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中国种植业结构演变及其资源环境代价研究

陈晓辉  
【摘要】:种植业结构调整作为中国农业结构调整的核心与基础,经历了从“以粮为纲”向“粮经协调发展”的转变,同时也对资源与环境代价产生显著影响,然而关于我国种植业结构演变对资源环境变化影响的定量研究还比较缺乏。为了更好的理解中国种植业结构演变的历程及其对农业资源与环境代价的影响,为未来农业结构调整和农业可持续发展提供理论支撑,本研究估算中国16种主要作物生产体系中单位面积的物质投入,在此基础上,结合碳足迹核算模型以及农田土壤酸化模型,进一步解析种植业结构演变对我国化肥消费、作物系统温室气体排放以及农田土壤酸化的影响,并通过多目标优化模型对2020年种植结构进行优化设计。研究主要结果如下:1.1950~2010年中国种植业年化肥总用量增加了 49.6 Mt(Million ton),74.7%的化肥增加是由于单位面积施肥量(FAR)的改变所致,25.3%和0.1%的化肥增加量分别是由于种植业结构(CS)和总播种面积(TCA)的改变所致。FAR是驱动我国化肥消费增加的主要因素,但是其对化肥增长的贡献率不断减小(50年代为98.3%,2000年代为65.6%);相反,CS和TCA的改变对化肥增长的贡献率不断增大(50年代CS和TCA的贡献率分别为0.8%和0.9%,2000年代该值分别为16.8%和17.5%)。80年代之前,三大粮食作物(水稻、小麦和玉米)为驱动化肥增长的主要作物,其化肥用量占种植业化肥总用量87.9%;80年代之后,玉米、果树和蔬菜贡献了种植业化肥总用量增长的90.6%,成为驱动化肥快速增长的主要作物。2.2001年至2014年,我国种植业系统碳排放和碳固定分别增加373.6和171.9MtCO2,驱动分析结果显示,总种植面积(TCA)、单位面积碳排放(碳固定)强度(CER和CSR)和种植业结构(CS)的改变均正向驱动了碳排放和碳固定的增加。2001~2014年中国种植业系统碳净排放增加量为201.7MtCO2,TCA、单位面积净碳排放(NCER)和CS的变化对系统总碳净排放增加的贡献率分别为15.9%、95.4%和-11.3%。水稻,小麦,玉米以及果树和蔬菜为主要的碳排放和碳固定生产体系,而碳排放或碳固定增加的主要原因则是由于果树、蔬菜、小麦和玉米CER和CSR的增大以及蔬菜、果树和玉米所占总种植面积的比例增加所致。3.2001~2014年农田土壤产酸量增加了 328.5 Mkeq,其中增加量的32.9%是因为TCA的变化,59.2%是因单位面积产酸量(H+per)的增加,CS的变化仅贡献了总增加量的7.9%,并且H+per的变化对我国农田土壤整体酸化的贡献率不断减小。研究阶段农田土壤总产酸量的增加主要是由于蔬菜、果树、油菜和棉花单位面积产酸量的增加(分别贡献了 32.6%、21.6%、12.9%和11.4%),以及蔬菜、果树和玉米结构比例增加(分别贡献了 6.4%、9.9%和10.4%)导致。4.通过构建了基于增加收益、减少资源环境代价的多目标种植业结构优化模型,对中国2020年的种植业结构进行优化设计。研究结果显示2020年优化的种植业系统对氮、磷、钾化肥的需求量为51.5Mt,净碳排放为348.5 MtCO2,土壤产酸量为1159.8 Mkeq,纯收益为13464.3billion CNY。相比2014年,可减少2.2 Mt化肥投入,减少CO2排放82.1 Mt,减少土壤产酸量140.7 Mkeq,在不考虑复种的情况下,同时减少10481.7千公顷的耕地面积,增加58.1亿元纯收益。综上所述,种植结构演变会潜在的影响化肥消费、农田温室气体排放以及农田土壤产酸量的变化。未来需要加强对关键的玉米、蔬菜和果树3种生产体系的土壤-作物系统综合管理(ISSM),同时减少氮肥和高浓度磷肥的施用、提高肥料利用率、增施有机肥、提高秸秆还田率以及合理的种植业结构调整将是实现农业可持发展、缓解中国农业温室气体排放和农田土壤酸化最直接、有效和经济的方法。


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