本文關(guān)鍵詞：農(nóng)田減緩氣候變化潛力的統(tǒng)計計量與模型模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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)當發(fā)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、國家耕地監(jiān)測點有機碳數(shù)據(jù)庫和農(nóng)田長期試驗數(shù)據(jù)庫進行研究的。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)測點有機碳數(shù)據(jù)庫包含299個國家級耕地監(jiān)測點近20余年的有機碳數(shù)據(jù),這些耕地監(jiān)測點分布在全國各個區(qū)域,有著不同的種植制度,該數(shù)據(jù)庫用來分析中國農(nóng)田表土有機碳近20余年的變化情況,還用來估算農(nóng)田表土固碳潛力。農(nóng)田長期試驗數(shù)據(jù)庫是通過搜集已發(fā)表文獻中長期試驗數(shù)據(jù)搜集而建立的,該數(shù)據(jù)庫包括試驗點地理信息、種植制度、管理模式、農(nóng)田投入等農(nóng)田基礎(chǔ)信息,還包括有機碳含量(試驗開始前和結(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甲烷子模型以及驗證DAYCENT模型。 2.基于299個國家級耕地監(jiān)測點20余年有機碳數(shù)據(jù)庫,分析了中國農(nóng)田表土有機碳近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)測點有機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)田有機碳數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,稻田和旱地有機碳含量均呈現(xiàn)顯著的增加,而稻田有機碳含量增加的監(jiān)測點數(shù)目占監(jiān)測點總數(shù)的比例高于旱地。證實了我們對中國農(nóng)田近20多年來的土壤固碳趨勢以及稻田固碳明顯強于旱地的認識。同時,基于中國農(nóng)田表土有機碳數(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)田土壤有機碳儲量。中國農(nóng)田表土有機碳儲量為36.44tha-1,其中,西南地區(qū)農(nóng)田有機碳儲量最高,為42.96tha-1,而西北地區(qū)最低,為25.18tha-1。旱地有機碳平均密度為29.14tha-1,遠低于稻田(43.73tha-1)。西南地區(qū)和東北地區(qū)旱地有機碳儲量最高,分別為38.45tha-1和36.43tha-1,而華南地區(qū)稻田的有機碳密度最高,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,并以碳當量(carbon equivalent, 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±0.08t CE ha-1yr-1,單位產(chǎn)量農(nóng)作物的平均碳足跡為0.11±0.01t CE t-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、玉米和大豆生產(chǎn)單位面積的平均碳足跡分別為2472、794、781和222kg CE ha-1,單位產(chǎn)量的碳足跡分別為0.37、0.14、0.12和0.1kg CE kg-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(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)域間水稻碳足跡變異。減少這些作物化學氮肥施用量30%,可以產(chǎn)生每年60Mt CO2-eq.(二氧化碳當量,CO2-eq.,下同)的減排量,證實提高氮肥利用率是減少糧食生產(chǎn)碳足跡的重要途徑。 4.固碳減排計量是進行減緩氣候變化的碳交易機制的基礎(chǔ)工作,而適合項目計量的計量方法學是實現(xiàn)交易的基礎(chǔ)工具。本研究以測土配方施肥項目為例,從邊界和基準線的設(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的編制問題,提出了以常規(guī)施肥下溫室氣體排放量為基準線,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)田土壤有機碳庫作為計量碳庫的一整套方法學理論框架,并提出了三種計量方法作為參考。 5.采用有機碳飽和極限法和生態(tài)恢復法估算了農(nóng)田生物物理(自然)固碳潛力,并采用情景法預測了國家規(guī)劃或工程建設(shè)計劃下農(nóng)田土壤固碳技術(shù)可達潛力。通過有機碳儲量現(xiàn)狀與有機碳飽和容量或未開墾土壤有機碳儲量進行對比得到農(nóng)田生物物理固碳潛力,而技術(shù)可達潛力則通過計算不同良好農(nóng)田管理模式下有機碳積累速率來實現(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,恢復法估算的生物物理潛力為2.95Pg。預測實施保護性耕作20年中國農(nóng)田固碳可達0.62Pg,實施配方施肥項目20年的固碳潛力為0.98Pg,兩項措施的綜合固碳潛力相當于中國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確預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用于預測稻田的甲烷排放,根據(jù)土壤有機質(zhì)、溫室氣體排放數(shù)據(jù)庫的實例數(shù)據(jù),本研究開發(fā)驗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個中國稻田試驗點對模型進行了開發(fā)和驗證,其中25個試驗點(91個觀測值)被用來進行模型參數(shù)化,72個試驗點(204個觀測值)被用來對模型進行驗證。通過對比甲烷排放的模擬值與實測值,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.運用DAYCENT模型及開發(fā)的DAYCENT甲烷子模型,模擬預測了中國農(nóng)田系統(tǒng)不同管理模式下溫室氣體減排潛力。首先采用350個農(nóng)田點位的產(chǎn)量、有機碳和溫室氣體排放數(shù)據(jù)對模型進行了驗證。模擬值與實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行了評價。旱作系統(tǒng)在減少化學氮肥施用、施用有機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0.31-0.83Mg CO2-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氮肥施用配合間歇淹水管理,潛力為0.08-0.36Mg CO2-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測減排潛力的數(shù)據(jù)庫-計量方法-模型預測方法,發(fā)展了農(nóng)業(yè)碳計量方法學,構(gòu)建了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡計量評價分析框架,并提出了中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高碳投入與低碳效率特征,揭示了農(nóng)田生產(chǎn)的溫室氣體減排潛力及技術(shù)途徑,為中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)固碳減排提供了科學依據(jù)和技術(shù)支撐。
【關(guān)鍵詞】：農(nóng)田生產(chǎn) 溫室氣體 碳計量 固碳潛力 DAYCENT 生態(tài)系統(tǒng)模型
【學位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：S181
【目錄】：

• 目錄5-9
• 摘要9-13
• ABSTRACT13-18
• 第一章 文獻綜述18-32
• 1.1 全球氣候變化與溫室氣體排放18-19
• 1.2 中國農(nóng)田的溫室氣體排放與減排19-23
• 1.3 農(nóng)田固碳減排的計量方法23-30
• 1.3.1 碳足跡23-24
• 1.3.2 對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析24-27
• 1.3.3 基于碳交易的固碳減排計量方法27-28
• 1.3.4 生態(tài)系統(tǒng)模型28-30
• 1.4 研究目的、內(nèi)容與技術(shù)路線30-32
• 1.4.1 研究目的30
• 1.4.2 研究內(nèi)容30-31
• 1.4.3 技術(shù)路線31-32
• 第二章 中國農(nóng)田表土有機碳變化特征32-40
• 2.1 引言32
• 2.2 材料與方法32-33
• 2.2.1 土壤有機碳年平均相對變化幅度計算32
• 2.2.2 土壤有機碳儲量現(xiàn)狀的計算32
• 2.2.3 數(shù)據(jù)來源32-33
• 2.3 結(jié)果與分析33-39
• 2.3.1 1980年以來中國農(nóng)田表土有機碳總體變化特征33-34
• 2.3.2 中國不同地理區(qū)域農(nóng)田表土有機碳含量變化特征34-35
• 2.3.3 早地和稻田的有機碳含量變化特征35-36
• 2.3.4 農(nóng)田主要土壤類型土壤有機碳含量變化特征36-37
• 2.3.5 不同種植制度下農(nóng)田表土有機碳含量變化特征37-38
• 2.3.6 中國農(nóng)田有機碳密度現(xiàn)狀38-39
• 2.4 小結(jié)39-40
• 第三章 中國農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡分析40-56
• 3.1 引言40
• 3.2 材料與方法40-43
• 3.2.1 碳足跡計量方法40-42
• 3.2.2 數(shù)據(jù)來源42
• 3.2.3 統(tǒng)計分析42-43
• 3.3 結(jié)果43-48
• 3.3.1 農(nóng)作物生產(chǎn)碳足跡和碳排放強度43-44
• 3.3.2 各項農(nóng)業(yè)投入的碳排放及其比例44-45
• 3.3.3 1993-2007年碳足跡的變化45-47
• 3.3.4 不同區(qū)域的四大糧食作物生產(chǎn)碳足跡對比47-48
• 3.4 討論48-54
• 3.4.1 中國農(nóng)作物生產(chǎn)的碳排放48-52
• 3.4.2 糧食生產(chǎn)與碳足跡52-54
• 3.4.3 碳足跡分析的不確定性54
• 3.5 小結(jié)54-56
• 第四章 固碳減排計量方法學探討—以測土配方施肥項目為例56-64
• 4.1 引言56
• 4.2 材料與方法56
• 4.3 結(jié)果與討論56-63
• 4.3.1 測土配方施肥項目系統(tǒng)邊界和項目基線的認定56-59
• 4.3.2 項目溫室氣體排放與減排途徑59-60
• 4.3.3 項目溫室氣體減排計量方法60-63
• 4.3.4 計量的不確定性分析63
• 4.4 小結(jié)63-64
• 第五章 中國農(nóng)田表土固碳潛力評價64-74
• 5.1 引言64
• 5.2 材料與方法64-68
• 5.2.1 農(nóng)田土壤固碳潛力估算方法64-66
• 5.2.2 數(shù)據(jù)來源66
• 5.2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析66-68
• 5.3 結(jié)果68-71
• 5.3.1 農(nóng)田土壤有機碳飽和限、恢復容量及生物物理固碳潛力68-69
• 5.3.2 不同管理措施下土壤固碳速率及技術(shù)可達潛力69-71
• 5.4 討論71-73
• 5.4.1 有機碳密度與固碳潛力估算的不確定性71
• 5.4.2 生物物理潛力與技術(shù)可達潛力71-72
• 5.4.3 中國農(nóng)田固碳前景72-73
• 5.5 小結(jié)73-74
• 第六章 模型模擬中國農(nóng)田有機碳變化與溫室氣體排放74-106
• 6.1 引言74
• 6.2 甲烷排放子模型的建立74-88
• 6.2.1 材料與方法74-82
• 6.2.2 結(jié)果82-86
• 6.2.3 討論86-88
• 6.3 利用DAYCENT模型模擬中國農(nóng)田的固碳減排潛力88-105
• 6.3.1 材料與方法88-95
• 6.3.2 結(jié)果95-102
• 6.3.3 討論102-105
• 6.4 小結(jié)105-106
• 第七章 綜合討論、全文結(jié)論、創(chuàng)新點與展望106-110
• 7.1 綜合討論106-108
• 7.2 全文結(jié)論108-109
• 7.3 創(chuàng)新點109
• 7.4 不足之處與展望109-110
• 參考文獻110-128
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文和專著128-130
• 致謝130-131

【參考文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：農(nóng)田減緩氣候變化潛力的統(tǒng)計計量與模型模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：458362