中国农田生态系统土壤碳库的饱和水平及其固碳潜力

在利用反硝化-分解(DNDC)模型估算中国分县农田土壤碳库及其变化量的基础上,分析中国分省农田土壤碳库的饱和水平,估算各省市自治区农田土壤的固碳潜力,比较旱田与水田固碳能力的差异。结果表明:笔者所得到的中国农田土壤碳库的饱和水平可代表在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下农田土壤经过耕种后所能达到的碳含量的平衡值,为农田选择土地利用方式、耕作栽培措施和施肥方式以固定更多的碳素提供依据。在分布上,中国农田土壤碳库的饱和水平以华北地区较低,以华北地区为中心向外呈辐射状递增。在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下,中国农田土壤的固碳潜力为-0.969 Pg。从单位面积的固碳潜力看,以西藏自治区最高,黑龙江省最低;从分布看,从南向北有逐渐递减的趋势。中国水田比旱田有更大的固碳能力。     

基于不同土壤数据单元法的DNDC模型对太湖地区水稻土CH4排放模拟研究

利用农业土壤痕量气体排放模型DNDC(DeNitrification-DeComposition),以整个太湖地区37个县234万hm2水稻土为例,分析了3种不同土壤数据单元法对CH4排放模拟的影响.其中,1∶5万图斑单元法土壤属性来自1∶5万土壤数据库,图斑为最小模拟单元;1∶5万"县级"单元法土壤属性也取自1∶5万土壤数据库,"县"为最小模拟单元;1∶1 400万"县级"单元法土壤属性取自国内同类研究使用最多的1∶1 400万土壤图和《中国土种志》,"县"为最小模拟单元.结果表明,虽然1∶5万图斑单元法大多数县的CH4排放量都在1∶5万"县级"单元法最大与最小值范围之间,但整个地区总排放量(以C计,下同)相差达到1 680 Gg;而1∶1 400万"县级"单元法CH4排放量与1∶5万图斑单元法相比,尽管整个地区总排放量只相差180 Gg,但各"县级"单元之间的估算差异却很大,这一方面说明了土壤数据的详细程度是保证地球生物化学模型模拟精度的重要因子,另一方面也说明在区域CH4排放量估算模拟中使用更详细的土壤资料是非常必要的.     

基于DNDC模型评估水位变化对滨海湿地净生态系统CO2交换的影响

水位是影响滨海湿地生态系统蓝碳功能的重要因素。气候变化引起的海平面上升以及极端气候事件的频发,可能加快水位的变化,从而改变生态系统碳交换的过程。然而,滨海湿地碳汇功能响应水位变化的机制尚不清楚。为了评估水位对滨海湿地净生态系统CO₂交换(NEE)特征的影响,以及验证DNDC(denitrification-decomposition)模型对模拟预测滨海湿地生态系统碳交换的适用性,该研究设计了野外水位控制试验(自然水位,地下20 cm水位、地表10 cm水位),并利用DNDC模型模拟和预测水位变化对滨海湿地NEE的影响。结果表明:(1)不同水位处理之间NEE差异显著,地表10 cm水位处理促进CO₂吸收,地下20 cm水位则抑制CO₂吸收;(2)经过校准和验证的DNDC模型可以准确模拟水位变化对黄河三角洲湿地NEE的影响,NEE模拟值的日动态与田间观测结果显著相关(R²>0.6);(3)通过改变气候、土壤和田间管理等输入参数对DNDC模型进行灵敏度检验,生态系统碳交换过程对日均温、降雨和水位改变的响应最为显著,其中,水位对NEE的影响主要作用于土壤呼吸(Rs)。未来气候情境下,不同水位变化下的生态系统碳交换过程随年份增长呈现不同的规律,因此未来的模拟研究应关注DNDC中水文模块和植被演替过程的完善。该研究可为预测水文变化情境下滨海湿地碳汇功能的未来发展以及政策制定提供参考。     

DNDC模型对川中丘陵区稻田CH_4、N_2O排放的模拟对比分析

利用IKONOS高分辨率（1m）卫星遥感图,进行典型抽样和地形→土地利用→土地覆盖→综合信息提取的方法,选定了代表川中丘陵区类特征的四川省金堂县为研究区域,通过对研究区域中不同固定耕作制度下代表性田块的选取,于2005年5月—2006年5月对田块管理者进行作物田间管理、作物产出等农业生产实际情况调查和分析,进行土壤理化性状、水样的测定,并结合当地的气象资料,利用DNDC模型模拟川中丘陵区不同耕作制度下稻田温室气体的排放情况。结果表明：冬水田-水稻田（PF）水稻生长期CH4排放通量为2.24 kg.hm-2.d-1,占年排放量的80.73%;水稻生长期和冬闲期N2O通量分别为0.033和0.003 6 kg.hm-2.d-1,水稻生长期排放量为4.28 kg.hm-2,占年总排放量的83.59%。CH4和N2O排放量在水稻整个生季节存在明显的互为消长关系。油菜-小麦田（RR）水稻生长期CH4排放通量为1.16 kg.hm-2.d-1,是休闲期的20.71倍,水稻生长期CH4排放量占年排放量的90.48%;水稻生长期和非水稻生长期N2O排放通量分别为0.070和0.027 kg.hm-2.d-1,水稻生长期N2O排放量为8.01 kg.hm-2,占年排放量的54.19%。小麦-水稻田（RW）水稻生长期CH4排放通量为1.24 kg.hm-2.d-1,是休闲期的21.02倍。水稻生长期CH4排放量占年排放量的89.75%;水稻生长期和非水稻生长期N2O排放通量分别为0.089和0.030 kg.hm-2.d-1,水稻生长期N2O排放量为9.61 kg.hm-2,占年排放量的55.23%。PF年CH4排放量是RR和RW的近3倍,且少一季作物产量,应尽量将冬水田改为两季田。     

应用DNDC模型估算区域农业土壤N2O释放通量和释放量——以贵州省为例

根据ＤＮＤＣ模型能较好地拟合贵州省玉米－油菜轮作田、大豆－冬小麦轮作田和休耕地的N₂O释放通量及其影响因子的季节变化模式,采用ＤＮＤＣ模型估算了以县为空间分辨尺度的贵州省农业土壤１９９５ 年N₂O释放通量和释放量;定量评估了施肥和耕作农业活动对该地区N₂O释放量的贡献． 本工作将为准确估算我国农业土壤的N₂O释放量和提出科学的减排措施提供研究基础和方法参考．     

施氮对稻麦轮作系统综合增温潜势的影响

采用典型区域田间试验结合生物地球化学模型（DNDC模型）,以上海市崇明岛为例对稻麦轮作系统作物产量和温室气体排放进行了模拟研究。结果表明：DNDC模型能较好地模拟田间实测到的稻麦轮作系统温室气体排放通量。在常规用量的80%~150%之间增施氮肥对作物产量无显著增加,但稻麦轮作系统综合温室效应呈递增趋势。东滩农业园区稻麦轮作系统最优施氮量为常规用量的6298%,此时单位产量增温潜势（Global Warming Potential,GWP）最小,作物产量为12 8775 kg/(hm2〖DK〗·a),综合温室效应较常规施氮降低3670%。长江下游地区稻麦两熟制农业生态系统能够通过合理控制农田氮肥用量减少温室气体排放净通量,降低作物单位产量GWP     

Developing spatially stratified N(2)O emission factors for Europe

We investigate the possibility to replace the – so-called – Tier 1 IPCC approach to estimate soil N₂O emissions with stratified emissions factors that take into account both N-input and the spatial variability of the environmental conditions within the countries of the European Union, using the DNDC-Europe model. Spatial variability in model simulations is high and corresponds to the variability reported in literature for field data. Our results indicate that (a) much of the observed variability in N₂O fluxes reflects the response of soils to external conditions, (b) it is likely that national inventories tend to overestimate the uncertainties in their estimated direct N₂O emissions from arable soils; (c) on average over Europe, the fertilizer-induced emissions (FIE) coincide with the IPCC factors, but they display large spatial variations. Therefore, at scales of individual countries or smaller, a stratified approach considering fertilizer type, soil characteristics and climatic parameters is preferable.     

DNDC模型对川中丘陵区稻田CH_4、N_2O排放的模拟对比分析

利用IKONOS高分辨率(1m)卫星遥感图,进行典型抽样和地形→土地利用→土地覆盖→综合信息提取的方法,选定了代表川中丘陵区类特征的四川省金堂县为研究区域,通过对研究区域中不同固定耕作制度下代表性田块的选取,于2005年5月—2006年5月对田块管理者进行作物田间管理、作物产出等农业生产实际情况调查和分析,进行土壤理化性状、水样的测定,并结合当地的气象资料,利用DNDC模型模拟川中丘陵区不同耕作制度下稻田温室气体的排放情况。结果表明:冬水田-水稻田(PF)水稻生长期CH4排放通量为2.24 kg.hm-2.d-1,占年排放量的80.73%;水稻生长期和冬闲期N2O通量分别为0.033和0.003 6 kg.hm-2.d-1,水稻生长期排放量为4.28 kg.hm-2,占年总排放量的83.59%。CH4和N2O排放量在水稻整个生季节存在明显的互为消长关系。油菜-小麦田(RR)水稻生长期CH4排放通量为1.16 kg.hm-2.d-1,是休闲期的20.71倍,水稻生长期CH4排放量占年排放量的90.48%;水稻生长期和非水稻生长期N2O排放通量分别为0.070和0.027 kg.hm-2.d-1,水稻生长期N2O...     

Model evaluation of different mechanisms driving freeze–thaw N2O emissions

N₂O emissions from soil contribute significantly to global warming. Pulse emissions of N₂O from soils during freeze-thawing were recently recognized as important atmospheric sources. In this modelling study we explore three different hypotheses for explaining freeze–thaw related N₂O emissions: (1) soil frost or snow cover may reduce gas diffusion and create anaerobic conditions that stimulate N₂O production via denitrification, (2) microbes that die of frost deliver easy decomposable organic carbon and nitrogen to the soil, which stimulates microbial growth and vigorous N₂O production during freeze–thaw, and (3) the enzyme nitrous oxide reductase, which is responsible for the reduction of N₂O to N₂ during denitrification, is more sensitive to low temperatures than other enzymes, so that N₂O becomes the dominating end-product of denitrification at low temperatures. These hypotheses were tested with a biogeochemical model that combines hydrology and physics calculations with a newly developed, parameter-poor biochemistry module. The model was first calibrated with field datasets on soil–atmosphere fluxes of N₂O, NO and CO₂ and soil NO₃ and NH₄ concentrations that were measured in a spruce forest in Southeast Germany in the years 1994–1997. Subsequently, additional model mechanisms were implemented that allow the model to describe the outlined mechanisms potentially driving freeze–thaw N₂O fluxes. After each implementation the model was recalibrated. We were able to mimic dimension and timing of high N₂O emissions when either one of the first two hypotheses were assumed, but found no confirmation for the third. The best model fit was achieved by combining hypothesis one and two, indicating that freeze–thaw N₂O emissions are not mono-causal.     

天然文岩渠流域土壤水分渗漏和氮素淋失模拟

应用DNDC模型（denitrification-decomposition model）对黄淮海平原的典型平原小流域——天然文岩渠流域的土壤水分渗漏和氮素淋失状况进行了模拟.水氮控制田间试验的验证结果表明,模型对1 m土体日储水量、下界面硝态氮浓度、土壤水日渗漏量和氮素日淋失量的模拟均较理想,模拟值与实测值的相关系数分别达到了0.94（n=40）、 0.66（n=49）、 0.89（n=40）和0.94（n=39）,均方根误差则分别为15.66 mm、 2.66 mg·kg^-1、 9.00 mm和0.94 kg·hm^-2.模型在流域范围的模拟结果表明,冬小麦-夏玉米轮作农田在多年平均气象条件和常用水肥管理模式下,土壤的水分年渗漏量在220～327 mm之间,氮素年淋失量在73.1～100.6 kg·hm^-2之间.水氮淋失的空间和时间分布不均,淋失最严重的区域为固定细风沙土、砂土分布区,淋失时间主要集中于施肥、灌溉或强降雨之后.灌溉措施不当,施肥盲目以及土壤自身保水保肥能力差,是导致土壤水肥流失的主要原因.