農(nóng)田減緩氣候變化潛力的統(tǒng)計計量與模型模擬.pdf

1、工業(yè)革命以來人類活動引起的溫室氣體排放量的急劇增加是引起全球氣候變化的主要原因，對各領(lǐng)域的溫室氣體減排是全球減緩氣候變化的主要途徑。據(jù)估計，全球農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量占人為溫室氣體排放總量的10％-12％，而農(nóng)業(yè)溫室氣體技術(shù)減排潛力占全球減排潛力的20％。2005年中國農(nóng)業(yè)共排放溫室氣體約8.2億噸二氧化碳當(dāng)量，占全國溫室氣體總排放的11％，同時約占全球農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放的13％-16％。所以，農(nóng)業(yè)在中國乃至全球的應(yīng)對氣候變化行動中應(yīng)當(dāng)發(fā)

2、揮重要的作用。因此，中國農(nóng)田溫室氣體排放與減排潛力的計量與評價成為中國農(nóng)業(yè)減緩氣候變化的重要課題。本論文從構(gòu)建中國農(nóng)田生產(chǎn)及溫室氣體數(shù)據(jù)庫出發(fā)，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計與模型相結(jié)合的研究方法，研究中國農(nóng)田溫室氣體排放及其減排潛力的統(tǒng)計計量與模型模擬，進(jìn)而探討農(nóng)田溫室氣體減排的總體潛力及技術(shù)途徑，為建立農(nóng)田溫室氣體排放計量方法及定量表征，并為國家農(nóng)田溫室氣體減排政策及技術(shù)選擇提供科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)果如下:
　　1.本文是基于中國農(nóng)作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、

3、國家耕地監(jiān)測點(diǎn)有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫和農(nóng)田長期試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行研究的。中國農(nóng)作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫是通過對中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒、中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本收益資料匯編、中國水利統(tǒng)計年鑒中數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集而建立的，主要包括各種農(nóng)作物播種面積、產(chǎn)量、化肥投入量、農(nóng)藥投入量、農(nóng)膜使用量、機(jī)械燃油用量和灌溉量，該數(shù)據(jù)庫用來計算農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡。國家耕地監(jiān)測點(diǎn)有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫包含299個國家級耕地監(jiān)測點(diǎn)近20余年的有機(jī)碳數(shù)據(jù)，這些耕地監(jiān)測點(diǎn)分布在全國各個區(qū)域，有著不同的種植制度，該數(shù)據(jù)庫

4、用來分析中國農(nóng)田表土有機(jī)碳近20余年的變化情況，還用來估算農(nóng)田表土固碳潛力。農(nóng)田長期試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫是通過搜集已發(fā)表文獻(xiàn)中長期試驗(yàn)數(shù)據(jù)搜集而建立的，該數(shù)據(jù)庫包括試驗(yàn)點(diǎn)地理信息、種植制度、管理模式、農(nóng)田投入等農(nóng)田基礎(chǔ)信息，還包括有機(jī)碳含量（試驗(yàn)開始前和結(jié)束時）、氧化亞氮和甲烷排放量、作物產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫主要用來估算農(nóng)田表土固碳潛力、開發(fā)DAYCENT甲烷子模型以及驗(yàn)證DAYCENT模型。
　　2.基于299個國家級耕地監(jiān)測點(diǎn)20余年有

5、機(jī)碳數(shù)據(jù)庫，分析了中國農(nóng)田表土有機(jī)碳近20年的變化情況，從而評價了農(nóng)業(yè)發(fā)展中土壤固碳趨勢。結(jié)果表明，全國約80％的監(jiān)測點(diǎn)有機(jī)碳年均相對變化幅度在-1.5％-7.5％之間。整體上，中國農(nóng)田呈固碳趨勢;其中，華北、華東和西南地區(qū)農(nóng)田表土固碳明顯。對旱地和稻田兩種管理模式下農(nóng)田有機(jī)碳數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，稻田和旱地有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)顯著的增加，而稻田有機(jī)碳含量增加的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目占監(jiān)測點(diǎn)總數(shù)的比例高于旱地，證實(shí)了我們對中國農(nóng)田近20多年來的土壤固碳趨勢

6、以及稻田固碳明顯強(qiáng)于旱地的認(rèn)識。同時，基于中國農(nóng)田表土有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫，本研究計算和比較了中國不同區(qū)域、不同類型的農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量。中國農(nóng)田袁土有機(jī)碳儲量為36.44tha-1，其中，西南地區(qū)農(nóng)田有機(jī)碳儲量最高，為42.96tha-1，而西北地區(qū)最低，為25.18tha-1。旱地有機(jī)碳平均密度為29.14tha-1，遠(yuǎn)低于稻田(43.73tha-1)。西南地區(qū)和東北地區(qū)旱地有機(jī)碳儲量最高，分別為38.45tha-1和36.43tha-1，

7、而華南地區(qū)稻田的有機(jī)碳密度最高，為55.97tha-1。
　　3.農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡是指在某個作物生長過程中由人為投入的生產(chǎn)資料或者器械使用所帶來的總的溫室氣體排放量，并以碳當(dāng)量(carbonequivalent，CE)來表示。本研究采用生命周期評價-碳足跡分析研究方法，基于中國農(nóng)作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，分析了農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡及其構(gòu)成的變化趨勢。中國農(nóng)作物生產(chǎn)單位面積的平均碳足跡為0.78±0.08tCEha-1yr-1，單位產(chǎn)量農(nóng)作物

8、的平均碳足跡為0.11±0.01tCEt-1yr-1。由肥料施用引起的溫室氣體排放占總碳足跡的60％，而氮肥施用量的變化可以解釋15年來碳足跡變化的97％。1993-2007年15年間，單位面積的碳足跡增加了49％，單位產(chǎn)量的碳足跡下降了21％。盡管作物產(chǎn)量與碳足跡呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，但2003-2007年單位碳投入的作物產(chǎn)量（碳利用效率）呈下降趨勢。該結(jié)果揭示了中國農(nóng)作物生產(chǎn)碳成本較高，而有著巨大的減排空間。中國水稻、小麥、玉米和大

9、豆生產(chǎn)單位面積的平均碳足跡分別為2472、794、781和222kgCEha-1，單位產(chǎn)量的碳足跡分別為0.37、0.14、0.12和0.1kgCEkg-1。旱作作物如小麥、玉米和大豆生產(chǎn)78％的碳足跡來自氮肥施用，氮肥施用引起的溫室氣體排放包括氮肥生產(chǎn)的間接溫室氣體排放和氧化亞氮的農(nóng)田直接排放;水稻生產(chǎn)的碳足跡主要來自甲烷排放的貢獻(xiàn)(69％)。不同區(qū)域間旱作作物碳足跡的差異主要是由于氮肥施用量的差異，而甲烷排放可以解釋85％的區(qū)域間水

10、稻碳足跡變異。減少這些作物化學(xué)氮肥施用量30％，可以產(chǎn)生每年60MtCO2-eq.（二氧化碳當(dāng)量，CO2-eq.，下同）的減排量，證實(shí)提高氮肥利用率是減少糧食生產(chǎn)碳足跡的重要途徑。
　　4.固碳減排計量是進(jìn)行減緩氣候變化的碳交易機(jī)制的基礎(chǔ)工作，而適合項(xiàng)目計量的計量方法學(xué)是實(shí)現(xiàn)交易的基礎(chǔ)工具。本研究以測土配方施肥項(xiàng)目為例，從邊界和基準(zhǔn)線的設(shè)定、碳庫和關(guān)鍵排放源的選取、固碳減排的計量方法等方面探討了基于碳交易的固碳減排計量方法學(xué)的編制

11、問題，提出了以常規(guī)施肥下溫室氣體排放量為基準(zhǔn)線，施肥下作物生長田塊為邊界，以有效氮施用帶來的氧化亞氮排放、稻田甲烷排放和施肥器械的排放為邊界內(nèi)關(guān)鍵排放源，確定肥料配方過程中的溫室氣體排放為泄漏，選擇農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫作為計量碳庫的一整套方法學(xué)理論框架，并提出了三種計量方法作為參考。
　　5.采用有機(jī)碳飽和極限法和生態(tài)恢復(fù)法估算了農(nóng)田生物物理（自然）固碳潛力，并采用情景法預(yù)測了國家規(guī)劃或工程建設(shè)計劃下農(nóng)田土壤固碳技術(shù)可達(dá)潛力。通過有機(jī)

12、碳儲量現(xiàn)狀與有機(jī)碳飽和容量或未開墾土壤有機(jī)碳儲量進(jìn)行對比得到農(nóng)田生物物理固碳潛力，而技術(shù)可達(dá)潛力則通過計算不同良好農(nóng)田管理模式下有機(jī)碳積累速率來實(shí)現(xiàn)。飽和極限法估算的中國農(nóng)田表土生物物理固碳潛力為2.21Pg，恢復(fù)法估算的生物物理潛力為2.95Pg。預(yù)測實(shí)施保護(hù)性耕作20年中國農(nóng)田固碳可達(dá)0.62Pg，實(shí)施配方施肥項(xiàng)目20年的固碳潛力為0.98Pg，兩項(xiàng)措施的綜合固碳潛力相當(dāng)于中國2007年溫室氣體總排放的40％到60％。因此，農(nóng)業(yè)發(fā)展

13、計劃下農(nóng)田固碳在中國減緩氣候變化中扮演著非常重要的角色。
　　6.稻田甲烷排放在農(nóng)業(yè)溫室氣體排放中占較大比例，因此，對稻田甲烷排放的準(zhǔn)確預(yù)測是稻田溫室氣體減排的重要依據(jù)。本文探討了生態(tài)系統(tǒng)模型DAYCENT用于預(yù)測稻田的甲烷排放，根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)、溫室氣體排放數(shù)據(jù)庫的實(shí)例數(shù)據(jù)，本研究開發(fā)驗(yàn)證了稻田甲烷排放子模型。該模型通過模擬土壤水熱狀況、水稻植株生長、土壤有機(jī)質(zhì)分解和甲烷由土壤向大氣的排放過程來模擬稻田甲烷化過程。使用97個中國稻

14、田試驗(yàn)點(diǎn)對模型進(jìn)行了開發(fā)和驗(yàn)證，其中25個試驗(yàn)點(diǎn)(91個觀測值)被用來進(jìn)行模型參數(shù)化，72個試驗(yàn)點(diǎn)(204個觀測值)被用來對模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過對比甲烷排放的模擬值與實(shí)測值，表明開發(fā)的DAYCENT甲烷子模型可以很好地模擬中國稻田甲烷排放(線性回歸的決定系數(shù)(R2)高達(dá)0.83）。模型靈敏度分析結(jié)果表明，該模型對與產(chǎn)甲烷基質(zhì)數(shù)量相關(guān)的參數(shù)最為敏感。
　　7.運(yùn)用DAYCENT模型及開發(fā)的DAYCENT甲烷子模型，模擬預(yù)測了中國農(nóng)田系

15、統(tǒng)不同管理模式下溫室氣體減排潛力。首先采用350個農(nóng)田點(diǎn)位的產(chǎn)量、有機(jī)碳和溫室氣體排放數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬值與實(shí)測值有很好的線性相關(guān)關(guān)系(R2值在0.71到0.85之間)。模擬效率最高的是作物產(chǎn)量(0.83)，有機(jī)碳變化的模擬效率最低(0.65)。繼之，用DAYCENT模型對不同管理模式下旱作系統(tǒng)和稻作系統(tǒng)的產(chǎn)量和溫室氣體排放進(jìn)行了模擬，并采用單位產(chǎn)量的溫室氣體排放量對不同管理模式的溫室氣體減排潛力進(jìn)行了評價。旱作系統(tǒng)在減少化學(xué)氮

16、肥施用、施用有機(jī)肥和少耕配合秸稈還田的管理模式比常規(guī)管理模式溫室氣體排放顯著的減少，在該模式下的不同輪作系統(tǒng)減排潛力為0.31-0.83MgCO2-eq.Mg-1。而稻作系統(tǒng)減排潛力最高的管理模式為減少化學(xué)氮肥施用配合間歇淹水管理，潛力為0.08-0.36MgCO2-eq.Mg-1。
　　本論文從數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，到計量和模擬方法的開發(fā)和應(yīng)用，完善了用于評價農(nóng)田溫室氣體排放及預(yù)測減排潛力的數(shù)據(jù)庫-計量方法-模型預(yù)測方法，發(fā)展了農(nóng)業(yè)碳計量