绿肥种植利用效益评价和空间发展预测研究

发布时间：2017-12-11 21:02

  本文关键词：绿肥种植利用效益评价和空间发展预测研究

  更多相关文章： 绿肥 生态服务功能 生命周期评价 效益评价 空间预测 决策系统

【摘要】：种植利用绿肥具备培肥土壤、保持水土、控制污染和提高作物产量等多方面的功能效用,是促进我国农业可持续发展的重要措施之一。虽然前人在绿肥种植利用效益方面已做了大量研究,但仍缺少全面、统一的绿肥种植利用综合效益评价指标体系,难以界定不同绿肥种植利用模式的效益特征,影响绿肥种植利用模式的择优发展。此外,在我国绿肥推广种植过程中,缺乏对绿肥空间发展预测的科学方法,难以实现区域绿肥发展合理布局。围绕上述科学问题和实践需求,本文以生态、环境经济学理论为指导,从农田生态系统产生的服务功能和环境潜在影响两个角度对绿肥引入农田的效应进行了分析与探讨,构建了绿肥种植利用综合效益评价方法体系；探讨了绿肥空间发展预测方法,分析了土地利用变化模型应用于县域尺度绿肥种植空间分布预测的可行性；基于上述理论与方法研究,开发了县域绿肥发展管理决策系统。研究结果为区域绿肥综合效益评价、生态补偿以及种植布局提供方法依据。主要研究结果和结论如下：(1)针对当前绿肥效益研究中缺少能够综合评估绿肥引入农田生态价值等问题,基于农田生态系统服务功能价值理论,结合绿肥功能作用,选取农产品供给、气体调节、土壤养分累积、土壤保持和水分涵养5类服务功能,构建了冬绿肥轮作春玉米农田生态系统服务功能价值评估方法；以华北地区典型冬绿肥轮作春玉米为例,对比分析了豆科绿肥作物毛叶苕子(Vicia villosaRoth)轮作春玉米模式、非豆科绿肥作物二月兰(Orychophragmus violaceus)轮作春玉米模式、春玉米单作模式的农田生态系统服务功能价值。结果表明,二月兰轮作春玉米、毛叶苕子轮作春玉米的农田生态系统服务功能价值分别为7.14万元·hm-2和6.90万元·hm-2,较常规春玉米单作分别提高23.45%和19.15%。两种冬绿肥轮作春玉米农田生态系统各单项服务功能中,以气体调节功能价值最高,占总价值的60.84%～61.13%；其次为农产品供给功能价值,占总价值的19.92%～20.30%；其他功能价值贡献率从大到小依次为水分涵养功能、土壤养分累积功能和土壤保持功能。两种冬绿肥轮作春玉米农田生态系统在土壤养分累积功能价值上表现差异最大,其中二月兰轮作春玉米主要表现为提高土壤有效磷和有机质累积价值,毛叶苕子轮作春玉米则主要表现为提高土壤碱解氮累积价值。研究实现了对绿肥引入农田的综合价值估算,有利于全面认识绿肥的综合效益,同时可为种植绿肥的生态补偿政策提供理论依据。(2)为进一步明确绿肥种植利用在节能减排以及控制污染等方面的作用,运用生命周期评价(Life Cycle Assessment,简称LCA)方法,从能源消耗、水资源消耗、土地资源消耗、温室效应、环境酸化、水体富营养化以及土壤毒性7个方面,以生产1 t玉米为评价功能单元,对华北地区二月兰轮作春玉米模式、毛叶苕子轮作春玉米模式和二月兰混播毛叶苕子轮作春玉米模式生命周期全过程中的资源消耗和污染物排放进行了全面分析。结果表明,冬绿肥轮作春玉米农资阶段中的化学制品(化肥、农药、燃油)生产过程是造成生命周期中能源消耗以及潜在温室效应的主要原因；而在农作阶段中的田间生产活动(整地、施肥、灌溉、施药)是造成潜在环境酸化、水体富营养化和土壤毒性的主要环节。其中,过量施用氮肥产生的硝态氮淋失以及氨挥发是导致水体富营养化和环境酸化的主要原因；造成土壤毒性潜在影响的关键因素是农药、化肥的过量投入。与常规春玉米单作相比,冬绿肥轮作春玉米模式生命周期中环境酸化、水体富营养化污染潜值分别降低了28.7%和28.1%：能源消耗、温室气体排放分别减少了24.2%和14.1%。因此,种植利用绿肥有利于节能减排,主要原因是通过减少主作物对化肥的需求从而直接降低了农田氮素、磷素损失造成的污染,间接减少了上游农资生产阶段的资源消耗和污染物排放,进而有效地降低生命周期过程中对环境的潜在影响。(3)综合绿肥种植利用对农田生态系统服务功能价值提高和节能减排等效益,运用层次分析法,从培肥土壤、保持水土、控制污染和增加收益4个方面,构建了多层次的绿肥种植利用综合效益评价指标体系；以华北地区二月兰轮作春玉米模式、毛叶苕子轮作春玉米模式、二月兰混播毛叶苕子轮作春玉米模式为例进行了综合评价。结果表明,3种冬绿肥轮作春玉米模式较传统春玉米单作综合效益均有较大的提高,主要表现在保持水土、控制污染物排放以及提高土壤肥力3个方面；其中,以二月兰混播毛叶苕子轮作春玉米模式综合效益最高,综合得分为20.9：其次为二月兰轮作春玉米模式,综合得分为18.3：毛叶苕子轮作春玉米模式综合效益相对较低,综合得分为16.9：从评价结果来看,3种冬绿肥轮作春玉米模式效益特征均满足该区域的生态发展需求,以毛叶苕子混播二月兰轮作春玉米模式综合效益最佳,建议优先推广。(4)针对我国绿肥推广种植过程中缺少对绿肥发展空间布局的合理规划等问题,对土地利用变化及其效应模型(CLUE-S)在县域绿肥发展空间预测中的可行性进行了探讨。研究区以北京市平谷区为例,在考虑未来耕地、园地消长的同时,对2020年仅园地引入绿肥和耕地、园地均引入绿肥2种情景方案下的绿肥空间分布进行了预测。结果表明,模型运行通过了ROC值检验(均大于0.7)和Kappa系数(0.91)检验,反映出应用CLUE-S模型预测县域绿肥的空间发展具备可行性。预测结果能够较清晰地指出2020年平谷区绿肥引入空间分布情况,仅园地引入绿肥情景下,绿肥引入主要位于大华山镇中部和南部、王辛庄镇西部和南部、山东庄镇中部、平谷镇西部和夏各庄镇中部的园地；耕地、园地均引入绿肥情景下,绿肥引入主要位于在王辛庄镇中部的园地和大兴庄镇、平谷镇南部、夏各庄镇北部和马坊镇的耕地。(5)为满足绿肥发展管理决策等多方面的需求,基于上述绿肥种植利用综合效益评价和空间分布预测等理论方法研究,使用C#编程语言,在Microsoft Visual Studio 2010开发环境下,结合ArcGIS组件式开发技术,开发了县域绿肥发展管理决策系统。系统主要包括县域绿肥发展决策、绿肥知识查询、地图管理等功能模块,初步具备县域绿肥引入时空潜力分析和效益评价功能,可为县域绿肥发展管理提供决策支持。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S55

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