碳汇管理政策影响分析模型与应用

第24卷第6期 2OO8年11月 地理与地理信息科学 Geography and GeoInfomlation Science Vo1．24 No．6 November 2O08 碳汇管理政策影响分析模型与应用 邓祥征 ，葛全胜 ，林英志 1．中国科学院地理科学与资源研究所，北京lOOlo1；2．中国科学院农业政策研究中心，北京lO0lO1 摘要应用数理统计方法构建评价碳汇管理政策影响分析模型，模拟农田碳汇管理政策的影响。山东省冬小麦种 植的案例研究表明，在常规耕作、秸秆还田和休耕3种政策措施两两组合构成的3种情景下，农田碳汇管理政策的 绩效及农户作物种植行为存在较大差异。基于利益最大化的基本经济学假设，研究政府在采用不同碳汇管理政策 措施的背景下，农民选择不同碳汇管理措施的机会成本及收益变化，模拟农民调整作物种植行为的决策过程。研 究表明，利用以县市、区为基本单元的农业生产数据和农产品价格、农作物播种面积等数据，可以构建农田碳汇 管理政策影响分析模型，模拟不同碳汇管理政策下农民决策行为，推算出采用各种碳汇管理措施下作物种植面积 的变化，从而为评价区域农田碳汇管理政策的影响提供依据。 关键词农田碳汇；碳汇管理；休耕；秸秆还田；山东省 中图分类号S181 文献标识码A 文章编号1672一O5O42OO8O6一OO8404 0 引言 伴随着全球环境变化研究的不断深入，农田碳 汇研究成为热点[1]。在陆地生态系统中，农田生态 系统受人类活动影响最深，同时也可以在较短时间 尺度内调节其碳收支状况。保持农业土壤碳汇功能 和提高土壤有机碳水平，对于缓解气候变化趋势和 粮食安全具有重要意义[2 ]。农田碳汇及与之密切 联系的农田土壤有机质碳含量是衡量农业生态系统 质量的重要指标。当前对土壤空气C0。排放的研究 主要集中在森林和草原生态系统，对农田生态系统 碳含量变化和排放特点的研究较少L4]。深入研究农 田生态系统碳排放量动态变化及其对大气中含碳温 室气体浓度变化的贡献是全球变化研究中的重要课 题。包括实施休耕或免耕、增加秸秆还田、调整土地 利用结构、平衡施肥、合理种植等措施在内的农业管 理措施能大大提高农业土壤固碳量。野外定位观测 实验表明，在使用有机肥的情况下，除东北部分地区 外，土壤有机质均会增加，平均增加幅度为8．52～ 59．78 g／m ·aJ；秸秆还田可以增加土壤有机质含 量，平均增加幅度为45．24 g／m。·a；免耕和少耕分 别增加土壤有机碳l34．81 g／m ·a和208．74 g／ m ·a[引。 农田碳汇管理政策措施的绩效直接影响着各国 农业生产及其投入、产出结构的变化，并对农业生产 力的形成具有重要制约作用，关系到粮食生产与供 给安全[引。全球农田的碳储量高达170 Pg，占全球 陆地碳储量的l0 左右[ 。估计全球农田总固碳潜 力为O．75～1．O Pg／a[8]，可见农田土壤具有巨大的 固碳潜力．而且人类可通过休耕、秸秆还田、恢复退 化土壤等措施提高其固碳能力。相关研究表明，我 国农田表层土壤也具有较大的固碳潜力_9]。 本文选择我国粮食生产大省山东省开展碳汇管 理政策影响分析模型验证与效果检验。2OO5年山东 省粮食播种面积占全国粮食总播种面积的6．1 ，粮 食总产量位居全国前两位[1。。。山东省水土资源丰 富，粮食生产潜力巨大，在适应全球气候变化的背景 下，山东省各地设计并实施了一系列碳汇管理措 施[1 。相对而言，休耕与秸秆还田两种策略的应用 较为普遍。本研究中定义的休耕包括退耕情况，还 包括耕地用地转移、撂荒与其他一些受政策措施影 响的试验性免耕等；秸秆还田主要采取将秸秆或根 茬粉碎后，整株均匀的铺撒在地表以增加土地肥力 的农田碳汇管理。该研究针对这两种措施设计出相 应的农田碳汇政策情景，研究在适应全球气候变化 的情况下区域碳汇管理政策的绩效，以期对当地农 业生产与碳汇管理具有借鉴价值。 1 农田碳汇管理政策影响分析模型 1．1模型假设 假设研究区域的农田可被分割成面积为1 hm。 的地块以下简称“单位面积”，以其净收益NR为 收稿日期2]809_25； 修订日期2o081029 基金项目国家自然科学基金项目7O5O3O25、7O8731l8；中国科学院知识创新工程重要方向项目kzcx2一yⅥ卜3052、ksc【2一yⅥ卜r】-O39 作者简介邓祥征197】一，男， 士，剐研究员，从事地理一生态过程动力学及效应研究。Enui1dengXz．ccapigsn”．ac．cn 第6期 邓祥征等碳汇管理政策影响分析模型与应用 第85页 考察变量，从理论上可推导出NR服从正态分布[1引。 各种变量的定义如下样本区平均产量ykg／hm 、 全区“单位面积”产量Ykg、农产品的市场价格P 元／kg、农产品种植的收益率R、农产品种植“单位 面积”净收益NRi元、秸秆还田“单位面积”机会成 本C元、秸秆还田“单位面积”产出增加量d 。 本文在常规耕作、秸秆还田和休耕3种情景下 探讨农田碳汇管理政策的绩效。常规耕作时“单位 面积”净收益记为N民，“单位面积”秸秆还田所要额 外付出的人力、物力成本记为C，因增加产量而增加 纯收入记为△NR，政策补贴金额为S 。因此，“单位 面积”秸秆还田的净收益NR 一N 一C△NR S 。“单位面积”农田的休耕补贴记为S2，其净收益 NR2一S2。 1．2决策过程分析 在秸秆还田补贴和休耕补贴政策下，追求生产 利润最大化的农户将做出3种不同的选择1当 N ≥NR1且N ≥NR2，即C≥S1△NR，N S2，农户会选择常规耕作；2当NR N 且NR ≥ NR2，即S △NRC，N S】一C△NRS2，农 户会选择秸秆还田；3当NR2≥NR且NR2NR ， 即S2≥N ，S2N R】一CS1△NR，农户会选择 休耕。 1．3参数估计 如果选择一季作物如冬小麦为研究对象，并 在整个播种区域内随机抽取n个样本区，则可得到 各样本区该作物平均产量yy ，yz，，yn。本文以 整个播种区域该作物“单位面积”产量作为总体，抽 出n个样本区各自作物平均产量的均值和标准差， 测度出各个样本区作物平均产量无显著性差异，因 此可用y估计总体标准差_1引。 综上所述，“单位面积”农田产量的均值与标准 差的无偏估计分别为 ￡Y一墨pi ，aY／t而一 ／墨pi 一兰pi z i 1 Y i；l il 式中pi为每个样本区农田面积占整个样本农田总 面积的比例。 而NRP·R·YP、R为常数。由此，可以得 出 定NR仑P．R·YP·R·亡Y， 6NRv／ 一P·R· 万 所以，NR的分布密度函数为 ，、 】 f 一EfNR 1 z 1．4模型的解析解 在以上分析的基础上，可以推导出采用常规耕 作的农田面积占总农田面积的比例为 Zs， l 一上 希 jI{ △ } 广 1 xEM 1 采用秸秆还田措施的耕地占总农田面积的比例 为 广 Sz 1 ，I_敏N 2 1 JSl， l 一上 f 希d jItcSl△Ⅲ 采用休耕措施的耕地占总农田面积的比例为 xS1， 一l_l。 _苟dxIf。 △ } r 1 x一敏NRn‘ s2 1 x一定 {R， 1 一 sl j 其 f1，如果cs1△NR cS1 NR 一1o，如果c≥s1△NR 2 山东省冬小麦种植案例分析 2．1参数估计 山东省作物为两年三熟制，本文以山东省播种 面积最大的作物冬小麦为例，测度碳汇管理政策对 其种植面积的影响[H]。从山东省156个县市、区 的冬小麦平均产量中抽取25 ，除去非冬小麦种植 区，共得36个县市、区的冬小麦平均产量y，以此 样本数据估计全省“单位面积”产量的分布函数，得 到全省冬小麦“单位面积”产量的期望和标准差的估 计值分别为 EYi pi 5 357·97， ，36 36 6Y一、／ 三pt 蚤pi 6o2·o1 在此基础上，由种植冬小麦的收益率和市场价 格表1可得到正常耕作条件下“单位面积”冬小麦 的纯收益的期望和标准差的估计分别为 N 一P·R·亡Y5 824．7O， 6N 一P·R· 654．45 由此得到N ～N5 824．7O，654．45。 表1 2O05年山东省冬小麦统计信息 1．able 1 Statisti ab0ut the Winter wheat produdion of 2005 in ShaIIdo雌Province 名称 数值 市场价格P 纯收益率R 总播种面积H 秸秆还田增加产量d 秸秆还田机会成本c 注总播种面积源于山东省统计年鉴，其他数据源于统计调查。 g 耋 蛆 ∞ ¨ ∞ 第86页 地理与地理信息科学 第24卷 另外，可以得到△NRP·R·d一1 141．47，进而 有 定NR1 N 一C△NRSl s15 716．17，6NR1一v／ 654．45 所以，NR1～NS15 716．17，654．45。 2．2结果分析 情景1常规耕作与秸秆还田。当实施秸秆还田 措施的投入成本大于因此而获得的收益包括秸秆 还田的政策补贴和农田产出增长而带来的收益，亦 即1 250≥S l 141．47时，相对于采用秸秆还田措 施，采用常规耕作时播种“单位面积”冬小麦获得的 净收益较大，所以农户会采用常规耕作策略；当实施 秸秆还田措施的投入成本小于因此而获得的收益， 亦即1 25OS11 141．47时，相对于采用常规耕 作，实施秸秆还田获得的“单位面积”冬小麦播种净 收益较大，所以农户会采用秸秆还田措施。 情景2常规耕作与休耕。当实施秸秆还田碳汇 管理措施的机会成本大于因此而增加的收益，亦即 l ∞≥ 州“ 盯’一 时，理论上将不会有农户采用秸秆 【If1 250s11 141．47 O 还田措施。此种情况下，采用休耕措施和常规耕作 的冬小麦农田面积分别为 又S1， 一H．Xs1， s．z8 量 e一 ax Sl， 一A·zS1， 广 3．281O l 1一 L 一。。 两种措施下冬小麦农田总面积将随补贴数额的 变化而变化图1。实施休耕的冬小麦农田面积随 休耕补贴金额的增加而增加，其增减趋势与常规耕 作的冬小麦农田面积相反，而两者的面积总和则为 山东省冬小麦农田总面积。从图1可以看出，当休 耕补贴的金额在5 O00～6 5OO元／hm2时，农户对实 施冬小麦农田碳汇管理政策较敏感。 情景3秸秆还田与休耕。当实施秸秆还田碳汇 管理措施的机会成本小于因此而增加的收益，亦即 { 。≥ M ’一 时，农户不会选择常规耕作，采 lI{1 25o l】41．47}一l 用休耕措施和秸秆还田措施的冬小麦农田面积分别 为 sl，S2H·Xsl，S2一 1 xs15 716．17 。·28 _{。 一 ／27c654．45 “ JS1，S2H·Jsl，S2 广 1 x～sl一5 716．170 1 3·28 O6l卜上 赢 一 J 实施休耕措施的补贴金额兀／I1l11 实施休耕措施的补贴金额 llrn 图1 山东省休耕补贴条件下休耕和正常耕作的冬小麦面积 F嘻l The sown area of Winter wheat f0r practices of肿一tiIIage aI1d tIle nonl1al croppiIlg 这两种措施下冬小麦农田面积也会随休耕补 对实施农田碳汇管理政策比较敏感。此外，由于秸 贴和秸秆还田补贴金额的变化而变化图2。实 秆还田补贴增加了休耕的机会成本，在同等金额的 施休耕措施的冬小麦农田总面积随着休耕补贴的 休耕补贴条件下，实施休耕的冬小麦农田面积少于 增加而增加，随着秸秆还田补贴金额的增加而减 前一种情景。例如，当休耕的补贴金额同为5 Oo0 少，而实施秸秆还田的冬小麦农田面积的变化趋势 元／hm。时，在情景2之下的休耕冬小麦农田面积 恰恰与之相反，两者之和为山东省冬小麦的总播种 约为1OO万hm2，而在情景3中，当秸秆还田的补 面积。对一定额度的秸秆还田补贴，同样可以找到 贴金额为1 o00元／hm 时，实施休耕措施的冬小 一个区间，当休耕补贴的金额位于该区间时，农户 麦农田面积不足1O万hm。。 一．【u 一 恒匝 ÷ 暑 菘 第6期 邓祥征等碳汇管理政策影响分析模型与应用 第87页 0OO 图2 山东省实施休耕与秸秆还田补贴条件下休耕和秸秆还田的冬小麦面积 F唔2 The sown area of Winter wlheat f0r practjces of n0一t-llage and ret帅ing cr叩residI t0 rjdds 3结论与讨论 本文构建了碳汇管理政策影响分析模型，该模 型适用于评价农田碳汇管理政策并模拟农户对农田 碳汇管理政策的决策行为。本文选择了秸秆还田与 休耕两个碳汇管理政策作为研究的切人点，测度出 不同碳汇管理政策对农户决策行为的影响。研究表 明，可以将碳汇管理政策、成本收益分析、农户种植 决策行为等因素通过碳汇管理政策影响分析模型联 系起来，利用数理统计分析方法测度其间的相互联 系和相互作用。 本文以山东省冬小麦种植为例模拟了碳汇管理 政策对农田碳汇管理的影响。模型估计结果表明， 当休耕补贴在5 OO0～6 5OO元／hm2时，农户对农田 碳汇管理政策补贴数额较敏感。同时，秸秆还田 补贴会增加休耕的机会成本，降低休耕补贴政策的 效果。当秸秆还田的补贴金额较高时如l OO0元／ hm ，同样的休耕补贴金额下如5 O00元／hm2，采 用休耕措施的农田面积约为未实施秸秆还田补贴政 策或秸秆还田补贴金额极小情况下的1／10。 需要说明的是，区域农田碳汇管理政策措施很 多[H]，本文仅考虑了其中的两个，并根据这两种措施 的组合构建了3种碳汇管理情景，这是对区域农田 碳汇管理政策的一种概括与抽象；本文同时假设农 户在两种碳汇管理政策下的决策行为是理性的，如 假设农户生产的目标是追求利润最大化，没有考虑 实施碳汇管理政策措施中的各种非理性因素对分析 结果的影响，也没有考虑秸秆还田产生净收益过程 中的可能风险。尽管如此，本文基于上述假设在案 例区的估算结果与实际情况较为一致。本文提出的 测算农田碳汇管理政策影响的方法为农田碳汇研究 和政策评价提供了一条新思路，为区域农田碳汇管 理政策的制订与实施提供了可资借鉴的方法。 参考文献 [1]金琳，李玉娥，高清竹，等．中国农田管理土壤碳汇估算[J]．中 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85000D，C 加 AbstractIn this papeI，T et Aut0n0m0us Region w selected as study area，wheTe is 0ne 0f the ec0logical1y s朗sitive areas and the pmmoter regbn 0f climate change．And according t0 the specia1 terrain feature of this area，the c1imate factors play an im portant mIe to the grain output while the human activity re1ative1y affects little．So，the data of four typica1 mete0mlOgical sta tions in T et were gotten，including grain output data and climatetemperature，sun1ight，precipitationdata fr0m 196O t0 2O05．Giving four stations the corresp0nding weight by grain fam1ing area，the c0rresponding data of temperature，sun1 ht，pre cipitation f0r the study area were gotterL The above data were analyzed at multitime scales with Morlet一、Vave1et technique And then the grain output in resp0nse t0 c1imate change was anaIyzed thmugh wave1et coefficients．At 1ast，according t0 the na1ysis，the overa1l trend of grain 0utput of the Tibet Autonomous Regi0n in the next few years、vas f0recasted．The reSults show that both grain 0utput and the c1．衄ate factors have a 25 years characteristic time scale and corresp0nding changes．The grain 0utput has c1osely corre1ation with climate change according to the figures of、ravelet c0efficients．Briefly，waHIler temper ature，1onger sunlight and m0re precipitation in nomla1 bound avan gmin produces．Further m0re，the grain output|n Tibet just converts toward the po0r years fr0m p1entiful years．It needs In0re attention to ensure the amp1e grain suppl y． Key wordsgrain output；climate change；wave1et analysis；IV【Or1etwave1et；T et 上接第87页 Model Assessment f0r the Effects of QIrbon Sequestrati帆MaIIagement P0licies in CroplaIl_d DENGⅪangzheng ，GE Quansheng ，LIN Yingzhi ’ 】．I 盯缸甜 D， 0g c口Z Sc cP 口 d N口f“mZ尺 ∞“rcPs R 口rc，C Ps Ac口d踟 0，＆ 删c ，B gjD0J0j； 2． r，or PsP Ag c“Z￡ 阳Z PoZ c．，， Acn P D-厂sc P，z ，BP巧 ，zgjOo】0】， 加 AbstractThis paper aims to deve1op a new approach to assess the effects f0r the carbon sequestration management po1icies 0f crop1and under vari0us kinds of management strategies．A decision making model for carbon sequestration managements in crop一 1ands in accordance tO the statistic is devel0ped and used to simu1ate the decisi0nmaking pmcesses of househ0lds on the efforts for carb0n sequestI_ations．Citing the plantation of Winter wheat in andong as a typical examp1e，t、vo kinds 0f car bon management strategies，pI_acticing not订lage and retuming cr0p residue to field are specifically considered and built．The decision making and responses fI．Om househo1ds on carbon management strategies are then simulated using the decisi0n making model f0r carbon sequestration managements in cr0p1ands，which offers new paths t0 assess the effects of carbon sequestrati0n management strategies．The research resu1ts show that based on the utmtymaximizing assumpti0ns，by ana1yzing the cost and benefit of every kind of carbon seqllestration rnanagernent crOp1and under var us policies，the decis nmak g pr0cess can be simulated．By making use of the agricu1tura1 production data，the market price of grain，the aI_ea of cmpland，etc，the effects of various carbon sequestration management policies and the solution for the decision making model for carbon sequestrati0n man agements in croplands can be gotten． 1ey wOrdscarhon sequestration of crop1and；carIon sequestration management；notⅢage；retum crop residues to field；Shan d0ng Pmvince Il 口 口 口