農(nóng)田減緩氣候變化潛力的統(tǒng)計(jì)計(jì)量與模型模擬.pdf

1、工業(yè)革命以來(lái)人類(lèi)活動(dòng)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(duì)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(jì)，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(guó)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(guó)溫室氣體總排放的11％，同時(shí)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(guó)乃至全球的應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)中應(yīng)當(dāng)發(fā)

2、揮重要的作用。因此，中國(guó)農(nóng)田溫室氣體排放與減排潛力的計(jì)量與評(píng)價(jià)成為中國(guó)農(nóng)業(yè)減緩氣候變化的重要課題。本論文從構(gòu)建中國(guó)農(nóng)田生產(chǎn)及溫室氣體數(shù)據(jù)庫(kù)出發(fā)，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)與模型相結(jié)合的研究方法，研究中國(guó)農(nóng)田溫室氣體排放及其減排潛力的統(tǒng)計(jì)計(jì)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(jì)量方法及定量表征，并為國(guó)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(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、

3、國(guó)家耕地監(jiān)測(cè)點(diǎn)有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫(kù)和農(nóng)田長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行研究的。中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)對(duì)中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒、中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本收益資料匯編、中國(guó)水利統(tǒng)計(jì)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(kù)用來(lái)計(jì)算農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡。國(guó)家耕地監(jiān)測(cè)點(diǎn)有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫(kù)包含299個(gè)國(guó)家級(jí)耕地監(jiān)測(cè)點(diǎn)近20余年的有機(jī)碳數(shù)據(jù)，這些耕地監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在全國(guó)各個(gè)區(qū)域，有著不同的種植制度，該數(shù)據(jù)庫(kù)

4、用來(lái)分析中國(guó)農(nóng)田表土有機(jī)碳近20余年的變化情況，還用來(lái)估算農(nóng)田表土固碳潛力。農(nóng)田長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)搜集已發(fā)表文獻(xiàn)中長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)搜集而建立的，該數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)始前和結(jié)束時(shí)）、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(kù)主要用來(lái)估算農(nóng)田表土固碳潛力、開(kāi)發(fā)DAYCENT甲烷子模型以及驗(yàn)證DAYCENT模型。
　　2.基于299個(gè)國(guó)家級(jí)耕地監(jiān)測(cè)點(diǎn)20余年有

5、機(jī)碳數(shù)據(jù)庫(kù)，分析了中國(guó)農(nóng)田表土有機(jī)碳近20年的變化情況，從而評(píng)價(jià)了農(nóng)業(yè)發(fā)展中土壤固碳趨勢(shì)。結(jié)果表明，全國(guó)約80％的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有機(jī)碳年均相對(duì)變化幅度在-1.5％-7.5％之間。整體上，中國(guó)農(nóng)田呈固碳趨勢(shì);其中，華北、華東和西南地區(qū)農(nóng)田表土固碳明顯。對(duì)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(cè)點(diǎn)數(shù)目占監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)的比例高于旱地，證實(shí)了我們對(duì)中國(guó)農(nóng)田近20多年來(lái)的土壤固碳趨勢(shì)

6、以及稻田固碳明顯強(qiáng)于旱地的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，基于中國(guó)農(nóng)田表土有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫(kù)，本研究計(jì)算和比較了中國(guó)不同區(qū)域、不同類(lèi)型的農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。中國(guó)農(nóng)田袁土有機(jī)碳儲(chǔ)量為36.44tha-1，其中，西南地區(qū)農(nóng)田有機(jī)碳儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)作物生長(zhǎng)過(guò)程中由人為投入的生產(chǎn)資料或者器械使用所帶來(lái)的總的溫室氣體排放量，并以碳當(dāng)量(carbonequivalent，CE)來(lái)表示。本研究采用生命周期評(píng)價(jià)-碳足跡分析研究方法，基于中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，分析了農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡及其構(gòu)成的變化趨勢(shì)。中國(guó)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(lái)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(shì)。該結(jié)果揭示了中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)碳成本較高，而有著巨大的減排空間。中國(guó)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(lái)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(lái)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(jì)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(jì)量的計(jì)量方法學(xué)是實(shí)現(xiàn)交易的基礎(chǔ)工具。本研究以測(cè)土配方施肥項(xiàng)目為例，從邊界和基準(zhǔn)線的設(shè)定、碳庫(kù)和關(guān)鍵排放源的選取、固碳減排的計(jì)量方法等方面探討了基于碳交易的固碳減排計(jì)量方法學(xué)的編制

11、問(wèn)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(zhǎng)田塊為邊界，以有效氮施用帶來(lái)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(guò)程中的溫室氣體排放為泄漏，選擇農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)作為計(jì)量碳庫(kù)的一整套方法學(xué)理論框架，并提出了三種計(jì)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(cè)了國(guó)家規(guī)劃或工程建設(shè)計(jì)劃下農(nóng)田土壤固碳技術(shù)可達(dá)潛力。通過(guò)有機(jī)

12、碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀與有機(jī)碳飽和容量或未開(kāi)墾土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行對(duì)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(guò)計(jì)算不同良好農(nóng)田管理模式下有機(jī)碳積累速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。飽和極限法估算的中國(guó)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(cè)實(shí)施保護(hù)性耕作20年中國(guó)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(guó)2007年溫室氣體總排放的40％到60％。因此，農(nóng)業(yè)發(fā)展

13、計(jì)劃下農(nóng)田固碳在中國(guó)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(duì)稻田甲烷排放的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(cè)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(kù)的實(shí)例數(shù)據(jù)，本研究開(kāi)發(fā)驗(yàn)證了稻田甲烷排放子模型。該模型通過(guò)模擬土壤水熱狀況、水稻植株生長(zhǎng)、土壤有機(jī)質(zhì)分解和甲烷由土壤向大氣的排放過(guò)程來(lái)模擬稻田甲烷化過(guò)程。使用97個(gè)中國(guó)稻

14、田試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，其中25個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(91個(gè)觀測(cè)值)被用來(lái)進(jìn)行模型參數(shù)化，72個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(204個(gè)觀測(cè)值)被用來(lái)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比甲烷排放的模擬值與實(shí)測(cè)值，表明開(kāi)發(fā)的DAYCENT甲烷子模型可以很好地模擬中國(guó)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(duì)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(kāi)發(fā)的DAYCENT甲烷子模型，模擬預(yù)測(cè)了中國(guó)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(gè)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(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬值與實(shí)測(cè)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(duì)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(duì)不同管理模式的溫室氣體減排潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。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(kù)構(gòu)建，到計(jì)量和模擬方法的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，完善了用于評(píng)價(jià)農(nóng)田溫室氣體排放及預(yù)測(cè)減排潛力的數(shù)據(jù)庫(kù)-計(jì)量方法-模型預(yù)測(cè)方法，發(fā)展了農(nóng)業(yè)碳計(jì)量