农田生态系统温室气体减排技术评价及实证分析

发布时间：2017-04-08 13:23

  本文关键词：农田生态系统温室气体减排技术评价及实证分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当前对农田生态系统温室气体减排技术评价的研究相对比较薄弱,缺乏一套系统的评价指标和评价方法,不能够科学、全面、有效地评价农田技术措施的减排效应。因此,本研究针对这一问题,对比分析了农田生态系统温室气体减排评价的相关指标,并对所涉及的指标(产量、土壤固碳和N2O/CH4排放)计量的时间尺度和相关获取方法进行了探究,构建了我国农田生态系统温室气体减排技术评价方法体系;进而以华北地区冬小麦/夏玉米和东北地区春玉米两种典型种植模式为例,系统开展了农田温室气体减排技术的评价,这对于我国农业实现真正意义上的减排及其技术的推广,都具有非常重要的理论与实际意义。主要研究结果如下:(1)遵循代表性、客观性、完整性、主导性和可操作性原则,对涉及农田生态系统温室气体减排方面各项指标的合理性进行了判别分析,依据我国农业生产实际情况,创新性的提出了我国农田生态系统温室气体减排技术的评价指标:以单位面积粮食产量作为约束性指标,以温室气体排放强度(单位产量下的温室气体排放总量)作为综合指标,以经济效益指标作为可行性指标。其中,温室气体排放强度指标包括了粮食产量、土壤有机碳变化、N2O直接和间接排放、水田CH4排放、农田投入直接和间接排放(燃烧、生产、运输等排放),经济效益指标包括了农田投入的可变成本、售粮收入、政府补贴和碳交易收入面。(2)在明确了农田生态系统温室气体减排技术评价指标的基础上,确定了农田管理技术评价在粮食产量、农田固碳量和N2O(CH4)排放量方面产生效应的最小时间尺度为20年;对获取粮食产量、农田固碳量和N2O(CH4)排放量的三种方法(田间试验、IPCC Tier1和Tier2、机理模型)进行了优缺点比较,并将田间试验与机理模型相结合作为粮食产量、农田固碳量和N2O(CH4)直接排放量的计量方法;实地调研和文献查阅相结合作为农田投入排放(主要源于生产和运输等)的计量方法;而经济效益的核算方法则需将实地调研、文献查阅和机理模型模拟相结合。提出的技术评价步骤如下:首先进行粮食产量的比较,在不显著降低粮食产量(与常规措施相比)的基础上进行温室气体排放强度的比较,并进行经济可行性分析。(3)利用山东桓台试验站点位监测试验数据和东北地区相关试验数据对APSIM模型(农业生产系统模拟模型)的适用性进行了有效性检验,结果表明调整作物参数后的APSIM可以基本模拟这两个地区主要作物生育期、产量和N2O排放(R2基本都在0.5以上)。虽然APSIM模型在模拟日尺度上的N2O排放存在着潜在的问题,但是整体上可以较好地反映出生长季尺度和年尺度上N2O排放对不同施氮水平的响应。(4)在华北地区冬小麦/夏玉米种植模式下,目前农民常规管理措施下温室气体排放总量和温室气体排放强度分别为9.46 t CO2-eq ha-1和0.60 kg CO2-eq kg-1 yield。利用本研究构建的评价方法,对该地区不同农田管理措施减排效应评价的结果表明:该地区常规管理措施存在氮肥过量投入的问题,在保证产量的前提下,降低氮肥用量(从常规措施的581 kg N ha-1降低到390 kg N ha-1)相比其他管理措施(减少灌溉和有机肥配施)有着较高的减排潜力,可降低温室气体排放总量和温室气体排放强度约2.68 t CO2-eq ha-1和0.16 kg CO2-eq kg-1 yield;有机肥配施(有机氮占常规底肥氮量的一半)虽增加了土壤固碳量,但也带来了有机氮肥生产运输中的排放和机械作业耗油排放,最终仅降低温室气体排放强度约0.02 kg CO2-eq kg-1 yield。(5)在东北地区春玉米种植模式下,目前农民常规管理措施的温室气体排放总量和温室气体排放强度分别为4.17 t CO2-eq ha-1和0.45 kg CO2-eq kg-1 yield。利用本研究构建的评价方法,对该地区不同农田技术措施减排效应评价的结果表明:该地区常规管理措施不存在氮肥过度投入的问题,虽然氮肥在生产和运输中的排放温室气体总排放中占比最高(38%),但却没有太多的减排潜力;在常规管理措施上进行秸秆全部还田有着较大的减排潜力,可分别减少温室气体排放总量和温室气体排放强度约1.18 t CO2-eq ha-1和0.13 kg CO2-eq kg-1 yield;常规管理措施秸秆全部还田后,将氮肥用量减少到150 kg N ha-1可在不显著降低粮食产量(P=0.81)的前提下进一步减少温室气体排放总量约0.44 t CO2-eq ha-1。(6)对不同农田生态系统减排技术措施经济效益评价的结果表明:在华北地区冬小麦/夏玉米种植模式的当前农业生产条件下,仅有减少氮肥用量(与减少灌溉和有机氮配施相比)在经济上具有可行性,并且在降低温室气体排放、减少氮淋溶等环境方面也有着重要的作用;在东北地区春玉米种植模式的当前农业生产条件下,具有减排效应的管理措施(秸秆全部还田和有机肥配施)在经济上都不具备可行性,但是为了进一步缓解土壤有机碳减少而带来的土壤退化和温室气体排放等问题,仅从秸秆全部还田增加的成本(机械作业、农药和人工)上考虑,政府部门至少需要增加补贴约800元ha-1。此外,当前中国碳交易价格在推动两个地区典型农作系统温室气体减排方面作用还相对微弱。
【关键词】：减排技术 评价指标 评价方法 排放强度 经济效益 APSIM模型
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S181;X71
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第一章 绪论16-24
• 1.1 研究背景16-18
• 1.2 国内外研究进展18-23
• 1.2.1 农田生态系统减排技术评价的发展现状18-22
• 1.2.2 农田减排技术的汇总22-23
• 1.3 存在的问题23
• 1.4 研究的目的和意义23-24
• 第二章 研究方法、内容及技术路线24-27
• 2.1 研究方法24
• 2.1.1 文献查阅法24
• 2.1.2 生命周期评价法24
• 2.1.3 实地调研方法24
• 2.1.4 实证分析方法24
• 2.1.5 田间试验和机理模型相结合24
• 2.2 研究内容24-25
• 2.2.1 农田生态系统温室气体减排技术评价方法的确定24-25
• 2.2.2 华北地区冬小麦-夏玉米轮作系统减排技术评价25
• 2.2.3 东北地区春玉米单作系统减排技术评价25
• 2.3 技术路线25-27
• 第三章 农田生态系统温室气体减排技术评价方法的确定27-45
• 3.1 评价指标的确定27-33
• 3.1.1 初始参评指标27-28
• 3.1.2 指标确定原则28
• 3.1.3 指标的筛选28-31
• 3.1.4 指标的确定31-33
• 3.2 评价方法的确定33-39
• 3.2.1 田间试验方法33-35
• 3.2.2 IPCC方法（Tier1和Tier2）35-36
• 3.2.3 模型方法36-37
• 3.2.4 评价指标计量方法和评价方法的确定37-39
• 3.3 APSIM模型39-41
• 3.4 农田投入温室气体排放因子的确定41-45
• 3.4.1 柴油和汽油排放因子41-42
• 3.4.2 电力排放因子42
• 3.4.3 化肥和有机肥排放因子42-43
• 3.4.4 农药和种子排放因子43
• 3.4.5 农业机械生产、运输和维修保养排放43-45
• 第四章 华北地区冬小麦-夏玉米轮作系统温室气体减排技术评价45-60
• 4.1 桓台试验地概况45-46
• 4.2 农田常规措施数据的获取46-48
• 4.3 APSIM模型的校正和验证48-49
• 4.3.1 气象数据和来自灌溉和沉降的N48
• 4.3.2 校正和验证48-49
• 4.4 情景设计49-50
• 4.5 结果分析50-58
• 4.5.1 模型有效性检验50-54
• 4.5.2 不同情景分析54-58
• 4.6 本章小结58-60
• 第五章 东北地区春玉米单作系统温室气体减排技术评价60-72
• 5.1 田间试验60-61
• 5.1.1 凌海试验地概况60
• 5.1.2 沈阳试验地概况60-61
• 5.2 农田常规措施数据的获取61-62
• 5.3 APSIM模型的初始化及验证62-64
• 5.3.1 模型的初始化62-63
• 5.3.2 模型的验证63-64
• 5.4 情景设计64
• 5.5 结果分析64-70
• 5.5.1 模型有效性检验64-66
• 5.5.2 情景分析66-70
• 5.6 本章小结70-72
• 第六章 结论与展望72-75
• 6.1 主要研究结论72-73
• 6.2 主要创新点73
• 6.3 讨论与展望73-75
• 参考文献75-87
• 致谢87-88
• 作者简历88

【参考文献】

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本文编号：292971