我国农田化学氮肥减量与替代的温室气体减排潜力估算

摘要

农业温室气体排放在人为温室气体排放总量中占了相当大的份额，尤其是N2O，2005年我国农田N2O直接排放量占全国N2O排放量的37％。因此，相应的农业措施应是重要的温室气体减排对策。氮肥施用是农田土壤N2O排放的主要原因。此外，化学氮肥的生产和运输等过程也会产生大量的温室气体。本研究以我国主要粮食作物水稻、小麦和玉米作为研究对象，利用相关国家统计数据，通过文献调研方法，估算了不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的化学氮肥盈余量和温室气体减排潜力，以及稻草和猪粪发酵大棚CO2施肥技术所产生发酵残渣部分替代化肥的温室气体减排效益，以期为我国农田氮肥施用管理方面温室气体减排对策的制定提供科学依据。主要研究结果如下：
　　1.不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的化学氮肥盈余量估算
　　相关研究表明，我国主要粮食作物上的化学氮肥施用量可以控制在130-150kg ha-1范围内。基于省级统计数据和相关文献调研数据，对不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田化学氮肥盈余量的估算结果表明，在农田化学氮肥施用量控制为130-150 kg ha-1的情况下，我国主要粮食作物上的化学氮肥消费量每年可减少611-754万t，相当于我国农田主要粮食作物上化学氮肥年总消费量的36-45％。化学氮肥施用量每降低10 kg ha-1，我国农田主要粮食作物上的年化学氮肥盈余量就相应增加71万t。化学氮肥盈余量较大的区域主要分布在山东、河南、江苏、河北、广东、安徽、陕西、四川、湖北和湖南等省份，这十个省份在150、140和130 kg ha-1化学氮肥推荐施用量情景下主要粮食作物上的年化学氮肥盈余总量分别为463、504和546万t，占全国研究区域年化学氮肥盈余总量的76％、74％和72％。
　　2.不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的温室气体减排潜力估算
　　化学氮肥施用是导致农田土壤N2O气体排放的最主要因素之一。此外，化学氮肥的生产、运输和施用过程还隐含着不可忽视的碳成本。研究结果表明，在农田化学氮肥施用量控制为130-150 kg ha-1的情景下，我国主要粮食作物上产生的温室气体减排量在75.24-91.51 Tg CO2-eqyr-1之间，其中包括来自农田土壤的直接N2O排放(79.58-97.02 Gg N2O-eqyr-1)以及化学氮肥生产和运输过程导致的间接温室气体排放(51.53-62.60 Tg CO2-eqyr-1)。在130-150 kg ha-1化学氮肥推荐施用量情景下，化学氮肥施用量每降低10 kg ha-1，我国农田主要粮食作物上的温室气体排放将减少8.1 Tg CO2-eqyr-1。减排潜力较大的区域主要分布在山东、河南、江苏、河北、安徽、陕西、广东、四川、湖北和辽宁等省份，其在150、140和130 kg ha-1化学氮肥推荐施用量情景下主要粮食作物上的年温室气体减排总量分别为56.95、61.94和66.93 Tg CO2-eqyr-1，占全国温室气体减排总量的76％、74％和73％。
　　3.稻草和猪粪发酵大棚CO2施肥产生的发酵残渣部分替代化肥的温室气体减排效果评估
　　近年来，我国秸秆的年产出总量在8亿t以上，然而其中有20％左右在田间被直接焚烧。同时，我国畜禽粪便的年产生量达到20亿t以上。秸秆露天焚烧以及畜禽粪便向水体的直接排放是我国空气和水体污染的重要成因。为了合理利用农业有机废弃物和养分资源，我们提出一项利用稻草和猪粪发酵进行大棚CO2施肥的技术。稻草和猪粪发酵CO2施肥技术每年具有消耗稻草30 t ha-1及猪粪10 t ha-1的能力。以这项技术在浙江省的应用为例，在年实施面积达到4-20千ha的情景下，每年可利用12-60万t稻草和4-20万t猪粪。每年产生的发酵残渣可提供的养分量为:793-3963 tNyr-1、476-2382t P2O5yr-1和251-1254t K2Oyr-1，施用发酵残渣以替代化肥产生的温室气体减排效应为7.89-39.47 Gg CO2-eqyr-1。同时，该技术可避免稻草秸秆露天焚烧导致的土壤碳库损失量为43.13-215.66 Gg CO2-eqyr-1，由此产生的总温室气体减排效应为54.90-274.50Gg CO2-eqyr-1。在此项技术年推广应用面积每增加1000 ha的情况下，施用发酵残渣所带来的温室气体减排量为1.97 Gg CO2-eq vr-1，其中来自N、 P2O5和K2O的温室气体减排量分别为1.64、0.28和0.04 Gg CO2-eqyr-1。该方法具有的低成本、易操作性和可观的经济效益等优点使农民愿意采用该技术。因此，该技术有望为促进农田氮肥减量以及农业温室气体减排作出积极的贡献。
　　本文研究结果表明，对我国主要粮食作物的农田化学氮肥施用进行合理减量具有相当可观的温室气体减排潜力，而稻草和猪粪发酵大棚CO2施肥技术产生发酵残渣的施用可以在一定程度上促进我国农田化学氮肥的减量化，这可为我国农田氮肥施用管理方面农业源温室气体减排对策的制定提供理论参考。本研究结果的不确定性主要来源于估算过程中所采用参数的不确定性，经过与相关资料的比较表明，本研究结果具有较高的可信度。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章 文献综述

1．1 前言

1．2 温室气体浓度升高和气候变化对生态环境的影响

1．3 温室气体浓度升高和气候变化对农业生产的影响

1．4 我国主要农业源温室气体排放

1．5 调整农田氮肥施用减少温室气体排放

1．5．1 我国农田化学氮肥施用现状

1．5．2 我国农田化学氮肥投入与温室气体排放

1．5．3 通过优化农田氮肥管理减少温室气体排放

第2章 研究内容、技术路线及拟解决的关键问题

2．1 问题的提出

2．2 研究内容

2．3 研究目的

2．4 技术路线

2．5 拟解决的关键问题

第3章 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的化学氮肥盈余量估算

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 我国农田粮食作物化学氮肥推荐施用量的确定

3．2．2 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田化学氮肥盈余量的估算

3．3 结果

3．3．1 我国农田主要粮食作物上的化学氮肥施用现状

3．3．2 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的化学氮肥盈余量

3．4 讨论

3．5 小结

第4章 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的温室气体减排潜力估算

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的直接N2O减排潜力估算

4．2．2 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的间接温室气体减排潜力估算

4．2．3 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的总温室气体减排潜力估算

4．3 结果

4．3．1 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的直接N2O减排潜力

4．3．2 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的间接温室气体减排潜力

4．3．3 不同化学氮肥推荐施用量情景下我国农田的总温室气体减排潜力

4．4 讨论

4．5 小结

第5章 稻草和猪粪发酵大棚CO2施肥产生的发酵残渣替代化肥的温室气体减排效果评估

5．1 前言

5．2 研究方法

5．2．1 利用稻草和猪粪发酵进行大棚CO2施肥技术简介

5．2．2 估算过程所用数据来源

5．3 结果

5．3．1 稻草和猪粪发酵CO2施肥技术在目前年推广面积下提供的养分量

5．3．2 稻草和猪粪发酵CO2施肥技术在推广面积下产生的温室气体减排效应

5．4 讨论

5．5 小结

第6章 全文总结

6．1 主要研究结论

6．2 相关建议

6．3 创新点

6．4 研究不足之处

6．5 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要成果