基于模型和GIS技术的中国农田化学氮源NO直接排放量估计

摘要

温室气体引起的全球气候变暖和平流层臭氧的损耗已成为全世界面临的两大环境问题。氧化亚氮(N<,2>O)是大气中仅次于CO<,2>和CH<,4>的第三大痕量温室气体，农田是大气中N<,2>O的重要来源，然而对于农田N<,2>O排放的精确估计一直存在着较大困难，其原因主要在于气候、土壤以及农业管理方式等影响农田N<,2>O排放的因素在时间和空间上都存在巨大的变异性。 中国作为农业大国，其农田对全球N<,2>O排放的影响已经成为全球变化研究的焦点之一，并且中国作为《联合国气候变化框架公约》的缔约国之一，编制N<,2>O排放的国家清单已成为刻不容缓的工作。准确估计我国的农田N<,2>O排放量，研究其时空变化规律，不仅对于我国的科学研究和国家利益具有一定的重要性，同时也是全球变化研究的内容之一，有助于揭示全球气候变化的规律，为减缓和应对气候变化提供有效对策。 本文的研究目的为：结合我国农业生态系统的特点，在IPCC推荐的排放系数法的基础上，建立适用于我国农田的N<,2>O排放估算模型；在GIS技术支持下，估算中国农田N<,2>O直接排放量，并研究中国农田N<,2>O排放的时空变异规律；结合气候模式，分析未来气候变化情景下中国农田N<,2>O直接排放的变化趋势；探讨在区域尺度上减缓中国农田N<,2>O排放的对策。 本研究通过充分调研现有文献资料，结合本课题组观测结果的基础上，采取一定的规则对所获取的数据进行取舍和整理后，建立了包括N<,2>O年排放量、施氮量、环境要素、地理位置、作物类型等要素的数据库。统计分析结果表明，在大尺度样本空间内农田N<,2>O排放与降水及氮肥施用量呈显著正相关，与气温、土壤pH值、有机碳及N含量无显著相关。 在IPCC推荐的排放系数法的基础上，通过考虑农田N<,2>O排放与年降水量间的关系，本文建立了针对旱地农田N<,2>O排放的估算方程N<,2>O-N=(1.49±0.73)P+(0.0186±0.0027)P·F(r<'2>=0.61，P<0.0001)。拟合度分析表明，相较于IPCC缺省方法，引入了降水因子的估算方程能够提高对农田N<,2>O20排放的解释性，对N<,2>O排放具有更好的模拟效果，也更适用于中国农田的N<,2>O排放估算。 根据中国农业生产和种植制度的特点，本文引入水田N<,2>O排放系数，结合降水修正的排放系数，在GIS技术的支持下，估算了中国农田N<,2>O直接排放量。结果表明，在1980～2000年间中国农田化学氮源N<,2>O平均年排放量为167.22 GgN<,2>O-N yr<'-1>，约占氮肥用量的1.02％，其中旱作农田是主要的N<,2>O释放源，约占中国农田N<,2>O直接排放量的86％。中国农田N<,2>O排放具有较强的时空变异性。在分布格局上，N<,2>O排放通量和排放系数均表现出明显的地区间差异，东部较高，西北偏低。在时间序列上，中国农田N<,2>O排放量在上世纪后二十年升高了约149 Gg N<,2>O-N，增加了1.55倍，同时受氮肥用量和气候条件等因素的影响，不同地区N<,2>O排放量增加的幅度也具有较大差异。由于考虑了N<,2>O排放的主控因子，本文采用的方法能够更为合理的估计出农田N<,2>O排放的年际间变异。 本研究估算的不确定性主要来自于两个方面，输入数据空间化过程中的偏差和估算方程的不确定性。结合本研究的特点，采用了IPCC推荐的误差传播公式来量化和合并估算过程中的不确定性。分析表明，本研究对中国农田N<,2>O年排放量估算的不确定性约为21.3％。 利用气候模式驱动农田N<,2>O估算模型，本文分析了未来气候变化情景下中国农田N<,2>O排放的变化趋势。结果表明，农田N<,2>O排放对气候变化具有较强的敏感性。虽然在较长的时间尺度上，中国农田N<,2>O排放在趋势上并未发生明显的改变，然而，N<,2>O排放的年际变异进一步变大，波动性增强，同时其空间分布格局也发生了一定的变化，N<,2>O的排放中心有向北移动的趋势。 基于中国农田N<,2>O排放和氮肥用量的地区间差异，本研究设置了中国氮肥区域分配情景。情景分析结果表明，在化学氮肥施用总量接近的条件下，通过调整中国氮肥的地区间分配，可以削减约11.7％的农田N<,2>O排放量。与此同时，经过氮肥用量的区域性调整后，由于提高了氮肥的利用率，中国的粮食产量具有一定的增加潜力。 本研究通过大样本空间数据的分析，探讨了农田N<,2>O排放与各影响因素间的关系，基于这种关系所建立的N<,2>O排放估算模型，在保持排放系数法操作简单的基础上提高了估算的准确性。在GIS技术的架构下，本文将栅格化数据集和估算模型相结合，研究了较长时间序列内中国农田化学氮源N<,2>O直接排放的时空变异规律，系统的回答了中国农田N<,2>O排放的过去、现在和将来，这将有助于我们评价中国农田对大气温室气体浓度升高的贡献，为制定有关温室气体的的决策提供科学支持，对合理预判和应对未来全球变化的趋向具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1全球变化与大气中的N2O

1.1.2 N2O排放清单

1.1.3农田N2O排放与研究意义

1.2农田N2O排放估算的研究进展

1.2.1统计和经验模型

1.2.2过程机理模型

1.2.3国内研究进展

1.3问题的提出与研究目的

1.3.1问题的提出

1.3.2研究目的

第2章研究方案

2.1研究内容

2.2拟解决的关键问题

2.3研究思路与技术路线

第3章估算模式的建立和分析

3.1模型的基础与假设

3.2材料与方法

3.2.1数据来源

3.2.2统计方法

3.3农田N2O排放数据库

3.4旱作农田N2O排放系数

3.4.1旱作农田N2O排放与环境因素的关系

3.4.2降水修正的排放系数

3.4.3拟合度分析

3.5水田N2O排放模式

3.5.1水田N2O排放特点及影响因素

3.5.2模式的确立与数学表达

第4章基础数据库及空间化过程

4.1输入参数数据库

4.1.1气象数据

4.1.2农业统计数据

4.1.3其他辅助数据

4.2数据空间化方案

4.2.1空间划分方案

4.2.2投影坐标体系及栅格框架

4.2.2降水量插值方法及方案选择

4.2.3农业统计栅格化方案

4.3模型与GIS的集成

4.3.1集成方案

4.3.2模型空间化流程

第5章中国农田化学氮源N2O直接排放的空间分布格局

5.1中国农田N2O直接排放量的估算

5.2 N2O排放分布格局

5.2.1 N2O排放量的空间分布

5.2.2 N2O排放的区域差异

第6章1980～2000年中国农田化学氮源N2O直接排放变化趋势及分析

6.1中国农田N2O直接排放量的变化趋势

6.2中国农田N2O排放变化的空间格局

6.3 N2O排放的年际变异

第7章不确定性分析

7.1不确定性来源

7.2不确定性量化方法

7.3中国农田N2O排放估计的不确定性范围

7.3.1活动水平数据不确定性的量化

7.3.2排放系数不确定性的量化

7.3.2不确定性的合并及N2O直接排放的估计范围

第8章中国农田N2O直接排放对气候变化的响应

8.1 FGOALS模型与气候变化情景

8.1.1 FGOALS模型简介

8.1.2气候变化情景与FGOALS模型输出

8.2气候变化情景下中国农田N2O直接排放量的预测

8.2.1模型输入参数

8.2.2排放量变化趋势

8.2.3 N2O排放变化的空间分布

第9章中国农田N2O减排对策探讨

9.1中国化学氮肥施用与粮食生产

9.2设定情景下中国农田N2O排放的估计

9.2.1情景设置

9.2.3情景分析与减排对策

9.3减排措施效益的探讨

第10章结论与展望

10.1结论

10.2研究特色与创新点

10.2.1研究特色

10.2.2新的认识

10.3讨论与展望

10.3.1中国农田N2O排放估算结果的比较

10.3.2研究的不确定性

10.3.3进一步的研究

参考文献

致谢

作者简历