多因子变化对中国主要作物产量和温室气体排放的影响研究

全球气候和人类活动引起的环境变化已成为农业生态系统可持续发展面临的重大挑战。而农业生态系统不仅是气候变化的承受者,也是导致N2O和CH4增加的重要排放源。如何在确保粮食安全的同时,减少温室气体排放,是当前我国应对全球变化的当务之急。认识气候变化和人类活动造成的多因子环境变化对中国主要农作物产量和温室气体排放的影响,对制定"气候智慧型农业"策略,促进国家粮食安全和可持续发展具有极其重要的理论与现实意义。而多因子协同作用、大区域尺度人类活动和管理措施的数据库建立和参数化以及陆地生态系统模型与基于过程的农业机理模型的有机结合,是当前农业生态系统增产和减排的研究热点与难点。本文基于历史实验和观测数据,对陆地生态系统动态模型的农业模块（DLEM-Ag）进行改进升级,得到基于作物生长过程的DLEM-AG2.0模型,并应用该模型模拟分析多因子环境变化（气候、大气C02、对流层03、氮沉降、氮肥施用量以及土地覆盖和利用）对1980-2012年中国主要农作物（小麦、玉米和水稻）产量以及温室气体（N02、CH4）排放的影响,为制定未来适宜的农业生产和管理措施提供理论依据。主要结果如下:（1）改进的DLEM-AG2.0模型可以模拟中国不同气候条件和管理措施下小麦、玉米和水稻的叶面积增长、干物质积累、产量形成以及温室气体（N20和CH4）排放的动态过程,模拟误差均小于20%。DLEM-AG2.0能够用来模拟中国多种环境因子变化对作物产量和温室气体排放的影响。（2）1980～2012年间,中国平均温度、大气C02浓度、03浓度、大气氮沉降和氮肥施用量增长趋势都非常显著;降水年际间变化较大;玉米种植面积显著增加,增加速率为0.05×108hayr-1;小麦和水稻面积均以0.02×108hayr-1的趋势下降。（3）在多种环境因子变化的情况下,1980～2012年间中国小麦、玉米和水稻的产量均有所增加,但相对于80年代,增产趋势在2000年代下降了 52.6～99.5%。1980～2012年间中国小麦、玉米和水稻田的N2O、CH4排放分别增加了 27.2～54.3%和20.1～34.7%,但在2000年代下降趋势显著。中国小麦、玉米和水稻的产量、N20以及CH4排放都存在显著的时空差异。1980～2012年间,气候变化和03浓度增加使三种作物产量分别降低了产量变化的39.8%～64.9%和4.5%～13.8%,该负面影响逐渐增大。氮肥施用量增加对作物产量升高的贡献>CO2浓度急速增加>土地利用和覆盖变化>大气氮沉降,氮肥施用量增加和土地利用变化的贡献作用在2000年代有所降低,C02浓度增加和大气氮沉降的贡献不断增强。（4）1980～2012年间,气候变化使中国小麦、玉米和水稻田N20排放量降低了排放变量的13.7%～29.7%,且负效应增加趋势显著（p＜0.01）。氮肥施用量增加对中国作物田N20排放量增加的贡献>土地利用和覆盖变化>CO2浓度变化>大气氮沉降>03浓度变化。而土地利用和覆盖变化对水稻田CH4排放量升高的贡献>CO2浓度增加>气候变化＞ 氮肥施用量增加＞大气氮沉降。大气03浓度抑制水稻CH4排放量增加。