论文部分内容阅读
全球人为温室气体（CO2、CH4和N2O）排放量的持续上升,“极有可能”是导致一半以上全球气候变暖的主要原因。我国黄土高原地区生态环境脆弱,气候干旱缺水,使得该地区农业生产受全球气候变化的极大影响。因此,为了满足日益增长的粮食需求,秸秆覆盖和地膜覆盖等地表覆盖措施已被广泛应用于我国黄土高原地区。然而,秸秆覆盖和地膜覆盖对土壤温室气体排放的影响目前研究较少,且仅有的研究都缺乏长期性。因此,在未来气候变化背景下,探究在保障作物产量的同时能够实现固碳减排的地表覆盖措施,对实现该地区粮食生产的高产高效和可持续发展有重要意义。本研究于2013-2016年在黄土高原南部陕西杨凌地区设置不同地表覆盖处理的大田试验,探究不同地表覆盖措施对土壤水热状况、冬小麦和夏玉米产量以及土壤温室气体排放的影响。在校准并验证DNDC模型的前提下,利用试验地未来气候变化数据,预测未来不同气候变化情景下的作物产量和土壤N2O排放通量的长期变化趋势,探讨既能保证冬小麦-夏玉米种植系统作物产量又能实现固碳减排的最优地表覆盖措施。本研究所得主要研究成果如下:（1）秸秆覆盖措施能够降低全年平均土壤温度、增加全年平均土壤水分,同时显著地增加了2013-2014年和2014-2015年的作物总产量。地膜覆盖措施可以同时增加全年平均土壤温度及水分,并且地膜全覆盖措施显著增加了2014-2015年的作物总产量。秸秆覆盖与地膜覆盖措施均能显著增加农田CO2全年排放总量;各处理的土壤CO2排放通量有夏季高、冬季低的季节变化特征,且与土壤温度（5 cm）均有显著的正相关关系。秸秆覆盖与地膜覆盖措施均能显著增加农田CH4全年吸收总量,但没有表现出规律的季节或年际排放特征,且与土壤温度或土壤水分无显著的相关关系。秸秆覆盖与地膜覆盖措施在2013-2014年时能够显著降低农田N2O全年排放总量,但在2014-2015年均显著增加农田N2O全年排放总量;同时地膜覆盖处理的农田N2O通量与土壤体积含水量（0-10 cm）存在显著的正相关关系。秸秆覆盖与地膜覆盖措施均有显著增加CH4和N2O综合增温潜势的可能,却最终都显著降低了CH4和N2O综合排放强度。因此,提高粮食产量是降低温室气体综合排放强度的有效途径。（2）利用2013-2015年的田间试验数据对DNDC模型进行校准,利用2015-2016年的田间试验数据对DNDC模型进行验证。通过标准化的均方根误差（n-RMSE）和决定系数（R2）对模型在作物产量、土壤温度和水分以及土壤N2O排放等方面的适用性分析表明,DNDC模型模拟精度较好,可用于模拟陕西杨凌地区秸秆覆盖和地膜覆盖措施下的作物产量和土壤N2O排放趋势。气温、降水量、土壤质地、土壤有机碳含量、施氮量以及秸秆覆盖处理下的秸秆覆盖量等6个驱动因子的敏感性分析结果表明,不同覆盖措施下的作物产量均对降水量最敏感;不覆盖和秸秆覆盖措施下的土壤N2O排放通量对土壤SOC含量最敏感,地膜覆盖措施下的土壤N2O排放通量对施氮量最敏感。（3）利用1961-2005年历史气象数据率定并验证了降尺度模型SDSM在陕西杨凌地区的适用性,并基于大气环流模式CanESM2利用已验证的SDSM模型预测该地区在RCP2.6、RCP4.5及RCP8.5情景下的2006-2100年未来气候整体有暖湿化的变化趋势,且RCP8.5情景的增温、增雨趋势达显著水平。（4）基于CanESM2大气环流模式的RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景,利用DNDC模型预测未来2017-2100年不同覆盖措施下冬小麦-夏玉米种植系统的作物产量和农田N2O排放通量,并计算了单位产量农田N2O排放量。结果表明:未来气候的变化将对不同覆盖措施的作物产量造成不同程度的减产,秸秆覆盖措施减产最少,在RCP4.5和RCP8.5情景下秸秆覆盖措施可保证当前作物产量水平。未来气候的变化将大幅增加不同覆盖措施的土壤N2O排放通量,且秸秆覆盖措施有最高农田N2O排放通量。结合单位产量农田N2O排放量与土壤SOC含量（0-10 cm）来看,对未来不同气候变化情景下的陕西杨凌地区而言,秸秆覆盖措施是既保证冬小麦-夏玉米种植系统作物产量又能实现固碳减排的最优地表覆盖措施。