Interannual Variations of Carbon Absorption and Emission of Farmland Ecosystem in Tianjin

LIMengqi, ZHANGHui, ZHAOJie, WANGLiyan, DONGYuchen, XIAOHui

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (14) : 159-164. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0424

Interannual Variations of Carbon Absorption and Emission of Farmland Ecosystem in Tianjin

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Abstract

Based on the statistics of main crop yield, commonly cultivated area, effective irrigation area, and the application amount of fertilizers, pesticides, agricultural film and diesel oil in Tianjin farmland ecosystem from 2010 to 2020, we estimated the carbon absorption and emission, in order to provide reference data for carbon sequestration and emission reduction in Tianjin farmland. The results indicated that the total carbon absorption of Tianjin farmland ecosystem was relatively stable from 2010 to 2020, with an annual average of 4.34 million tons. Among food crops, maize and wheat accounted for the highest proportion of carbon absorption, and showed a gradual increasing tendency. The total carbon emissions from farmland decreased year by year, from 328800 tons in 2010 to 142500 tons in 2020, with a total decrease of about 57%. Among the carbon emission sources, fertilizers accounted for the highest proportion of carbon emission, and basically decreased year by year. Diesel and agricultural film were the second largest emission source after fertilizers, and their carbon emissions decreased year by year. The carbon absorption of Tianjin farmland ecosystem was significantly higher than the carbon emission, indicating that the ecosystem had a strong carbon sink function. The annual change of the net carbon sink was not significant, with an annual average of 4.08 million tons.

Key words

farmland ecosystem / carbon absorption / carbon emission / carbon sink / Tianjin

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LI Mengqi , ZHANG Hui , ZHAO Jie , WANG Liyan , DONG Yuchen , XIAO Hui. Interannual Variations of Carbon Absorption and Emission of Farmland Ecosystem in Tianjin. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2023, 39(14): 159-164 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2022-0424

0 引言

工业革命以来,由于化石燃料的燃烧和土地利用变化等,大气中二氧化碳(CO2)等温室气体的浓度显著升高[1],温室气体引起的气候变化已成为全球十大环境问题之一。政府也提出了“碳达峰、碳中和”的目标。
农业是温室气体的重要来源之一,农田生态系统CO2排放量占人为温室气体排放量的21%~25%[2]。在整个生态系统中,农田生态系统是最活跃的碳库[3],具有极大的固碳潜力[4-5],且可以在最短时间内通过人为因素加以调节[6]。农田既是全球重要的温室气体排放源,同时又是巨大的碳汇。
对农业碳吸收和碳排放进行全面测算,明确其变化特点,是研究农业固碳减排问题的基础[7]。刘欣铭等[8]对多省农田碳排放时空差异进行研究,表明研究年度大部分省的地均碳排放呈上升趋势。李玉波等[9]对吉林农田碳足迹的研究表明,当地碳吸收和碳排放均呈逐年增长的趋势,存在碳生态盈余。林克涛等[10]对福建农田碳汇时空格局的研究显示当地农田植被表现为碳汇功能。虽然有不少研究者参与到碳收支相关研究中来,但是农田生态系统碳源、碳汇的综合估算和评价方面的研究仍相对较少,针对天津农田的研究更微乎其微。
本研究根据前人对全国或区域农田生态系统碳收支的研究,结合天津市2010—2020年农作物经济产量、常用耕地面积、有效灌溉面积、农业生产投入等相关统计资料,估算天津农田生态系统碳吸收量和碳排放量,探究农田生态系统碳源/汇的年度变化趋势,为实现天津农田固碳减排、区域低碳农业发展提供参考和数据支持。

1 材料与方法

1.1 数据来源

2010—2020年天津农田生态系统主要农作物产量、常用耕地面积、有效灌溉面积、化肥施用量、农药、农膜、柴油使用量等统计数据来源于相关年度《天津统计年鉴》《中国统计年鉴》《中国农村统计年鉴》。

1.2 研究方法

农田生态系统碳循环总体来说包括碳的固定、贮存和释放[2]。由于数据来源的局限性,结合天津农业的具体情况,在估算农田生态系统碳排放与碳吸收时,以农田生产的技术系统为边界,对碳吸收和碳排放分别估算,碳吸收只考虑作物整个生产过程中最终表现的生物量上所能吸收的碳,碳排放只考虑农用物资投入、能源消耗等引起的间接排放。

1.2.1 农田生态系统碳吸收估算

参照李克让[11]的估算方法,根据农作物产量数据、经济系数和碳吸收率进行估算。结合天津实际农作物种植情况,将研究的作物种类限定为以下几种(表1)。农田生态系统中碳吸收的计算见式(1)。
表1 天津主要农作物的经济系数和碳吸收率
主要农作物 经济系数 碳吸收率
小麦 0.40 0.4853
玉米 0.40 0.4709
水稻 0.45 0.4144
棉花 0.10 0.4500
蔬菜 0.65 0.4500
Ct=iCd=iCfDw=iCfYwH
(1)
式中,Ct—农田生态系统碳吸收总量,i—第i类农作物,Cd—第i类农作物全生育期的碳吸收量,Cf—第i类农作物合成单位质量干物质需要吸收的碳(碳吸收率),Dw—第i类农作物的总生物量,Yw—第i类农作物的经济产量,H—第i类农作物的经济系数。主要农作物碳吸收率(Cf)和经济系数(H)见表1
农田碳吸收强度以单位耕地面积碳吸收量计算。

1.2.2 农田生态系统碳排放估算

农田利用碳排放的主要来源有:化肥、农药、农膜的生产和使用导致的直接或间接碳排放,农业机械消耗柴油产生的碳排放,灌溉过程中消耗电能所产生的碳排放等。农田生态系统中碳排放计算见式(2)。
C=Ci=Tiδi
(2)
式中,C—农田生态系统碳排放总量,Ci—各碳源的碳排放量,Ti—各碳排放源的量,δi—各碳排放源的碳排放系数。参考West等[12]、孟成民等[13]、田志会等[14]、王敬哲等[15]、Dubey等[16]的研究参数,确定本研究使用的碳排放系数。氮肥、磷肥、钾肥和复合肥的碳排放系数分别为857.54、165.09、120.28 kg/t和380.97 kg/t,农药、农膜、柴油的碳排放系数分别为4.93、5.18、0.5927 kg/kg,灌溉的碳排放系数为25 kg/hm2
农田碳排放强度以单位耕地面积碳排放量计算。

2 结果与分析

2.1 农田生态系统碳吸收变化

根据2010—2020年统计数据,计算得到天津农田生态系统主要农作物碳吸收情况(表2)。近10年天津农田生态系统碳吸收总量相对稳定,略有起伏。2015年碳吸收量最低,为414.08万t,碳吸收强度也是2015年最低,为10.63 t/hm2。碳吸收强度前几年相对平稳,2014、2015年有所降低,2016年开始持续增长,2020年达到历年最高值12.39 t/hm2图1)。
表2 2010—2020年天津农田生态系统主要农作物碳吸收量 万t
年份 玉米 小麦 水稻 棉花 蔬菜 总量
2010 109.40 63.84 10.31 27.18 238.11 448.85
2011 111.39 64.68 9.85 31.05 233.09 450.06
2012 109.17 66.32 10.31 24.48 230.25 440.53
2013 120.67 67.89 11.88 20.43 222.73 443.60
2014 119.84 69.41 11.14 15.93 214.36 430.69
2015 126.93 70.44 10.41 10.58 195.73 414.08
2016 139.73 71.46 18.42 9.45 189.99 429.05
2017 140.43 75.72 24.22 11.16 186.65 438.19
2018 130.14 69.31 34.44 8.24 175.83 417.97
2019 135.60 73.37 39.51 8.15 168.08 424.69
2020 129.14 76.26 46.23 4.59 184.48 440.71
图1 天津农田生态系统碳吸收总量及吸收强度年度变化

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粮食作物中玉米的碳吸收量占比最高,约为总量的24%~33%,且整体上呈增长趋势。2010年玉米碳吸收量为109.40万t,2020年为129.14万t,增加18%。小麦的碳吸收量占比约为14%~18%,除2018年外,吸收量均比前一年增长,2010年到2020年增幅19%。水稻的碳吸收量占比约为2%~11%,2010—2015年变化不大,2016年开始有了明显增长,2016—2020年水稻碳吸收量增长率分别为77%、32%、42%、15%、17%。棉花的碳吸收量整体呈下降趋势,2020年碳吸收量仅为2010年的17%。蔬菜的碳吸收量占比约39%~53%,整体平稳略有降低。

2.2 农田生态系统碳排放变化

根据2010—2020年统计数据,计算得到天津农田生态系统碳排放情况(表3)。天津农田生态系统碳排放总量逐年降低,由2010年的32.88万t降到2020年的14.25万t,降幅约57%。其中2017年和2018年碳排放量降幅最高,分别为13%和35%。农田碳排放强度也逐年降低(图2),从2010年的0.82 t/hm2降到2020年的0.40 t/hm2,降幅51%。其中2018年降幅最高,为32%。
表3 2010—2020年天津农田生态系统碳排放量 万t
年份 氮肥 磷肥 钾肥 复合肥 农药 农膜 柴油 灌溉 总量
2010 10.12 0.64 0.19 2.93 1.83 6.22 10.08 0.86 32.88
2011 9.78 0.64 0.20 2.82 1.87 6.51 9.42 0.85 32.09
2012 9.52 0.66 0.20 2.93 1.88 6.42 9.48 0.84 31.94
2013 9.60 0.63 0.22 2.90 1.79 6.68 9.07 0.77 31.66
2014 9.09 0.58 0.20 2.86 1.80 6.36 9.07 0.77 30.72
2015 8.58 0.53 0.18 2.70 1.74 5.47 9.19 0.77 29.15
2016 7.72 0.48 0.18 3.16 1.63 6.03 8.83 0.77 28.80
2017 5.66 0.38 0.18 2.90 1.16 5.65 8.30 0.76 24.99
2018 4.80 0.33 0.16 3.05 1.08 4.70 1.30 0.76 16.18
2019 4.54 0.31 0.14 2.97 1.07 4.19 1.24 0.76 15.25
2020 4.20 0.31 0.14 2.78 0.98 3.90 1.19 0.75 14.25
图2 天津农田生态系统碳排放总量及排放强度年度变化

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化肥的碳排放占比最高(图3),为36%~53%,碳排放量基本上逐年降低,由2010年13.89万t降到2020年7.44万t,降幅46%。2017年化肥碳排放降幅最高,为21%。在化肥中,氮肥的碳排放量最高,其次是复合肥,磷肥和钾肥的碳排放量相对低一些。氮肥的碳排放量呈逐年下降的趋势,2010年为10.12万t,2020年仅为4.20万t,降幅58%,2016—2018年降幅最高,分别为10%、27%、15%。磷肥的碳排放量也基本逐年降低,总降幅51%,2017年和2018年降幅最高,为21%和13%。钾肥的碳排放量变化不大,仅2018年开始有所降低。复合肥碳排放量有所波动但整体变化不大。
图3 2010—2020年天津农田生态系统各类碳排放源碳排放情况

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除化肥外,农膜和柴油的碳排放量也相对较高。柴油的碳排放量呈下降趋势,由2010年的10.08万t降低到了2020年的1.19万t,总降幅88%。其中2010—2017年柴油碳排放量呈缓慢下降趋势,2018年急剧降低,由2017年8.30万t降到1.30万t,柴油碳排放量仅为前一年的16%。农膜的碳排放量占比18%~29%,整体呈下降趋势,2010年为6.22万t,2020年为3.90万t,降幅37%。农药碳排放量占比4%~7%,2010—2015年有所浮动整体稳定,2016年开始逐年降低,2017年降幅最高,达29%。灌溉的碳排放量占比2%~5%,基本上逐年下降,但下降幅度较小。

2.3 农田生态系统净碳汇变化

根据2010—2020年天津农田碳吸收量和碳排放量,计算得到农田生态系统净碳汇情况(图4)。天津农田生态系统为碳汇,净碳汇年度变化不大,平均净碳汇为408.23万t。2015年净碳汇最低,为384.93万t,2020年净碳汇最高,为426.45万t。
图4 2010—2020年天津农田生态系统净碳汇情况

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3 讨论

3.1 碳吸收特征和影响因素

农作物通过光合作用吸收大气中的CO2合成有机物,从而实现碳的固定。不同作物本身的固碳能力不同。土壤利用方式、种植结构以及气候条件等均会影响农作物的碳吸收情况。
如佘玮等[17]的研究表明华北地区主要农作物生态系统净生产力为:玉米(3141 kg/hm2)>小麦(2334 kg/hm2),碳吸收总量63.05 Tg,主要由小麦和玉米贡献,分别占总量的45.14%和54.86%;西北地区净生产力为水稻(5174 kg/hm2)>玉米(3766 kg/hm2)>大豆(2164 kg/hm2),碳吸收总量32.93 Tg,主要由小麦、玉米和马铃薯贡献,分别占总量的42.30%、30.39%和17.69%。
天津2010—2020年农田生态系统碳吸收总量整体上变化不大,但是比重有所变化,可能与作物种植面积的调整有关。粮食作物中玉米碳吸收量占比最高、小麦次之,约为总量的24%~33%和14%~18%,且整体上均呈平缓增长趋势。水稻的碳吸收量占比约为2%~11%,2016年开始明显增长。棉花的碳吸收量整体呈下降趋势,总降幅83%。蔬菜的碳吸收量占比最高,整体平稳略有降低。碳吸收的增加表明了农作物产量的提高。天津市对种粮农民实施的种粮直补等一系列惠农政策,调动和巩固了农民种粮积极性,农技人员引进大量优质粮食新品种,增加了单产,均促进了粮食作物产量的增加。小站稻曾因天津水量减少而逐渐衰落,随着天津水源条件的改善,小站稻种植面积从2016年开始迅速增加,但生产规模和稻米品质并不令人满意。为了进一步做大、做优小站稻这一特色品牌,天津制定了小站稻产业振兴方案,正在稳步实施中。棉花产量的下降可能是由于国家取消棉花临时收储政策,以及农业区域布局的调整。蔬菜产量的高占比体现了天津都市型农业的特点。天津推进设施农业建设,保障“菜篮子”产品供应,打造“津农精品”,开展休闲农业和乡村旅游,聚力打造现代都市型农业升级版。
天津农田生态系统碳吸收强度前几年相对平稳,2016年开始持续增长。碳吸收强度的增加意味着单位面积作物产量的增加。2016年开始,天津重视落实和推进农业供给侧结构性改革,优化农业生产结构和区域布局,加快农业科技创新与推广,推进农业信息化建设,加大人才扶持力度,这些政策有效推进了天津农业的提质增效。作物品质的提升,耕作技术的提高,均有效提升了作物的单产。

3.2 碳排放特征和影响因素

在农田生态系统中,碳的直接排放主要包括植物和土壤的呼吸作用,除直接排放外,人类活动引起了大量的间接排放。人类对农田利用引起的碳排放主要来自于:化肥、农药、农膜的生产和使用,农业机械消耗柴油产生的碳排放,灌溉过程中消耗电能所产生的碳排放等。
天津农田生态系统碳排放总量逐年降低,2010—2020年降幅约57%。农田碳排放强度也逐年降低,总降幅51%。天津农田的各碳排放源中,化肥的碳排放占比最高,在化肥中氮肥的排放量占比最高。化肥生产过程中需要消耗大量化石能源,尤其是氮肥,IPCC报告指出农业温室气体排放量中70%和氮肥的制造与使用有关。天津近10 a化肥的碳排放量基本上逐年降低,其中氮肥和磷肥的碳排放量也呈逐年下降的趋势,并且均在2017年有最高的降幅。柴油和农膜是仅次于化肥的排放源。柴油的碳排放量呈下降趋势,在2018年有急剧降低。农膜的碳排放量基本上稳步下降。农药碳排放量占比4%~7%,前期稳定后期降低,2017年有最高降幅。灌溉的碳排放量占比2%~5%,基本上逐年下降,但下降幅度较小。碳排放量的降低表明近10 a天津化肥、柴油、农膜、农药的使用量都有不同程度的降低。天津推进农药零增长行动、推行化肥减量增效新模式、开展农膜回收利用、推广物联网智慧农业管理模式,在促进农业节本增效方面取得明显效果。
杭晓宁等[18]的研究结果显示,重庆市2010—2015年碳排放中氮肥占比最高,各排放源中仅有农药有明显下降趋势。白义鑫等[19]的研究表明,贵州喀斯特农田生态系统2010—2016年碳排放中化肥排放量最高,其次是农膜,并且二者均逐年增加。从吴晓华等[20]的研究可以看出,黑龙江省农田生态系统2010—2017年碳排放中,化肥和翻耕占比最高,化肥、农药、农膜的排放量均为先增加后降低的趋势。不同地区的水热等生态环境间存在明显差异,从而造成农作物覆盖面积和栽培模式的不同,最终使得区域间农田生态系统的碳吸收各异[21]。为了增加农作物播种面积和单产,化肥、农膜、农药、灌溉的投入也会随之加大,进而导致碳排放量的上涨;柴油的排放量增加反映了农用机械的使用增加。各碳源排放量降低得益于国家出台的一系列绿色农业政策,有效促进了农业的节本增效。不同地区碳排放量变化趋势的不同也是农业不同发展阶段的体现。

3.3 碳汇及影响因素

2010—2020年天津农田生态系统的碳吸收明显大于碳排放,具有较强的碳汇功能。净碳汇的年度变化不明显。为了维持或增强农田碳汇,一方面需要培育优良品种,改善土壤质量,从而提高农作物产量,增强农田碳吸收;另一方面需要积极推行生态农业建设,合理使用化肥、农药、农膜和柴油,推进节水灌溉和农业废弃物资源化利用,从而实现节本增效,减少农田碳排放。

4 结论

本研究以天津农田生态系统为研究对象,通过收集数据,估算了2010—2020年天津农田生态系统碳收支情况,结果如下。
(1)2010—2020年天津农田生态系统碳吸收总量相对稳定,略有起伏。粮食作物中玉米和小麦的碳吸收量占比最高,约为总量的24%~33%和14%~18%,且整体上均呈平缓增长趋势。水稻的碳吸收量占比约为2%~11%,2016年开始明显增长。棉花的碳吸收量整体呈下降趋势,总降幅83%。蔬菜的碳吸收量整体平稳略有降低。
(2)2010—2020年天津农田生态系统碳排放总量逐年降低,降幅约57%。各碳排放源中,化肥的碳排放占比最高,且基本上逐年降低。柴油和农膜是仅次于化肥的排放源,碳排放量均逐年降低。农药碳排放量占比4%~7%,前期稳定后期降低。灌溉的碳排放量占比2%~5%,基本上逐年下降,但下降幅度较小。
(3)2010—2020年天津农田生态系统的碳吸收明显大于碳排放,具有较强的碳汇功能。净碳汇的年度变化不明显。
在对碳收支的估算中,计算方法和参数的选择尚无统一标准,会对结果有一定程度的影响。因为农田生态系统中碳直接排放的统计资料获得较为困难,本研究并未对此部分碳排放进行估算,在今后的研究中,还有待进一步完善。

References

[1]
宋冰, 牛书丽. 全球变化与陆地生态系统碳循环研究进展[J]. 西南民族大学学报(自然科学版), 2016, 42(1):14-23.
[2]
张赛, 王龙昌. 全球变化背景下农田生态系统碳循环研究[J]. 农机化研究, 2013(1):4-9.
[3]
祁兴芬. 基于低碳经济的山东省德州市农田生态系统碳汇估算[J]. 水土保持通报, 2013, 33(1):157-161.
[4]
韩冰, 王效科, 欧阳志云. 中国农田生态系统土壤碳库的饱和水平及其固碳潜力[J]. 农村生态环境, 2005, 21(4):6-11.
[5]
LAL R. Carbon sequestration in dry land[J]. Annual arid zone, 2000, 39(1):1-10.
[6]
潘根兴, 赵其国. 我国农田土壤碳库演变研究:全球变化和国家粮食安全[J]. 地球科学进展, 2005, 20(4):384-394.
《京都议定书》已于2005年生效,我国面临着CO<sub>2</sub>减排的巨大压力。分析了我国农业土壤有机碳库及其演变研究的现状,认为当前我国农业在耕地资源严重短缺、耕地地力趋于下降的背景下面临着2个巨大挑战:提高和稳定粮食生产能力与补偿日益增加的工业CO<sub>2</sub>排放。有机碳贫乏作为我国耕地土壤的基本特点,这一方面提供了我国较大的固碳空间,另一方面也体现了我国实施固碳农业的必要性和紧迫性。目前迫切需要了解我国农业土壤在最近20年来的碳库演变态势与规模,明确我国农业土壤的固碳潜力与容量,在国家层面上实施农业固碳稳产工程,以在农业可持续发展和争取国家CO<sub>2</sub>排放的较大配额上实现双嬴。 
[7]
何艳秋, 陈柔, 吴昊玥, 等. 中国农业碳排放空间格局及影响因素动态研究[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(9):1269-1282.
[8]
刘欣铭, 孙丽, 王康, 等. 中国省域农田生态系统碳排放时空差异及公平性研究[J]. 湖南师范大学自然科学学报, 2019, 42(2):23-30.
[9]
李玉波, 刘国辉, 许清涛, 等. 吉林省农田生态系统碳源/汇及碳足迹分析[J]. 白城师范学院学报, 2020, 34(5):37-44.
[10]
林克涛, 陈杨, 叶颉, 等. 福建省农田植被净碳汇时空格局分析[J]. 宁德师范学院学报(自然科学版), 2021, 33(4):414-423.
[11]
李克让. 土地利用变化和温室气体净排放与陆地生态系统碳循环[M]. 北京: 气象出版社, 2002:260-261.
[12]
WEST T O, MARLAND G. A synthesis of carbon sequestration, carbon emissions, and net carbon flux in agriculture: Comparing tillage practices in the United States[J]. Agriculture, ecosystems and environment, 2002(91):217-232.
[13]
孟成民, 王建武. 广东省农田生态系统碳足迹时空差异分析[J]. 广东农业科学, 2014(9):174-178.
[14]
田志会, 马晓燕, 刘瑞涵. 北京市农田生态系统碳足迹及碳生态效率的年际变化研究[J]. 农业资源与环境学报, 2015, 32(6):603-612.
[15]
王敬哲, 刘志辉, 张波. 近20年新疆农田生态系统碳足迹时空变化[J]. 干旱地区农业研究, 2016, 34(5):240-248.
[16]
DUBEY A, LAL R. Carbon footprint and sustainability of agricultural production systems in Punjab, India, and Ohio, USA[J]. Crop improvement, 2009(23):332-350.
[17]
佘玮, 黄璜, 官春云, 等. 我国典型农作区作物生产碳汇功能研究[J]. 中国工程科学, 2016, 18(1):106-113.
[18]
杭晓宁, 张健, 胡留杰, 等. 2006—2015年重庆市农田生态系统碳足迹分析[J]. 湖南农业大学学报(自然科学版), 2018, 44(5):524-531.
[19]
白义鑫, 盛茂银, 胡琪娟, 等. 贵州喀斯特农田生态系统碳足迹时空差异研究[J]. 四川农业大学学报, 2019, 37(5):685-694.
[20]
吴晓华, 贺萍. 黑龙江省农田生态系统减排增汇研究[J]. 黑龙江八一农垦大学学报, 2021, 33(4):106-112.
[21]
康霞. 甘肃省农田生态系统碳收支动态[J]. 中国沙漠, 2018, 38(6):1237-1242.
量化分析了甘肃省兰州、天水、庆阳、定西、金昌和嘉峪关及甘南藏族自治州7个地区的农田生态系统主要作物碳吸收、排放的动态变化。结果显示:研究区2007—2014年的农田生态系统碳吸收总量为1.67~61.18万t,年均增加率3.31%~18.10%。农田生态系统的碳吸收强度最大的是嘉峪关,其次是兰州;碳吸收强度最小的是定西,为0.62 t&#183;hm<sup>-2</sup>&#183;a<sup>-1</sup>。2007—2014年,兰州、天水、庆阳、定西、金昌、嘉峪关、甘南的农田生态系统的年均净碳源强度分别为-0.254、-0.241、-0.196、-0.221、-0.005、0.163、-0.042 t&#183;hm<sup>-2</sup>。
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