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农业资源与生态环境研究所GCB最新成果|未来气候变化可能导致中国农田氨挥发大幅度增加而削弱氮素管理的减排努力

发布时间:2021-09-15 点击次数:

农田氨挥发是农田氮素的主要损失途径,是构成地球环境“活性氮”问题的重要过程。中国是世界上化肥施用量最高的国家,是全球关注的农田氨挥发热点地区。农田氨挥发受到土壤因素(氮形态、土壤结构、酸碱性等)、气候条件(环境温度、降雨、风速)以及农田管理措施等自然和人为活动的复杂影响与调控。科学评估气候变化下农田氨挥发的时空变化并辨识农田管理措施对氨挥发的减排效应面临极大挑战,这制约着中国活性氮排放减缓潜力的认识和农田氮素管理策略和技术选择。

近日,南京农业大学农业资源与生态环境研究所在Global Change Biology期刊上发表了题为“Climate change may interact with nitrogen fertilizer management leading to different ammonia loss in China’s croplands”的研究论文,该研究收集了1995-2019年间发表的中国农田氨挥发的相关文献,提取相关数据构建了包括1063组观测值的水稻、小麦和玉米三大作物的农田氨挥发数据库。基于神经网络、支持向量机、梯度提升机以及随机森林四个典型的机器学习算法,开发并筛选出预测中国农田氨挥发的最优非线性模型。进一步结合气候变化情景数据(典型浓度路径,RCP)预测了2021-2050年气候变化对农田氨挥发的影响及其空间分布特征;最后通过设定体现区域特征的氮素管理情景,探讨了未来30年的氨减排路径(图1)。

图1中国农田氨挥发空间变化模拟研究策略

相比于其他机器学习算法,随机森林算法表现出最佳的氨挥发模拟能力。采用这种算法构建的模型预测,到2050年,不同气候变化情景下中国三大作物农田的氨挥发将在2021年基础上提高23.1-32.0%(图2)。未来氨挥发的增幅在不同农业区间差异极大,特别是长江中下游地区年氨挥发可能增加在8.6~21.2万吨NH3-N,而青藏区可能只增加数百吨。就对不同作物而言,RCP8.5气候变化情景下中国稻田氨挥发可能增加26万吨,其值超过玉米(8.9万吨)和小麦(11.3万吨)旱地农田氨挥发增量之和。

图2不同气候变化情景(RCPs)下中国主要粮食作物氨挥发年际变化(a,三大作物之和; b,水稻; c,玉米; d,小麦)

研究还发现,作物生育期平均气温的升高是全国尺度上氨挥发增加和导致地区响应差异的主因,RCP8.5气候变化情景下我国北纬30°-40°间广大地区的作物生育期平均气温可能升高2度以上,这些地区成为氨挥发增加的热点区域(图3)。此外,对不同地区化肥减量或有机肥替代的情景分析表明,到2050年氮素优化管理可能带来26.1-47.5%的氨减排幅度,但减缓潜力会受气候变化的影响而进一步削弱。

图3 RCP8.5情景下2050年与2021年中国农田氨挥发差异的空间分布格局(a,单位面积; b,单位栅格)

该研究为南京农业大学农业资源与生态环境研究所与英国Aberdeen大学Pete Smith课题组合作完成,该所博士生徐向瑞为第一作者,程琨副教授为通讯作者。在该所学习的本科生欧阳潇、顾倚宁和研究生孙建飞、李云鹏等也参与了这项研究。该工作得到国家自然科学基金和牛顿基金中英氮循环虚拟实验室项目的资助。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.15874

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