第七届青年地学论坛

农业生态系统是气候变化的承受者，也是温室气体（GHG）的重要排放源，对自然变化和人类活动非常敏感。在全球变化背景下，要确保粮食安全和生态环境平衡，需要更好地了解和量化多个环境变化因子及其相互作用对作物温室气体排放强度（单位作物产量的温室气体排放量）的影响。本文使用改进的农业生态系统模型（DLEM-AG2.0）及包含172个野外温室气体排放实验的meta分析，对1949年至2012年中国小麦、玉米和水稻的温室气体排放强度的时空变化率、主要贡献因子(气候变化、二氧化碳、对流层臭氧、大气氮沉降、土地利用、覆盖变化和氮肥施用量)及其影响进行了国家尺度的最新评估。结果表明，1949-2012年，农田的温室气体排放强度平均为0.10~1.31 kg CO₂‐eq kg^‐1，增长率为1.84~3.58×10‐3 kg CO₂‐eq kg^‐1 yr^‐1。直到2000-2012年，土壤温室气体排放量持续增加，分别是1949-1999年的2.26、1.98和1.66倍，而小麦、玉米和水稻等作物产量基本持平。氮肥是导致中国北方温室气体排放强度增加的主要因素，对南方的影响也有所增加。温室气体排放强度的增加意味着过度施肥不仅没有显著促进作物增产，反而加剧了土壤温室气体排放。在氮肥投入小于300 kg ha^-1 的处理中，氮肥诱导的温室气体排放强度略有增，但氮肥投入继续增加100-200 kg N ha^-1情况下，氮肥诱导的温室气体排放强度显著增加65.06-70.90%，这是由于中国过量施肥未能显著促进作物增产，但仍使土壤温室气体排放增加了18.75%-47.32%。本研究发现，超过60%的过度施肥主要位于华北平原的冬小麦-夏玉米轮作区，长江中下游和西南地区的冬小麦-水稻轮作区，以及南方大部分的双稻轮作区。模拟结果表明，“过度施肥”地区当前的氮肥施用水平减少约1/3，不会显著影响作物产量，但会使土壤温室气体排放减少29.60%~32.50%，温室气体排放强度减少0.13~0.25 kg CO₂‐eq kg^‐1。这分别相当于中国和世界农业土壤温室气体排放总量的29%和5%。研究表明，提高氮肥利用效率将是减少温室气体排放、保障中国粮食安全的有效策略。为了降低中国的温室气体排放强度，缓解战略可以集中但不限于优化肥料的使用和其他改进管理，如更好的灌溉做法、保护性耕作和选择气候适应性作物品种。中国的这类战略在短期内将有很大的潜力，可以指导其他地区，特别是高氮肥和缺水地区，降低全球农业的温室气体排放强度。我们的方法就如何平衡粮食安全和生态安全提供了一个独特的区域评估，研究结果可为我国发展温室气体友好型农业提供参考。
 

作物产量,粮食安全,温室气体排放强度,温室气体减排,最适施肥量,土壤碳中和