华北平原过去300年农业碳排放的历史动态：基于多源数据重建的县尺度碳收支核算体系构建与时空格局驱动机制研究

《Frontiers in Environmental Science》：Historical dynamics of agricultural carbon emissions in the North China plain over the past 300 years

　　

在“碳达峰（Carbon Peaking）”与“碳中和（Carbon Neutrality）”国家目标背景下，本文以华北平原（North China Plain，涵盖京津冀、河南、山东、安徽、江苏）为研究对象，利用多源数据和提取、校准、插值方法，重建了其近300年的农业生产数据集，并建立了一套分期适应、县级尺度的碳排放核算体系。其创新之处在于构建了长时间序列、高空间分辨率的数据集和分期适应的核算体系，突破了现有研究短期、省级尺度的局限。结果表明：（i）农业生产长期表现为碳汇，净吸收量呈波动上升趋势（从清前期的189.45×10⁴ t C增至清中期的417.08×10⁴ t C，清后期降至294.95×10⁴ t C，近现代跃升至3,831.46×10⁴ t C），净吸收强度持续上升（0.09–1.87 t C/hm²）；（ii）作物种植结构、复种指数（Multiple Cropping Index）和高产品种对碳汇影响显著；（iii）单位面积产量增长未能降低排放强度，农业生产维持“高投入-高排放”模式。这些发现有助于评估华北平原农业碳减排潜力和为区域低碳农业发展提供科学依据。

**论文解读：华北平原过去300年农业碳收支的时空动态重建与驱动机制研究**

**一、研究背景与科学问题**

在全球气候变化背景下，农业既是重要的碳源（Carbon Source），也是重要的碳汇（Carbon Sink），其复杂的碳通量（Carbon Flux）特征及影响因素已成为全球变化研究的核心议题。随着中国“碳达峰”与“碳中和”国家目标的日益明确，探究农业碳排放与碳吸收的长期动态变化、厘清其空间格局与驱动机制、评估农业碳减排潜力，对于区域绿色低碳发展具有重要的理论与现实意义。历史人为碳排放和土地利用变化碳排放，是计算未来升温目标与情景下剩余排放空间、开展国际排放责任对话的科学基础，因此重建历史时期碳排放数据十分必要。

然而，当前研究存在两大空白：第一，现有研究缺乏长历史视角，大多仅关注现代碳排放特征，难以全面反映农业活动对碳排放的长期影响；第二，核算体系尚未形成统一标准，部分研究仅关注碳排放而忽视农田土壤和作物的碳汇功能，尤其是历史碳排放重建的研究尚处在起步探索阶段。华北平原作为中国农耕历史悠久的典型区域和南北方农业交汇之地，拥有丰富的历史档案资料。清代作为传统农业向近现代农业转折的关键时期，代表了封建时代农业的最高水平，其社会经济结构以自给自足的小农经济为基础的封建地主制为特征，各级政府高度重视地方统计，遗留了相对完整的第一手史料，是历史农业地理研究的宝贵案例。因此，以过去300年为研究时段，重建华北平原农业生产数据集并建立与之适应的碳排放核算体系，具有重要的学术价值和现实参考意义。

**二、研究内容与意义**

针对上述科学缺口，研究人员以华北平原（覆盖京津冀、河南、山东、安徽、江苏）为研究区，以过去300年为研究时段，划分六个标准时间断面（清前期、清中期、清后期、1916年、1980年代、近十年），系统梳理了多源历史文献资料，重建了县级尺度的农业生产数据集，明确了耕地利用、作物种植、秸秆焚烧和畜禽养殖四类碳排放源，同时考虑了土壤和作物的碳汇功能，建立了一套基于历史农业生产事实与现代理论基础且适用于历史与现代两个时期的农业碳收支核算体系，进而估算了不同时期农业碳排放与吸收总量，分析了单位面积和人均碳排放强度的时空变化特征，比较了不同历史阶段和农业技术体制下的碳强度变化趋势，并考察了农业种植结构变化对碳排放的影响。

该项研究的创新意义在于：突破了现有研究以短期、省级尺度为主的局限，首次构建了针对华北平原过去300年长时间序列、高空间分辨率（县级）的农业碳收支数据集和分期适应的核算体系，为理解农业生产碳循环的长期演变规律提供了基础数据，同时对区域减排政策制定和低碳农业发展具有实证支撑价值。

**三、关键技术方法**

研究人员采用的主要技术方法如下：（1）基于三类数据源（清代及民国地方志与奏折汇编、民国调查统计数据、现代统计年鉴）和五种关键流程（历史文献筛选、定量提取、单位统一、政区边界匹配、标准化插值），系统重建了县级农业生产指标数据集。（2）以IPCC排放系数法（IPCC Emission Coefficient Method）为核心，核算农业碳排放总量和单位面积/人均碳排放强度；以作物产量、碳吸收率、含水量和经济系数为基础公式估算作物碳吸收量，并参考已有研究取0.452 tC/hm²作为土壤年均固碳速率。（3）针对历史时期与现代农业生产方式的差异，对耕地利用碳排放系数（有机肥替代化肥、去除机械燃油排放）和历史时期耕作过程碳排放系数进行了修订。

**四、研究结果**

**（一）农业碳排放总量变化。** 过去300年，华北平原农业碳排放总量经历了显著增长：从清前期的266.45万吨碳增至近十年（2015–2024年）的8,564.94万吨碳，增幅逾30倍。现代阶段（1980年代至今）的排放增速（约160万吨碳/10a）显著高于传统农业阶段，而清中期至清后期增速最缓，仅4.0万吨碳/10a。排放结构也发生重大变化：清代以“作物种植”和“秸秆焚烧”（合计占比超70%）为主要排放源；清中期至民国时期“畜禽养殖”排放占比从16%跃升至43%；1980年代以来“耕地利用”排放在化肥、农药、农膜、灌溉和耕作等投入驱动下成为主要排放源之一（占比约29%）。空间上，碳排放呈“南高东高、北低西低”的梯度分布特征，高值区长期锁定在豫中东部、鲁西南、皖北等中南部核心区域，形成稳定的排放核心，且核心-外围分化随时间推移不断加剧。

**（二）农业碳吸收总量变化。** 农业碳吸收同样呈现从低迷到加速增长的态势。清前期至清中期，随耕地垦殖率提高，碳吸收缓慢增长；清中期至清后期，受自然灾害和政治动荡影响，碳吸收出现负增长；晚清至民国有所回升；1980年代以来在大规模农业现代化和高产品种推广下，作物固碳量增至民国时期的约5倍，碳吸收进入最快速增长阶段（增速1,944万吨碳/10a）。作物固碳占比从清代的约75%上升至现代的84%，在碳吸收中占据绝对主导地位。

**（三）农业净碳吸收变化。** 华北平原农业生态系统整体表现为碳汇盈余，即碳吸收始终高于碳排放。过去300年净碳吸收呈现波动但总体增长的趋势：清前期189.45万吨碳，清中期升至417.08万吨碳，清后期降至294.95万吨碳（与粗放耕作方式导致的“广种薄收”有关），民国时期小幅回升至311.24万吨碳，1980年代急剧跃升至2,730.69万吨碳，近十年达3,831.46万吨碳，表明现代农业在提升碳吸收能力方面发挥了显著作用。

**（四）碳排放与吸收强度变化。** 单位面积碳排放强度从清前期的0.12 t C/hm²逐步上升至近十年的2.57 t C/hm²，在1980年代后机械化和化学品投入驱动下增长尤为迅速。单位面积碳吸收强度同期从0.21 t C/hm²增至3.72 t C/hm²，增幅超过排放强度，使净碳吸收强度从0.09 t C/hm²增至1.87 t C/hm²。值得注意的是，粮食单产从清前期的0.48 t/hm²增至近十年的7.67 t/hm²，增幅超过15倍，但单位产量碳排放强度仅从0.22 t C/t微升至0.25 t C/t，增速仅13.6%，“单产增长与碳排放效率优化不同步”的现象表明当前“高投入-高排放”模式尚未被突破。

**（五）种植结构变化对碳汇的影响。** 清代种植结构以小麦、高粱、粟（谷子）为主，小麦碳吸收远高于其他作物，成为该时期主要的碳汇来源，而高粱和粟单位面积碳吸收效率较低，限制了整体碳汇水平。20世纪以来，水稻、玉米、大豆等高效碳吸收作物播种面积和产量显著增加，小麦、玉米、水稻成为现代碳吸收的三大主力。种植结构的演变表明，高效碳吸收作物面积的扩大是农业碳汇水平提升的重要路径，但调整往往受制度变革、经济选择和技术演变等多因素综合驱动，并非直接针对碳汇效率。

**（六）现代工业品投入与碳固定效应的关系。** 工业品碳排放（化肥、农药、农膜、灌溉、耕作）从清前期的12.13万吨碳增至近十年的1,574.38万吨碳，增幅129倍；同期“作物固碳量减碳排放”净值从117.10万吨碳增至3,944.61万吨碳，增幅33.7倍。工业品碳排与净碳吸收存在显著正相关（Pearson r = 0.94），但在现代农业阶段，边际效益递减特征明显：传统农业期每增1万吨工业碳排约驱动8.7万吨净碳吸收，而现代农业阶段仅驱动1.03万吨。这意味着单纯依靠增加工业投入提升碳吸收已接近技术瓶颈，未来应着力发展精准施肥、缓释肥料等低碳技术以优化碳循环效率。

**五、研究局限性**

研究团队指出，本研究的局限性主要来自四方面：一是历史方志记载存在体例和统计口径差异，虽通过多区域、多版本交叉核验对模糊区间记录采取标准化赋值规则，但偏差仍客观存在；二是部分县域因文献保存缺失需通过空间类比和均值替代进行插值，插值过程必然产生一定近似偏差；三是古今度量衡单位的换算偏差，研究统一采用历史农业地理学界公认的换算体系，系统性误差已在研究设计阶段规避；四是对清代及民国时期的作物碳排放系数、吸收系数、水稻种植甲烷排放系数等采取了与近现代相同的参数假设——这主要因历史时期缺乏长期田间观测数据支撑分化参数赋值，但作物的光合碳同化路径（C3或C4）属于物种级生化特征，过去三百年华北平原主粮作物种类基本未变，参数统一不对时间演变趋势和空间分异格局产生实质影响。

**六、研究结论**

本研究重建了华北平原近300年农业生产数据集，基于IPCC排放系数法完成了六个时间断面的县域农业碳排放与碳吸收的定量核算，获得了县级碳排放、碳吸收和强度数据集，并在此基础上分析了时空动态变化与驱动因素。主要结论如下：农业碳排放与碳吸收在长期尺度上呈阶段性演变特征，净碳吸收能力在不同时期存在差异；农业生产整体始终表现为碳汇功能，净碳吸收强度呈持续上升趋势；单位面积和人均碳强度指标揭示了农业从粗放到集约、从传统到高效的发展转型特征；但单位产量碳排放强度并未随单产增长而同步下降，“高投入-高排放”模式尚未突破，工业投入的边际效益日趋递减。未来应优化碳资源配置结构、创新低碳生产技术，构建“低碳高效”的农业发展新路径，以实现粮食安全与碳中和目标的协同推进。