中国气态活性氮气候效应及氮沉降临界负荷研究
发布时间：2021-08-05 17:40
由于工业、农业及城市的快速发展,中国区域的人为源活性氮排放在近三十年急剧增加,促进了人们对中国气态活性氮(N2O、NOx及NH3)气候效应研究的关注。然而,过去的研究在数据同化、精度刻画等方面存在诸多不足,仍然缺乏中国气态活性氮及其衍生物气候效应的全面、综合性评估。同时,自1980s以来,人为活性氮排放驱动的氮沉降增加,已导致中国陆地生态系统结构和功能发生改变。作为定量生态系统氮污染的重要方法及未来氮排放控制的科学依据,氮沉降临界负荷的研究较多,但针对中国区域而言,仍然缺乏氮沉降临界负荷及风险评估的全面评估。因此,全面评估中国气态活性氮及其衍生物的综合气候效应,定量中国氮沉降临界负荷并评价其潜在风险,不仅有助于全面认识我国气态活性氮排放对全球气候变化的影响,并且对政府相关政策制定及减少大气活性氮污染、氮沉降及其负面生态效应具有重要意义。本文通过多种途径和方法获取了中国活性氮排放、土地覆盖、空间及文献参数等一系列数据集。基于对这些数据集的整合、处理及同化,以2010年为基准年,研究了我国大气活性氮沉降对陆地生态系统固碳、氧化亚氮及甲烷排放的影响,评估了多度量标准下我国气态活性氮及其衍生物的气候效应,研究了我国陆地生态系统氮沉降临界负荷及风险评估。主要研究结果如下:(1) 2010年氮沉降所诱导的陆地生态系统固碳、N20及CH4排放的气候效应分别为-221.75±25.49、27.43±23.24 及 8.29±22.45 TgCO2e,总温室气体平衡效应为-185.98±41.22Tg C02e,为净吸收效应。农田生态系统的固碳及氧化亚氮排放高值区主要集中于华北、华中及华东地区,甲烷排放则主要集中于南方水田区域。森林生态系统的固碳高值区主要集中于我国华北、华中及南部地区,而氧化亚氮及甲烷排放则零星分布于我国东部及南部地区。草地生态系统的固碳、氧化亚氮及甲烷排放高值区则零星分布于我国东北及华北的部分区域。2010年中国陆地生态系统的净碳交换量为154.61±26.57Tg,且总体呈现净碳吸收的空间格局特征,净碳吸收高值区集中分布于我国华北、华中、华东及华南地区。(2)在20年及100年时间尺度上,2010年气态活性氮排放导致的C02eGTP(基于全球温变潜势(GTP)的当量二氧化碳排放量)分别为-344±317及224±137 TgCO2e,分别呈现致冷及致热效应。在20年及100年时间尺度上,致热效应主要来源于N20排放、氮沉降和施肥诱导的CH4排放及臭氧破坏植物从而减少固碳等过程,其它则表现为致冷效应。工业源活性氮的综合气候效应在20年及100年时间尺度分别为-416±145及104±98TgCO2e,分别呈现致冷及致热效应。农业源活性氮的综合气候效应主要来源于长寿命的N20排放,农业源在20年及100年时间尺度均呈现净致热效应,COzeGTP20及 CO2eGTP100 分别为 85±278 及 122±89 Tg CO2e。(3) 2010年气态活性氮排放导致的直接辐射强迫总量为-9.30±4.87 mW/m2,致热效应主要来源于N20排放(0.77±0.06 mW/m2)、地表臭氧增加导致的固碳量减少(0.22±0.19 mW/m2)及氮沉降和施肥促进的CH4排放(0.20±0.83mW/m2);致冷效应则主要来源于NOx、NH3排放导致的无机态气溶胶的增加(-3.84±2.83 mW/m2)、NOx对臭氧-甲烷的影响(-5.51±3.89 mW/m2)及氮沉降和施肥促进固碳(-1.16±0.10 mW/m2)。(4)对于森林生态系统而言,寒温带落叶针叶林区域、温带针叶阔叶混交林区域及亚热带常绿阔叶林区域的氮临界负荷分别为30-50、10-60及20-90 kgN ha-1 a-1,不同植被区森林生态系统氮临界负荷的安全等级均处于较高及以上的级别,氮沉降的摄入对森林生态系统尚不构成潜在威胁;对于草地生态系统而言,温带草原区域、温带荒漠区域及青藏高原高寒植被区域的氮临界负荷分别为10-60、10-70及10-80kgNha-1a-1,不同植被区草地生态系统氮临界负荷的安全等级均处于较高及以上的级别,氮沉降的摄入对草地生态系统亦不构成潜在威胁。根据本文研究结果,中国气态活性氮排放在当前及未来较短时间内均呈现致冷效应,但随着时间推移,人为活性氮排放导致的致热气候效应会使我们面临巨大的压力。虽然氮诱导下的陆地生态系统固碳所产生的致冷效应,会对气态活性氮的致热效应产生部分抵消作用,且农业源N20及工业源NOx排放具有很大的气候变化减排潜力,但氮诱导下的固碳潜力是有限的甚至在未来可能会逐步消失。因此,更多积极的目标以及更加强有力的措施亟需被呼吁并严格执行,对活性氮、气候及其它相关问题进行科学管理,使之维持在一个特定的辐射强迫水平。同时,对于预防由于高氮沉降可能导致的生态问题也具有重要意义。
【图文】：
逑四期全国土地覆盖数据集分辨率均高达３０邋ｍ，此数据集精度很高，以２０１０年为例（如逡逑图２－１所示），通过３１６５８个独立地面样点调查以及各省开展的一对一核查对接，一级６类逡逑平均精度高达９４％，二级３８类平均精度高达８６％（吴炳方等，２０１４）。逡逑■‘？煖逦？逡逑ＣＬＴ－ｉｒ＊邋■逦Ｌｌ＿ｊ邋■＊－？＊逡逑■邋■煖［１＾邋Ｍ？灥灥Ｇ□露《％■逡逑ｉ？？？邋？？？＾Ｂ逦Ｉ逦逡逑Ｂ邋ＨＡ邋［邋■？？？■ＩＭＯＶＷＨ逡逑图２－１邋２０１０年全国土地覆被空间分布逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｓｐａｔｉａｌ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎａｔｉｏｎａｌ邋ｌａｎｄ邋ｃｏｖｅｒ邋ｉｎ邋２０１０逡逑２．２．５中国植被区划图逡逑同时，我们也获取了基于植被及气候带分类的中国植被区划图，虽然网上能找到许多版逡逑本的中国植被区划图，但被学术界广泛认可的还是侯学煜院士等人完成的版本（详见逡逑ｈｔｔｐｓ：／／ｘｇ邋１９９０．ｅｏｍ／ｂｌｏｇ／ａｒｃｈｉｖｅｓ／９７＃ｃｏｍｍｅｎｔ－５２９），该区划图收录在《中华人民共和国植被图逡逑（１：邋１００万）》中，但中科院植物所并未公开此数据的电子版，网上只能找到该区划图的模糊逡逑图片。根据这份文档的描述，本研究手动矢量化了中国植被区划的边界，得到ｓｈｐ格式的中逡逑国植被区划（如图２－２所示）
士学位论文逦第二章研宄试验点的同一响应指标而言，核心期刊及较长试验周期的报道及分析方法逡逑验临界负荷计算方法：通过将文献报道的生态系统产生负面效应试验点的背景氮沉降量求和计算得到（Ｌｉｕ邋ｅｔａｌ．，２０丨丨）。其中，氮考了欧洲（１＞０１４１４６时３１．，２000）、美国（卩３＾0６１‘２0丨１）及中国（１＾临界负荷的相关研宄；由于文献中报道的试验点背景氮沉降数据失，因此统一采用本研[傁蛑锌圃旱乩硭昵氲闹泄艿两担ú痪荩奔涑叨任玻埃埃澳辏匝榈愣杂Φ牡两凳萁柚粒颍悖牵桑樱保叭》治瞿？榈玫剑河捎诒狙绣车幕寄晡玻埃保澳辏遥遥粒停樱ǘ喑叨瓤掌柿磕Ｊ较低常┘埃茫粒拥两低袷菥哂薪细哂茫粒颍悖牵欤樱欤希踩砑械目占浞治龉ぞ叨哉饬教椎两嫡じ袷莩两盗俳绺汉裳衃偟牡两凳荩ㄈ缤迹玻乘荆ｅ义
本文编号：2680047
【图文】：
逑四期全国土地覆盖数据集分辨率均高达３０邋ｍ，此数据集精度很高，以２０１０年为例（如逡逑图２－１所示），通过３１６５８个独立地面样点调查以及各省开展的一对一核查对接，一级６类逡逑平均精度高达９４％，二级３８类平均精度高达８６％（吴炳方等，２０１４）。逡逑■‘？煖逦？逡逑ＣＬＴ－ｉｒ＊邋■逦Ｌｌ＿ｊ邋■＊－？＊逡逑■邋■煖［１＾邋Ｍ？灥灥Ｇ□露《％■逡逑ｉ？？？邋？？？＾Ｂ逦Ｉ逦逡逑Ｂ邋ＨＡ邋［邋■？？？■ＩＭＯＶＷＨ逡逑图２－１邋２０１０年全国土地覆被空间分布逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｓｐａｔｉａｌ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｎａｔｉｏｎａｌ邋ｌａｎｄ邋ｃｏｖｅｒ邋ｉｎ邋２０１０逡逑２．２．５中国植被区划图逡逑同时，我们也获取了基于植被及气候带分类的中国植被区划图，虽然网上能找到许多版逡逑本的中国植被区划图，但被学术界广泛认可的还是侯学煜院士等人完成的版本（详见逡逑ｈｔｔｐｓ：／／ｘｇ邋１９９０．ｅｏｍ／ｂｌｏｇ／ａｒｃｈｉｖｅｓ／９７＃ｃｏｍｍｅｎｔ－５２９），该区划图收录在《中华人民共和国植被图逡逑（１：邋１００万）》中，但中科院植物所并未公开此数据的电子版，网上只能找到该区划图的模糊逡逑图片。根据这份文档的描述，本研究手动矢量化了中国植被区划的边界，得到ｓｈｐ格式的中逡逑国植被区划（如图２－２所示）
士学位论文逦第二章研宄试验点的同一响应指标而言，核心期刊及较长试验周期的报道及分析方法逡逑验临界负荷计算方法：通过将文献报道的生态系统产生负面效应试验点的背景氮沉降量求和计算得到（Ｌｉｕ邋ｅｔａｌ．，２０丨丨）。其中，氮考了欧洲（１＞０１４１４６时３１．，２000）、美国（卩３＾0６１‘２0丨１）及中国（１＾临界负荷的相关研宄；由于文献中报道的试验点背景氮沉降数据失，因此统一采用本研[傁蛑锌圃旱乩硭昵氲闹泄艿两担ú痪荩奔涑叨任玻埃埃澳辏匝榈愣杂Φ牡两凳萁柚粒颍悖牵桑樱保叭》治瞿？榈玫剑河捎诒狙绣车幕寄晡玻埃保澳辏遥遥粒停樱ǘ喑叨瓤掌柿磕Ｊ较低常┘埃茫粒拥两低袷菥哂薪细哂茫粒颍悖牵欤樱欤希踩砑械目占浞治龉ぞ叨哉饬教椎两嫡じ袷莩两盗俳绺汉裳衃偟牡两凳荩ㄈ缤迹玻乘荆ｅ义
中国农业大学北京市211工程院校985工程院校教育部直属院校
页数：117
【学位级别】：博士
文章目录
摘要
Abstract
缩写词表
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 活性氮的概念、来源、归宿及危害
1.2.2 活性氮驱动气候效应的过程
1.2.3 活性氮气候效应的评估方法
1.2.4 活性氮气候效应的研究现状
1.2.5 临界负荷国内外研究进展
1.3 研究目标、研究内容及技术路线
1.3.1 研究目标
1.3.2 研究内容
1.3.3 技术路线
第二章 研究数据来源与同化
2.1 活性氮排放数据来源
2.1.1 课题提供数据
2.1.2 文献荟萃分析数据
2.2 空间数据来源
2.2.1 课题提供数据
2.2.2 中科院地理所中国总氮沉降空间栅格数据
2.2.3 文献搜集的中国氮沉降数据
2.2.4 中科院遥感所全国土地覆盖数据集
2.2.5 中国植被区划图
2.3 气候效应度量标准数据来源
2.3.1 全球增温潜势(GWP)及全球温变潜势(GTP)
2.3.2 辐射强迫(RF)
2.4 氮沉降经验临界负荷数据来源
2.5 数据的整合、处理与同化
2.5.1 活性氮排放数据
2.5.2 空间数据
2.5.3 气候效应度量标准数据
2.5.4 氮沉降经验临界负荷数据
第三章 中国大气活性氮沉降对陆地生态系统固碳、氧化亚氮及甲烷排放的影响
3.1 数据与方法
3.1.1 数据来源与处理
3.1.2 评价方法
3.2 结果与分析
3.2.1 基于RAMS-CMAQ氮沉降数据的分析
3.2.2 基于CAS氮沉降数据的分析
3.2.3 氮沉降数据集的整合分析
3.3 讨论
3.4 本章小结
第四章 多度量标准下中国气态活性氮及其衍生物气候效应的综合量化
4.1 数据与方法
4.1.1 数据来源与处理
4.1.2 评价方法
4.2 结果与分析
4.2.1 基于度量标准GWP的气态活性氮及其衍生物气候效应
4.2.2 基于度量标准GTP的气态活性氮及其衍生物气候效应
4.2.3 基于度量标准RF的气态活性氮及其衍生物气候效应
4.3 讨论
4.3.1 气候效应度量标准
4.3.2 中国气态活性氮及其衍生物的气候效应
4.3.3 不确定性分析
4.4 本章小结
第五章 中国陆地自然生态系统氮沉降临界负荷及风险评估
5.1 数据与方法
5.1.1 数据来源与处理
5.1.2 评价方法
5.2 结果与分析
5.2.1 森林生态系统氮沉降临界负荷及评价
5.2.2 草地生态系统氮沉降临界负荷及评价
5.3 讨论
5.3.1 不同植被区域下陆地自然生态系统的氮沉降临界负荷
5.3.2 不确定性分析
5.3.3 建议
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 创新点
6.3 存在的不足与展望
参考文献
致谢
附录
附录1 活性氮气候效应测算系统软件说明
附录2 中科院地理所全国氮沉降数据资料保密协议
附录3 中科院遥感所全国土地覆盖及相关数据资料保密协议
个人简介
期刊论文
[1]1980—2010年中国和印度农田化肥氮源氧化亚氮排放的比较[J]. 蒋光福,张稳,李昕,孙文娟. 农业环境科学学报. 2016(09)
[2]Effects of water and nitrogen addition on vegetation carbon pools in a semi-arid temperate steppe[J]. Junqiang Jia,Yunshe Dong,Yuchun Qi,Qin Peng,Xinchao Liu,Liangjie Sun,Shufang Guo,Yunlong He,Congcong Cao,Zhongqing Yan. Journal of Forestry Research. 2016(03)
[3]The effects of nitrogen fertilizer application on methane and nitrous oxide emission/uptake in Chinese croplands[J]. SUN Bin-feng,ZHAO Hong,L Yi-zhong,LU Fei,WANG Xiao-ke. Journal of Integrative Agriculture. 2016(02)
[4]煤炭消费与大气污染影响下的燃煤火电分区发展策略[J]. 吕连宏,韩霄,罗宏,柴发合,张美根. 环境科学研究. 2016(01)
[5]氮水添加对中国北方草原土壤细菌多样性和群落结构的影响[J]. 杨山,李小彬,王汝振,蔡江平,徐柱文,张玉革,李慧,姜勇. 应用生态学报. 2015(03)
[6]氮素添加对黄土高原荒漠草原草本植物物种多样性和生产力的影响[J]. 何玉惠,刘新平,谢忠奎. 中国沙漠. 2015(01)
[7]氮素和水分添加对贝加尔针茅草原植物多样性及生物量的影响[J]. 李文娇,刘红梅,赵建宁,修伟明,张贵龙,皇甫超河,杨殿林. 生态学报. 2015(19)
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[9]氮添加对4种森林类型林下植物多样性的影响[J]. 胡钧宇,朱剑霄,周璋,李鹏,崔珺,唐志尧,方精云. 北京大学学报(自然科学版). 2014(05)
[10]亚热带杉木人工林下植物多样性对氮沉降的响应[J]. 吴建平,刘文飞,袁颖红,黄荣珍,樊后保,廖迎春,林文龙. 水土保持通报. 2014(04)
博士论文
[1]中国酸沉降临界负荷区划研究[D]. 段雷.清华大学 2000
硕士论文
[1]福建省气态活性氮排放及影响因素研究[D]. 冯永杰.福建师范大学 2015
[2]模拟氮沉降对兴安落叶松凋落物养分释放动态的影响研究[D]. 陈翔.内蒙古农业大学 2014
[3]长寿命温室气体CH4、N2O的辐射强迫和全球增温潜能的研究[D]. 张若玉.南京信息工程大学 2011
本文编号：2680047
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