基于模型和GIS技术估算1955-2005年中国稻田甲烷排放

【摘要】：温室气体引起的全球气候变暖已成为全世界面临的重大环境问题。甲烷(CH4)是重要的温室气体之一。2005年大气中CH4浓度为1774 ppb,比工业革命前增加了1059 ppb,但自二十世纪80年代以来其增长速率呈下降趋势。灌溉稻田是大气中CH4的重要来源。 中国作为水稻生产大国,其稻田对全球CH4排放的影响已经成为全球变化研究的焦点之一。近50多年来,我国水稻种植面积和农业管理方式等发生了巨大变化。大量研究表明,有机肥是稻田甲烷产生的重要基质来源。毫无疑问,水稻种植面积和施肥结构等的变化必然影响我国稻田CH4排放量。估计我国的稻田CH4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,有助于评价我国水稻生产在区域稻田甲烷排放中的作用,同时为有效制定农业温室气体减排对策提供科学依据。 本文的研究目的为：通过调研我国1955-2005年水稻生产农业耕作变化数据库,估算1955-2005年中国稻田CH4排放的情况,并分析中国稻田CH4排放的时空变化规律。 本研究通过水稻农业生产管理信息农户问卷调查,结合现有文献资料调研的基础上,采取一定的规则对所获取的数据进行整理后,建立了包括1950s-1990s中国水稻田农业耕作变化数据库,包括水稻种植面积、产量、有机肥施用量及结构、化肥施用量及类型、水分管理方式等要素；在已建立的1950s-1990s中国水稻田农业耕作变化数据库的基础上,根据中国水稻种植制度区划,估算了中国稻田历年外源有机碳投入情况；将我国不同区域水稻生产及其与CH4排放有关的数据和其他输入参数代入CH4MOD运行,估算1955-2005年稻田甲烷排放的时空变化。 研究结果表明,1955-2005年我国水稻种植面积变化极其明显。1950s中后期为31.1×106hm2左右,至1960s下降到29.2×106hm2左右；其后稳步上升,至1970s达到历史最高,约34.9×106hm2,这主要是由于大力推广双季稻,1950s中期双季稻种植面积约占水稻总面积的50%,1970s中期超过70%；由于双季稻种植面积逐年减少,1970s中期以后全国水稻面积下降,2001-2005年平均种植面积为28.4×106hm2,双季稻面积所占比例在45%左右。 1955～2005年间中国水稻田外源有机碳投入持续增加。1950s-2000s每个年代的平均有机碳投入分别为2.96、3.00、3.41、3.64、3.83和4.28 tC·ha-1.其中来源于秸秆根茬的有机碳投入呈增加趋势；而来源于农家肥的有机碳投入则呈降低趋势,其占总投入比例从1950s的77.7%降低到2000s的37.2%；绿肥有机碳投入占总有机碳投入比例不高,其变化范围为1.5%-8.5%,基本上呈现出先增加后减少的趋势。 在空间分布上,水稻田有机碳投入高值区主要集中在华中和华南地区,近50年其范围基本保持在2.88～5.61 tC·ha-1,而低水平投入区则在东北、西北区投入水平变化范围为1.11～2.47 tC·ha-1。 来源于秸秆根茬的有机碳投入增加是稻田有机肥投入增加的重要原因。上世纪五十年代中国稻田秸秆根茬有机碳投入为0.63 t Cha-1,约占总投入的20.4%,到二十一世纪初期,秸秆根茬有机碳投入为2.64 t Cha-1,约占总有机碳投入的61.1%。秸秆根茬投入增加是秸秆还田率提高和作物产量增加的共同作用。 近50年来中国大陆水稻生长季甲烷排放总体呈增加趋势,1960-1975年增加速率最快,年均增加167Gg；自1970s中期开始增加速率减缓,年均增加量54Gg。1960s、1970s、1980s和1990s年均排放量分别为3.18±0.53、4.71±0.27、5.21±0.24和5.79±0.34Tg/yr,2000-2005年平均排放量为6.25±0.36Tg/yr。由于未考虑杂交稻种植和化肥氮施用对CH4排放的影响,估计值可能偏高。 中国稻田CH4排放具有较强的时空变异性。中国稻田甲烷排放高值区主要分布在湖南、湖北、江西、广东、广西、江苏和安徽省,约占全国稻田甲烷排放总量的73%。在区域水平上,我国各水稻种植区CH4排放总量自1950s以来均呈增加趋势。自20世纪70年代以来,华中和华南地区稻田CH4排放的增加趋势减缓,但1980-2005年间东北三省CH4排放增加显著,这主要归因于该区水稻种植面积的迅速扩大和气温升高。 本研究通过覆盖中国主要水稻种植区的水稻农业耕作农户问卷调查,建立了1950s-1990s中国水稻农业基础耕作变化基础数据库。将稻田甲烷排放模型CH4MOD和GIS空间化数据库结合,模拟估计了中国大陆1955-2005年水稻生长季稻田甲烷排放量,研究了较长时间序列内中国稻田CH4排放的时空变异规律,系统的回答了中国稻田CH4排放的过去,这将有助于我们评价中国水稻历史生产在区域稻田CH4排放中的贡献,同时可以为制定有效温室气体的减排措施提供科学支持。 【关键词】：CH4MOD 稻田 甲烷排放 时空变化 中国
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S511
【目录】：

• 目录5-9
• 摘要9-12
• ABSTRACT12-15
• 第一章 绪论15-30
• 1.1 研究背景与意义15-21
• 1.1.1 全球变化与大气中的CH_415-17
• 1.1.2 大气CH_4的源、汇分布17-21
• 1.1.3 稻田CH_4排放与研究意义21
• 1.2 国内外研究进展21-28
• 1.2.1 稻田甲烷产生、氧化、排放的机理21-23
• 1.2.2 稻田甲烷排放的影响因素23-25
• 1.2.3 稻田甲烷排放模型及估算25-28
• 1.3 问题的提出与研究目的28-30
• 第二章 研究方案30-51
• 2.1 研究内容30
• 2.2 研究方法30-50
• 2.2.1 中国稻田甲烷排放的基础数据库30-40
• 2.2.2 中国水稻种植制度和稻田有机碳投入估算40-42
• 2.2.3 中国稻田甲烷排放的估计方法42-50
• 2.3 技术路线50-51
• 第三章 1955-2005年中国水稻种植制度和稻田有机碳投入的时空变化51-70
• 3.1 我国水稻种植制度和种植面积变化51-55
• 3.2 稻田有机碳投入的时空变化55-69
• 3.2.1 时间变化特征55-56
• 3.2.2 空间分布特征56-64
• 3.2.3 稻田有机碳投入估算输入数据与文献调研数据的一致性比较64-69
• 3.3 小结69-70
• 第四章 1955-2005年中国稻田CH_4排放的时空变化研究70-79
• 4.1 1955-2005年中国稻田CH_4排放时间变化70-71
• 4.2 1950s和2000s中国稻田甲烷排放通量变化71-72
• 4.3 中国稻田甲烷排放的空间分布特征72-77
• 4.4 不同水稻种植区稻田甲烷排放变化77-78
• 4.5 小结78-79
• 第五章 讨论79-96
• 5.1 稻田甲烷排放估计结果的不确定性79-87
• 5.1.1 氮肥施用与稻田CH_4排放79-81
• 5.1.2 水稻品种与稻田CH_4排放81-82
• 5.1.3 有机碳的转化比例82-84
• 5.1.4 作物秸秆根茬有机碳投入量计算的不确定性分析84-85
• 5.1.5 模型输入参数的不确定性分析85-87
• 5.2 不同学者对中国稻田CH_4排放估算结果的比较87-90
• 5.3 中国稻田CH_4排放不同估算方法的结果比较90-96
• 第六章 结论与展望96-98
• 6.1 结论96
• 6.2 研究特色与新的认识96-97
• 6.2.1 研究特色96-97
• 6.2.2 新的认识97
• 6.3 展望97-98
• 参考文献98-125
• 致谢125-126
• 博士期间发表的论文126

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