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中国农田化学氮肥施用和生产中温室气体(N_2O、CO_2)减排潜力估算

汤勇华  
【摘要】:氧化亚氮(N2O)是大气中仅次于CO2和CH4的第三大痕量温室气体,大量排放会引起全球气候变暖和平流层臭氧的损耗。大气中N2O浓度已从工业革命前的270ppb左右上升到2005年的319ppb。N2O排放1/3以上来自于农业活动。农业氮肥的施用是导致农田土壤N2O排放的主要原因。随着氮肥施用量继续增加,超过作物的需求,将有可能导致更多的N2O排放。 中国作为农业大国,在7%的耕地上需要养活22%的人口。为达到作物高产的要求,中国氮肥施用量自1970年以来急剧增加。目前中国氮肥施用量占全球的30%。过量的氮肥施用可持续的增加粮食产量,但是化肥的大量施用现明显的报酬递减效应,导致更多的N2O排放。合理施用氮肥,减少中国农田N2O排放对全球氮肥导致的N2O减排具有重要意义。 在整个氮肥工业生产和运输过程中也会产生大量的温室气体CO2。因此,减少氮肥施用,不仅仅可以减少N2O排放,同时可以减少CO2排放。本研究利用模型和GIS技术,评价中国氮肥施用量及氮肥利用率(Nitrogen use efficiencyNUE%),定量分析不同氮肥利用率情景下温室气体减排潜力及其区域分布特征,为制定有效农业温室气体减排对策提供科学依据。 本研究针对6种主要作物,水稻、小麦、玉米、大豆、棉花和油菜进行分析,通过充分调研文献资料,建立农田地力贡献率统计模型。结合统计资料整理和分析,建立了包括施氮量、作物产量、种植面积、地理位置、土壤理化性状等要素的数据库。通过地力贡献率模型和NUE模型的结合,分析了地力贡献率、氮肥施用量以及氮肥利用率区域特征。分析结果表明,建立的中国农田地力贡献率统计模型可解释地力贡献率空间变异。除玉米外,中国各作物地力贡献率的高值区分布在东部沿海以及长江黄淮流域,特别是华东华中和四川盆地;低值区主要分布在华北北部以及西南地带。玉米高值区分布在东北和西南。我国水稻、小麦、玉米、大豆、棉花和油菜的平均氮肥施用量分别为190,193,1 89,45,212,172kgha-1,施用量变化趋势大体为从南往北从东往西递减。各作物氮肥利用率分别为31%,33%,32%,39%,29%和31%。在各作物主要种植区内,东部沿海地区、华北平原和四川盆地平均氮肥利用率较低,在22-33%之间。 基于上世纪90年代的土壤肥力和作物产量,本研究设定5个NUE情景,分别为30%,35%,40%,45%和50%,分别估算我国农田氮肥盈余量。结果表明,在30-50%的NUE情景下,氮肥盈余总量在3.40-7.73×106t yr-1之间,占6种作物氮肥施用总量的30%(18-42%)。在30%、40%、50%的NUE情景下,氮肥盈余量分别3.40,5.74和7.73×106t yr-1。水稻、小麦和玉米是主要施肥过量的作物,其氮肥盈余量占6作物氮肥盈余总量的85%。氮肥盈余量较大的区域主要分布在江苏、河南、山东、湖北、四川、河北、安徽、湖南、广东和辽宁,占全国盈余总量的63%。NUE每增加1%,可以减少220x103t yr-1的氮肥施用。 基于NUE模型,结合农田N2O排放模型以及氮肥工业CO2排放系数,估算中国不同的氮肥利用率情景下农田N2O和氮肥生产CO2减排潜力。研究结果表明,我国氮肥在生产运输和农田施用过程中共排放187.8(148.4-220.5)Tg CO2_eq yr-1的温室气体。在NUE设定为30%-50%情景下,中国农田氮肥施用减排潜力为52.9-123.4Gg N2O yr-1,占全国农田N2O直接排放量的16%-38%。氮肥生产可减排的CO2平均为16.4到37.3Tg CO2 yr-1之间。全国农田N2O和氮肥生产CO2的减排潜力在32.2Tg C02_eq yr-1到74.1Tg CO2_eq yr-1之间,占生产施用过程中温室气体排放总量的17-39%。氮肥生产运输过程温室气体减排潜力与农田施用过程中的减排潜力水平相当。每增加1%氮肥利用率,可减少排放2 Tg CO2_eq yr-1温室气体。我国不同氮肥利用率情景下主要的减排区域分布在江苏、安徽、山东、河南、四川和湖北等省份。 本研究中的不确定性主要来自两方面:氮肥利用率估算输入参数的不确定性和减排潜力估算模型方法的不确定性。经过大量的资料分析和方法比较表明,本研究的结果具有较高的可信度。需要指出的是,由于数据的缺乏本研究中未考虑有机氮肥和氮沉降的投入。通过文献资料的调研,各作物(水稻、小麦和玉米)有机氮肥和氮沉降的投入量范围分别为26±10,29±1 3和31土14kgN ha-1和14±9,12±7和10±2 kgN ha-1。由此,外源有机和无机氮肥的投入量可增加到230 kg ha-1左右,同时氮肥利用率也将下降到25-27%之间。因此本研究的温室气体减排潜力被低估。


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