中国三大粮食作物氮肥施用资源环境效应及其改善潜力评估
文献类型：学位论文
| 作者 | 丁锐 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 史文娇 |
| 关键词 | 主粮作物 产量差 氮素利用率 氮盈余 环境效应 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 中国的主粮作物生产系统面临着资源集约利用和减少环境污染的巨大挑战。作为全球最大的氮肥生产国和消耗国，中国在小农生产过程中经常过度使用化肥。过量的氮通过淋溶和挥发等途径流失到自然环境中，对生态环境造成破坏，甚至威胁人类健康。因此，农业氮素管理对于在提升作物产量的同时保持土壤氮素平衡、减少氮损失对环境的不利影响至关重要。本研究以中国三大主要粮食作物，即小麦、玉米和水稻为研究对象，以统计数据、农业调查数据、模型模拟数据和资源环境数据等作为数据源，构建了三大粮食作物县级尺度的产量和氮素管理数据库。在此基础上，评估三大作物县级尺度上现状产量与潜在产量差距以及氮素平衡状况，识别不同县的产量水平与氮素利用水平类型：即高产高效、高产低效、低产高效和低产低效。针对不同类别的县，设计了四个优化施肥情景，评估三大作物的优化施肥提升潜力。四个情景分别为氮阈值边界法高效情景（情景S1）、长期稳态氮平衡法（Steady-state N Balance，SSNB）高效情景（情景S2）、氮阈值边界法高产高效情景（情景S3）和SSNB 高产高效情景（情景S4）。在优化情景评估结果基础上，进一步选取不同的优化策略并对应不同的氮素管理措施，以实现具有空间差异化的氮素管理措施优选建议。最后，研究估算了三大作物施氮优化后对氮损失污染和温室气体排放的改善潜力，以期实现提产、增效和减污的多重目标。研究结果表明： （1）小麦和玉米2011-2015 年现状单产全国平均值均达到潜在单产的50%以上，水稻现状单产与潜在产量的比值优于小麦和玉米，达到了70%的潜在单产。三大作物现状生产格局方面，我国小麦种植主要集中在华北地区和长江中下游地区；玉米种植主要在中国北方，例如东北和华北地区；水稻种植主要在长江流域、华南和东北三个区域。 （2）氮素资源利用方面，全国小麦、玉米和水稻2011-2015 年平均施氮量分别为200.32 kg N/ha、197.28 kg N/ha 和168.60 kg N/ha。全国三大粮食作物2011-2015 年现状施氮总量为17.67 Mt，其中小麦、玉米和水稻分别为5.01 Mt、7.66Mt 和5.00 Mt。三大作物现状氮素利用率（Nitrogen Use Efficiency，NUE）均集中在40%~50%，现状氮盈余均超过100 kg N/ha。受单位面积产量相对较低或者施氮量偏高影响，小麦在长江中下游和西南地区NUE 相对较低，小于40%；华北和长江中下地区氮盈余量和强度较高，分别为173.73 kg N/ha 和169.15 kg N/ha。玉米在西南、华北和华南地区NUE 相对较低，小于40%；华北和西南地区单位面积氮盈余最高，大于200 kg N/ha。水稻在长江下游、华南丘陵地区NUE 相对较低，小于40%；在长江下游、长江中游、东北和其它北方区域单位面积氮盈余较高，大于150 kg N/ha。 （3）环境效应方面，2011-2015 年全国三大粮食作物NH3 排放总量为2.30Mt NH3-N，其中小麦、玉米和水稻分别为0.39 Mt NH3-N、0.78 Mt NH3-N 和1.13Mt NH3-N；2011-2015 年全国三大粮食作物氮淋溶总量为2.32 Mt NO3-N，其中小麦、玉米和水稻分别为0.69 Mt NO3-N、1.31 Mt NO3-N 和0.32 Mt NO3-N；2011-2015 年全国三大粮食作物温室气体排放总量为326.30 Mt CO2 eq，其中小麦、玉米和水稻分别为59.26 Mt CO2 eq、105.71 Mt CO2 eq 和161.32 Mt CO2 eq。单位面积强度方面，全国小麦2011-2015 年平均NH3 排放、NO3-淋溶和温室气体排放强度分别为15.63 kg NH3-N/ha、27.61 kg NO3--N/ha 和2370.98 kg CO2 eq/ha。全国玉米2011-2015 年NH3 排放、NO3-淋溶和温室气体排放强度均高于小麦，分别为20.18 kg NH3-N/ha、33.72 kg NO3--N/ha 和2721.11 kg CO2 eq/ha。全国水稻2011-2015 年NH3 和温室气体排放强度高于小麦和玉米，NO3-淋溶略低于小麦和玉米，NH3 排放、NO3-淋溶和温室气体排放强度分别为37.96 kg NH3-N/ha、10.71kg NO3--N/ha 和5436.15 kg CO2 eq/ha。 （4）综合产量差距和现状氮素利用状况，大部分县的三大作物均需要实现提产和增效的双重目标。小麦在西南和长江中下游地区单产和氮素管理水平均有较大的提升空间，华北地区虽然小麦单产水平较高，但氮素管理水平还有一定提升空间。玉米在华北和西南地区单产和氮素管理水平均有较大提升空间，西北和青藏地区部分县虽然玉米单产水平较高，但是氮素管理水平有待提高。水稻在江南、华南地区单产和氮素管理水平均有一定提升空间，东北和长江流域水稻单产水平较优，但是氮素管理水平还有较大的提升空间。 （5）优化施肥后，三大作物施氮量较现状有所降低，NUE 明显提升，在全国尺度上氮盈余均降至80 kg N/ha 以下。基于优化情景策略优选后，三大作物施氮量可减少7.26 Mt，其中小麦、玉米和水稻分别减少2.35 Mt、3.30 Mt 和1.61Mt。不同情景优化后，全国小麦、玉米和水稻NUE 分别提升至69.21%~71.06%、74.14%~83.19%和59.68%~61.50%。不同情景中，小麦和玉米在SSNB 情景（S2和S4）下较氮阈值边界法情景（S1 和S3）优化提升幅度更大，水稻在氮阈值边界法情景（S1 和S3）下较SSNB 情景（S2 和S4）优化提升幅度更大。综合策略优选后，小麦、玉米和水稻施氮量分别下降至106.33 kg N/ha、112.39 kg N/ha 和113.23 kg N/ha，实现了增产和提效的双重目标。 （6）优化后环境效应方面，优化施肥后氮损失污染和温室气体排放较现状改善明显。氮损失污染方面，小麦、玉米和水稻NH3 排放在策略优选下较2011-2015 年现状分别减少了47.64%、44.22%和31.93%，氮淋溶较2011-2015 年现状分别减少了47.44%、44.18%和31.63%。温室气体排放方面，策略优选后小麦和玉米较2011-2015 年现状分别降低了45.97%和43.76%。由于甲烷排放，水稻的温室气体排放强度显著高于小麦和玉米，策略优选后温室气体排放较2011-2015年现状减少了12.15%。环境效应总量方面，策略优选后三大作物NH3 排放总量可减少0.89 Mt NH3-N，其中小麦、玉米和水稻分别减少0.19 Mt NH3-N、0.35 MtNH3-N 和0.36 Mt NH3-N；三大作物氮淋溶总量可减少1.01 Mt NO3-N，其中小麦、玉米和水稻分别减少0.33 Mt NO3-N、0.58 Mt NO3-N 和0.10 Mt NO3-N；三大作物温室气体排放总量可减少93.11 Mt CO2 eq，其中小麦、玉米和水稻分别减少27.24 Mt CO2 eq、46.26 Mt CO2 eq 和19.61 Mt CO2 eq。 上述研究结果可为我国粮食生产可持续发展、减少氮损失污染、减缓气候变化等提供定量评估结果和科学依据，促进我国未来实现安全、绿色、高效的农业路径。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 140 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199730]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 丁锐. 中国三大粮食作物氮肥施用资源环境效应及其改善潜力评估[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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