中国种植系统水-氮-碳时空格局与可持续优化策略
文献类型：学位论文
| 作者 | 王鸣雷 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 种植系统 时空格局 优化策略 资源环境效应 行星边界 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 以资源环境可持续的方式满足日益增长的食物需求是一项全球性的挑战。当前，我国食物系统面临资源浪费和环境污染的双重压力，突出表现为水氮资源利用效率低下，温室气体排放总量高且排放份额占比呈现明显的增加趋势，距离可持续发展目标仍有较大差距。针对这些问题，本研究以食物系统中的种植子系统作为研究整体，整合中国长时间序列气象数据、农业统计数据、田间观测数据和资源环境数据等多源信息，结合水足迹框架、动态土壤水平衡模型、随机森林模型、氮平衡框架、IPCC温室气体排放因子法和情景分析法等，构建中国种植系统资源环境可持续综合评估框架，完成了1991–2019年中国种植系统多维度评估，包括定量揭示灌溉需水量时空演变规律，精准评估农业缺水风险动态特征；系统核算氮素投入-利用-损失全过程变化，深入解析氮盈余、氮素利用效率和氮损失的协同演变机制；多维度量化温室气体排放格局。基于此，进一步构建了面向粮食安全和“水-氮-碳”多要素协同优化的种植系统可持续性评估框架，提出因地制宜的、差异化的可持续发展策略，为粮食安全、资源高效与环境保护的多目标协同实现提供科学依据。主要结论如下： （1）本研究构建了1991–2019年中国15种主要作物1km分辨率的年度蓝水和绿水需求数据。通过与田间观测数据和统计数据的对比验证，本数据集在蓝水和绿水需求的模拟精度上表现出较高的相关性（R2>0.77），且在空间分辨率、时间连续性和区域适用性等方面显著优于已有数据集。模拟结果表明，各类作物的蓝水需求格局呈现由南向北、由东向西递增的趋势，且在1991–2019年间，中国北方地区蓝水需求主要表现为增加趋势，而南方地区多表现为下降趋势。各类作物绿水需求的空间格局与蓝水需求则表现相反，且雨养作物的绿水需求相比灌溉作物更高。 （2）1991–2019年间，中国种植系统水资源压力持续加剧：蓝水足迹总量增加26.25%，农业缺水指数从0.42上升至0.53。蓝水足迹总量的高值区主要集中在长江中下游区、黄淮海区和西北区，且不同区域内缺水特征存在明显差异。其中，西北区平均缺水指数为全国平均水平的8.81倍；黄淮海区内约60%的地区面临持续性缺水风险；南方地区尽管年度缺水风险较低，但季节性缺水发生率较年度评估高1.18–23.22%。此外，中国主要作物的灌溉用水效率多表现为增长趋势，这与缺水风险扩大之间存在显著的悖论现象。尽管2010年以来悖论强度有所下降，但未来气候变化和农业生产活动可能进一步加剧这一悖论，从而增加农业水资源管理的复杂性。 （3）中国种植系统氮素利用面临效率提升和环境风险增加的矛盾效应，且面临显著的氮素投入-环境风险区域差异特征。2019年中国种植系统氮素利用效率相比1991年提升7.82%，但平均氮盈余仍是可持续阈值（80 kg N ha-1）的1.65倍，氮损失总量增加14.97%。黄淮海区平均氮投入是全国平均水平的1.2倍，平均氮盈余接近环境安全阈值的两倍，凸显了集约化农业区氮肥过量施用的突出问题。此外，西北区氮损失增速是全国平均增速的4.3倍，长江中下游区氮盈余也接近环境阈值两倍，共同构成多模态环境风险格局。氮损失途径方面，N2O形式排放构成温室效应的主控因子。 （4）尽管中国种植系统的温室气体排放总量尚未超过温室气体排放边界，但呈现显著上升趋势。2019年中国种植系统温室气体排放总量达376.17 Tg CO2-eq，相比1991年增加12.75%，接近温室气体排放边界的三分之二。其中东北区、黄淮海区和长江中下游区共同贡献了近三分之二的排放量。从作物角度看，水稻的温室气体排放强度最高，达6047 kg CO2-eq ha-1，其排放总量接近全国总量的一半。从温室气体排放来源看，氮肥的生产和运输过程、农田氮素投入、稻田种植和秸秆燃烧的平均温室气体排放强度为1192.49 kg CO2-eq ha-1、880.50 kg CO2-eq ha-1、4049.71 kg CO2-eq ha-1和35.54 kg CO2-eq ha-1，排放总量占比分别为38.16%、28.19%、32.51%和1.14%。 （5）任何单一的可持续优化策略均不足以完全实现粮食安全以及将环境影响控制在可持续边界内，需要采取协同的措施组合以充分缓解预计增加的环境压力。其中，单一的氮肥管理策略可使小麦、玉米、棉花和甜菜实现自给自足，并将氮盈余降至30.87–63.19 kg N ha-1，平均氮素利用效率提升至64.05–75.17%，但其他作物仍存在热量缺口，缺水风险并未缓解。单一的作物种植布局优化虽然能降低灌溉需水（-28.51%）、氮投入（-29.72%）及温室气体排放（-29.61%），却无法完全突破氮阈值约束，并且部分作物热量供给低于目标。协同优化策略则通过系统耦合实现多目标协同增益：在保障热量供给超额达标（+32.18%）的同时，显著降低灌溉需水（-22.66%）、氮盈余（-66.55%）和温室气体排放（-34.02%），使氮素利用效率（70.63%）与平均氮盈余（45.83 kg N ha-1）全面达到可持续阈值。 以上研究结果可为我国制定高效、准确的粮食安全政策提供定量评估结果，为水土肥资源优化配置、重点农区种植结构布局调整、地下水位恢复、农业高质量发展、减缓和适应气候变化等提供理论基础和科学依据，也可支撑国家“双碳”目标和多个联合国可持续发展目标（SDG2零饥饿、SDG6清洁水与公共卫生和SDG13气候行动等）的共赢。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 179 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217339]  |
| 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 | 王鸣雷. 中国种植系统水-氮-碳时空格局与可持续优化策略[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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