中国耕地利用碳收支时空演变与粮食生产的耦合效应研究

本研究系统评估了中国31个省份1991-2022年耕地利用的碳排放与净碳汇时空特征，创新性采用改进的Tapio耦合指数揭示碳汇与粮食产量的协同关系。结果显示：2016年后耕地碳排放呈下降趋势，净碳汇进入高速增长期；主产区呈现"高碳汇-高产量"特征，2004年起二者形成稳定耦合。研究为平衡"双碳"目标（30•60）与粮食安全提供量化依据，拓展了生态-经济协同分析的Tapio模型应用边界。

　　

引言

全球气候变化背景下，中国作为2007年最大二氧化碳排放国面临双重挑战：既要实现"30•60"碳减排目标，又需保障粮食安全。耕地利用兼具碳源（农业活动排放温室气体占全球17%）与碳汇（作物光合固碳）双重属性，其净碳汇效应与粮食生产的耦合机制成为绿色农业发展的关键科学问题。

研究方法

碳排放核算体系

基于IPCC指南构建三层次核算框架：

1. 农资投入（化肥、农药、农膜）

2. 能源消耗（柴油、电力）

3. 耕作破坏土壤有机碳库

   采用方程C=ΣCi×Ti计算，排放因子如_N2O的化肥转化系数为1.63%。

碳汇测算模型

通过作物光合作用公式Z=∑δ_i×D_i×(1-γ_i)/H_i，其中水稻碳吸收率δ达0.414，经济系数H为0.45。

创新耦合指数

改进Tapio解耦模型，定义8种耦合状态：

• 第一象限：增长耦合（0.8<>

• 生态主导型（ε≥1.2）显示碳汇增速更快

• 第四象限生态弱解耦（ε<0）警示发展失衡

主要发现

碳排放时空特征

2016年转折点：碳排放量从1991年3697万吨增至2022年6865万吨，但2016年后增长率转为负值（2019年达-4.06%）。空间上，Tier1-2高排放省份从21个减至13个，但主产区排放量仍为非主产区2倍，新疆、云南等地呈现"高排放-低产出"矛盾。

净碳汇动态演变

两阶段特征：1991-2014年波动增长（受政策波动影响），2015-2022年高速增长（年均5.1亿吨）。河南、山东年均碳汇超4000万吨，主产区碳汇量是产销平衡区2.6倍。值得注意的是，广西虽非主产区，其碳汇水平达Tier4，显示特殊生态价值。

碳汇-产量耦合机制

11个主产省实现"高碳汇-高产量"协同，但江西、辽宁陷入"低碳汇-高产量"困境。时间维度上，2004年中央一号文件颁布后，全国进入增长耦合期（ε=0.92）。省份层面分化明显：内蒙古耦合强度达336%，而福建、海南出现生态主导型负耦合。

政策启示

差异化治理路径

• 高碳汇区（如新疆）：推行滴灌技术+有机肥替代，破解"高碳汇-高排放"悖论

• 低碳汇主产区（江西）：通过深翻改土+碳汇作物种植提升固碳能力

• 经济发达区（广东）：发展设施农业减少农药依赖

技术创新方向

建立县域级碳排放监测网络，开发生物炭土壤改良技术，在黄淮海平原试点"碳汇交易+粮食补贴"联动机制。研究特别建议将稻田甲烷减排纳入国家自主贡献(NDCs)，预计可使农业减排潜力提升15-20%。

（注：全文数据源自《中国农村统计年鉴》1990-2023年版，方法论经省级温室气体清单指南验证）