山西主要粮食作物碳足迹优化及其对气候变化响应研究

Farmland is of great importance to climate change. Farmland soil has substantial potential of carbon sequestration. Whereas, it produces greenhouse gases (GHGs) such as CO2、CH4、N2O. Previous studies estimated carbon footprints of several crops, and proposed some qualitative reduction measurements. However, these measurements may not be operable and effective under all circumstances. Besides, the impact of climate change to carbon footprint is not well documented. This study will be carried out in Shanxi, a region sensitive to climate change. Based on the results in situ monitoring and lab experiments, multiple ecological models will be tested. The model with the best performance will be used to simulate the GHGs intensity of crops. In addition, carbon footprints of major grain crops will be evaluated using life cycle assessment. Optimizing carbon footprints of crops will be determined using orthogonal test. Relative methods to decrease carbon emissions quantitatively will be proposed. Response of carbon footprint to climate change will be analyzed as well. The distinguish features of this research are to propose relative methods to decrease carbon emission quantitatively, and to clarify the response pattern of carbon footprint to climate change. This research is critical in estimating the comprehensive carbon emission of crop production, improving regional farm management, and promoting regional carbon reduction of farmland.

农田土壤具有巨大的碳汇潜力，同时会释放CO2、CH4、N2O等温室气体，在气候变化的研究中具有重要的意义。以往研究对作物生产的碳足迹进行了估算，并相应地提出了一些定性减排措施，但其实施性和效果不佳；碳足迹对气候变化的响应如何也未见报道。因此，本研究拟以气候变化敏感区——山西为研究区，在野外监测和实验室测试的基础上，采用多模型对比的方法，检验各模型的模拟精度和敏感性，确定最优模型。计算不同作物的温室气体排放强度，评价作物生产全生命周期的碳足迹。以正交试验法模拟最优碳足迹，提出定量碳减排措施，分析作物生产碳足迹对气候变化的响应。本研究在探索农作物的定量碳减排措施、阐明碳足迹对气候变化的响应规律等方面具有一定新意。研究成果对于明确作物生产的总碳排放情况、改进区域农田管理制度、促进区域农田碳减排等方面具有一定理论价值与现实意义。

农田对气候变化的研究意义重大，其土壤具有固碳的潜力，但也会释放一些温室气体。碳足迹是评估农作物温室气体排放的一个综合评价指标，通过碳足迹的估算可以提出相应的减排措施，但以往研究提出的措施多为定性的，较难实施与推广，同时，气候变化将如何影响碳足迹的研究也未见报道。本研究以山西为研究区，构建了统一的生命周期评价体系，评价了作物生产全生命周期的碳足迹，并以此为基础，将生命周期评价体系扩展到多种动物、植物以及加工产品的碳足迹中，克服了以往研究中不同种产品的碳足迹难以比较的缺点。针对作物的碳足迹在不同时空尺度上的差异性问题，本研究在完成原研究计划的基础上开展了粮食作物碳足迹的时空变化规律及影响因素研究，将研究的时间尺度扩大到了10年，空间尺度扩展到了整个中国。此外，本研究以冬小麦为例，构建了山西省粮食作物碳足迹的优化模型，并利用非线性规划的方法对冬小麦生产的碳足迹进行优化，提出了实现增产减排的定量措施。最后，本研究建立了碳足迹对气候变化的响应模型，并基于IPCC第五次工作报告中提出的典型浓度路径情景RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5分析了气候变化下研究区山西省的粮食作物碳足迹的动态变化。本研究可为研究区实现农业温室气体减排提供基础数据支持，为探索区域尺度的农田温室气体排放状况提供科学依据，为实现农产品的增产减排目标提供切实可行的方案，具有重要的科学和现实意义。