發(fā)布時間：2017-12-11 21:02

  本文關鍵詞：綠肥種植利用效益評價和空間發(fā)展預測研究

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【摘要】：種植利用綠肥具備培肥土壤、保持水土、控制污染和提高作物產量等多方面的功能效用,是促進我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。雖然前人在綠肥種植利用效益方面已做了大量研究,但仍缺少全面、統(tǒng)一的綠肥種植利用綜合效益評價指標體系,難以界定不同綠肥種植利用模式的效益特征,影響綠肥種植利用模式的擇優(yōu)發(fā)展。此外,在我國綠肥推廣種植過程中,缺乏對綠肥空間發(fā)展預測的科學方法,難以實現(xiàn)區(qū)域綠肥發(fā)展合理布局。圍繞上述科學問題和實踐需求,本文以生態(tài)、環(huán)境經濟學理論為指導,從農田生態(tài)系統(tǒng)產生的服務功能和環(huán)境潛在影響兩個角度對綠肥引入農田的效應進行了分析與探討,構建了綠肥種植利用綜合效益評價方法體系；探討了綠肥空間發(fā)展預測方法,分析了土地利用變化模型應用于縣域尺度綠肥種植空間分布預測的可行性；基于上述理論與方法研究,開發(fā)了縣域綠肥發(fā)展管理決策系統(tǒng)。研究結果為區(qū)域綠肥綜合效益評價、生態(tài)補償以及種植布局提供方法依據(jù)。主要研究結果和結論如下：(1)針對當前綠肥效益研究中缺少能夠綜合評估綠肥引入農田生態(tài)價值等問題,基于農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值理論,結合綠肥功能作用,選取農產品供給、氣體調節(jié)、土壤養(yǎng)分累積、土壤保持和水分涵養(yǎng)5類服務功能,構建了冬綠肥輪作春玉米農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估方法；以華北地區(qū)典型冬綠肥輪作春玉米為例,對比分析了豆科綠肥作物毛葉苕子(Vicia villosaRoth)輪作春玉米模式、非豆科綠肥作物二月蘭(Orychophragmus violaceus)輪作春玉米模式、春玉米單作模式的農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值。結果表明,二月蘭輪作春玉米、毛葉苕子輪作春玉米的農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值分別為7.14萬元·hm-2和6.90萬元·hm-2,較常規(guī)春玉米單作分別提高23.45%和19.15%。兩種冬綠肥輪作春玉米農田生態(tài)系統(tǒng)各單項服務功能中,以氣體調節(jié)功能價值最高,占總價值的60.84%～61.13%；其次為農產品供給功能價值,占總價值的19.92%～20.30%；其他功能價值貢獻率從大到小依次為水分涵養(yǎng)功能、土壤養(yǎng)分累積功能和土壤保持功能。兩種冬綠肥輪作春玉米農田生態(tài)系統(tǒng)在土壤養(yǎng)分累積功能價值上表現(xiàn)差異最大,其中二月蘭輪作春玉米主要表現(xiàn)為提高土壤有效磷和有機質累積價值,毛葉苕子輪作春玉米則主要表現(xiàn)為提高土壤堿解氮累積價值。研究實現(xiàn)了對綠肥引入農田的綜合價值估算,有利于全面認識綠肥的綜合效益,同時可為種植綠肥的生態(tài)補償政策提供理論依據(jù)。(2)為進一步明確綠肥種植利用在節(jié)能減排以及控制污染等方面的作用,運用生命周期評價(Life Cycle Assessment,簡稱LCA)方法,從能源消耗、水資源消耗、土地資源消耗、溫室效應、環(huán)境酸化、水體富營養(yǎng)化以及土壤毒性7個方面,以生產1 t玉米為評價功能單元,對華北地區(qū)二月蘭輪作春玉米模式、毛葉苕子輪作春玉米模式和二月蘭混播毛葉苕子輪作春玉米模式生命周期全過程中的資源消耗和污染物排放進行了全面分析。結果表明,冬綠肥輪作春玉米農資階段中的化學制品(化肥、農藥、燃油)生產過程是造成生命周期中能源消耗以及潛在溫室效應的主要原因；而在農作階段中的田間生產活動(整地、施肥、灌溉、施藥)是造成潛在環(huán)境酸化、水體富營養(yǎng)化和土壤毒性的主要環(huán)節(jié)。其中,過量施用氮肥產生的硝態(tài)氮淋失以及氨揮發(fā)是導致水體富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化的主要原因；造成土壤毒性潛在影響的關鍵因素是農藥、化肥的過量投入。與常規(guī)春玉米單作相比,冬綠肥輪作春玉米模式生命周期中環(huán)境酸化、水體富營養(yǎng)化污染潛值分別降低了28.7%和28.1%：能源消耗、溫室氣體排放分別減少了24.2%和14.1%。因此,種植利用綠肥有利于節(jié)能減排,主要原因是通過減少主作物對化肥的需求從而直接降低了農田氮素、磷素損失造成的污染,間接減少了上游農資生產階段的資源消耗和污染物排放,進而有效地降低生命周期過程中對環(huán)境的潛在影響。(3)綜合綠肥種植利用對農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值提高和節(jié)能減排等效益,運用層次分析法,從培肥土壤、保持水土、控制污染和增加收益4個方面,構建了多層次的綠肥種植利用綜合效益評價指標體系；以華北地區(qū)二月蘭輪作春玉米模式、毛葉苕子輪作春玉米模式、二月蘭混播毛葉苕子輪作春玉米模式為例進行了綜合評價。結果表明,3種冬綠肥輪作春玉米模式較傳統(tǒng)春玉米單作綜合效益均有較大的提高,主要表現(xiàn)在保持水土、控制污染物排放以及提高土壤肥力3個方面；其中,以二月蘭混播毛葉苕子輪作春玉米模式綜合效益最高,綜合得分為20.9：其次為二月蘭輪作春玉米模式,綜合得分為18.3：毛葉苕子輪作春玉米模式綜合效益相對較低,綜合得分為16.9：從評價結果來看,3種冬綠肥輪作春玉米模式效益特征均滿足該區(qū)域的生態(tài)發(fā)展需求,以毛葉苕子混播二月蘭輪作春玉米模式綜合效益最佳,建議優(yōu)先推廣。(4)針對我國綠肥推廣種植過程中缺少對綠肥發(fā)展空間布局的合理規(guī)劃等問題,對土地利用變化及其效應模型(CLUE-S)在縣域綠肥發(fā)展空間預測中的可行性進行了探討。研究區(qū)以北京市平谷區(qū)為例,在考慮未來耕地、園地消長的同時,對2020年僅園地引入綠肥和耕地、園地均引入綠肥2種情景方案下的綠肥空間分布進行了預測。結果表明,模型運行通過了ROC值檢驗(均大于0.7)和Kappa系數(shù)(0.91)檢驗,反映出應用CLUE-S模型預測縣域綠肥的空間發(fā)展具備可行性。預測結果能夠較清晰地指出2020年平谷區(qū)綠肥引入空間分布情況,僅園地引入綠肥情景下,綠肥引入主要位于大華山鎮(zhèn)中部和南部、王辛莊鎮(zhèn)西部和南部、山東莊鎮(zhèn)中部、平谷鎮(zhèn)西部和夏各莊鎮(zhèn)中部的園地；耕地、園地均引入綠肥情景下,綠肥引入主要位于在王辛莊鎮(zhèn)中部的園地和大興莊鎮(zhèn)、平谷鎮(zhèn)南部、夏各莊鎮(zhèn)北部和馬坊鎮(zhèn)的耕地。(5)為滿足綠肥發(fā)展管理決策等多方面的需求,基于上述綠肥種植利用綜合效益評價和空間分布預測等理論方法研究,使用C#編程語言,在Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下,結合ArcGIS組件式開發(fā)技術,開發(fā)了縣域綠肥發(fā)展管理決策系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括縣域綠肥發(fā)展決策、綠肥知識查詢、地圖管理等功能模塊,初步具備縣域綠肥引入時空潛力分析和效益評價功能,可為縣域綠肥發(fā)展管理提供決策支持。
【學位授予單位】：中國農業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S55

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