中国农田生态系统净温室气体减排潜力估算
文献类型：学位论文
| 作者 | 王燚成 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 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 | 陶福禄 |
| 关键词 | 农田 土壤有机碳 甲烷 氧化亚氮 自然气候解决方案 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 中国的粮食产量连续多年增加，与之相应的中国农田生态系统温室气体排放量也在逐渐上升。氮肥过量使用造成了不必要的氧化亚氮(N2O)排放、稻田不当的淹水措施导致甲烷(CH4)大规模排放，连续高强度的耕作活动也引起土壤有机碳(SOC)的流失。然而，在过去人们缺少对农田生态的足够重视，未对中国农田生态系统的温室气体排放现状以及减排潜力进行全面系统的评估。在全球气候变化和“碳中和”政策背景下，本研究拟解决的科学问题是：在维持当前三大主要粮食作物(玉米、水稻、小麦)产量不降低的情况下，通过5种自然气候缓解方式，包括绿肥种植、氮量优化、秸秆还田、稻田节水灌溉、保护性耕作，可以实现的中国农田生态系统净温室气体减排潜力是多少。 本论文的主要研究内容包括：（1）通过地级市统计年鉴搜集与遥感制图相结合的方法清查我国农业现状及潜力，包括当前地级市尺度的作物产量、氮肥使用量、耕作方式（保护性/常规耕作）、稻田灌溉方式（节水灌溉/长期淹水）和未来潜在的绿肥种植面积；（2）使用DNDC（Denitrification-Decomposition，9.5版本）模型模拟中国农田生态系统温室气体排放的历史变化，包括2001-2020年的N2O排放、CH4排放、土壤碳含量变化；（3）使用中国土壤剖面数据估算农田SOC含量饱和值；（4）估算基于5种自然气候缓解方式能实现的中国农田生态系统的净温室气体最大减排量。 本研究的研究结果如下：（1）通过文献调研与目视解译，我们制作了全球保护性/常规耕作地面样点；之后基于种植期内Sentinel-2特征波段，我们绘制了全国1km保护性/常规耕作农田分类图。分类结果表明，中国的保护性耕作农田面积从2016的2.3×107ha增加到2020年4.4×107ha，目前约占全国农田的39%。 （2）通过对多种代用指标的阈值分割，我们制作了节水灌溉/常规灌溉稻田的典型像元；基于生长季内Sentinel-1与MODIS特征波段，我们在500m格点对全国稻田进行节水灌溉/常规灌溉分类。分类结果表明，目前中国节水灌溉稻田面积约为1.23×107ha，约为全国稻田面积的49.3%。 （3）通过豆科、非豆科绿肥作物的生长特性和净温室气体单位减排能力，我们提取了可以在休耕期内进行绿肥种植的潜在农田面积，并估算了可实现的净温室气体减排量。结果表明，中国约2.67×107ha的农田可以在常规休耕期内种植绿肥并及时还田，这大约占全国农作物播种面积的13.4%。潜在绿肥可以提供大约1.21±0.26TgNyr-1（1Tg=1012g），用于替代氮肥。考虑到绿肥对N2O和SOC的综合影响，潜在绿肥可以大约减少51.46±9.95TgCO2-eqyr-1的净温室气体排放。 （4）我们使用DNDC模型模拟了2001-2020年中国主要种植系统，包括春玉米、春小麦、冬小麦、夏玉米、冬小麦-夏玉米、单季稻、双季稻的温室气体排放动态。在2001-2020年全国年平均SOC固存量、CH4排放量和N2O排放量分别约为162.4TgCO2-eqyr-1、156.8TgCO2-eqyr-1、140.9TgCO2-eqyr-1。主要的种植系统年均排放量大约在-6113~9971kgCO2-eqha-1yr-1之间。过去20年中国农田年净温室气体排放量在时间上的趋势为-0.002TgCO2-eqyr-2。产量变化是引起农田净温室气体排放量变化最主要的原因。 （5）我们使用上包络线方法分析中国土壤剖面，估算了中国农田SOC含量的饱和值。结果表明，中国农田平均SOC含量饱和值约为143±47tCha-1（平均值±标准差）。使用Soil-C模型，我们估算了在不同气候条件与碳投入水平下中国主要种植系统1985~2060年的SOC动态。结果表明，在有利的气候条件和碳投入水平提高30%的前提下，2060年中国农田SOC含量可达到饱和值的约41%。模拟结果揭示了中国农田SOC具有巨大的固存潜力，但是要警惕气候变化的不利影响。 （6）我们使用DNDC模型模拟了12种农田管理方案下的温室气体排放，模拟结果表明最优的管理方案下，中国农田净温室气体排放可以减少约256.9TgCO2-eq，其中来自SOC、N2O、CH4的减排量依次为58.7TgCO2-eq、79.0TgCO2-eq、119.2TgCO2-eq。虽然单独实施氮量优化、秸秆还田、保护性耕作和稻田节水灌溉将分别减少118.8TgCO2-eq、116.3TgCO2-eq、35.2TgCO2-eq和74.4TgCO2-eq净温室气体排放，但是各项措施同时实施的综合减排效果要小于其总和，这表明应该考虑各项管理措施之间的交互作用对农田温室气体排放的影响。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 213 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209275]  |
| 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 | 王燚成. 中国农田生态系统净温室气体减排潜力估算[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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