內容簡介
《環渤海區域:農業碳氮平衡定量評價及調控技術研究》係統地總結瞭環渤海地區不同尺度農業生態係統碳氮平衡定量評價及其碳氮調控策略與技術研究的成果。主要係統概述瞭點位、小流域和大區域尺度開展農業生態係統碳氮平衡定量評價研究的方法學——野外生態係統監測與生物地球化學模擬模型結閤;在係統監測層麵,論述瞭典型農田生態係統作物碳氮代謝規律、溫室氣體排放規律、土壤氮素礦化及淋失過程以及典型畜禽養殖場碳氮循環規律與特徵;在點位尺度定量評價方麵,驗證和校正瞭農業生態係統生物地球化學模型,定量評價瞭典型農田生態係統碳氮平衡、典型畜禽養殖場碳氮平衡特徵;在區域尺度定量評價方麵,構建瞭區域尺度農業生態係統碳氮平衡定量評價係統,定量評價瞭小清河流域農業生態係統碳氮平衡特徵、環渤海區域農業生態係統碳氮平衡特徵;在調控策略與技術層麵,論述瞭環渤海區域農業生態係統碳氮調控策略,闡明瞭環渤海地區典型模式係統碳氮調控技術。本書可為開展不同尺度農業生態係統碳氮平衡定量評價研究和同類區域製訂農業非點源汙染綜閤防控方案提供藉鑒。
《環渤海區域:農業碳氮平衡定量評價及調控技術研究》可供農學、生態學、土壤與肥料學、環境科學等相關領域的研究人員使用,也可供農業技術推廣人員、農業及環境管理決策部門人員閱讀與參考。
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目錄
前言
第一篇 緒論
第1章 研究背景與研究內容
1.1 研究背景和意義
1.2 國內外研究進展
1.3 研究目標與主要研究內容
參考文獻
第2章 技術路綫和研究方法
2.1 技術路綫
2.2 研究方法
2.3 農田監測點試驗設計
2.4 農田試驗指標測定
2.5 畜禽養殖係統試驗設計及樣品采集與分析
參考文獻
第3章 研究區域概況
3.1 環渤海區域概況
3.2 環渤海區域農業發展情況
3.3 環渤海區域主要農業生態環境問題及其成因
3.4 小清河流域概況
參考文獻
第二篇 生態係統監測研究
第4章 典型農田生態係統作物碳氮代謝規律研究
4.1 鼕小麥/夏玉米輪作係統
4.2 鼕小麥/露地蔬菜(大蔥)輪作係統
4.3 設施蔬菜農田生態係統
4.4 春玉米農田生態係統
參考文獻
第5章 典型農田生態係統溫室氣體排放規律研究
5.1 鼕小麥/夏玉米輪作農田生態係統
5.2 鼕小麥/露地蔬菜(大蔥)輪作農田生態係統
5.3 設施蔬菜種植係統
5.4 春玉米農田生態係統
參考文獻
第6章 典型農田土壤氮素礦化及淋失過程研究
6.1 鼕小麥/夏玉米輪作農田生態係統
6.2 鼕小麥/露地蔬菜(大蔥)輪作農田生態係統
6.3 設施蔬菜農田生態係統
6.4 春玉米農田生態係統
6.5 果園生態係統
參考文獻
第7章 畜禽養殖場典型監測點碳氮循環特徵
7.1 典型規模化奶牛養殖場碳氮循環特徵
7.2 典型規模化肉雞養殖場碳氮循環特徵
7.3 典型規模化蛋雞養殖場碳氮循環特徵
7.4 典型規模化生豬養殖場碳氮循環特徵
參考文獻
第三篇 點位尺度定量評價
第8章 農業生態係統碳氮平衡定量評價模型有效化研究
8.1 DNDC和Manure-DNDC模型係統概述
8.2 DNDC模型的參數校正
8.3 Manure-DNDC模型的改進和參數校正
8.4 DNDC和Manure-DNDC模型的驗證
8.5 DNDC模型敏感性分析
參考文獻
第9章 典型農田生態係統碳氮平衡定量評價
9.1 鼕小麥/夏玉米輪作農田生態係統碳氮平衡評價
9.2 鼕小麥/露地蔬菜(大蔥)輪作農田生態係統碳氮平衡評價
9.3 設施蔬菜農田生態係統碳氮平衡評價
9.4 春玉米農田生態係統碳氮平衡評價
參考文獻
第10章 畜禽養殖場典型監測點碳氮平衡定量分析
10.1 典型規模化奶牛養殖場碳氮平衡定量評價
10.2 典型規模化肉雞養殖場碳氮平衡定量評價
10.3 典型規模化蛋雞養殖場碳氮平衡定量評價
10.4 典型規模化生豬養殖場碳氮平衡定量評價
參考文獻
第四篇 區域尺度定量評價
第11章 流域農業生態係統碳氮循環定量評價
11.1 Manure-DNDC-SWAT模型的構建及有效化
11.2 小清河流域GIS數據庫的建立
11.3 小清河流域碳氮平衡的模擬研究
11.4 小清河流域氮素汙染負荷模擬研究
11.5 小流域尺度模擬結果的驗證
11.6 研究結果的不確定分析
參考文獻
第12章 環渤海區域農業生態係統碳氮平衡定量評價
12.1 區域農田化肥投入量的變化
12.2 區域農田化肥利用率的變化
12.3 化肥適宜量分析
12.4 農田土壤本底碳氮分布格局
12.5 區域數據庫的建立與模型的連接
12.6 環渤海區域農業生態係統碳氮平衡定量評價
12.7 區域模擬結果不確定性分析
參考文獻
第五篇 調控策略與技術
第13章 環渤海區域農業碳氮調控策略研究
13.1 環渤海地區農業非點源氮素汙染控製關鍵區分析
13.2 環渤海區域農業碳氮調控策略
13.3 典型小流域優化管理措施分析
13.4 環渤海區域碳氮調控及農業非點源汙染防治工程
參考文獻
第14章 環渤海地區典型模式係統碳氮調控技術研究
14.1 環渤海典型農業生態係統碳氮調控技術體係
14.2 典型種植模式氮肥施用總量控製
14.3 典型農田生態係統碳氮調控技術
14.4 典型畜禽養殖場碳氮調控技術
參考文獻
精彩書摘
第1章研究背景與研究內容
農業生態係統是指以發展農業生産為目的,以人地協調共生為特徵的、人工可調控的陸地生態係統。碳氮元素是農業生産最基本的自然物質基礎,涉及農業生態係統從環境生物環境的生物地球化學循環過程(李長生,2001;Schlesinger,1997)。近年來,隨著全球變化和環境汙染的日益加劇,全球碳氮循環尤其是陸地生態係統碳氮循環及其平衡成為當前研究的難點和熱點(Lal,2004;韓興國等,1995)。本項目麵嚮國傢農業可持續發展和生態安全的戰略需求,針對環渤海地區集約化農業生産與渤海近海水域環境汙染所麵臨的現實問題,定量分析流域農業生態係統碳氮平衡特點,探明典型流域的農業氮汙染負荷,提齣區域農業生態係統碳氮平衡和非點源汙染的調控策略和管理技術措施。
1.1研究背景和意義
1.1.1環渤海作為北方農業集約化地區,現代農業發展麵臨資源環境的巨大製約
環渤海地區陸域麵積112萬km2,總人口2.6億,被譽為中國經濟第三個“增長極”。這裏是我國經濟發展的熱點區域,沿海城市化與臨海工業發展迅猛,同時該區還是我國重要的農業基地,耕地麵積占全國耕地麵積的1/4多,糧食産量占全國糧食産量的23%以上,特彆是渤海沿岸13個地市(天津、大連、營口、唐山、濰坊、煙颱等)屬於農業集約化程度較高的地區,種植、養殖業十分發達。但高度集約化生産的弊端已經顯現,以山東為例,單位耕地麵積化肥用量高達685kg/hm2,相當於全國平均用量的1.92倍;養殖場的畜禽糞便幾乎不經任何處理;由於利用率低(氮肥利用率僅為30%~35%),大量化肥和養殖場廢棄物以地錶徑流、淋溶、氣態揮發等形式進入環境,造成汙染。特彆是在集約化蔬菜種植區,地下水氮汙染更為嚴重。2008年5月,國傢海洋局北海分局首次發布《2008年渤海海洋環境公報》,公報指齣渤海中部海域環境良好,近岸海域汙染較重,海水中主要汙染物是無機氮、活性磷酸鹽和石油類。渤海三大灣中,萊州灣海水環境汙染程度較重,渤海灣次之,遼東灣相對汙染程度較輕。環渤海地區現代農業的發展,必須破解集約化生産與保護資源環境、提高農業生産力與節本增效等諸多新的難題與矛盾。
1.1.2有效控製農業非點源汙染,是確保渤海水域水體安全的迫切需要
渤海水域的水體汙染治理已經刻不容緩,國傢雖然啓動瞭“碧海行動計劃”,但與滇池、太湖富營養化治理一樣收效甚微。總的來看,由於農業生産和農村生活方式的不閤理,陸源汙染物是引起渤海近岸海域汙染的主要原因,調查錶明,87%的入海汙染物來自陸地,其中由入海河口排入的占95%(趙章元和孔令輝,2000)。除工業和生活汙水外,種植業生産、畜禽養殖等汙染通過河流入海攜帶或隨徑流入海也占很大比例。以山東省主要入海河流小清河為例,小清河流域屬溫帶季風氣候,降水變率大,大約70%的降水集中在每年的6~9月,由於豐水期降水相對比較集中,在暴雨期間,小清河攜帶大量汙染物進入萊州灣,成為萊州灣陸源汙染物的重要來源。1996年鼕,山東省開始小清河綜閤治理工程,到2000年,流域內主要排放口濃度排放達標率為95%,點源汙染已得到一定程度的控製,但是水質卻沒有較大的改觀(惠二青,2003)。根據2007年山東省環境質量狀況公報,小清河乾流9個斷麵中,除源頭睦裏莊斷麵以外,其他8個斷麵水質均劣於Ⅴ類標準,主要汙染物為化學需氧量、氨氮(譚永明,2009)。黃現民和王洪濤(2008)分析瞭山東省環渤海地區農業生産和農村發展現狀,指齣麵源汙染的産生主要是由種植業化肥及農藥的施用量大、利用率低,畜禽養殖業規模發展快,缺乏糞汙處理設施,大量排放未經處理的糞汙、農村生活垃圾和生活汙水收集處理率低、隨意排放等原因造成的。農業非點源汙染已經嚴重影響環渤海地區農業的可持續發展,同時也限製社會經濟的進一步發展。因此,推廣農業清潔生産,有效控製農業非點源汙染已經到瞭刻不容緩的地步。
1.1.3開展區域尺度農業碳氮平衡評價、組裝集成調控技術,是建立環渤海地區農業汙染綜閤防控技術體係的現實需要
農業生産帶來的環境問題,主要來源於種植和養殖過程中農業生態係統的碳氮收支平衡過程。碳氮平衡與循環過程既是單獨循環途徑又是相互聯係、相互影響的。從世界範圍來看,氮素汙染是農業麵源汙染的最主要形式,其有效控製成為農業非點源汙染綜閤防治的關鍵。我國已基本提齣瞭“源頭控製、過程阻斷、末端利用”、發展清潔生産和開展鄉村清潔工程的農業麵源汙染防控策略,但與之相配套的技術體係還遠遠沒有建立起來。總體而言,國內對非點源汙染負荷及控製研究,主要集中在人工模擬試驗和野外觀測研究階段,雖然在揭示汙染物存在形態、分布特徵上具有一定進展,但是非點源汙染是一個復雜的自然過程,對農業生態係統中的氮平衡、畜禽養殖過程中氮的循環、徑流和土壤侵蝕的模擬以及汙染物的遷移轉化過程的研究並不完善,而且高昂的投入使得觀測隻能在極為有限的範圍內進行,這就給非點源汙染的識彆帶來瞭不確定性,更形成不瞭區域層麵的宏觀認識,進而造成調控策略的偏差。我國是一個農業大國,農業生産環境復雜,簡單化的指令性管理與技術不能完全有效地指導區域農業生産及生態環境保護。因此,有必要在引進消化國外先進模型的基礎上,根據我國區域農業碳氮平衡特徵,進行係統的研究、集成和創新,為非點源汙染研究提供有效手段,更為區域現代農業發展和流域汙染綜閤防控提供科學依據。
……
前言/序言
環渤海區域:一項關於生態係統健康與可持續發展的深度解析 本研究聚焦於環渤海區域這一中國東北部至關重要的經濟與生態交匯地帶,緻力於對其農業生態係統中碳氮循環的動態規律進行深入剖析,並探索切實可行的調控策略,以期促進區域的可持續發展。環渤海區域,以其得天獨厚的地理位置、發達的工農業以及日益增長的人口,承載著巨大的發展潛力,同時也麵臨著嚴峻的環境挑戰。其中,農業活動作為區域經濟的重要支柱,其生産過程中産生的碳氮排放與固存,對區域的生態環境質量、氣候變化以及糧食安全均具有深遠影響。 背景與意義:為何聚焦環渤海區域的碳氮平衡? 環渤海地區,包括遼寜、河北、山東、天津和北京,是國傢經濟發展的重要引擎,但同時也承受著巨大的資源環境壓力。工業化和城市化進程的加速,使得該地區成為空氣和水體汙染的重點區域。農業在該區域的經濟結構中占據重要地位,然而,傳統的農業生産模式,如過度依賴化肥、不閤理的秸稈處理方式、以及集約化的畜牧養殖,已成為區域氮磷富營養化、溫室氣體排放以及土壤健康退化的重要推手。 碳氮是構成生物體及其生存環境的基本元素,它們的平衡與失衡直接關係到生態係統的功能穩定和物質循環的效率。在農業係統中,碳氮循環的異常不僅會導緻溫室氣體(如二氧化碳、甲烷、氧化亞氮)的排放增加,加劇全球氣候變化,還會引發水體富營養化、土壤肥力下降、生物多樣性減少等一係列環境問題。因此,理解和量化環渤海區域農業活動對碳氮循環的影響,對於製定科學閤理的環保政策、優化農業生産結構、提升資源利用效率、並最終實現區域經濟社會的可持續發展,具有極為重要的現實意義。 研究內容:多維度、定量化的探索 本研究旨在通過一係列科學嚴謹的研究方法,對環渤海區域農業碳氮平衡進行全麵、係統的評價。具體而言,研究將從以下幾個核心層麵展開: 1. 碳氮循環過程的識彆與量化: 碳輸入與輸齣: 深入分析區域農業係統中碳的來源與去嚮。這包括農作物光閤作用固碳,土壤有機質的積纍與分解,化肥、農藥、農機使用産生的碳排放,秸稈還田、畜禽糞便還田等有機物料的投入,以及農産品和副産品的輸齣。研究將藉助遙感技術、野外采樣、室內分析以及模型模擬等多種手段,對不同農業生産環節(如種植業、養殖業、設施農業)的碳收支進行精確測算。 氮輸入與輸齣: 同樣,研究將對區域農業係統中的氮素流動進行詳細梳理。氮的輸入主要包括大氣沉降、固氮菌固氮、化肥施用、有機肥施用;氮的輸齣則體現在作物吸收、氨揮發、硝化-反硝化作用産生的氮氧化物排放、淋溶與徑流帶走的氮素,以及畜禽糞便的排齣。我們將特彆關注化肥和有機肥的投入效率,以及不同管理措施對氮素損失的影響。 碳氮耦閤關係: 深入探究碳與氮在農業生態係統中的相互作用。例如,有機物料的投入如何影響土壤碳庫和氮庫的動態變化?氮肥的過量施用是否會加速土壤有機質的分解,從而增加碳排放?碳氮比的變化對微生物群落結構和功能有何影響?這些耦閤關係的研究將為我們理解係統的整體行為提供關鍵視角。 2. 定量評價方法與技術: 數據收集與整閤: 建立健全環渤海區域農業生産、環境監測、氣候變化等相關數據的收集與整閤體係。這可能涉及收集農戶調查數據、統計年鑒數據、氣象觀測數據、土壤監測數據、遙感影像數據,以及已有的科學研究成果。 模型構建與應用: 運用國際公認的、成熟的生態係統模型(如DNDC、CENTURY、ROSETTA等),並結閤區域實際情況進行參數優化和模型改進。這些模型能夠模擬不同管理情景下,土壤碳氮循環的動態過程,預測溫室氣體排放量,評價養分利用效率。研究還將開發或應用適閤區域特點的遙感估算模型,實現大範圍、高精度的碳氮通量空間分布預測。 生命周期評價(LCA)方法: 藉鑒生命周期評價的理念,評估從投入(如化肥生産、農機製造)到産齣(如農産品消費)的整個農業生産鏈條對碳氮循環的影響,以期識彆關鍵的減排環節。 3. 調控技術的研究與開發: 優化施肥技術: 探索精準施肥、緩控釋肥、有機肥替代化肥等技術,提高氮肥利用率,減少氮素淋溶和氨揮發。研究不同作物、不同土壤類型下的最佳施肥策略,並評估其對碳氮平衡的積極效應。 秸稈資源化利用: 深入研究秸稈還田、秸稈堆肥、秸稈能源化等技術,促進秸稈的有效利用,減少焚燒造成的空氣汙染和碳排放,同時為土壤補充有機質。 畜禽糞便管理與資源化: 推廣畜禽糞便的好氧堆肥、厭氧發酵(沼氣工程)等技術,將糞便轉化為有機肥或生物能源,減少溫室氣體排放,並緩解麵源汙染。 種植結構調整與優化: 研究不同作物組閤、輪作、間作等種植模式對土壤碳氮儲量的影響,探索有利於碳氮固存和養分循環的優化種植結構。 水資源高效利用技術: 節水灌溉技術不僅能節約水資源,還能減少氮素淋溶和徑流損失,對改善水體水質、減少溫室氣體排放具有重要意義。 保護性耕作技術: 如免耕、少耕、覆蓋等技術,能夠有效減少土壤擾動,增加土壤有機質含量,提高土壤碳匯能力。 研究方法:科學嚴謹,多學科融閤 本研究將秉持科學嚴謹的研究態度,綜閤運用多種研究方法,力求結果的準確性和可靠性。主要的研究方法包括: 野外定位試驗: 在環渤海區域選擇具有代錶性的典型農業生態係統,建立長期定位試驗站,模擬不同的耕作管理措施,實時監測土壤碳氮轉化過程,收集關鍵數據。 室內培養試驗: 在實驗室條件下,通過模擬不同環境因子(溫度、濕度、C/N比等),深入研究土壤微生物活動、酶活性以及碳氮礦化速率等關鍵過程。 遙感與地理信息係統(GIS)技術: 利用高分辨率遙感影像,提取土地利用信息,估算植被覆蓋度、生物量等參數,結閤GIS技術進行空間分析,繪製碳氮通量空間分布圖。 生態係統模型模擬: 運用DNDC、CENTURY等成熟的生態係統模型,輸入試驗數據和區域宏觀數據,模擬不同情景下的碳氮循環過程,預測未來趨勢。 統計分析與計量經濟學方法: 對收集到的海量數據進行統計分析,建立定量關係模型,評估不同管理措施的經濟技術可行性。 專傢谘詢與問捲調查: 邀請相關領域專傢進行谘詢,收集第一手信息,並對農戶進行問捲調查,瞭解實際生産情況和技術接受度。 預期成果:為區域可持續發展提供科學支撐 本研究的預期成果將是多方麵的,旨在為環渤海區域農業綠色發展和環境保護提供堅實的科學基礎和實踐指導: 精細化的碳氮平衡評價報告: 形成一套基於定量評價的環渤海區域農業碳氮平衡狀況分析報告,明確區域內各主要農業活動在碳氮循環中的貢獻,識彆主要的碳源和氮匯,以及主要的排放和損失環節。 科學可行的調控技術體係: 提齣一套具有區域特色、經濟可行、環境友好的農業碳氮調控技術方案,包括具體的操作規程、適用範圍、預期效果等。 決策支持工具: 開發適用於區域的碳氮循環模擬與評估工具,為政府部門製定相關政策、規劃農業發展提供科學依據。 學術論文與專著: 在國內外學術期刊發錶高水平研究論文,齣版具有學術價值和應用前景的專著,傳播研究成果。 技術推廣與示範: 組織開展技術培訓和示範推廣活動,將研究成果轉化為實際生産力,促進區域農業的可持續轉型。 結論:邁嚮綠色、高效、可持續的農業未來 環渤海區域的農業碳氮平衡研究,是一項具有挑戰性但意義重大的課題。通過本研究,我們將能夠更清晰地認識該區域農業生態係統的運行機製,更準確地評估人類活動的影響,並最終找到一條通往綠色、高效、可持續農業發展的道路。這不僅關乎區域的生態環境安全,也關係到國傢應對氣候變化、保障糧食安全和實現高質量發展的宏偉戰略。這項研究緻力於為環渤海地區描繪一幅更清晰、更健康的生態藍圖,為子孫後代留下一個更宜居、更可持續的傢園。