东北旱田不同农作情景下土壤有机碳变化及固碳潜力的模拟研究

发布时间：2020-07-10 23:10

【摘要】：随着全球大气CO_2浓度的上升和气候变暖问题的加剧,碳固定问题成为研究热点。中国东北地区为全球仅有的三大黑土带之一,土质肥沃,是我国重要的粮食生产基地。但过度开垦利用造成土壤肥力不断下降,同时东北地区土壤碳储量也呈现源的状态,对全球碳循环造成负面影响。因此,研究东北未来旱田土壤有机碳变化和固碳能力,不仅能够准确把握农田肥力变化趋势,也可以更好地理解全球碳循环,为提升土壤碳库容量、减少温室气体排放、优化地区环境提供理论基础,对农业可持续发展具有重要的战略和现实意义。本研究以东北旱田耕层(0~20cm)土壤有机碳(SOC)为研究对象,基于6个长期定位观测实验站点数据、19个农业部监测网连续观测数据和36个文献收集站点数据充分校验验证DAYCENT模型对东北旱田土壤有机碳(SOC)变化的模拟能力。应用DAYCENT模型模拟研究黑土区典型站点的SOC未来变化;将东北旱田以15km×15km网格化,提取2064个网格,模拟不同农作情景下SOC时空变化,从而实现了从站点模拟到区域模拟的升尺度过程。并估算了东北旱田固碳潜力。研究结果如下:(1)应用6个长期定位观测实验站点数据校验和验证DAYCENT模型在施用化肥(NPK)、化肥配施有机肥(MNPK)、秸秆还田配施化肥(SNPK)、免耕(NT)4种情景的模拟能力;19个农业部监测网连续观测数据和36个文献收集站点数据校验和验证DAYCENT模型的广域适用性,并对模型进行敏感性分析。结果表明:模拟校验和验证评价参数均在合理范围内,模拟效果良好,在东北旱田不同农作情景下DAYCENT模型模拟SOC具有广泛适用性。(2)选取黑土区6个长期定位观测站点,设置NPK、MNPK、SNPK、NT 4种农作情景对未来SOC进行模拟研究。结果表明,NPK对黑土区各站点SOC提升没有显著作用;MNPK对SOC初始值低的土壤,对SOC有一定提升效果,与模拟初始年份相比,到2100年对SOC提升的范围为6.07%~32.97%(海伦除外),但对于SOC初始值高的土壤,不能抑制其SOC降低的趋势;SNPK和NT对黑土区6个站点土SOC提升都有积极作用,到2100年,这2种措施可使各站点(海伦除外)SOC提高16.78%~52.47%。海伦站点SOC初始值较高,NT和SNPK可以维持地力。(3)在东北旱田提取2064个网格,设置NPK、MNPK、SNPK、NT、INPK、IMNPK、ISNPK、INT8种农作情景,模拟未来气候条件下SOC的变化。各时期东北旱田SOC均值模拟效果为:NTINTSNPKISNPKMNPKIMNPKNPKINPK,且随着模拟年份的增加,除NPK、INPK难以维持SOC值,其他情景都有积极影响,NT具有绝对优势。在2080年NT处理达到最佳24.8/kg,与1980年相比上升0.4%。区域上:在辽西、辽南沿海、辽河平原(朝阳、大连、阜新、沈阳)等地,SOC初始值较低,在最优情景年期下SOC提升幅度高达60%以上。在三江平原、东部山区(吉林省的白山、通化及黑龙江省的鹤岗、鸡西、双鸭山等地)SOC初始含量较高地区在最优情景年期下SOC与其他情景比较虽然下降幅度缩减但仍然下降22%以上。各情景下增加灌溉处理和原情景下SOC差值较小在±1%以内,但在中西部(辽宁省的朝阳、铁岭、抚顺及吉林省的白城、松原)灌溉对SOC的提升有一定积极作用。(4)分析东北旱田最大SOC出现的情景,估算土壤固碳潜力。东北旱田SOC固碳潜力为6.49kg/m~2,土壤有机碳潜在固碳能力为1.07 kg/m~2。土壤最大碳储量为2009Tg,土壤潜在有机碳储量332Tg。固碳潜力表现为自东向西,自北向南逐渐递减。潜在固碳能力自西向东逐渐增加,经过长期耕作的黑土带有较大的潜在固碳能力。而黑龙江北部纯林区,三江平原土壤肥沃,潜在固碳能力较小。黑龙江省土壤碳储量占东北旱田50%以上,但潜在碳储量相对最小。(5)2030年、2050年、2080年、2100年4个时期东北旱田的SOC密度分别5.84kg/m~2、6.11kg/m~2、6.27kg/m~2、6.19kg/m~2,最大碳储量分别是1808Tg、1891Tg、1941Tg、1918Tg,土壤潜在有机碳储量分别为131Tg、214Tg、264Tg、241Tg。各指标在2080年达最高。东北旱田均表现为自南向北,自西向东逐渐增加,三江平原、东北山区、北部林区固碳潜力巨大但潜在固碳能力有限。同时揭示了各时期SOC密度最大值对应的最佳情景。各时期最大值普遍出现在NT情景,辽西、吉林西部、松花盆地中北部、三江平原东部普遍以INT为最优情景。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S153.6
【图文】：

技术路线图,碳储量,固碳,论文研究

地区固碳潜力、潜在固碳能力、最大碳储量和碳储量提升能力，及其阶段性指标。1.5.2 技术路线论文研究的技术路线如图1-1所示。图 1-1 技术路线图Fig1-1 The technology roadmap

微生物产物,有机碳库,可调参数,惰性

）(Parton et al，1994)，DAYCENT模型可以模拟草原生态系统，森林生态新N的动态变化以及追踪气体循环(Del Grosso et al，2002，2009，2011)。模的建模思想，根据木质素含量的不同，作物凋落物作为外源有机碳输入，性库和代谢性库2个库，再通过代谢分别进入活性、慢性、惰性有机碳库壤活性有机碳库，慢性有机碳库）。活性库包括活的微生物和微生物产物一般不超过5年；慢性库包括难分解的有机物质和土壤固定的微生物产物一般为20~40年；惰性库中的有机碳极难分解，非常稳定（高崇升等，2条件、土壤质地、农作方式、作物品种等各种因子通过模型中的各种方程在具体的可调参数设置方面来影响土壤有机质转化速度。Daycnet模型功众多，模型需要输入的主要外部数据(图3-1)包括：气象数据、站点信息、、SOC各分库的背景值、管理措施（包括播种、施肥、农作、灌溉、收获，以及施肥量、灌溉量等）。可调参数包括作物参数设定文件(crop.100)、文件（harv.100）、施肥参数设定文件（fert.100）、有机肥施用设定文件（omad设定文件（irri.100）、以及一些内部参数的设定文件集（fix.100）等。按序列命令文件(*.sch)调用参数，实现模型运转。

散点图,实测值,竖线,年份

27（图中竖线之前为校验年份，竖线之后为验证年份）图 3-2 SOC 实测值与模拟值比照图Fig3-2 SOC measured and simulated values comparison chart分别将各种农作情景下SOC模拟值（0~20cm）与有机碳实测值做散点图（图3-3）结果显示4种不同管理模式下，模拟值均实测值回归方程的决定系数R2为0.984均趋近且斜率k与1:1线接近，均达到了极显著水平（P<0.001）。

【参考文献】