中国稻田生态系统固碳效应模拟研究

【目的】研究稻田生态系统固碳量的动态变化,为制定与推广耕地固碳减排措施提供依据。【方法】基于3年稻田受控试验数据,校验生物地球化学脱氮—分解作用(denitrification-decomposition,DNDC)模型,并估算2018—2020年间中国稻田生态系统的固碳量;分析稻田生态系统土壤及作物固碳量的时空分布,评估农田生态系统在实现“碳中和”中的贡献。【结果】DNDC模型模拟的水稻产量及土壤有机碳含量与田间观测结果一致性较高(相关系数均大于等于0.77,平均绝对误差和归一化均方根误差均小于13%);2018—2020年中国水稻固碳总量为523.29 Tg,作物对总固碳量的贡献率达97%以上。江西、湖南、广东和广西的双季稻固碳能力较强,而云南、浙江和海南的相对较弱。单季稻固碳量分布呈现北高南低的空间分布特征,其中黑龙江、江苏和湖北的固碳量较高。湖南、福建、江西和广西的双季稻固碳量大于单季稻,双季稻固碳量占总固碳量的60%以上。【结论】DNDC模型可用于模拟稻田生态系统的碳收支,中国稻田生态系统是重要的碳汇,且呈现出较强的空间异质性。

基于DNDC模型的南方典型稻田氮素去向及其优化管理

稻田不合理的氮素管理模式造成了氮素资源浪费与水体及大气环境污染。为深入分析中国南方典型稻田的氮素去向特征及其优化管理模式,基于2017年湖北省孝昌县高岗村的试验稻田在常规水肥管理下的稻田观测数据,采用了DNDC模型对稻田各氮素去向负荷进行了模拟与分析,包括水稻植株吸氮、氮素渗漏、氨挥发与反硝化。研究结果表明:①DNDC模型能够准确模拟中国南方典型稻田的氮素各去向负荷,其中模型对氮素渗漏与氨挥发动态模拟的拟合度(R^(2))高达0.6493~0.8602,纳什效率系数(NSE)高达0.5135~0.7862,经验证后的模型可用于稻田氮素去向的动态与结构特征分析;②氮素的气态损失—而非随水流失—是稻田氮素损失的主要途径,其占总氮素损失量的比例高达83.86%~86.69%,且分蘖肥施用期与水稻黄熟落干期是造成显著气态损失的重要时期;③基于情景模拟可提出研究区内具体的氮素优化管理模式,优化施氮量为100 kg/hm^(2),优化施氮方式为秸秆还田处理,该模式比低氮施肥处理提升了12.67%的稻谷吸氮量,比高氮施肥与氮肥表施处理减少了17.64%~65.57%的氮素气态损失。该研究的结果与稻田氮素去向特征的分析方法可推广至中国南方稻区,以实现高氮利用与低氮污染的可持续发展。

基于DNDC模型评估湖北省不同稻作系统不同管理措施温室气体排放的周年变化

为了探究不同管理措施对湖北省主要稻作系统CH4和N2O周年排放的影响,利用田间观测数据验证DNDC模型后,结合地理信息系统(ArcGIS)模拟和测算湖北省不同稻作系统温室气体的周年排放。本研究于2019年在鄂西北的枣阳市设置水稻-小麦(RW)、水稻-再生稻(RO)稻作系统,在鄂东南的武穴市设置RO、水稻-油菜(RR)稻作系统,在江汉平原的潜江市设置RW、RO、RR稻作系统,每个稻作系统均设置常规栽培和优化栽培(包括氮肥深施、节水灌溉、秸秆还田等)两个模式,通过静态箱法测定温室气体CH4和N2O的周年排放特征。大田验证试验结果显示,不同稻作系统不同栽培模式下CH4和N2O排放实测值与模拟值归一化均方根误差(NRMSE)值为19.3%~24.2%,模型拟合度在可接受范围之内。DNDC模型模拟和估算结果表明,湖北省稻作区增温潜势(GWP)表现为江汉平原>鄂东南>鄂西北,不同区域稻作系统CH4的排放总量、N2O的排放总量和GWP均表现为RW>RO>RR。优化栽培管理模式可以明显减少CH4和N2O排放,与常规栽培管理模式相比,优化栽培管理模式下RW、RO和RR的单位面积CH4排放量分别降低9.5%~18.0%、7.3%~18.4%和18.2%~22.4%,N2O排放量分别降低4.2%~14.2%、6.9%~24.7%和8.8%~18.1%。优化栽培管理后,各地区的GWP表现为,鄂西北:襄阳>十堰>神农架;鄂东南:黄冈>咸宁>武汉>黄石>鄂州;江汉平原:荆州>荆门>孝感>随州>天门>仙桃>潜江。优化栽培管理模式下鄂西北、鄂东南和江汉平原稻田CH4周年排放总量较常规栽培管理模式分别降低11.8%、14.4%和16.3%,稻田N2O周年排放总量分别降低82.4%、77.5%和83.0%。本研究结果表明,DNDC模型可以较好地模拟湖北省不同稻作系统下温室气体的排放,同时优化稻作管理模式对稻田生产具有好的减排效果,为在湖北省推广该模式提供理论依据。

基于DNDC模型评估白洋淀芦苇湿地N2O排放特征

湿地是一个重要的N2O排放源。气候变化改变硝化与反硝化作用强度影响土壤N2O排放。为探究湿地芦苇在2018-2100年中N2O的排放特征,以中国华北白洋淀湿地芦苇为研究对象,借助DNDC(反硝化-分解)模型和IPCC(政府间气候变化专门委员会)的6种模式及RCP 3种情景模拟芦苇的生长过程。研究表明,多点位验证模拟值和观测值之间Pearson相关系数r为0.723,决定系数R2为0.522,均方根误差RMSE为76.75μg/m2·d。在RCP2.6和RCP4.5情景下,未来N2O排放量均未出现显著线性变化特征,年排放总量变化范围分别为0.69~23.84 t和0.59~31.92 t。对比RCP8.5情景,N2O排放在CanEMS2和MIROC5 2种模式中出现明显递增趋势,排放总量的变化范围为0.49~38.82 t。在2018-2100年的时间梯度中N2O排放未表现出明显递增或递减变化趋势。多模式多情景下,N2O排放量总体随时间变化不明显,且无线性、周期性等变化,但受温度和降雨变化明显。温度适中、降雨量丰富的年份易出现N2O排放极大值。

不同秸秆还田率情境下亚热带水田土壤的“碳汇”贡献模拟研究

明确不同秸秆还田量对土壤“碳汇”的贡献大小是合理制定农业碳中和措施的基础。以我国典型亚热带地区——福建省水田土壤为研究对象,基于2016年15833个土壤样点实测数据和目前该地区最详细的1︰5万大比例尺土壤数据库,运用农业生态系统中广泛使用的DNDC(DeNitrification and DeComposition)模型模拟了不同秸秆还田率下全省未来的土壤有机碳动态变化。结果表明,2017—2053年传统管理(15%)以及秸秆还田30%、50%和90%下水田土壤的年均固碳速率分别为173、302、478和838 kg·hm^(–2),固碳总量分别为11.56、20.15、31.90和55.95 Tg。从土壤亚类来看,咸酸和盐渍水稻土的年均固碳速率最大,不同秸秆还田率下介于220~920 kg·hm^(–2)·a^(–1)之间;而渗育和潴育水稻土的固碳量最大,不同秸秆还田率下合计介于9.45~45.52 Tg之间,约占研究区总固碳量的81%。从行政区来看,龙岩、泉州两个地级市的固碳速率和总量均最大,不同秸秆还田率下均分别在202~937 kg·hm^(–2)·a^(–1)和1.55~8.34 Tg之间。总体而言,福建省水稻土亚类和行政区在不同秸秆还田率下的固碳潜力差异很大,应有针对性制定“固碳减排”管理措施。

中国农田生态系统土壤碳库的饱和水平及其固碳潜力

在利用反硝化-分解(DNDC)模型估算中国分县农田土壤碳库及其变化量的基础上,分析中国分省农田土壤碳库的饱和水平,估算各省市自治区农田土壤的固碳潜力,比较旱田与水田固碳能力的差异。结果表明:笔者所得到的中国农田土壤碳库的饱和水平可代表在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下农田土壤经过耕种后所能达到的碳含量的平衡值,为农田选择土地利用方式、耕作栽培措施和施肥方式以固定更多的碳素提供依据。在分布上,中国农田土壤碳库的饱和水平以华北地区较低,以华北地区为中心向外呈辐射状递增。在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下,中国农田土壤的固碳潜力为-0.969 Pg。从单位面积的固碳潜力看,以西藏自治区最高,黑龙江省最低;从分布看,从南向北有逐渐递减的趋势。中国水田比旱田有更大的固碳能力。

基于高精度土壤数据库的苏北旱地固碳速率和潜力研究

旱地占我国农田面积的70%以上,明确它未来不同时段的固碳速率和潜力对于制定中国农田温室气体减排清单及各个时期"固碳减排"政策皆具有重要意义。选择属于黄淮海平原一部分的江苏省北部(简称"苏北地区")29个县(市)旱地为研究区,以最新建立的1∶50 000高精度大比例尺土壤数据库为基础,利用生物地球化学模型DNDC(Denitrification and Decomposition)估算了该地区2011─2040年(30 a)、2011─2070年(60 a)和2011─2100年(90 a)3个时段的固碳速率和潜力。结果表明,苏北地区393多万平方公顷旱地在未来30、60和90 a的固碳总量分别为43.18、69.40和88.91 Tg;年均固碳速率分别为367、295和252 kg·hm^(-2)。其中,潮土和紫色土的固碳速率最大,各个时段的年均固碳量一般在300 kg·hm^(-2)以上,而石质土和石灰土固碳速率最小,各个时段的年均固碳量一般在200 kg·hm^(-2)以下。从空间分布来看,地处北部的灌南县固碳速率最大,各个时段的年均固碳量均超过330 kg·hm-2;而中部的盱眙县固碳速率最小,各个时段的年均固碳量均低于250 kg·hm^(-2)。总体来看,苏北旱地不同土类和各个县(市)的未来固碳速率和潜力差异很大。因此,今后针对该地区不同的土壤类型和行政单元制定适宜的固碳减排措施是十分必要的。

基于大比例尺数据库的福建省耕地土壤固碳速率和潜力研究

明确土壤固碳速率和潜力是制定耕地固碳减排措施的基础。以我国典型亚热带地区—福建省不同地理位置的闽侯、浦城、同安、武平和永定5个县为研究区,运用生物地球化学过程模型DNDC(DeNitrification and Decomposition),模拟这5个县在目前区域尺度最详细的1︰5万土壤数据库下1980—2009年和2010—2039年有机碳动态变化,并运用尺度上推的方法估算出全省耕地土壤固碳速率和潜力。结果表明,福建省耕地土壤1980—2009年的固碳总量为7.37 Tg,而2010—2039年的固碳潜力为7.04 Tg,两个时段的年均固碳速率分别为190 kg·hm^(–2)和176 kg·hm^(–2),说明目前的农田管理措施有利于研究区长期固碳。其中,水稻土和盐渍水稻土分别在土类和亚类级别中固碳速率最大,不同时段均大于175 kg·hm^(–2)·a^(–1);而红壤在土类和亚类级别中固碳速率皆最小,不同时段均小于3 kg·hm^(–2)·a^(–1)。总体来看,1980—2009年和2010—2039年水稻土的固碳总量均占全省耕地固碳总量的92%以上,是今后制定固碳减排措施的重点。

水分条件影响下玉米生产过程的生命周期评价

研究了不同水分条件对玉米种植全过程中的产量和环境排放的影响以及相应改进措施。利用山西省太谷县2002-2016年15 a间的气象数据、玉米种植过程的施肥和灌溉数据、土壤数据以及玉米生长发育数据,采用时间替换空间方法和经本地化校正的DNDC(denitrification-decomposition)模型和数值模拟方法,模拟玉米种植全过程中降水量和施肥量变化下CO2、NH3和N2O排放量及硝酸盐淋洗量,利用生命周期评价方法评价玉米全生长过程对资源消耗和环境排放的定量影响,分析比较了降水量和资源消耗与环境排放的关系,并提出不同降水年型的合理施肥量和灌溉量。结果表明:(1)当降水量处于300~600 mm之间时,降水量与CO2排放量、硝酸盐淋洗量、N2O排放量呈显著正相关(P<0.05),与NH3挥发量呈显著负相关(P<0.05);(2)年降水量大于560 mm(丰水年)条件下玉米种植全过程的环境影响综合指数为0.19~0.20,年降水量为380~560 mm(平水年)条件下环境影响综合指数为0.17~0.27,年降水量低于380 mm(枯水年)条件下的环境影响综合指数在0.3以上,不同降水年型玉米种植全过程对环境的影响依次为枯水年、平水年和丰水年;(3)数值模拟结果表明降水量小于380 mm时,在施肥量不变条件下,增加灌溉能够增加产量,减少排放,环境影响综合指数降至0.2以下;在无灌溉条件下,将施肥量减少为210~315 kg·hm^-2,环境影响综合指数可降低至0.2~0.3,产量降低幅度为3.15%;平水年施肥量减少到原施肥量的80%~85%时,产量无显著下降,但环境影响显著降低。温室效应、富营养化、能源消耗和环境酸化与降水年型相关。水分对玉米种植全过程的环境影响较大,当水分条件充足时,籽粒产量高且环境影响较小,当水分供给不足时,籽粒产量低且对环境影响升高。在枯水年建议有灌溉条件的地区增加灌溉量,无灌溉条件的地区减少施肥量;在平水年减少施肥量,可降低玉米生长对环境造成的影响。

应用DNDC模型分析管理措施对稻麦轮作系统CH_4和N_2O综合温室效应的影响

以南京地区稻麦轮作体系为对象,研究了不同农业管理措施对CH4和N2O排放通量及年度动态变化的影响,用田间观测数据验证生物地球化学循环模型(DNDC)在该耕作制度下的适用性;利用DNDC模型模拟不同环境因子和管理措施对CH4和N2O综合温室效应(GWP)的影响.结果表明:除了对照和麦季对CH4排放的模拟偏差较大外,DNDC对其余各处理模拟的CH4和N2O累积排放量与田间观测结果基本吻合,相对偏差变幅7.1%～26.3%,可以直接应用DNDC模型模拟环境因子和主要管理措施对CH4和N2O累积排放量引起GWP的影响.模型灵敏度检验结果表明,年均温度、土壤容重、土壤有机碳、土壤质地、土壤pH等环境因子对GWP的影响显著;施用氮肥、秸秆还田量和烤田期长短等管理因子对GWP的影响明显.在估算我国稻麦轮作制度下温室气体的点或区域排放规律时,应考虑上述这些影响因子.