环境科学  2024, Vol. 45 Issue (11): 6775-6782   PDF    
中国农业温室气体排放时空异质性的影响机制解析
苏萌, 夏琳琳     
广东工业大学生态环境与资源学院, 大湾区城市环境安全与绿色发展教育部重点实验室, 广州 510006
摘要: 农业温室气体减排在应对全球气候变暖有着重要的地位, 研究并揭示农业温室气体排放的时空特征和影响机制对于实现农业绿色低碳发展目标具有重要意义. 通过核算中国2000~2020年31个省(市、自治区)农业温室气体排放, 采用地理探测器和空间计量分析等方法探究了影响农业温室气体排放的时空演变特征和驱动因子. 结果表明:①2000~2020年中国农业温室气体排放呈现“缓慢上升-大幅上升-大幅下降”的发展历程;②农业温室气体排放空间异质性显著, 空间上形成了3个高排放区:以河南为中心的中部高排放区域, 以广东为中心的南部高排放区域和以四川为中心的西南部高排放区域, 重心出现向北和向西转移的趋势;③乡村人口、地区生产总值和农业产值是引起农业温室气体排放空间异质性的主导驱动因子;④农业温室气体排放具有空间溢出效应, 各地区在制定农业温室气体减排目标时, 需要采取协同控制策略.
关键词: 农业温室气体排放      时空异质性      影响机制      空间计量分析      地理探测器      驱动因素     
Analysis of the Influencing Mechanism of Space-time Heterogeneity of Greenhouse Gas Emissions from Agriculture in China
SU Meng , XIA Lin-lin     
Key Laboratory for City Cluster Environmental Safety and Green Development of the Ministry of Education, School of Ecology, Environment and Resources, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
Abstract: Agricultural greenhouse gas emission reduction plays an important role in addressing global climate warming. Researching and revealing the spatial and temporal characteristics, as well as the influencing mechanisms of agricultural greenhouse gas emissions, is of great significance for achieving the goals of green and low-carbon development in agriculture. This study examines the agricultural greenhouse gas emissions from 31 provinces (municipalities, autonomous regions) in China from 2000 to 2020. Through the use of geographic detectors, spatial econometric analysis, and other methods, it explores the spatiotemporal evolution characteristics and driving factors of agricultural greenhouse gas emissions. The results indicated the following: ① From 2000 to 2020, agricultural greenhouse gas emissions in China showed a development process of "slow increase - sharp increase - sharp decrease." ② The spatial heterogeneity of agricultural greenhouse gas emissions was significant, forming three high emission areas in space: the central high emission area centered on Henan, the southern high emission area centered on Guangdong, and the southwestern high emission area centered on Sichuan. The center of gravity showed a trend of shifting northward and westward. ③ Rural population, regional gross domestic product, and agricultural output value were the dominant driving factors causing spatial heterogeneity of agricultural greenhouse gas emissions. ④ Agricultural greenhouse gas emissions had spatial spillover effects. When formulating agricultural greenhouse gas reduction targets, it is necessary to adopt a coordinated control strategy among different regions.
Key words: agricultural greenhouse gas emissions      spatial and temporal heterogeneity      influencing mechanism      spatial econometric analysis      geographical detector      driving factors     

农业温室气体减排对于中国实现双碳目标意义重大.当前农业温室气体排放核算的边界不断拓展, 从关注农作物生长过程温室气体排放, 如水稻CH4排放和N2O排放等[1 ~ 4], 到农作物全生命周期过程温室气体排放, 如农药和化肥等生产资料的生产过程CO2排放[5, 6].不同省份种植结构、耕种措施和管理水平等方面的巨大差异[7], 导致中国农业温室气体排放具有显著的空间异质性, 因此有必要系统解析农业温室气体排放的时空变化规律, 为制定区域差异化农业温室气体减排政策提供科学依据.

已有研究在农业温室气体排放清单核算的基础上进一步采用Kaya碳排放恒等式、核密度估计法和基尼系数识别了影响农业温室气体排放的农业生产效率、劳动力、农业生产结构和农业经济等因素[7 ~ 9].还有一些学者发现不同地区农业温室气体排放呈现不同的时空格局变化[7, 8, 10 ~ 12], 如2000~2014年间, 东三省的空间相关性有增强趋势[13], 2000~2020年间山东省16地市农业碳排放量及排放强度均呈现一定的区域差异, 且有扩大趋势[14].随后进一步的研究结果表明, 中国各省份农业温室气体排放并非孤立, 因受到相邻省份发展的影响而具有明显空间溢出特征[15], 但是对于影响中国农业温室气体排放时空异质性及其空间溢出效应的因素还有待进一步系统识别和解析.

中国从2015年开始积极采取各种措施推进农业绿色发展以来, 中国各省份不同作物种植结构、种植面积、灌溉和施肥管理等方面都产生了巨大变化[16, 17], 新时代农业温室气体排放的时空格局的影响还有待揭示.基于此目标, 本研究在编制2000~2020年中国31省份农业全生命周期温室气体排放清单的基础上, 结合空间自相关分析和标准差椭圆方法解析温室气体排放的时空异质性, 通过构建囊括自然地理、经济发展、农业发展和劳动力等多层次指标体系, 引入地理探测器模型和空间计量分析方法解析温室气体排放时空异质性及其空间溢出效应的影响因素, 以期为全局温室气体减排策略制定以及农业绿色低碳发展提供参考.

1 材料与方法 1.1 农业温室气体排放核算

农业温室气体排放核算既需要关注农作物种植过程的直接排放[2], 还需要关注农业生产所需各种物资生产和使用过程产生的间接排放[9], 包括化肥、农药、农膜、柴油和农业灌溉等, 具体测算公式如下:

(1)

式中, CE表示i项农业活动投入物资碳排放总和, i表示各项农业活动投入物资种类;ADi表示第i种农业活动投入物资的使用量;FEi表示第i种农业活动投入物资的排放因子, 各碳源对应的温室气体排放系数和参考文献来源见表 1.

表 1 农业温室气体排放核算因子 Table 1 Agricultural greenhouse gas emission accounting factors

为了便于对比和分析, 参照IPCC 2007年第四次评估报告的参数结果, 将CO2、CH4和N2O统一换算成标准C, 其中1 t CO2中含有0.273 t标准C, 1 t CH4和N2O所引发的温室效应分别等同于6.818 t和81.273 t标准C所产生的温室效应.

1.2 中国农业温室气体排放空间格局解析 1.2.1 空间自相关检验

本研究采用莫兰指数I进行检验与判断因变量之间的空间相关性, 以满足后续空间分析方法的基本假设和前提, 具体如下:

(2)

式中, xixj分别表示区域ij的值;x表示碳排放量的平均值;Wij表示空间权重矩阵W中的元素.

1.2.2 标准差椭圆方法

标准差椭圆空间统计方法(standard deviational ellipse, SDE) 是一种用于可视化地理要素空间分布特征的空间分析方法[24], 本研究基于标准差椭圆的形状、方向和大小变化, 识别农业温室气体重心分布以及时空演化过程, 参数计算公式如下:

平均重心:

(3)

方位角:

(4)

x轴标准差:

(5)

y轴标准差:

(6)

式中, (xi, yi) 表示研究对象的空间区位, Wi表示权重, 表示加权平均重心;θ为椭圆方位角, 表示正北方向顺时针旋转到椭圆长轴所形成的夹角, 分别表示各研究对象单元中心坐标到重心坐标的偏差, γxγy分别为沿着x轴和y轴的标准差.

1.3 空间异质性的影响因素分析 1.3.1 指标体系构建

本研究在系统调研[8, 9, 25]基础上, 从经济发展水平、农村劳动人口、农业投资和自然地理环境方面等4个层次构建指标体系(表 2), 系统评估不同因素对农业温室气体排放空间异质性的影响.

表 2 农业温室气体排放空间异质性评价体系 Table 2 Agricultural greenhouse gas emission spatial heterogeneity assessment system

1.3.2 地理探测器

地理探测器是分析空间差异性及其成因的重要工具, 广泛应用于资源环境和社会经济等方面研究[26 ~ 30].本研究采用地理探测器模型的因子探测模块和交互探测模块开展单一因子和复合因子对温室气体排放空间差异的影响, 前者主要用于识别所选取的各因子是否是造成农业温室气体排放空间差异的关键因子, 并定量评估各指标的影响力;后者则可以分析各因子两两交互作用对农业温室气体排放的影响.测算公式如下:

(7)

式中, q表示各因子对农业温室气体排放的解释力, q值取值区间在[0, 1], 越大表示因子对农业温室气体排放空间分布的解释力越强.在本研究中N表示与农业温室气体排放对应的研究区单元数, σ2表示农业温室气体排放变化方差.

1.3.3 空间计量分析

该方法主要用于评估区域间的相互作用关系, 定量评估各地区农业温室气体排放的空间关联性, 具体评估步骤如下:

(1) 空间权重矩阵的设计

用于评估一个地区有哪些邻近地区, 以及邻近程度, 用式(8)的矩阵表示:

(8)

式中, wij表示区域i与区域j的邻近关系;w1j表示区域1与区域j的邻近关系;wi1表示区域1与区域i的邻近关系, 在该矩阵中区域与区域自身的邻近关系为零, 即矩阵的对角线元素为零.

(2) 空间面板模型构建

常见空间面板模型包括空间滞后模型(spatial lag model, SLM)、空间误差面板模型(spatial error model, SEM)和空间杜宾模型(spatial Dubin model, SDM).本研究首先根据Elhorst[31]提出的空间面板模型选择方法, 进行拉格朗日乘数检验(LM检验), 检验结果显示SEM模型和SLM模型的P值均小于0.01(表 3), 说明农业温室气体排放存在显著的空间溢出效应, 且存在空间关联性, 采用SDM模型能更好地解释农业温室气体排放的空间溢出效应.

表 3 空间面板模型设定LM检验结果 Table 3 Set LM test results for spatial panel model specification

其次采用Hausman检验进行随机效应模型与固定效应模型的选取, 检验结果为0 < P < 0.001, 因此选择固定效应模型.最后, 本研究使用似然比(LR)检验对空间杜宾面板模型的两个假设H0θ = 0或H0θ + λβ= 0来检验空间杜宾模型是否可以简化, 从而确定模型形式.检验结果0 < P < 0.001, 所以本研究选择双固定效应模型进行分析, 最终模型结构如下:

(9)

式中, yit表示在区域i、时刻t上的因变量;i表示不同的区域, i=1, 2, 3, …, Nt表示不同的时期, t=1, 2, 3, …, TXit表示外生解释变量矩阵;参数β表示X对因变量yit的影响系数;Wij表示权重矩阵, 用来表示不同区域间的关系;其中:θλβ均表示相应的空间自相关系数, ciat表示空间固定和时间固定, vit表示随机扰动项.

1.4 数据来源

农业温室气体排放核算所需的2000~2020年中国31省(市、自治区)的农业活动数据来源于历年的《中国农业统计资料》《中国农村统计年鉴》, 由于中国港、澳、台缺失数据过多, 所以暂未纳入本研究范围.

农业温室气体排放空间分析所需的地区生产总值和第一产业固定资产投资数据来源于2000~2020《中国统计年鉴》;各省份进出口农产品数量、乡村人口数和农村居民经营净收入数据来源于2000~2020的《中国农村统计年鉴》《中国农业统计资料》, 自然地理指标数据来自于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn), 其中坡度数据由DEM数据计算得出.

2 结果与讨论 2.1 中国农业温室气体排放时空动态变化特征 2.1.1 时间特征分析

2020年中国农业温室气体排放总量为3.68亿t, 略低于2000年的3.76亿t. 本研究期间, 农业温室气体排放呈现出先增加后下降的趋势, 并在2014年达到峰值, 约为4.58亿t.根据温室气体排放时序变化特征将其分为“缓慢上升-大幅上升-大幅下降”3个阶段(图 1), 这种趋势与Yang等[32]和Liu等[33]研究的结果相一致.

图 1 2000~2020年农业温室气体排放变化趋势与增速 Fig. 1 Trends and growth rates of agricultural greenhouse gas emissions from 2000 to 2020

2000~2003年期间农业温室气体排放呈现出缓慢上升的趋势, 年均增速为0.4%, 主要原因是此期间城市发展建设占用了大量耕地, 以及干旱造成减产因素, 导致中国粮食生产出现大滑坡[34], 农民为降低产量变化的影响从而加大化肥等生产物资使用量;随后, 国家连续出台一系列强农惠农富农政策, 在“工业反哺农业、城市支持农村”的基本方针下, 粮食生产逐渐恢复和发展, 伴随农药和化肥等农业生产物资使用量增大, 其温室气体排放在2004~2014年大幅上升, 年均增速高达1.2%, 排放总量较2004年增长了14.2%, 其中53.5%的增长来自农药和化肥的温室气体排放.为了提高效益和减少排放, 2015年政府部门制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》《到2020年农药使用量零增长行动方案》[17], 促进化肥和农药减量增效, 取得了明显成效[35], 2015~2020年, 化肥和农药相关的温室气体排放累计减少了86.03%, 是温室气体排放下降的主要原因.在生态优先, 转变发展方式的政策支持[17]下, 中国农业温室气体排放2015年后呈现大幅下降的趋势, 年均变化-3.8%, 至2020年, 温室气体排放较2014年峰值减少了19.7%.

2.1.2 空间特征分析

2000~2020年, 中国农业温室气体排放总体空间分布呈现中部和南部偏高特征(图 2), 并在空间上形成了3个高排放区:以河南为中心的中部高排放区域、以广东为中心的南部高排放区域和以四川为中心的西南部高排放区域, 这些高排放区集聚了中国约70%的农业温室气体排放, 排放重心分布于河南省(图 3).同时, 农业温室气体排放还具有显著的空间集聚特征, 历年全局Moran's I值均通过了5%水平下的显著性检验, 且均为正值, 表明中国31个省市的农业温室气体排放在空间上存在着显著的正自相关关系.

基于自然资源部标准地图服务网站GS(2020)4619号标准地图制作, 底图边界无修改 图 2 主要年份中国各省农业温室气体排放量 Fig. 2 Greenhouse gas emissions from agriculture in various provinces of China in major years

图 3 2000~2020年中国农业温室气体排放重心迁移路径 Fig. 3 Migration path of China's agricultural greenhouse gas emission center from 2000 to 2020

中国各省份农业温室气体排放变化存在较大差异, 2000年中国农业温室气体排放超过0.25亿t的省份仅包括3个, 大小为:山东 > 江苏 > 河南[图 2(a)], 而至2015年, 温室气体排放超过0.25亿t的省份增加至4个, 大小为:河南 > 山东 > 江苏 > 河北[图 2(d)].同时, 2000~2015年间, 一级标准差椭圆的横轴和纵轴均呈现空间拓展[图 2(a)~2(d)], 面积相较2000年增长34%, 说明中国农业温室气体的主要排放区域逐渐扩大, 西部、北部各省份温室气体排放快速增长, 导致中国温室气体排放重心逐渐向西部偏移幅度明显, 并向北部进行小幅度偏移.2020年, 温室气体排放超过0.25亿t的省份减少到2个, 大小为:河南 > 江苏[图 2(e)], 而其他各省份之间的排放量都大幅度降低, 省份间差异逐渐缩小, 空间呈现高排放区高度集聚, 其他区域均匀化分布特征, 导致一级标准差椭圆在空间上进一步拓展, 面积相较2020年增长42%.各省份中, 较重心偏北的省份温室气体减排幅度较大, 如河北省较2015年减排998.3万t, 黑龙江省较2015年减排313.1万t, 相比之下, 重心偏东的省份温室气体减排幅度也相对较大, 如山东省较2015年减排639.8万t, 安徽省较2015年减排374.5万t, 由此导致空间重心明显向西部偏移, 向南部进行小幅度偏移.

2.2 温室气体排放空间异质性的影响因素解析

2000~2020年, 农业产值(X11)和乡村人口(X12)是中国温室气体排放空间异质性的主导影响因子, 其影响因子解释力q的平均值分别为0.899和0.849.此外, 地区生产总值(X5)和农业固定投资(X8)对空间异质性的影响也相对较大, 但其时间变化存在较大差异:地区生产总值的影响力从2000年的0.754降低至2020年的0.566, 而农业投资的影响力则从2000年的0.363上升至2020年的0.752(图 4).排放主要集中在以农业产业为主且乡村劳动力充足的省份, 可见“高排放”、“低效益”的传统农业生产模式仍然存在, 并且地区生产总值对农业温室气体排放的影响力在逐渐减弱, 说明中国近几年逐渐优化农业产业结构, 以降低经济发展对资源环境的压力, 这与目前相关研究的结果相一致[36].

X1表示年平均气温, X2表示全年降雨量, X3表示坡度, X4表示高程DEM, X5表示地区生产总值, X6表示人均地区生产总值, X7表示农村居民经营净收入, X8表示农业投资, X9表示农产品出口数量, X10表示农产品进口数量, X11表示农业产值, X12表示乡村人口, X13表示城镇化率, 0~1.0表示影响因子解释力q数值大小 图 4 农业温室气体排放主导影响因子解释力主要年份变化趋势 Fig. 4 Explanation of the main factors influencing agricultural greenhouse gas emissions and trend over the principal years

多因子交互作用的影响力明显高于单因子(表 4), 大部分因子交互后呈现双因子增强特征, 少部分因子交互后呈现非线性增强特征.通过对关键时间节点多因子交互影响情况进行分析可以发现, 乡村人口(X12)和地区人均生产总值(X6)的交互影响最大, q值达到0.993~0.997, 这意味着地区乡村人口越多, 粮食需求量越高, 种植面积越大, 农业生产需要消耗更多的资源, 例如化肥等;而地区人均生产总值越高, 意味着地区经济水平较高, 可以使用更多的农业资料如化肥等, 从而增加农业温室气体排放.

表 4 代表年份主导交互因子结果 Table 4 Interactive results of dominant factors for representative years

乡村人口(X12)和高程DEM(X4)的交互影响力次之, q值为0.985~0.991, 它们的影响力随着时间推移呈现下降趋势, 而乡村人口(X12)和农产品出口(X9)的交互影响力逐渐增加, 并在2015年以后取代乡村人口(X12)和高程DEM(X4)这一对影响因子, 成为次要交互影响因子.这是因为乡村人口数量差异会影响农业生产和消费方式, 并且乡村人口聚集的地区为发展粮食商品化、满足农产品出口需求提供了充足的劳动力资源, 因而地区农产品出口需求水平不同, 农业生产规模以及农用物资使用量存在差异, 进而影响地区农业温室气体排放水平, 与目前相关研究结果相一致[37, 38].

综上, 在推动农业低碳转型的过程中, 需要综合考虑这些因素交互作用的影响, 制定相应的政策和措施, 以实现减缓农业温室气体排放的目标.

2.3 温室气体排放空间溢出的影响因素解析

农业生产活动受到生产要素的跨区域流动等因素的影响, 其温室气体排放空间溢出效应显著, 即各省份排放的影响因素受到邻近省份的影响.本研究采用拟合度较高的空间杜宾模型来进一步识别农业温室气体排放空间溢出的影响因素.如表 5所示, 大部分影响因子可以解释温室气体排放的空间溢出效应, 如乡村人口、农业产值、农产品出口等, 这些因子相关系数均为正值, 且通过了1%的显著性水平检验, 表明中国各省份农业温室气体排放在这些影响因子的作用下对邻近省份排放存在显著的正溢出效应, 即本省农业温室气体排放增加1%, 将导致邻域省份农业温室气体排放增长0.17%.

表 5 空间面板杜宾模型回归结果1) Table 5 Space panel Dubin model regression results

农业产值和农村人口作为空间异质性的主导影响因子, 显著促进了邻省温室气体排放增长.模拟结果表明, 农业产值增长1%, 将会引起本省农业温室气体排放增长0.35%, 邻省农业温室气体排放增长0.39%;农村人口增长1%, 本省农业温室气体排放增长0.079%, 而邻省农业温室气体排放将增长0.431%(表 6).一方面可能由于相邻地区农业产业通过相互关联、相互合作呈现集群发展现象, 本地区农业经济迅速发展以及进城务工人员返回乡村会活跃周边地区农业生产活动[39];另一方面可能由于本地区农村人口增长, 增加了农产品以及肥料、农药等农业物资需求, 促进了相邻省份相关产品以及物资生产温室气体排放增加[40].

表 6 直接效应和间接效应分解结果1) Table 6 Direct effects and indirect effects decomposition results

本省份的城镇化水平提升1%, 将会引起本地区农业温室气体排放增长0.198%(表 6), 这可能是因为在城乡融合过程中, 乡村劳动人口向城市转移, 农业生产者为应对劳动力短缺, 增加了农业机械使用量, 导致柴油等能源碳排放量增长[41, 42];而邻省农业温室气体排放将降低0.351%(表 6), 这是因为城镇化推进了基础设施互联互通以及基本公共服务体系一体化, 农业生产从分散式转向规模式, 促进农村能源结构转型, 从而形成了绿色低碳的农业生产空间格局[43, 44].

3 建议

针对本文研究结果, 对区域农业温室气体减排提出两点建议:一是多维度、多层次展开顶层设计, 一方面根据不同地区的经济和社会发展水平, 制定差异化的减排目标和政策, 例如发达地区可能更注重绿色低碳农业技术创新和产业升级, 而发展中地区可能需关注农业可持续发展和节水灌溉设施建设;另一方面, 针对各地区农业产业结构、农业生产模式差异性, 制定相应的减排政策. 二是区域协同控制策略和资源整合, 针对农业温室气体排放的空间溢出效应, 需要在省域间实施资源整合和信息共享, 制定省际合作框架, 促使各地区共享最佳实践和技术, 共同应对区域性温室气体排放挑战.

以上建议旨在推动绿色低碳农业发展策略更具体、切实可行, 同时考虑到各地区的特殊情况和差异, 以实现更全面、均衡的温室气体减排效果, 从而实现“双碳”目标.

4 结论

结果显示, 2000~2020年中国农业温室气体排放时间上呈现“缓慢上升-大幅上升-大幅下降”的发展历程;其中2015年是排放量明显下降的拐点;空间上, 集中分布在河南、山东和江苏等中部省份, 且呈现出重心向西部和北部转移的趋势.使用地理探测器分析发现乡村人口数和农业产值是主导农业温室气体排放空间差异性的因素.空间计量分析结果表明中国农业温室气体排放具有显著空间溢出效应, 本地农业经济发展以及乡村人口数的增加不仅会造成本地区农业温室气体排放增长, 也会增加邻近区域农业温室气体排放;而本地区城镇化水平提高会带动邻近省份农业温室气体排放下降.

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