第一章文献综述
1.1全球气候变化与温室气体排放
气候变化的驱动因子包括自然和人为驱动因子。自然驱动因子是指太阳福照度的变化，而太阳福照度的变化所带来的辖射强迫值仅为+0.12 Wm-2。人类活动的净影响所带来的福射强迫值高达+1.6 W nr2，因此，人类活动是驱动气候变化的重要因子。而工业革命以来人类活动引起的温室气体排放急剧增加是引起全球气候变化的主要原因。全球大气中二氧化碳浓度已由工业革命前的约280 ppm增加到2005年的379ppm；与工业革命前相比大气甲院浓度增加了 1.5倍；大气中氧化亚氮的浓度值也比工业革命前增加了 18%。二氧化碳、甲烧和氧化亚氮等长寿命温室气体浓度的升高使得福射强迫值增加了 2.3 Wm-2，远高于其他气候变化驱动因子。因此，IPCC (2007)指出，自20世纪中叶以来所观测到的全球平均温度的升高很可能是由于人为温室气体排放量的增加所导致的。IPCC假设了一系列SRES温室气体排放情景来预测未来气候变化的趋势(Fisher等，2007)。据预测，即使所有温室气体和气溶胶的浓度稳定在2000年的水平，全球平均气温也会以每十年大约0.1°C的速率升高；根据不同SRES排放情景对未来气候变化进行模拟的结果显示，21世纪末全球平均气温将增加1.8°C到4.0°C;同时，高韩度地区的降水量很可能增加，而大多数副热带大陆地区的降水量可能减少；各种极端性天气事件发生的频率也将更加频繁(Meehl等，2007)。
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1.2中国农田的温室气体排放与减排
作为人为温室气体排放的主要来源，2005年全球农业源温室气体排放量为5.1-6.1 Gt 二氧化碳当量，占全球人为温室气体排放量的10%-12%;其中甲焼排放量为3.3Gt 二氧化碳当量，氧化亚氮排放量为2.8 Gt 二氧化碳当量，分别占全球甲院和氧化亚氮排放的50%和60%(Smith等,2007)。农田与大气间二氧化碳的交换量非常巨大，然而其净排放量仅为0.04 Gt (Smith等,2007)。因此，氧化亚氮和甲烧是最主要的农业源温室气体，全球农业源氧化亚氮和甲烧的排放量自1990年到2005年增加了 17%。农田占地球陆地表面面积的37%,因此，了解农田温室气体的产生原因和影响因素对于农田温室气体减排的研宄非常重要。农田二氧化碳的排放主要来自对作物梧秆的燃烧和土壤有机质的微生物分解(Janzen2004; Smith2004),而且，农业器械的使用也会通过燃油燃烧来排放二氧化碳。土壤中二氧化碳产生的过程通常称为"土壤呼吸”，其强度主要取决于土壤中有机质的数量及矿化速率、土壤微生物群落的数量及活性、作物根系的呼吸作用等。总而言之，二氧化碳排放实际是土壤中生物代谢和化学过程等所有因素的综合产物。全球土壤呼吸释放的碳当量估计为8014 Pg yr-i,仅次于全球陆地生态系统总初级生产力的估算值，是燃料燃烧和森林砍伐排放所产生的二氧化碳量的10倍以上，是全球碳循环中一个主要的流通途径（Raich等，2002)。然而，农田二氧化碳净排放占温室气体总排放的比例非常小，仅为全球人为二氧化碳排放的1% (Smith等，2007)。当土壤异氧呼吸释放的二氧化碳量小于投入到土壤中有机碳的量，便体现为碳汇，反之则为碳源。农业土壤由于农业管理措施的影响，其碳循环速度较快，因此，良好的农田管理措施可以在短期内通过土壤固碳获得可观的二氧化碳减排量。据统计，全球土壤固碳带来的温室气体减排可占全部技术减排潜力的89% (Smith等，2007; Sohi，2012)。而且，土壤有机碳在粮食生产、生态系统服务方面有着非常重要的作用（Pan等，2009a)，因此，农田固碳可以达到多赢的效果。
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第二章中国农田表土有机碳变化特征
2.1引言
已有一些科学家对美国、英国、加拿大等国家不同管理措施下农业生产的碳足迹进行了 计量(Perry 等，2008; Hillier 等，2009; Druckman 和 Jackson，2009)。然而，对发展中国家，特别是中国的农业生产碳足迹的认识还非常有限。水稻、小麦、玉米和大豆是中国四大重要的粮食作物，这四个作物的播种面积占全国农田面积的86%(FAOSTAT,2012)0评价不同地区、不同作物生产的碳足迹，并对不同区域、不同作物碳足迹差异的原因进行分析，将有助于寻找有效的减排途径并对减排技术的开发提供科学理论支持。本研究通过对299个国家级耕地土壤监测点二十余年数据的统计分析，评价了我国农田表土有机碳含量变化总体情况，并对不同区域、不同农田类型、不同土壤类型和不同种植制度下的农田表土有机碳变化情况进行了评价；而且采用农田表土有机碳数据库，对我国农田当前表土有机碳密度进行了估算。
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2.2材料与方法
如图2-1所示，约80%的耕地监测点有机碳年平均相对变幅在-1.5%-7.5%，1980年以来中国农田有机碳年平均变幅为3.61%。全国有机碳含量增加的监测点数为234个，占79%,有机碳含量减少的监测点总数为62个，占21%。因此，总体来讲，自1980年以来中国农田表土有机碳含量整体呈增加趋势，该结果与前人的研究相一致(黄耀和孙文娟，2006;吴乐知和蔡祖聪，2007;许信旺等，2009)。气候条件、土壤类型和耕作管理水平的不同带来了中国不同地理区域农田有机碳变化特征的差异(Wang等，2008)。中国东北、华北、华东、华南、西北和西南六大地理区域有机碳变化特征如表2-2所示。华东、西南和华北地区终了有机碳含量显著高于初始含量，其它地区有机碳含量未呈现显著变化。有机碳含量增加的试验点所占比例最高的为华东和华北地区，分别为92.9%和84.6%;其次为西南（80.4%)和华南(78%)地区；比例最低的为西北和东北地区，仅69.4%和59.5%。有机碳年平均增幅最高的为华北地区(6.84%；)，而年均降幅最大的为西北地区(-3.07%);同时，华北地区农田表土有机碳的年均变幅(5.4%)显著高于东北(1.2%)、华南(2.83%)和西北地区(2.660/0)。
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第三章中国农作物生产的碳足迹分析........ 23
3.1引言........ 23
3.2材料与方法........ 23
3.2.1碳足迹计量方法........ 23
3.2.2数据来源........ 25
3.2.3统计分析........ 25
3.3 结果........ 26
3.4 讨论........ 31
3.4.1中国农作物生产的碳排放........ 31
3.4.2粮食生产与碳足迹........ 35
3.4.3碳足迹分析的不确定性........ 37
3.5 小结 ........37
第四章固碳减排计量方法学探讨........ 39
4.1 引言 ........39
4.2材料与方法 ........39
4.3结果与讨论........ 39
4.4 小结........ 46
第五章中国农田表土固碳潜力评价........ 47
5.1引言 ........47
5.2材料与方法........ 47
5.3 结果........ 51
5.4讨论........ 54
5.5小结 ........56
第六章模型模拟中国农田有机碳变化与温室气体排放
6.1引言
DAYCENT模型是基于过程的生态系统模型，它可以模拟植物-土壤系统中碳、氮循环(Parton等，1998; Del Grosso等，2001)。DAYCENT模型己被诸多区域的农田数据所验证。但是，DAYCENT还没有在中国农田特别是稻田进行广泛的验证。而且，DAYCENT模型在此之前还没有甲院模块用于模拟稻田甲烷排放。为DAYCENT开发甲院子模型可以丰富DAYCENT的模拟功能，而验证DAYCENT模型在中国农田的适用性对未来准确模拟中国农业温室气体排放有着非常重要的意义。本研究的主要目的为：（1) DAYCENT模型建立稻田甲院排放子模型。DAYCENT模型己经可以模拟水稻生长、土壤水热状况以及湿地生态系统中有机碳动态(Stehfest等,2007; Raich等,2000; Chimner等，2002)，这为开发甲焼子模型提供了良好的基础。基于DAYCENT模型己有框架，我们幵发了一个可以模拟稻田甲院排放的子模型，并通过搜集的甲焼排放数据库对模型进行了验证，而且分析了一些模型参数对模拟结果影响的灵敏度进行了分析；（2)对DAYCENT模型在中国农田的适用性进行评价，并对不同管理措施下农田固碳减排潜力进行预测。
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结论
1980年以来中国农田表土有机碳含量呈增加趋势；一些已有研宄也指出，近二十余年来，中国农田土壤的固碳速率为每年20?27.1 Tg(黄耀和孙文娟，2006；吴乐知和蔡祖聪，2007; Sun等，2010; Pan等，2010)。然而，农田表土有机碳密度仅为36.44 tha-i，低于全球和欧盟平均水平(Batjes, 1996; Smith, 2004)，说明我国作物管理水平与发达国家相比还有较大差距，也暗示了我国农田有着较大的固碳潜力。2005年中国与农田相关的温室气体排放量（农田氧化亚氮直接排放和水稻田甲院排放）为374.23 MtC02-eq.,占农业源温室气体排放量的46% (国家发展和改革委员会，2012)。与农田管理相关的温室气体排放除氧化亚氮直接排放和稻田甲焼排放外，还包括农用器械在农田工作时的燃油排放和农田灌概过程中的能源排放，以及农用物资如化肥、农药和农用薄膜等生产过程中的温室气体排放。因此，本研宄综合考虑与农田投入和管理相关的所有温室气体排放，对中国农作物生产的碳足迹进行了计算和评价。2005年中国农作物生产的碳足迹为489.83 Mt C02-eq.(图3-3c)，约占当年全国温室气体总排放的6.6%，且高出农田温室气体直接排放量约31%。这些结果一方面说明了与农田投入和管理相关的温室气体间接排放亦不容忽视，且占有很大比例；另一方面也说明了农作物生产在气候变化中所起的重要作用。中国旱作作物（小麦、玉米和大豆）的碳足迹远高于英国和加拿大等发达国家的碳足迹（HilHer等，2009; Gan等，2012)，该差别说明由于农业管理的差距中国农作物生产存在温室气体过量排放的问题。而且，由于气候变化对农业生产的负面影响，未来可能需要投入更多的农药和灌概以防止作物的病虫害和保证作物需水量（潘根兴，2010)，这将带来更多的温室气体排放。因此，优化农田管理措施和积极应对气候变化对农业的负面影响将是保障粮食生产和减少温室气体排放的重要策略。
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参考文献（略）