期刊佳文 | 耕地利用强度与碳排放的脱钩关系——以黄河流域中游25个地级市为例

耕地是土地资源中最宝贵的资源之一，既担负着粮食安全的重任，也是国家生态安全的重要保障[1]。可持续利用耕地在减少水土流失、消除饥饿、应对气候变化等方面发挥着重要作用。2019年，IPCC《气候变化与土地报告》指出，当前世界上高达40%的土地表面已经退化，包括30%的耕地和10%的牧场，耕地退化危及粮食安全并加剧气候变化[2]。未来，随着食品消费及畜牧产品的需求增加，将进一步加大农业环境压力[3]，这对全球科学家和决策者提出了新的挑战：如何在维持粮食产量稳定的同时，保护耕地生态系统，以实现农业和社会经济的可持续发展[4]。其中的关键是对农业温室气体排放的控制，目前土地利用和土地利用变化占全球温室气体排放的1/4左右[5]，而耕地利用活动贡献了全球13%的二氧化碳排放[6]。中国作为全球主要的粮食生产国之一，于2020年9月率先提出碳达峰、碳中和的目标。在此形势下，探索耕地可持续利用道路，研究耕地利用强度与碳排放的关系，对于实现农业可持续发展和减缓气候变化具有重要意义。

耕地利用强度研究建立在土地利用集约化研究的基础上，是评价耕地利用合理性的重要指标。鉴于耕地利用强度的复杂性，人们从多维视角提出了多种针对不同目的的土地利用强度测度方法，主要包括4个方面[7，8]：投入强度[9，10]、产出强度[11]、投入产出相结合[12]和改变的生态系统服务[13，14]。为了消除不同作物产出带来的结果差异，有学者开发出评估“产量差距”的方法，即实际产量（观测产量）与在类似生产和标准化管理条件下获得的理想产量之间的比率[15]。由于数据获取等问题，相关研究多聚焦于全国尺度。目前将碳排放与耕地利用结合起来的研究主要集中于耕地利用碳排放测算[16]、碳排放与耕地资源利用效率[17，18]、农业经济产值[19]和粮食产量[20]的关系等，探讨耕地碳排放的时空特征[21，22]和影响因素[23-25]，以及耕地保护的经济补偿机制[26]。这些研究促进了耕地利用碳排放理论体系的完善与深化，为区域碳减排提供了参考依据，也表明学界对碳排放与耕地利用的主要共识是“低碳、高产”。然而当前研究仍存在以下问题：（1）由于耕地利用变化受气候、地形等自然因素及社会经济因素的多重影响，现有研究大多集中在耕地利用碳排放效应的测算，对耕地利用如何驱动碳排放效应的复杂内在机制尚未完全明晰，耕地利用强度与碳排放之间的互动关联研究也十分有限；（2）不同气候条件、生产方式、耕地利用强度以及地块之间的耕地利用碳排放存在差异，从单一尺度到多尺度的跨尺度因素的作用机制也存在异质性，因此对耕地利用碳排放的研究尺度应更具针对性，例如以气候区、流域、农业区等作为区划，以期制定更切合当地、科学合理的低碳管理政策。综上所述，有关耕地利用与碳排放的研究仍存在探索的空间，也切合当前碳中和背景下节能减排和环境友好型的政策。在不同的经济社会和自然地理条件下，耕地利用强度和碳排放之间的关联反馈不同，厘清典型区域两者之间的关系，可以为农业低碳减排策略的制定提供科学支持。

2019年黄河流域生态保护和高质量发展正式成为新时代重大国家战略，而黄河流域中游地区作为汾渭平原等农产品主产区聚集地，面临着因追求高产目标而粗放利用耕地资源引起的碳排放挑战。探讨耕地利用强度与碳排放之间的关系，对黄河流域中游的生态环境保护和农业可持续发展意义重大。因此，本文选择黄河流域中游25个地级市作为研究区域，基于2005-2020年黄河流域中游土地利用数据及地级面板数据，探讨实现耕地利用强度低碳增长的可能性：（1）耕地利用强度在黄河流域中游地区的时空变化特征如何？（2）黄河流域中游耕地利用碳排放的演变特征及空间格局如何？（3）借助Tapio脱钩模型评估耕地利用强度与碳排放的脱钩关系。通过对这些问题的深入分析，期望能够为黄河流域中游地区的农业环境管理和低碳发展提供有益的参考和借鉴。

黄河流域中游是指黄河河口镇至花园口区间，位于32°~42°N和104°~113°E之间，干流长1206.4km，区间流域面积3.44×105km²。整体海拔西高东低，地貌复杂多样，主要包括黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、河谷平原区。该区处于我国半干旱半湿润过渡带，年降水量空间分布差异显著，且集中在6~9月。气候类型主要为大陆季风气候，分布有北方干旱半干旱区、黄土高原区、黄淮海平原区三类农业区，各区年平均气温分别为8~10℃，8~14℃，10~15℃。近年来大规模的土地规划和粗放利用对黄河流域的农业生产和粮食安全构成了潜在威胁，优质耕地大面积流失[27]。本文参照黄河流域界限的自然范围，考虑地市的完整性选取黄河流经的25个市级行政区为研究区。

本文所采用数据主要包括:（1）2005-2020年土地利用数据，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)，空间分辨率为30m。（2）化肥、农药、农膜、农用柴油、灌溉面积、农作物播种面积和粮食产量等数据，来源于年黄河流域中游2005-2020年各省（区）和城市统计年鉴，对于少数缺失数据利用全球统计数据分析平台（https://www.epsnet.com.cn）、《国民经济和社会发展统计公报》和线性插值法补齐。

制定碳中和目标下的耕地利用政策，在了解区域耕地利用水平后，更需进一步明确耕地利用与碳排放之间的动态关系。耕地利用强度差异对碳、氮、水等物质循环、生物多样性以及生态系统服务具有重要的影响[8，28-30]。由于土地资源短缺与人口压力，市场对耕地产品需求的增加激发人类通过各种方式提高耕地利用强度[7]。耕地利用强度和碳排放的关系主要体现在产出和效率两个方面，一方面，通过生产要素投入，如农药、化肥、农机等碳排放源的使用直接影响耕地利用碳排放[31]，另一方面通过转变管理模式改变耕地利用效率，如土地综合整治、轮作休作、合理灌溉等可以改良耕地质量增强其碳汇能力，从而减少碳排放[23]。耕地产出和效率变化会直接或间接影响土地系统的可持续性，从而改变土壤固碳能力，影响耕地利用碳排放。总的来说，耕地利用强度的变化可能会促进或抑制碳排放，而碳排放的自然和社会效应也会反作用于耕地利用强度（图1）。因此，有必要构建系统的分析框架，综合利用定量模型评估其互动关联。通过引入耕地利用强度与碳排放之间的脱钩模型，采用产出导向强度测算法、空间热点分析、IPCC碳排放系数法等方法，以揭示二者脱钩弹性状态的区域特征与发展趋势。

耕地利用强度(Cultivated Land Use Intensity，CLUI)是评价耕地利用合理性的重要指标，可以从用途管制的角度为区域耕地保护政策设计提供有效的决策支持信息。本文参考YE等学者[32]的方法，使用产出导向的方法来测算黄河流域中游的耕地利用强度。理论上，CLUI应被视为实际调查作物产量（单位面积）与理论产能（单位面积）的比值。如果CLUI约等于1，则耕地地块已被完全利用。而在实践中，由于理论产量难以准确估计，故将其替换为其所属子区的最大产量[8]。以实际调查产量与理论产量的比值作为耕地利用强度。图2是本文耕地利用强度(CLUI)的内涵和计算思路（一个地区一定时期内的理论生产力为自然生产力和术生产力综合投入下的理论作物产量）[32]。

在空间统计中，通常使用ArcGIS软件中基于Gi*统计指数（Getis-OrdGi*statistics）[33]的热点分析工具分析区域要素的空间高值和低值聚类，识别热点和冷点区。基于黄河流域中游耕地利用强度的计算结果采用热点分析法来反映CLUI空间分布的聚集情况，计算公式为：

目前学术界主要认为耕地利用碳排放指的是在耕地资源利用过程中，由人类生产活动引起的直接或间接温室气体排放。因此，本文将耕地资源利用碳排放的主要来源分为以下几个方面：一是化学品的使用，包括化肥、农药、农膜等在生产和使用过程中产生的碳排放；二是能源消耗，包括农业生产中使用的柴油、电力等能源造成的碳排放；三是耕作活动对土壤的破坏，导致土壤表面和有机碳库的有机碳释放到大气中。本文基于政府间气候变化专门委员会(IPCC)碳排放系数法，结合相关学者的研究成果，测算耕地利用碳排放公式如下：

耕地利用碳排放强度是指因耕地利用而产生的单位面积碳排放量，用于衡量耕地利用过程中的碳排放效率。基于耕地利用碳排放核算结果，耕地利用碳排放强度的计算公式为：

1993年OECD首次提出“脱钩”概念[37]，用来描述经济驱动因素与环境压力因素之间的关系，并将脱钩关系分为绝对脱钩和相对脱钩两种状态，2005年TAPIO[38]在OECD脱钩模型基础上进一步提出了“脱钩弹性”概念，指经济增长率与碳排放变动程度的比值，能更好地反映碳排放变动对经济增长的敏感性。根据脱钩弹性的大小，TAPIO定义了8种脱钩状态，即强脱钩、强负脱钩、弱脱钩、扩张耦合、扩张负脱钩、衰退脱钩、衰退耦合和弱负脱钩（图3展示了脱钩弹性对应的8个等级）。

本文应用Tapio脱钩理论，主要研究耕地利用碳排放水平（CLUCE）的状态在经历耕地利用强度（CLUI）增长时保持稳定的可能性，将0.8、1.2作为脱钩弹性临界值，公式如下：

研究期间黄河流域中游耕地面积总体呈现减少趋势，由2005年的1.35×10⁷hm²（约占区域总面积的35.47%）减少至2020年的1.28×10⁷hm²，15年间有7.37×10⁵hm²的耕地流失，减少率为5.47%。受地形地貌影响，黄河流域中游耕地以旱地为主，占总体耕地面积的99%。

本文根据全国农业区划委员会编制的《中国综合农业区划》，将黄河流域分为北方干旱半干旱区、黄土高原区、黄淮海平原区三个农业区进行分析。由图4可知，2005-2020年耕地分布变化最活跃的区域集中在北方干旱半干旱区的平凉市、庆阳市等区域，15年间耕地流失面积达到7.88×10⁵hm²，新增面积5.87×10⁵hm²，净减少2.01×10⁵hm²，该区域受黄土高原沟壑区的地貌类型影响，耕地类型以坡耕地为主，其固有特征如坡度、海拔、土壤质量等自然特征是影响坡耕地利用变化的重要因素[39]。而焦作、郑州和洛阳等地市所在的黄淮海平原区作为农产品主产区，长期的耕地资源占用使得其相对变化处于一定的稳定状态，研究期间仅有2%的耕地减少率。黄土高原区耕地面积同样呈减少趋势，净流失面积5.15×10⁵hm²，其中尤以西安市、延安市减少最为显著。

2005-2020年，黄河流域中游耕地利用强度总体呈上升趋势，从0.42增加到0.66，然而各农业区表现出不同的变化模式（图5）。在北方干旱半干旱区，耕地利用强度在2005-2012年不断增加，并在2012年达到峰值0.55，随后在2012-2013年略有下降，后持续上升，但其总体强度水平低于黄土高原区及黄淮海平原区；黄淮海平原区作为农产品主产区耕地利用强度水平在研究期间稳步提升；黄土高原区的耕地利用强度呈波动上升趋势，总体增幅不大。

对黄河流域中游耕地利用强度进行空间自相关分析后显示黄河流域中游耕地利用强度存在显著的集聚特征，进一步利用热点分析工具得出G_i^*(d)后依据自然断点法划分耕地利用强度冷热点区域（图6）。总体来看黄河流域中游耕地利用强度冷热点分布特征明显。2005-2020年，CLUI热点区和随机分布区范围较为稳定，冷点区发生了转移。热点区集中分布在南部且显著程度不断提高，以西安、咸阳、焦作等为代表的地市形成CLUI大于0.50的高耕地利用强度聚集区；冷点区如固原、定西、平凉等地市低值聚集，耕地利用强度明显低于周边地区，至2020年冷点区显著程度逐渐减小；随机分布区基本稳定分布在北部的吕梁、忻州、延安等地市。

由黄河流域中游耕地利用碳排放测度结果(图7)可知，2005-2020年，黄河流域中游耕地利用碳排放量呈现出先升后降的倒“U”型变化特征，2005-2015年期间，耕地利用碳排放量持续增长，年均增量为32.1万t，年均增长率为4%，这是由于化肥、农药、农膜、农机等农资投入增加或农用化学品和机械化对土壤破坏程度加重所致。2015年以后进入负增长阶段，至2020年碳排放总量下降至555.01万t，较2015年下降28.89%，显示出收敛态势，这表明中国自2010年起推行的一系列旨在促进绿色低碳发展的政策措施[40]已初见成效，有效地实现了碳排放量的减缓与控制。其中，北方干旱半干旱区耕地利用碳排量呈缓慢增长态势但总体增幅不大，碳排变化率在2005-2010年波动较大，之后逐渐下降并趋于稳定；黄土高原区在研究期间耕地碳排放量波动下降，2016年与增长率同步达到峰值后逐步下降，说明这两个农业区的碳排放增速同步放缓；黄淮海平原区耕地碳排放波动增长，与其他农业区和黄河中游全域耕地碳排量变化特征不同的是，2017年后该区域碳排量及增速出现快速上升。对比各农业区在4个时期的耕地碳排放水平可以发现，各农业区耕地利用碳排放量占比排序为黄土高原区>北方干旱半干旱区>黄淮海平原区。

为了揭示黄河流域在2005-2020年间耕地利用碳排放强度的空间差异及其动态演变特征，将碳排放强度水平从低到极高分为6类（表2），并利用ArcGIS软件对4个关键年份的数据进行空间可视化表达（图8）。

从时间序列来看，黄河流域中游耕地利用高碳排放强度区域规模先扩大后缩小，2005年耕地碳排放强度总体上处于较低水平，最高值区间出现在2015年，与碳排量的演变特征基本一致。2005-2020年，耕地利用碳排放强度超过750kg/hm²的地区数量分别为5个、7个、12个和6个，呈现“增加-减少”的变化趋势；而低于500kg/hm²的地区数量分别为12个、10个、7个和12个，呈现“减少-增加”的趋势，中值区数量基本保持稳定，占比保持在32%左右。到2020年，高值和低值区域范围总体呈“低进高退”模式，从长期演变视角看，碳排放高强度区域范围缩减，低强度区域范围扩张。

黄河流域中游耕地利用碳排放强度呈现出显著的空间差异性，空间分布格局基本呈现出“南部高，北部、西部低”的特征，且相邻地市的碳排放强度水平相近。4个时期的高碳排放强度区域主要集中在黄河中游南部的焦作、郑州、咸阳、渭南等市，碳排放强度均超过750kg/hm²。

基于Tapio脱钩模型，得出2005-2010年、2010-2015年和2015-2020年黄河流域中游及各农业区的耕地利用强度和耕地利用碳排放脱钩指数及脱钩状态（表3），2005-2020年流域中游及各农业区CLUI与CLUCE的脱钩状态主要包括弱脱钩、强脱钩、强负脱钩、扩张负脱钩4类。

黄河流域中游三个时期脱钩弹性指数ε分别为0.340、2.537、-2.118，脱钩状态经历了弱脱钩-扩张负脱钩-强脱钩的转变，代表着由不理想状态向理想状态的转变。2005-2010年，耕地利用碳排增长率小于耕地利用强度增长率，ε<0.8呈现弱脱钩状态，表明碳排放量和耕地利用强度同步增加，但碳排放量的增长相对较慢，该时期耕地利用强度变化也会导致碳排放变化但驱动作用不明显；2010-2015年，由于耕地碳排放增长率大于耕地利用强度增长率，且ε>1.5年间持续呈现扩张性负脱钩状态，表明研究区耕地利用强度变化一定程度上驱动着碳排放的变化，不利于可持续发展；2015-2020年的强脱钩是可持续发展中耕地利用强度与碳排放的良性关系，黄河流域中游耕地利用强度增长了13.64%，而耕地利用碳排放增长率却下降了28.29%，这表明耕地利用已逐步摆脱高要素投入、高环境成本的冗余状态，向低碳、节约、高效的理想状态迈进。其中，不同农业区的脱钩状态变化存在显著差异，北方干旱半干旱区研究期间稳定在弱脱钩状态，黄土高原区历了强脱钩转变为强负脱钩再转回强脱钩的理想状态的过程，而黄淮海平原区研究期间由强脱钩到扩张负脱钩的转变是一种较为不理想的状态，存在着走向高污染、低产出困境的趋势。

图9展示了3个不同时间段（2005-2010年、2010-2015年、2015-2020年）耕地利用强度与碳排放水平之间脱钩关系的空间分布，2005-2010年间强脱钩类型主要分布在黄土高原区的榆林、咸阳、吕梁等市，弱脱钩类型分布在北方干旱半干旱区的定西、固原、洛阳等地市，平凉、宝鸡和晋中市出现了强负脱钩模式，仅有延安市表现为扩张耦合，表明其农业生产依赖于高排放和高利用强度。总体而言这一阶段以弱脱钩为主，大部分地区耕地利用碳排放的增长速度低于耕地利用强度的增幅；结合脱钩关系转移桑基图可以看出，到2010-2015年，强脱钩类型分布规模减小，有5个地市的强脱钩类型被强负脱钩取代，弱脱钩分布地区无明显变化，定西市和忻州市表现为扩张耦合，延安市转为了扩张负脱钩。这一阶段以扩张负脱钩为主，大部分地区耕地利用强度和碳排放水平同步增加，说明耕地利用方式以高投入、高污染为主，经济增长以牺牲环境为代价；2015-2020年，定西市和忻州市保持原有的扩张耦合状态，强负脱钩类型的地市再度转为强脱钩类型，如渭南、咸阳、焦作等高碳排水平地区在这一时期已过渡到强脱钩模式。总体而言到2020年，大部分地区已平稳过渡到强脱钩状态，成功避免了高污染、低产出的困境。

本文以黄河流域中段的25个地级市为研究区，分析2005-2020年耕地利用强度时空格局，基于IPCC排放系数法核算耕地利用碳排放量并采用Tapio脱钩模型评估耕地利用碳排放与耕地利用强度之间的关系。研究结果表明：

（1）2005-2020年黄河流域中游耕地利用强度持续上升，从0.42增加至0.66，且各农业区表现出不同的变化趋势。耕地利用强度空间聚集效应显著，热点区稳定分布在南部劳动密集型地市，冷点区集中分布在城市化水平低、经济欠发展的西部地市并逐步缩小。表明研究期间黄河流域中游整体耕地利用效率得到显著提升。

（2）黄河流域中游耕地利用碳排放量呈现出先升后降的倒“U”型变化特征，并在2016年达到峰值。耕地利用碳排放强度呈现出显著的空间差异性，空间分布格局基本呈现出“南部高，北部、西部低”的特征，且碳排放强度水平相近的地市呈相邻分布。耕地利用碳排放强度的时空格局受到自然地理要素、人文和社会经济要素等多方面影响。

（3）黄河流域中游耕地利用碳排放与耕地利用强度在2005-2010年、2010-2015年和2015-2020年三个时期的脱钩弹性指数ε分别为0.340，2.537，-2.118，经历了弱脱钩-扩张负脱钩-强脱钩三种状态，代表着由不理想状态向理想状态的转变。这表明黄河流域中游耕地利用已逐步摆脱高要素投入、高环境成本的冗余状态，向低碳、节约、高效的理想状态迈进。资源节约型、环境友好型发展战略的提出和政策实施，减少了土地利用集约化提高对生态环境造成的负面影响。

黄河流域中游耕地利用强度格局表现出明显的空间分异特征，黄淮海平原区和黄土高原区南部由于水热条件、地形优势等先天的自然资源禀赋，随着农业现代化水平及经济技术的发展，耕地投入水平不断增强，尤以南部农业驱动型人口密集的地市表现明显，而北方干旱半干旱区和黄土高原区北部的耕地多位于黄土丘陵沟壑区，受气候条件、地形特征和水资源承载能力的限制，高标准农田建设难度大、成本高。也有部分地市如太原、临汾等受其工业经济主导的影响，耕地利用强度增长率低，仍有较大的增产空间[41]。2005-2015年，黄河流域中游耕地碳排放量随耕地利用强度同步上升，二者总体呈正相关，从弱脱钩转变为扩张负脱钩，空间格局上也呈现出“南部高，北部、西部低”的差异性，由于《农业机械化促进法》的颁布和沃土工程的实施，化肥、农机、农药等化学品被广泛应用于农业生产中，耕地碳排放随集约化水平逐步升高；2015—2020年，黄河流域中游耕地碳排放量与耕地利用强度间的关系过渡为强脱钩状态，呈碳排增长率低于耕地利用强度增长率的可持续发展模式。脱钩状态变化的原因或由于在东西部平衡战略[42]和“三农投资”政策支持下[43]，通过不断承接省市资本密集型和劳动密集型产业的转移[44]，产业结构向技术密集转型，生产方式更加高效、资源节约，建立了适宜于当地生态、经济、社会、文化可持续发展的产业组合。

根据以上研究，本文提出以下建议：

（1）分区施策，制定区域化耕地低碳发展政策。不同农业区、地市间脱钩关系存在明显差异，由于黄河流域中游地市在经济发展、资源禀赋以及产业结构方面存在差异性，在坚守粮食安全底线的前提下，分区域制定有针对性的耕地集约、碳减排策略尤为关键。

（2）加强北方干旱半干旱区的耕地保护与生态修复。北方干旱半干旱区由于退耕还林工程、水土流失等生态问题导致耕地流失严重[41]，大面积地区耕地利用效率低，耕地利用强度与碳排放之间呈弱脱钩状态，地方政策实施应注重耕地整理、耕地撂荒管控与适度转用、水土流失小流域综合治理，首要任务是加强农田基础设施建设，提升水土保持能力。

（3）优化黄土高原区强脱钩状态的可持续模式。黄土高原区由于其生态脆弱性、耕地细碎化特征，要想形成增产与生态保护协调稳定的发展关系，应继续优化种植结构、促进耕地规模化经营、加快土地流转来释放土地生态红利，推进由弱脱钩向强脱钩的转变。

（4）实现黄淮海平原区的耕地利用绿色化转型。黄淮海平原区等大面积高耕地利用效率地区是实施“藏粮于地、藏粮于技”战略的重点区域，面临农药化肥污染、土地退化和地下水衰退等问题，应通过政策引导来推广保护性耕作技术如秸秆还田、深耕，建立精准农业管理体系以合理控制高碳排区域的碳源。

（5）构建流域整体协调发展机制。为了推动区域协调发展和全流域耕地的可持续利用，应构建区域间协作机制：促进东中西部之间的农业技术交流和产业合作，鼓励区域间的农业产业链协作，强化农产品加工与市场对接，提升产业联动与经济技术集聚效应，并探索建立基于碳排放和生态效益的跨区域生态补偿机制，为低碳农业项目提供金融支持。