PDF《中国农田的温室气体排放》

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10 收修改稿 第23 卷第5期2003 年9月第四纪研究QUATERNARY SCIENCES Vol.

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5 September ,

2003 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 各种各样的全球性变化困扰着当代人类 ,人们倾向认为气候变化是各种全球变化的 主因.虽然全球气候变化受制于许多大空间因素 ,如日地关系 ,但日益增多的证据表明人 类自身活动的因素已不可忽视.在目前的认知水平下 ,科学家们把观测到的全球温室效 应归咎于几种气体 ,包括二氧化碳(CO2) 、 甲烷(CH4) 和氧化亚氮 (N2O) 等.这些气体可吸 收长波热辐射 ,增加地表温度 ,故称之为温室气体.在政府间气候变化委员会 ( Intergo2 vernmental Panel for Climate Change 或IPCC) 的多年努力下 ,1997 年的 京都议定书 ( The Kyoto Protocol) 终于对减排温室气体提出了明确要求.农业是一个重要的温室气体来源 , 土壤中的有机物质经微生物分解 ,以CO2 的形式释放入大气 ,CH4 可在长期淹水的农田中 经发酵作用产生 ,全球一半以上的 N2O 来自土壤的硝化和反硝化过程.确定农业温室气 体的排放量并探寻减排办法已成为各国的当务之急. 农业生态系统中温室气体的产生是一个复杂过程.土壤中的有机质在气候、 植被、 土 质及人为扰动的条件下 ,可分解为无机的碳 (C) 和氮 (N) .无机 C 在好氧条件下多以 CO2 形式释放进入大气 ,在厌氧条件下则可生成 CH4 .无机铵态 N 可在硝化菌作用下变成硝 态N,而硝态 N 在反硝化菌作用下转换成多种状态的氮氧化合物 ,N2O 可在硝化和反硝化 过程中产生.在气候、 植被、 土质及农田管理诸条件中 ,任何一个因子的微小变化 ,都会改 变CO2 ,CH4 或N2O 的产生及排放.世界各地大量的定点观测表明 ,农田这些气体的排放 在空间和时间上都变化多端.现在许多科学家已经认识到由有限的点位观测来简单地推 算大区域排放量是不可靠的 ,与此有关的研究正走上一条新的道路 ,即发展生物地球化学 过程模型来模拟控制温室气体产生的复杂生态系统[1~5] . 生物地球化学过程模型(DNDC) 的发展始于

1989 年 ,在中美两国政府有关部门共同 支持下 ,中美两国研究者进行了长达近

8 年的合作 ,旨在探索如何发展和应用先进的生物 地球化学过程模型来估计中美这两个农业大国对全球温室效应的贡献.在过去的

10 多 年中 ,该模型已在包括中国在内的

20 多个国家得到应用和检验.与这些国家的点位观测 结果相对照 ,DNDC 模拟的 CO2 ,CH4 和N2O 的排放量及季节变化曲线大多与观测相 符[4 ,6~13]1) .由于有关 DNDC 验证的结果已在许多文章中发表 ,本文不再重复.本文侧重 报告如何将 DNDC 应用于整个中国农田温室气体的释放研究.

1 地理信息系统数据库的建立 DNDC 是一田间尺度(field scale) 的生物地球化学过程模型.DNDC 在点位的尺度上 将生态驱动因素(即气候、 土壤、 植被及人为活动) 、 环境营力 (即辐射、 温度、 湿度、 pH 值、 Eh 和有关化合物的浓度梯度等) 及有关生物化学及地球化学反应联系起来 ,从而达到预 测C,N 和水分生物地球化学循环的目的.当把 DNDC 的预测由点位扩展到区域时 ,我们 实际上是将待研究的区域划分为许多小单元 ,并认为每一小单元内部各种条件都是均匀 的 ,使 DNDC 对所有单元进行逐一计算以实现对全区域的模拟.这意味着 ,在进行区域模 拟之前 ,我们必须首先建立包括各单元驱动因子 (或称之为输入参数) 的数据库 . 这种数 1) Cai Z , Sawamoto S , Li C et al. Field validation of the DNDC model for greenhouse gas emissions in East Asian cropping systems.