变特征
2.2.1 农业碳排放总量及结构
选取2000,2011和2023年3个时间节点,按照1.00×10
5 t和2.00×10
5 t的农业碳排放节点,将临沂市各县区农业碳排放量分类为低碳排放区、中碳排放区和高碳排放区。由
图4可知,临沂市各县区农业碳排放量差异较为明显,空间上呈“中部低,南北部高”分布格局,大部分县区经历了“上升—下降”的长期变化过程。
2000年,中碳排放区县区数量为8个,其中兰陵县农业碳排放量最高(1.66×105 t),占全市总量的12.44%;平邑县、兰山区、蒙阴县和罗庄区处于低碳排放区。2011年,临沂市农业碳排放空间格局发生明显变化,随着种养殖规模扩大和农资投入增加,高碳排放区新增沂水县(2.30×105 t)和兰陵县(2.17×105 t)。沂水县位于北部低山丘陵区,碳排放量增幅达67.71%,主要源于猪、羊、家禽养殖规模扩大和农资投入量的持续增长;兰陵县地形以平原为主,碳排放量增幅达30.59%,与种植业发展中化肥、农膜、农药等投入增加密切相关;中碳排放区县区数量减少至5个,其中沂南县、平邑县和莒南县碳排放量增幅为26%~30%;低碳排放区县区数量增加为5个。与2011年相比,2023年临沂市整体农业碳排放量降幅明显,高碳排放区仅有兰陵县(2.08×105 t);沂水县由高碳排放区转为中碳排放区,碳排放量降低至1.30×105 t,降幅超过40%;低碳排放区县区数量增加为6个,新增临沭县(6.87×104 t)和平邑县(9.28×104 t)。总体上,与2000年相比,2023年除兰陵县、蒙阴县外的其他县区农业碳排放量均有不同程度降低,表明临沂市农业低碳发展取得明显成效。
农业碳排放结构方面,临沂市各县区以种植业碳源为主,兰陵县、郯城县、河东区和罗庄区种植业碳源贡献率平均值超过60%,其中兰陵县为71%~87%。2023年兰陵县农业碳排放结构中,水稻种植、土地管理、肠道发酵和粪便管理的贡献率分别为0.69%,75.24%,11.88%和12.19%,农资投入占比高达74.97%,这与兰陵县大力发展蔬菜产业有关。兰陵县是蔬菜生产大县,被誉为“中国蔬菜之乡”,蔬菜种植面积和产量均位居全国县域前列,农用塑料薄膜、农用柴油、农药、化肥投入量较大,2023年分别为15 427,13 596,1 762,49 017 t,分别占临沂市总量的42.70%,18.64%,17.76%和16.93%。近年来,随着兰陵县深入实施化肥农药减量增效行动,农膜、化肥、农药等高碳生产要素投入力度得到有效控制,农资投入碳排放量及其占比呈现波动下降的趋势,减少农资投入仍然是未来推进兰陵县农业低碳化发展的关键措施。
2.2.2 农业碳排放强度
基于临沂市各县区农业碳排放强度,本研究以0.50 t/万元和1.00 t/万元为分界点,将各县区划分为低碳排放强度区、中碳排放强度区和高碳排放强度区。
图4表明,2000年各县区农业碳排放强度为0.54~1.05 t/万元,只有临沭县位于高碳排放强度区,为1.05 t/万元;其余县区位于中碳排放强度区,平邑县、费县和蒙阴县农业碳排放强度排在后3位。2011年各县区农业碳排放强度在0.25~0.73 t/万元之间,低碳排放强度区呈扩大趋势,而中碳排放强度区的县区数量减少为4个,包括北部的沂水县、沂南县和东南部的莒南县、临沭县。2023年各县区农业碳排放强度为0.14~0.34 t/万元,全部县区转变为低碳排放强度区,且与2011年相比均有不同程度降低,降幅为27%~66%,与2000年相比降幅均超过50%。
2.3 农业碳排放脱钩弹性变化特征
2.3.1 全市脱钩弹性变化
由
表3可知,临沂市农业碳排放与农业经济增长的脱钩状态呈现强脱钩、弱脱钩、弱负脱钩及扩张负脱钩4种类型,经历了由扩张负脱钩—弱脱钩—强脱钩的转变,脱钩弹性介于-270.519~5.063之间,表明在多数年份中农业经济增速明显快于农业碳排放增速。根据农业碳排放量、农业产值及脱钩弹性值,其脱钩状态变化可以分为3个阶段:
(1) 2000—2003年。农业碳排放与农业产值增速均经历了由正增长到负增长的变化,脱钩状态表现为扩张负脱钩和弱负脱钩。此阶段中国“三农”问题突出,农业发展比较缓慢。临沂市作为传统农业大市,农业经济增长依赖高投入、高排放的粗放型模式,再加上农民生产积极性不强,使得农业碳排放增速高于农业产值增速。
(2) 2004—2011年。脱钩状态呈现弱脱钩和强脱钩交替演化状态。此阶段中,临沂市实施了一系列强农惠农政策,优化种养结构,农业产能不断增强,农业产值增幅明显且保持正增长态势。同时,推进沼气工程建设和畜禽粪污资源化处理,推广“猪沼果”“畜沼菜”模式、农业测土配方施肥技术等,生态农业和循环经济成效凸显,虽然农业碳排放量呈波动上升态势,其增速正负增长状态交替出现,农业碳排放增速明显低于农业产值增速。
(3) 2012—2023年。除2017年、2020年和2021年表现为弱脱钩外,其余年份均为强脱钩状态。临沂市高度重视农业绿色低碳高质量发展,印发《临沂市“十四五”推进农业农村现代化规划》《临沂市深化新旧动能转换推动绿色低碳高质量发展三年行动计划(2023—2025年)》《临沂市碳达峰工作方案》等,全面推行绿色农业生产方式,深入实施农药化肥减量增效行动,在此阶段农药化肥施用量实现逐年下降。临沂市农业碳排放量保持下降态势,而农业产值稳步增长,农业碳排放与经济增长呈负相关关系,达到农业碳排放脱钩效应的理想状态。
2.3.2 各县区脱钩弹性变化
研究结果(
图5)表明,在县域层面上农业碳排放与农业经济增长脱钩类型存在差异,不同时段的脱钩空间格局各异且由多种类型并存向强脱钩主导的最理想状态演进。
2000—2003年,各县区呈现强脱钩、弱脱钩、强负脱钩、扩张负脱钩4种状态。其中,兰山区、罗庄区和蒙阴县处于强脱钩状态,在实现农业经济增长的同时农业碳排放有所下降,仅占县区数量的1/4;沂南县、郯城县、沂水县、兰陵县、费县、莒南县和临沭县处于强负脱钩状态,农业碳排放量上升的同时农业产值下降;平邑县呈现扩张负脱钩状态,农业碳排放与农业经济均呈上升态势,且前者增速大于后者。
2004—2011年,与2000—2023年相比,大部分县区的脱钩状态发生明显变化。处于弱脱钩状态的县区增加了4个,均由上一阶段的强脱钩、强负脱钩转变而来,这些县区农业碳排放增速低于农业产值增速。处于强脱钩状态的县区数量增加至7个,空间分布上新增中南部的河东区、郯城县、费县、平邑县和临沭县。
2012—2023年,各县区农业碳排放与经济增长脱钩关系整体上表现为弱脱钩向强脱钩转变。除费县和蒙阴县为弱脱钩外,其他县区均呈现出较为稳定的强脱钩状态,形成农业经济增长且农业碳排放降低的良好协调局面。
3 讨 论
本研究在县域空间尺度下,基于土地管理、水稻种植、肠道发酵、粪便管理4类碳源,研究临沂市农业碳排放的时空差异特征及其与农业经济发展的脱钩关系。与刘杨和刘鸿斌
[8]、曹俐等
[25]对全市层面研究相比,本文从碳排放总量、排放强度角度分析临沂市县域农业碳排放演变特征,测算结果略低于刘杨和刘鸿斌
[8],高于曹俐等
[25],主要是由于农业碳排放源及系数选择存在差异。临沂市农业降碳减排取得一定成效,一方面大部分县区农业碳排放量和排放强度总体呈下降态势,另一方面实现农业碳排放与农业经济增长的强脱钩效应,农业发展与资源环境的矛盾趋于缓和。然而,临沂市农业碳排放强度高于全省平均及潍坊、聊城、济宁等地市
[8],仍有较大减排空间。此外,临沂市各县区农业碳排放量和排放强度差异较为明显,高碳排放区主要集中在北部和南部的粮油蔬菜生产基地,因此需要进一步加强农业碳排放源头控制和挖掘农业减排潜力。
为进一步控制农业碳排放总量、降低农业碳排放强度,推进临沂市农业“双碳”目标实现,提出以下几点对策与建议: ①突出减排重点,减少土地管理碳排放。大力发展循环农业,积极实施“农牧循环深化行动”,提升农资利用效率。化肥、农膜、农药等农资投入碳排放量是临沂市最大农业碳排放源,占总碳排放量的比例高达50%以上。在保障粮食产量的前提下,进一步减少化肥施用量,提高生物有机肥的施用比例,同时加强农膜、农药包装废弃物等回收处理。扩大智慧农业技术和设备推广应用范围,如智能灌溉系统、智能农机等,提高农业生产的投入产出率。 ②优化产业结构,制定差异化碳减排措施。临沂市农业产业结构差异显著,郯城县和兰陵县主要位于南部平原区,种植业碳排放量比例超过70%,通过强化农地精细化管理、推进种植业内部结构调整、发展适度规模经营等措施,减少碳排放量、提高农田固碳能力;沂南县、费县、平邑县、蒙阴县等地形主要为山地和丘陵,2023年畜牧业碳排放比重为50%~60%,在促进种植业碳减排的同时,通过科学调整畜禽养殖品种结构与区域布局、提高畜禽粪便利用率等措施提高畜牧业低碳发展水平。 ③加强县域统筹,推进低碳农业协同发展。通过科普宣传,引导农户、企业等各类生产主体开展低碳农业生产。加强县域合作,通过经验分享,实地指导等方式推广农业碳减排成功经验。例如,蒙阴县探索发展“兔沼果”“果菌肥”和“农工贸”生态循环农业模式,“生态循环立体农业”入选全国“两山”实践典型案例,通过其示范带动作用,以点带面提高临沂市及沂蒙山区农业绿色低碳发展水平,推进农业高质量发展。
探究县域农业碳排放的时空演变规律及其与农业经济发展的脱钩关系,对把握农业碳排放发展趋势、制定因地制宜减排方案具有重要意义。然而,本文仍存在一些不足,例如限于数据可获得性未考虑农作物秸秆处理产生的碳排放量,侧重于农业碳排放而未考虑种植业碳汇功能等。此外,本研究主要聚焦于农业活动的碳排放视角,未将县域农业土地利用变化(农用地非农化、农用地覆被类型转化)对农业碳排放的影响纳入核算范围。未来研究中,将进一步完善农业碳排放测算指标体系,优化农业碳排放研究方法,拓展土地利用变化的碳排放效应研究,深入探究县域农业碳排放空间差异及其驱动因素。
4 结 论
(1) 2000—2023年,临沂市农业碳排放总量整体呈现先升高再降低的趋势,在2011年达到峰值(1.52✕106 t)。碳排放结构方面,土地管理、肠道发酵、粪便管理和水稻种植分别占56.39%,21.67%,17.17%和4.77%。农业碳排放强度下降趋势明显,由2000年的0.73 t/万元下降至2023年的0.22 t/万元,农业生产效率逐渐提高,正由粗放型向低碳节约型的绿色农业转变。
(2) 临沂市各县区农业碳排放量、强度均表现出明显的空间非均衡性,与地形条件、产业结构密切相关,且经历了先升后降的动态变化。与2000年相比,除兰陵县、蒙阴县以外其他县区农业碳排量均有不同程度降低。空间上呈“中部低,南北部高”分布格局,2023年高碳排放区仅有兰陵县,中碳排放区和低碳排放区的县区数量分别为5个和6个。2023年各县区农业碳排放强度为0.14~0.34 t/万元,与2000年相比,下降幅度超过50%。
(3) 临沂市农业碳排放与农业经济增长的脱钩状态呈现阶段性变化特征,经历了扩张负脱钩—弱脱钩—强脱钩的变化过程,农业碳排放与农业经济发展关系不断改善,脱钩弹性指数为-270.519~5.063。各县区农业碳排放的脱钩状态表现出地域差异,发展态势趋向优化,空间分布由多种类型并存向强脱钩主导的最理想状态演进。
山东省自然科学基金项目“基于土地-水资源-农业-碳排放耦合关系的山东省种植结构多目标优化路径研究”(ZR2024QD163)
教育部人文社会科学研究项目“中国式现代化视角下中国革命老区乡村转型机制与发展路径研究”(24YJA630088)