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黑龙江省村域农业生态系统碳平衡及低碳农业对策研究

作　者: 温和
导　师: 王宏燕
学　校: 东北农业大学
专　业: 作物栽培与耕作学
关键词: 村域农业生态系统碳平衡低碳农业发展对策
分类号: S181
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

目前世界各国日益关注以变暖为主要特征的气候变化,由于人类的活动、工业的排放和化石燃料的使用,导致了二氧化碳的排放日益增加,加剧了全球的温室效应。农业生态系统在全球碳循环中占有重要地位,农业既是碳汇也是碳源,一方面,农业生产中农作物可以固碳,另一方面农业生产中土壤呼吸、化肥的施用、畜禽养殖、农业废弃物的处理等环节又会产生碳的排放。由于碳排放导致的温室效应而引起的气候变化又严重影响到农业生产,农业也是最易遭受气候变化影响的产业。面对气候变化的严峻挑战,我国政府已经做出到2020年国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%的承诺。联合国粮农组织提出,低碳农业既能遏制气候变化又能增加发展中国家的粮食产量,保持农业的可持续发展并发挥农业的固碳能力,对于我国的粮食安全与缓解气候变化趋势具有双重的积极意义。黑龙江省是粮食种植大省和畜牧业大省,在全国农业生态系统中碳的固定和排放中占有相当的比例。目前黑龙江省大部分农村采用常规农业的发展模式,从土地中收获的生物量大,但返还土壤的生物量少,同时畜牧业生产和居民生活用能碳排放量大,农业废弃物未得到有效地循环利用,形成“高投入、高消耗、高排放、低效率”的粗放型农业发展模式。同时,黑龙江省在探索生态农业、循环农业、有机农业的发展之路,形成不同地区的不同发展模式,这些模式将推动黑龙江省循环农业和低碳农业的发展。本文以村域为边界,以年为单位,运用调研、试验分析和模型计算结合的方法,对黑龙江省不同农业发展模式的四个典型村域农业生态系统碳的吸收、固定、排放和转移以及村域农业系统中碳源/汇进行了估算分析;基于村域模式对黑龙江省农业生态系统碳平衡进行估算和基于统计分析方法对黑龙江省农业生态系统碳平衡进行估算,在分析研究黑龙江省低碳农业发展潜力基础上,提出了黑龙江省发展低碳农业的对策,最后提出了黑龙江省农业提高碳固定,减少碳排放和发展低碳农业的战略对策。以下是本文的基本结论:1.本论文选取四个典型村作为研究对象,分别为以沼气利用为基础发展有机农业的新庄村,以发展种子专业生产的“公司+基地+农户”的订单模式的兴胜村,以发展循环农业和农村城镇化的循环农业模式的丰林村和以发展传统农业模式的同乐村。2.新庄村、兴胜村、同乐村和丰林村农作物碳吸收总量分别为8414t,5699t,9138t,7301t,农作物生育期碳吸收量的多少主要与村域农作物产量成正相关。农作物碳吸收强度分别7.2t/hm~2、4.2t/hm~2、6.8t/hm~2、9.1t/hm~2,碳吸收强度主要与农作物的单位面积产量有关,单位面积内农作物的产量越高,农作物生育期内碳的吸收量就越多。四个村域农作物平均碳吸收强度为6.8t/hm~2。从农田生态系统碳吸收能力上看,各作物生态系统碳吸收强度依次为马铃薯>甜菜>玉米>葵花>大豆>芸豆。3.新庄村、兴胜村、同乐村和丰林村农业生态系统碳吸收总量分别为11323t,13725t,16762t,14156t;碳吸收强度分别为9.1thm~2、8.5thm~2、10.6thm~2、14.1 thm~2。四个村域农业生态系统在碳吸收上存在较大的差异,主要与村域土地类型、土地面积以及农作物的产量和种植类型有关。从碳吸收能力上看,林地的碳吸收强度远远大于农田的碳吸收强度。4.新庄村、兴胜村、同乐村、丰林村农业生态系统碳排放量分别为28808t、30414t、36532t、18541t。四个村域碳排放量表现出明显差异。(1)新庄村、兴胜村、同乐村和丰林村农作物种植统碳排放量分别为1243t、578t、522t、335t,新庄村水稻面积种植较多,农作物种植产生碳排放量远远高于其他三个村域。在农作物种植过程中,农业用电、农田灌溉、化肥施用和农机使用四个产生碳排放的途径中,因化肥的施用而产生的碳排放量最多,新庄村、兴胜村、丰林村和同乐村因化肥施用而产生的碳排放占种植生产中产生的碳排放总量之比分别是35%、91%、85%、87%。(2)新庄村、兴胜村、同乐村和丰林村畜禽养殖产生的碳排放量分别为41t、64t、12t、39t,畜禽养殖产生的碳排放量多少主要与畜禽养殖数量和类型有关。(3)新庄村、兴胜村、同乐村和丰林村土壤呼吸产生的碳排放量分别为19465t、24240t、24034t、14782t,土壤呼吸产生的碳排放量主要与村域土地面积和土地类型有关。村域土地以农田为主,因此农田土壤呼吸释放的碳量最多,新庄村、兴胜村、丰林村和同乐村农田土壤产生的碳排放量占土壤呼吸产生的碳排放总量之比分别为96%、91%、90%、87%。(4)新庄村、兴胜村、同乐村和丰林村人口产生的碳排放量分别为1007t、611t、1245t、438t。四个村域人口产生的碳排放量的明显差异主要与村域人口数量有关。(5)新庄村、兴胜村、同乐村和丰林村生活用能产生的碳排量分别为7052t、4921t、10630t、2927t;人均每年生活用能碳排放强度分别为2.3t、2.6 t、2.8 t、2.2t,主要与农民生活能源消费结构有关。同乐村、兴胜村生活用能以秸秆为主,能源利用效率很低,生活用能产生碳排放量高,新庄村以沼气和秸秆为生活用能,丰林村的生活用能以秸秆固化燃料作为取暖用能,以沼气作为炊事用能,具有明显的节能减排效果。5. 2010年新庄村、兴胜村、同乐村、丰林村农业生态系统固定的碳量分别为669t、532t、302t、800t,发展有机农业的新庄村和发展循环农业的丰林村农田土壤固碳量相对较高。6. 2010年新庄村、兴胜村、同乐村、丰林村四个村域转移出农业生态系统以外的碳量分别为3897t、2746t、5212t、5192t,转移出村域农业生态系统碳量依次为同乐村>丰林村>新庄村>兴胜村。农作物产品转移碳量占转移出村域农业生态系统碳量的百分比分别为98%、92%、99%、77%。四个村域转移出农业生态系统外的碳量以农产品为主,畜禽产品所占比重相对较少。7.通过对四个典型村农田生态系统碳吸收量和碳排放量的估算分析,碳的排放量远远小于碳吸收量,四个村域农田生态系统碳吸收总量约为碳排放量的11倍,说明黑龙江省村域农田生态系统具有较强的碳汇能力。新庄村、兴胜村、同乐村、丰林村农田生态系统碳汇量分别为7171t、5121t、8527t、6946t;碳汇强度分别为6.17t/ hm~2、3.74t/ hm~2、6.3t/ hm~2、8.7t/hm~2 ,平均碳汇强度6.2t/hm~2。8.通过对四个典型村域农业生态系统碳吸收、碳排放、碳固定和碳转移的估算分析,四个村域农业生态系统由于碳排放远远大于碳吸收,碳排放总量约为碳吸收总量的2倍,可以看出黑龙江省村域农业生态系统表现为明显的碳排放源。新庄村、兴胜村、同乐村、丰林村的碳源量分别为17485、16690t、19970t、4385t,碳源强度分别为14t/hm~2、10.4t/hm~2、12.6t/hm~2、4.4t/hm~2,四个村域的平均碳源强度为10.4t/hm~2。9.由物流分室模型稳定性分析可知,有机农业模式的新庄村、循环农业模式的丰林村和高效专业农业模式的兴胜村的农业生态系统,依据农业生产格局的碳输入输出现有平衡状况,其农业生态系统趋向于渐近稳定。传统农业生产模式的同乐村农业生态系统趋向于不稳定。10.从不同组合农业发展方案农业生态系统碳平衡估算结果可知,黑龙江省农业按照“10%传统农业+50%循环农业+40%高效农业”的发展方案,农田生态系统的碳排放量最低,碳吸收量和碳汇量最高,能够实现由目前的高能耗、高物耗、高排放和高污染的高碳农业向低能耗、低物耗、低排放和低污染的低碳农业的转型。11.黑龙江省农作物碳吸收总量呈明显增加的趋势,碳吸收总量从2000年的2124万t上升到2009年的4685万t,涨幅为121%。农田生态系统碳排放基本上呈逐渐增加的趋势,碳排放总量从2000年的301万t增长到2009年的532.6万t,农田生态系统碳汇呈明显增加趋势,碳汇量与碳吸收量的年际变化趋势相似。12. 2000-2009年黑龙江省畜禽碳排放总量上升从2000年的39.71万t上涨到2009年的60.88万t,涨幅为56%。2009年黑龙江省畜禽养殖产生的碳排放,反刍动物碳排放量约占畜禽养殖碳排放总量的70%。13.黑龙江省农村人口碳排放呈逐渐下降的趋势,碳排放总量从2000年的601万t下降到2009年的559万t,降幅幅为6.9%。14. 2009年黑龙江省农村生活用能碳排放量为5797t。15.黑龙江省耕地土壤呼吸释放的碳量呈明显增加的趋势碳吸收总量从2000年15387万t上升到2009年的20797万t,涨幅为34%。16.通过对黑龙江省农业生态系统碳平衡的估算,2009年黑龙江省农业生态系统碳吸收量为4685万t,碳排放量为28089万t,碳源量为23404万t。17.在分析黑龙江省村域农业生态系统碳平衡现状、低碳农业发展潜力基础上,提出了黑龙江省发展低碳农业的对策,主要包括:建立发展低碳农业的地方法规政策体系、建立黑龙江省发展低碳农业的技术保障体系、采用低碳施肥技术、低碳种植技术、低碳畜禽养殖技术、加大农村可再生能源的开发与利用、建设低碳村域人居环境、积极探索发展农业碳交易。

全文目录

中文摘要  8-11
英文摘要  11-16
1 引言  16-32
  1.1 研究目的与意义  16-21
    1.1.1 国际背景  16-18
    1.1.2 国内背景  18-20
    1.1.3 黑龙江省农业背景  20-21
  1.2 国内外研究进展  21-29
    1.2.1 土壤有机碳  21-24
    1.2.2 农田生态系统碳循环模拟  24-25
    1.2.3 农业生态系统物流分室模型  25-27
    1.2.4 稻田甲烷排放  27-28
    1.2.5 畜牧业的碳排放  28-29
  1.3 研究内容和技术路线  29-32
    1.3.1 研究内容  29-30
    1.3.2 技术路线  30-32
2 材料与方法  32-43
  2.1 研究区域概况  32-33
    2.1.1 五常市二河乡新庄村  32-33
    2.1.2 依安县依龙镇丰林村  33
    2.1.3 依安县中心镇兴胜村  33
    2.1.4 拜泉县龙泉镇同乐村  33
  2.2 数据来源  33-34
  2.3 研究方法  34-43
    2.3.1 问卷调查法  34
    2.3.2 试验分析法  34
    2.3.3 模型计算法  34-43
3 结果与分析  43-101
  3.1 四个村域农业发展模式比较  43-44
    3.1.1 新庄村的有机农业模式  43
    3.1.2 兴胜村的高效专业生产模式  43
    3.1.3 同乐村的传统农业模式  43
    3.1.4 丰林村的循环农业模式  43-44
  3.2 村域农业生态系统碳平衡分析  44-62
    3.2.1 村域农业生态系统碳吸收量的估算  44-49
    3.2.2 村域农业生态系统碳排放量的估算  49-55
    3.2.3 村域农业生态系统碳固定量的估算  55-58
    3.2.4 转移出村域农业生态系统外的碳量估算  58-59
    3.2.5 村域农田生态系统碳源/汇分析  59-60
    3.2.6 四个村域农业生态系统碳源/碳汇分析  60-62
  3.3 基于物流分室模型的村域农业生态系统稳定性分析  62-78
    3.3.1 新庄村物流分室模型  62-67
    3.3.2 兴胜村物流分室模型  67-70
    3.3.3 同乐村物流分室模型  70-73
    3.3.4 丰林村物流分室模型  73-78
  3.4 基于村域模式分析的黑龙江省农业生态系统碳平衡估算  78-81
    3.4.1 农田生态系统碳平衡估算  78-80
    3.4.2 农业生态系统碳平衡估算  80-81
  3.5 基于统计分析方法的黑龙江省农业生态系统碳平衡及经济效益估算  81-88
    3.5.1 黑龙江省农田生态系统碳平衡估算  81-85
    3.5.2 黑龙江省畜禽养殖碳排放估算  85-86
    3.5.3 农村人口呼吸产生的碳排放  86-87
    3.5.4 农村生活用能产生的碳排放  87
    3.5.5 耕地土壤呼吸产生的碳排放  87-88
    3.5.6 黑龙江省农田生态系统碳汇功能的经济效益  88
  3.6 黑龙江省农业减少碳排放、增加碳固定对策研究  88-101
    3.6.1 黑龙江省减少碳排放、增加碳固定影响因素分析  88-90
    3.6.2 黑龙江省农业减少碳排放、增加碳固定潜力分析  90-91
    3.6.3 黑龙江省发展低碳农业对策  91-101
4 讨论  101-106
  4.1 创新点  101
  4.2 讨论  101-104
  4.3 需进一步研究的问题  104-106
5 结论  106-109
致谢  109-111
参考文献  111-124
攻读博士学位期间发表学术论文  124

黑龙江省村域农业生态系统碳平衡及低碳农业对策研究

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