APSIM模型应用：降低农田温室气体排放同时保持作物产量

文章信息

标题：Reducing greenhouse gas emissions while maintaining yield in the croplands of Huang-Huai-Hai Plain, China

期刊：《Agricultural and Forest Meteorology》

日期：20218

影响因子：4.651

背 景

全球农业集约化引发了严重的环境问题，如土壤酸化和退化、水体富营养化和温室气体(GHG)排放。农田生态系统贡献了全球60%的N2O排放。在全球变化的背景下，现代农业不仅要生产足够的粮食来养活日益增长的全球人口，而且要减少环境足迹，特别是温室气体(GHG)排放，这是一个巨大的挑战。为了克服这一挑战，我们需要详细了解作物生产和温室气体排放对各种管理做法的反应，从而促进制定双赢的管理战略。黄淮海平原生产∼1/3的小麦和玉米，自20世纪80年代以来，特别是合成氮(N)肥料的资源投入非常高。尽管化肥投入显著增加了作物产量，增加了对土壤的生物量碳(C)输入，从而刺激了土壤C的固存，但与化肥相关的温室气体排放(如N2O)也急剧增加。然而，由于管理实践和环境条件的影响，对作物产量、土壤碳固存和N2O排放之间的权衡缺乏系统的区域评估。

图1.2006年至2010年全球范围内氮肥施用量对各国谷类作物产量的影响。

材料与方法 

首先对农业生产系统模拟器(APSIM)在模拟HHH平原作物产量和土壤有机碳动态方面的性能进行了校准。在此基础上，利用校准后的APSIM模型对HHH平原冬小麦-夏玉米两熟制的作物生长和土壤养分循环进行了模拟。

图2. 研究区域

 结果与讨论

在当前典型农业措施下，HHH平原土壤是一个碳汇，其年碳汇速率为1.53CO2-eq ha−1yr-1(0-30 cm土层)，但这个汇只能抵消当前N2O排放造成的全球变暖潜力的68%左右。通过降低氮素年投入量(从目前的300kg N ha-1yr−1)和提高作物残留率(从目前的30%提高到100%)，HHH平原可以在不牺牲粮食产量的情况下起到温室气体净汇的作用。除管理外，还研究了年平均降雨量、年平均气温和土壤初始有机碳储量3个关键环境因子对作物产量、土壤CO2和N2O排放动态的影响。这一结果将对制定在减少温室气体排放的同时保持产量的管理战略产生重要影响。

图3.模型校准效果。

图4.常规管理下1981-2010年土壤平均CO2(A)、N2O(B)和净温室气体排放量(C)的空间分布

图6.氮肥对作物平均产量(A)、土壤CO2排放量(B)、N2O排放量(C)和温室气体净排放量(D)的影响。

图8. 实现最大产量(A)和最小温室气体净排放量(B)90%的氮肥需求的空间分布。

图9. 不同目标下作物平均产量和温室气体排放量的空间分布。(A)-(C)作物产量，(D)-(F)温室气体排放。

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