![]()
期刊：Agricultural Systems 1区TOP/IF=6.6![]() 估算农业温室气体净排放(NGHG)减少潜力；![]() IPCC建议的第三层方法适用于中国七种种植制度；![]() 综合优化管理有可能降低NGHG 256.9 Tg CO2-eq；![]() 80%的NGHG缓解可以以CN¥285 (Mg CO2-eq) - 1的价格实现；![]() 确定了不同作物和地区的优先NCS。 |
自然气候解决方案(NCS)通过将大气碳转化为土壤碳或避免温室气体排放，为应对气候危机提供了即时和成本效益高的方法。然而，NCS对中国种植系统的气候缓解潜力和经济成本仍不确定。本研究采用反硝化分解(DNDC)模型估算NGHG，包括碳固存、N2O和CH4排放。模型校准后，使用导出的市级数据运行DNDC模型。然后对当前管理下的天然气水合物进行了估算，采用个别最优管理和综合最优管理，以预测NCS造成的最大天然气水合物减少潜力。我们采用边际消减成本法估算经济成本。本研究的主要目标是(i)估计由NCS引起的中国主要种植制度的NGHG减排潜力，(ii)量化采用不同减排潜力的最优管理的经济成本。本研究结果强调了通过精确采用NCS来减少NGHG的巨大潜力，以及整体优化农业管理的重要性，将有助于决策者在中国发展智慧农业。
![]()
在本研究中，考虑了4种NCS，包括施肥管理(NFM)、秸秆还田管理(SRM)、耕作管理(TM)和灌溉管理(RIM)。考虑这四个NCS是出于以下原因。首先，已有研究证明，这4种ncs均能有效降低农田NGHG，且NGHG降低潜力较大(Huang et al.， 2021;刘等，2019;Peigne et al.， 2018)。其次，这些NCS的技术是成熟的，利用现有技术采用这些管理实践并不困难(Bai et al.， 2019)。最后，这些NCS可以在种植系统不发生根本变化的情况下实施。因此，可以根据目前的种植制度来估计减排情况。
在本研究中，使用反硝化分解(DNDC, version 9.5)模型来模拟中国农田的SOC固存、N2O排放和CH4排放。DNDC模型由两部分组成(Li, 2000)。第一部分由土壤气候、作物生长和分解子模型组成，预测生态驱动因素(包括气候、土壤、植被和人为活动)驱动的土壤温度、水分、pH、氧化还原电位和基质浓度剖面。分解子模型模拟土壤微生物每天产生的CO2。第二部分由硝化、反硝化和发酵子模型组成，预测温室气体排放。硝化子模型跟踪硝化剂的生长和铵态氮的转化率。反硝化子模型以小时为时间步长，模拟反硝化和NO、N2O和N2的生成(Li, 2000)。发酵子模型模拟厌氧条件下CH4的产生和氧化(EOS, 2012)。我们使用以下公式计算NGHG排放量(Yin et al.， 2023):![]()
![]()
本研究使用的气候数据来自国家气象局(http://data.cma.cn/)。土壤pH值、初始有机碳含量、粘粒百分比等土壤属性数据来源于资源与环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/Default.aspx)。氮素、灌溉面积和节水灌溉面积、播种面积、产量、免耕播种面积来自国家统计年鉴(https://data.cnki.net/)。秸秆还田比例数据来自Bi et al.(Bi, 2010)和Guo et al.(Guo and Huang, 2016)。7种种植制度中每一种的种植面积均采用Yin et al. (Yin et al.， 2022)引入的方法计算。从Zhang et al. (Zhang et al.， 2017)获得1900—2014年5弧分格图，并通过线性插值将其扩展到2020年。在DNDC模型中，影响作物产量预测的参数有积温、最高产量和需水量三个。在校准前，该方法在模拟作物产量方面存在较大偏差。在对这三个参数进行校准和验证后，我们使用区域模式运行DNDC模型。利用实际物候期和日气温数据计算积温，设定水稻、小麦和玉米的需水量为默认值(水稻、小麦和玉米的需水量分别为508、200和250公斤水/公斤干物质)，并根据人口普查数据校准最高产量。
本研究以2016-2020年为基准，以这五年的平均排放量为当前水平。根据中国农业农村部(http://www.moa.gov.cn/nybgb/2013/dbaq/201712/t20171219_6119839.htm)的建议计算出最佳施氮量。然后分别从NFM、SRM、TM和RIM四个方面改变农业经营模式，运行DNDC模型，采用单一NCS估算NGHG减少量。此外，通过计算当前管理与综合最优管理之间的NGHG差距来估计最大的NGHG最优减排潜力。本研究将综合最优管理定义为同时对NFM、SRM、TM和RIM四种ncs实施控制策略，以减少农田温室气体排放的最佳管理方案。在这里，假设每个城市的综合最佳管理是12个潜在的缓解方案之一。![]()
图1 2016-2020年中国地级玉米(a)、水稻(b)和小麦(c)模拟产量与普查产量的比较。
单独采用NFM、SRM、TM和RIM的气候缓解潜力和成本![]()
图2 最佳氮肥管理(NFM)、秸秆还田管理(SRM)、耕作管理(TM)和水稻灌溉管理(RIM)的温室气体缓解潜力。![]()
图3 氮肥管理、秸秆还田管理、耕作管理和水稻灌溉管理的边际消减成本曲线。![]()
图4 最佳氮肥管理(NFM)、秸秆还田管理(SRM)、耕作管理(TM)和水稻灌溉管理(RIM)对区域NGHG的消减潜力分别为CN¥50 (Mg CO2-eq) - 1、CN¥100 (Mg CO2-eq) - 1和CN¥200 (Mg CO2-eq) - 1。![]()
图5 通过综合优化管理，增加了碳汇，减少了N2O，减少了CH4，最大限度地减少了NGHG。![]()
图6 综合最优管理的边际减排成本曲线(a)，以及当前和综合最优管理下的区域NGHG、SOC封存、CH4排放和N2O排放曲线(b)。图7 各NCS的减少潜力(a)、综合优化管理下的平均当前NGHG (b)和最低NGHG (c)，以及综合优化管理下不同农业区域和不同种植制度的NGHG减少量(d)。![]()
图8 综合优化管理下CH4减少、N2O减少和SOC封存对NGHG减少的贡献增加(a)。综合优化管理下的NGHG减少潜力与各优化管理下的NGHG减少总量的比值(b)。本研究采用IPCC推荐的第三层方法，通过采用NCS来估计中国主要种植制度下的NGHG减少潜力。研究表明，采用NFM、SRM、TM和RIM四种方法，可减少NGHG 118.8 Tg CO2-eq、116.3 Tg CO2-eq、35.2 Tg CO2-eq和74.4 Tg CO2-eq，其中95%、91%、19%和90%的CO2-eq可在低于CN¥100 (Mg CO2-eq) - 1的价格下实现。综合优化管理可潜在降低NGHG减排的256.9 Tg CO2-eq，其中低于CN¥100 (Mg CO2-eq) - 1的价格可达到166 Tg CO2-eq。本研究还确定了不同作物和区域的优先次序NCS，以准确、高效地应用NCS。研究结果强调了通过采用NCS来减少NGHG的巨大潜力，以及优化整个农业管理的重要性。
(欢迎大家投稿、转发和建议，也希望与您共同讨论相关知识，共同进步！)
