基于模型和GIS技術的中國農田化學氮源N-,2-O直接排放量估計.pdf

1、溫室氣體引起的全球氣候變暖和平流層臭氧的損耗已成為全世界面臨的兩大環(huán)境問題。氧化亞氮(N<,2>O)是大氣中僅次于CO<,2>和CH<,4>的第三大痕量溫室氣體，農田是大氣中N<,2>O的重要來源，然而對于農田N<,2>O排放的精確估計一直存在著較大困難，其原因主要在于氣候、土壤以及農業(yè)管理方式等影響農田N<,2>O排放的因素在時間和空間上都存在巨大的變異性。 中國作為農業(yè)大國，其農田對全球N<,2>O排放的影響已經成為全球變

2、化研究的焦點之一，并且中國作為《聯合國氣候變化框架公約》的締約國之一，編制N<,2>O排放的國家清單已成為刻不容緩的工作。準確估計我國的農田N<,2>O排放量，研究其時空變化規(guī)律，不僅對于我國的科學研究和國家利益具有一定的重要性，同時也是全球變化研究的內容之一，有助于揭示全球氣候變化的規(guī)律，為減緩和應對氣候變化提供有效對策。 本文的研究目的為：結合我國農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的特點，在IPCC推薦的排放系數法的基礎上，建立適用于我國農田的

3、N<,2>O排放估算模型；在GIS技術支持下，估算中國農田N<,2>O直接排放量，并研究中國農田N<,2>O排放的時空變異規(guī)律；結合氣候模式，分析未來氣候變化情景下中國農田N<,2>O直接排放的變化趨勢；探討在區(qū)域尺度上減緩中國農田N<,2>O排放的對策。 本研究通過充分調研現有文獻資料，結合本課題組觀測結果的基礎上，采取一定的規(guī)則對所獲取的數據進行取舍和整理后，建立了包括N<,2>O年排放量、施氮量、環(huán)境要素、地理位置、作物

4、類型等要素的數據庫。統(tǒng)計分析結果表明，在大尺度樣本空間內農田N<,2>O排放與降水及氮肥施用量呈顯著正相關，與氣溫、土壤pH值、有機碳及N含量無顯著相關。 在IPCC推薦的排放系數法的基礎上，通過考慮農田N<,2>O排放與年降水量間的關系，本文建立了針對旱地農田N<,2>O排放的估算方程N<,2>O-N=(1.49±0.73)P+(0.0186±0.0027)P·F(r<'2>=0.61，P<0.0001)。擬合度分析表明，相

5、較于IPCC缺省方法，引入了降水因子的估算方程能夠提高對農田N<,2>O20排放的解釋性，對N<,2>O排放具有更好的模擬效果，也更適用于中國農田的N<,2>O排放估算。 根據中國農業(yè)生產和種植制度的特點，本文引入水田N<,2>O排放系數，結合降水修正的排放系數，在GIS技術的支持下，估算了中國農田N<,2>O直接排放量。結果表明，在1980～2000年間中國農田化學氮源N<,2>O平均年排放量為167.22 GgN<,2>O

6、-N yr<'-1>，約占氮肥用量的1.02％，其中旱作農田是主要的N<,2>O釋放源，約占中國農田N<,2>O直接排放量的86％。中國農田N<,2>O排放具有較強的時空變異性。在分布格局上，N<,2>O排放通量和排放系數均表現出明顯的地區(qū)間差異，東部較高，西北偏低。在時間序列上，中國農田N<,2>O排放量在上世紀后二十年升高了約149 Gg N<,2>O-N，增加了1.55倍，同時受氮肥用量和氣候條件等因素的影響，不同地區(qū)N<,2>O

7、排放量增加的幅度也具有較大差異。由于考慮了N<,2>O排放的主控因子，本文采用的方法能夠更為合理的估計出農田N<,2>O排放的年際間變異。 本研究估算的不確定性主要來自于兩個方面，輸入數據空間化過程中的偏差和估算方程的不確定性。結合本研究的特點，采用了IPCC推薦的誤差傳播公式來量化和合并估算過程中的不確定性。分析表明，本研究對中國農田N<,2>O年排放量估算的不確定性約為21.3％。 利用氣候模式驅動農田N<,2>

8、O估算模型，本文分析了未來氣候變化情景下中國農田N<,2>O排放的變化趨勢。結果表明，農田N<,2>O排放對氣候變化具有較強的敏感性。雖然在較長的時間尺度上，中國農田N<,2>O排放在趨勢上并未發(fā)生明顯的改變，然而，N<,2>O排放的年際變異進一步變大，波動性增強，同時其空間分布格局也發(fā)生了一定的變化，N<,2>O的排放中心有向北移動的趨勢。 基于中國農田N<,2>O排放和氮肥用量的地區(qū)間差異，本研究設置了中國氮肥區(qū)域分配情景

9、。情景分析結果表明，在化學氮肥施用總量接近的條件下，通過調整中國氮肥的地區(qū)間分配，可以削減約11.7％的農田N<,2>O排放量。與此同時，經過氮肥用量的區(qū)域性調整后，由于提高了氮肥的利用率，中國的糧食產量具有一定的增加潛力。 本研究通過大樣本空間數據的分析，探討了農田N<,2>O排放與各影響因素間的關系，基于這種關系所建立的N<,2>O排放估算模型，在保持排放系數法操作簡單的基礎上提高了估算的準確性。在GIS技術的架構下，本文