用于作物生产可持续性评估的碳、氮、水足迹集成分析

Ecosystem service could be affected by agricultural activities through carbon, nitrogen and water cycling in soil; however, faultless ecosystem service is indispensable for agricultural sustainable development under global climate change. Carbon, nitrogen and water footprint were developed to quantify the impact of human activities on ecosystem and environment in recent years. In this project, a methodology of carbon, nitrogen and water footprint quantification will be developed to evaluate crop production sustainability. A case study will be conducted to compare the differences of carbon, nitrogen and water footprint between typical management pattern and improved management patterns in main cropping systems, and the reasons why these differences occur will be also explored. Integrating analysis will be employed to quantify the impact of crop production on ecosystem and environment from greenhouse effect, nitrogen loss and water consumption and their relative contributions. The innovation of this project is the comprehensive evaluation of the impact of agricultural management on sustainability of crop production through the integrating analysis of carbon, nitrogen and water footprint. This project will provide the scientific basis on practice selection and policy-making for agricultural sustainable development.

农业生产活动通过土壤的碳、氮、水循环影响着生态系统服务，而完善的生态系统服务是气候变化背景下农业可持续发展的必要条件。碳、氮、水足迹是近年来发展的量化人类活动对生态环境影响的重要指标。本项目拟采用统计计量和模型模拟相结合的方法，开发适用于评价作物生产对农业发展可持续性影响的碳、氮、水足迹计量方法；并以主要种植制度为例，研究常规管理和优化管理模式下作物生产碳、氮、水足迹特征及其差异，挖掘引起差异的关键因子；采用集成分析手段从温室效应、氮素损失和水资源消耗三个方面量化作物生产活动对生态环境的影响及其相对贡献。项目创新之处在于通过碳、氮、水足迹集成分析来综合评估农业管理对作物生产可持续性的影响，研究结果可为农业可持续发展技术选择和政策制定提供理论依据和科学参考。

农业生产活动在为人类提供食物的同时，也通过土壤的碳、氮、水循环影响着生态和环境，如何在生产粮食的同时最大限度地减少生态环境风险进而达到作物的可持续生产是当前农业面临的重要挑战。碳、氮、水足迹是近年来发展的量化人类活动对生态环境影响的重要指标。本项目采用统计计量和模型模拟相结合的方法，开发了适用于评价作物生产可持续性的碳、氮、水足迹计量方法，并进一步基于环境风险评价方法发展了集成足迹计量方法，该方法可从温室效应、氮素损失和水资源消耗三个方面量化作物生产活动对生态环境的综合影响。然后，以代表中国9大陆地农业区的10个野外试验点位为例，量化了当前我国主要种植制度作物生产的碳氮水足迹及其构成要素的相对贡献，对比分析了常规管理和优化管理模式下作物生产碳、氮、水足迹特征及其差异，探讨了作物生产可持续管理的可能性。主要研究结果如下：1，生物质炭施用可以显著降低水稻和玉米生产碳足迹平均约28.75和33.26 t CO2-eq ha-1，其中主要由土壤固碳和生物质炭生产过程生物气循环利用所贡献；2，对比了DAYCENT、DNDC、IPCC排放因子、线性回归模型四个模型对氧化亚氮排放的模拟效果，结果显示，与其它模型相比，DAYCENT模型对中国农田氧化亚氮排放的模拟效果最好；研究还发现，DAYCENT模型对未施肥条件下产量和氧化亚氮排放模拟有较大偏差，未来应关注不施肥下模型算法的提升；3，对10个代表性试验点的碳氮水足迹分析表明，碳氮水足迹存在较大的空间变异，且三者间存在此消彼长的特征。总体来看，稻作系统的集成足迹略高于旱作系统，主要是由于稻作系统的碳足迹较高导致的，且两大系统对生态环境的风险主要是由于对水资源的消耗导致的；4，对我国水稻、小麦、玉米生产的碳氮水足迹进行了初步量化，并分析了水稻生产碳氮水足迹的空间分布特征。项目研究成果可为农业可持续发展技术选择和政策制定提供科学参考，未来研究应关注适宜于中国农田特征的排放因子的开发和模型的优化。