论文部分内容阅读
明确未来气候变化下我国农田土壤的碳“源/汇”效应是合理制定碳中和政策的基础。相比于旱地,我国水田土壤固碳潜力巨大,且对气候变化较为敏感。基于此,本研究以目前农田生态系统广泛使用的DNDC(De Nitrification and De Composition)模型为有效技术方法,选择我国典型亚热带地区-整个福建省水田作为研究区,以2016年15833个农业农村部耕地地力调查样点数据,1980~2016年气象资料和2016年农业管理措施为基础,采用充分体现土壤属性空间异质性的1:5万大比例尺土壤图“图斑(polygon)”为最小模拟单元,模拟了2017~2053年不同气候情景下土壤有机碳的动态变化,系统分析了整个研究区、不同水稻土亚类和行政区在温度和CO2浓度升高,以及降雨变化下的有机碳动态规律,明确未来气候变化与土壤碳“源/汇”之间的定量关系,结果可为我国亚热带地区在未来气候变化大背景下制定合理的碳中和管理措施提供理论依据。主要研究结果如下:1、从2016年6880个水田实测样点验证结果来看,100%的土壤有机碳模拟值在实测点含量范围内,模拟结果与实测值之间有较好的一致性;另外,土壤有机碳模拟值与实测值的相关系数为0.41,二者之间达到了极显著相关水平(p<0.01);相对误差E的绝对值为8.18%,符合模型模拟结果可行性标准;均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别为5.46 g kg-1和4.31 g kg-1,也较小,说明DNDC模型可适用于福建省水田土壤有机碳的模拟。2、常规情景下37年土壤有机碳固定总量为11.56 Tg C,年均固碳速率为173 kg C hm-2a-1。从土壤类型来看,渗育和潴育2个水稻土亚类对福建省水田土壤的“碳汇”贡献率最大,二者固碳总量约占全省水稻土总固碳量的82%;咸酸水稻土和盐渍水稻土的年均固碳速率最高分别为:249和220 kg C hm-2a-1。在行政区中,泉州市与漳州市对福建省水田土壤的“碳汇”贡献率最大,二者的固碳总量约占全省水稻土总固碳量的36%,莆田市和泉州市的年均固碳速率最高分别为:267和246 kg C hm-2a-1。3、随着未来温度的升高,福建省水田土壤的有机碳固碳速率明显降低。与常规处理相比,温度上升2℃、4℃和6℃3种情景分析下,2017~2053年福建省水田土壤的固碳总量分别减少了:2.12、4.48和6.65 Tg C,降幅在18%~58%之间。从不同土壤类型来看,潜育水稻土受气温升高的影响最大,各处理下固碳速率降幅介于20~69%之间,而盐渍水稻土受气温升高的影响最小,各处理下固碳速率降幅介于14~43%之间。从不同行政区来看,受气温升高影响最大的是位于武夷山脉附近的三明市,各处理下固碳速率降幅介于27~83%之间,而受气温升高影响最小的是沿海的泉州市和莆田市各处理下固碳速率降幅分别介于10~41%与14~42%之间。4、降雨量的变化对土壤有机碳影响较小,且随着降雨的增加,土壤有机碳固碳量在增加。与常规处理相比,降雨量增加20%的固碳量提高了0.06 Tg C,增幅为0.56%;而降雨量减少20%的固碳量降低了0.08 Tg C,降幅为0.7%。从不同土壤类型来看,咸酸水稻土受降雨量减少的影响最大,比常规固碳速率减少了1.79%;淹育水稻土受降雨量减少影响最小,比常规固碳速率增加了0.66%。降雨增加20%对潜育水稻土的固碳速率影响最大,而潴育水稻土的固碳速率影响最小,与常规处理相比,二者分别增加了3.1%和0.21%。从不同行政区来看,降雨量减少20%的情景下对莆田市固碳速率影响最大,比常规固碳速率增加了1.79%,而对三明市的影响最小,比常规固碳速率减少了0.32%。降雨增加20%对南平市的固碳速率影响最大,而对漳州市的固碳速率影响最小,与常规处理相比,分别增加了2.98%和0.14%。5、CO2浓度升高有利于福建省水田土壤有机碳的固定。与常规处理相比,CO2浓度升高0.5倍、1倍和2倍情景下,福建省水田土壤的固碳总量分别多增加了0.27、0.52和1.02 Tg C,增幅在3%~9%之间。从不同土壤类型来看,盐渍水稻土受CO2浓度升高的影响最小,与常规处理相比,增幅在2%~7%之间;而潜育水稻土受CO2浓度升高的影响最大,与常规处理相比,增幅在5%~13%之间。从不同行政区来看,在各CO2浓度情景下,与常规处理相比,西北地区的三明市和南平市的固碳速率增幅度最大,分别在5%~14%和4%~13%之间,相对而言,CO2浓度增加对宁德市和泉州市的影响较小,与常规处理相比,固碳速率增幅分别在2%~9%和2%~7%之间。6、在T2I2(温度升高2℃降雨增加20%)、T4I2(温度升高4℃降雨增加20%)、T6I2(温度升高6℃降雨增加20%)、T2D2(温度升高2℃降雨减少20%)、T4D2(温度升高4℃降雨减少20%)和T6D2(温度升高6℃降雨减少20%)情景下福建省水田的固碳总量分别为10.22、7.14、5.42、9.28、6.95和4.80 Tg C;年均固碳速率分别为:153、107、81、139、104和72 kg C hm-2,与常规处理相比,降幅分别为12%、38%、53%、20%、40%和59%,结果表明,与常规处理相比,温度与降雨的交互作用下固碳速率均在下降,但总体仍呈“碳汇”效应,降雨减少与温度升高交互作用对土壤固碳速率的影响总体大于降雨增加与温度升高的影响。7、灰色关联度分析可知初始有机碳、黏粒、容重和p H对年均固碳速率的影响较大,年均温度、降雨和坡度等对年均固碳速率的影响较小。多元线性逐步回归来看初始有机碳和黏粒对不同气候情景下年均固碳速率变化解释度较大,分别介于35.4%~43.1%和18.4%~23%之间;容重和p H对不同气候情景下年均固碳速率变化解释度很小,解释度均介于0.2%~0.3%之间。