太湖地区稻田甲烷排放模拟的粒度效应研究

【摘要】： 全球气候变暖是人们正给予广泛关注的全球性环境问题,导致温室效应的温室气体在大气中浓度的持续增长也因此越来越受到重视,在所有的温室气体中,CH4对温室效应的贡献仅次于C02,是第二大温室气体。稻田CH4排放是导致大气中CH4浓度不断升高的重要原因之一,已有越来越多的学者采用生物地球化学过程模型来模拟复杂的农业土壤痕量气体的排放过程。在模拟过程中使用栅格数据,将研究区离散化为性质均一的估算单元,有利于提高模拟精度。但在模拟时,过大的栅格单元会概化重要的属性信息,过小的栅格单元会降低模拟效率。因此,在模拟时选择适宜的模拟单元,对利用模型开展农田温室气体排放的研究具有重要意义。 本文采用DNDC (DeNitrification-DeComposition)模型,基于太湖地区1：50000土壤数据库转换集成的1km、2km、4km、8km、16km、32km和64km七种栅格粒度数据库,估算了1982-2000年19年间稻田CH4的排放量,研究了模型输入参数—土壤属性数据、单位面积稻田CH4年均排放量和稻田CH4排放总量,在单一栅格粒度和不同栅格粒度下的变异特征。研究结果表明： 模型输入参数—土壤属性数据,在单一栅格粒度和不同栅格粒度下的空间分布特征表明：在单一栅格粒度下,太湖地区水稻土的土壤质地在太湖以西土壤粘粒含量最低,在太湖以东和东部偏南区域土壤粘粒含量较高,在太湖以北和以南以及上海市境内土壤粘粒含量居中；与土壤质地的空间分异不同,土壤容重在太湖以东土壤容重最低,在研究区的西南部和上海西南部土壤容重较高,在太湖以北、以西、上海东部和浙江省北部土壤容重含量居中；土壤pH值则由内陆往沿海方向逐渐变化,表现为在太湖地区自西向东土壤pH值逐渐增大,研究区北部和浙江省中部的土壤pH值最适宜CH4的产生,上海、江苏省最北部和浙江省北部较适宜CH4的产生,上海沿海的区域以及研究区西南角等抑制CH4的产生；而土壤有机质的空间分异呈现出自东西两端向中偏东部和中部以南区域逐渐增加的趋势,表现为在太湖以东、上海以西和浙江省土壤有机碳的含量较高,在太湖以北和上海市的中北部土壤有机碳的含量居中,在江苏省的西部土壤有机碳的含量较低。 在不同栅格粒度下,太湖地区水稻土4种土壤属性的描述统计结果表明,土壤质地、容重和有机碳主要呈现出3种变化趋势；土壤pH值,主要呈现出2种变化趋势。随着栅格粒度从1 km到64 km的逐渐增大,水稻土栅格图斑的土壤特性呈现出不断被概化的趋势。 单位面积稻田CH4年均排放量和CH4排放总量,在单一栅格粒度和不同栅格粒度下的变异特征表明：在单一栅格粒度下,从区域尺度来看,单位面积稻田CH4的年均排放量,呈现出由南向北、自西向东逐渐上升的趋势,研究区域的西南地区、太湖偏东地区和西北角地区的单位面积CH4年均排放量较少,中部地区的排放居中,东部和北部地区的排放较高；从不同地形区来看,单位面积稻田CH4的年平均排放量从小到大依次排序为低山丘陵区低洼圩田区太湖平原区冲积平原区；从县域尺度来看,川沙的单位面积CH4年平均排放量最大为204 kg C/(hm2·a)、临安的最小为3 kgC/(hm2-a),有54%的县单位面积CH4年排放量在100～200 kg C/(hm2-a)之间,且这些县多数分布在江苏省和上海市境内,单位面积水稻土CH4的年平均排放量在上海市各县相对较大,在浙江省各县相对较小。 在不同栅格粒度下,各栅格粒度的面积误差率,在16 km栅格粒度处有明显的转折点,表现为从1 km到16 km栅格粒度的面积误差率最低为0.09%、最高为2.28%,变幅极小,而在32 km和64 km栅格粒度处的面积误差率则急剧上升,分别为19.93%和42.14%,面积误差很大；从研究区区域尺度来看,水稻土CH4排放总量的尺度转折点也明显出现在16 km栅格粒度处,过大的栅格单元引起的面积误差直接导致从16km到32 km和64 km栅格粒度处的CH4排放总量迅速增加。从县域尺度来看,1 km到16 km 5种栅格粒度下单位面积水稻土CH4的年均排放量之间存在明显的差异,有46%的县的单位面积CH4年均排放量在8 km和16 km 2种栅格粒度下与1 km、2km、4 km 3种粒度下模拟结果差异明显。 综合考虑空间数据量和模型运算周期,以1：50000土壤数据库为基础,在区域尺度上,16 km栅格粒度是最适宜于区域温室气体排放总量估算的模拟粒度；在县域尺度上,4 km栅格粒度是最适宜于县域单位面积稻田温室气体年排放量估算的模拟粒度。 【关键词】：太湖地区 水稻土 栅格粒度 效应 DNDC模型 CH_4排放
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S511
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-28
• 第一节 研究背景及意义11-12
• 第二节 稻田甲烷排放及影响因素12-16
• 1 稻田甲烷排放12-14
• 2 稻田甲烷排放的影响因素14-16
• 第三节 生物地球化学过程模型16-25
• 1 生物地球化学过程模型16-17
• 2 DNDC模型17-25
• 第四节 不同制图比例尺的粒度效应25-26
• 第五节 研究目的、研究内容和技术路线26-28
• 1 研究目的26
• 2 研究内容26-27
• 3 技术路线27-28
• 第二章 研究材料与研究方法28-39
• 第一节 区域概况和行政区划28-29
• 第二节 自然环境状况29-33
• 1 气候29
• 2 地形地貌29-31
• 3 植被31-32
• 4 水文32
• 5 土壤32-33
• 第三节 数据来源33-35
• 1 土壤空间数据33
• 2 土壤属性数据33-34
• 3 气象数据34-35
• 4 农作物种类和农业数据35
• 第四节 研究方法35-39
• 1 土壤空间数据与属性数据集成方法35-36
• 2 矢量数据转栅格数据的方法36
• 3 DNDC模型参数设置36
• 4 模型验证36-38
• 5 研究所用硬件设备和软件38-39
• 第三章 太湖地区1:50000土壤栅格数据库的建立39-47
• 第一节 土壤矢量数据库的建立39-42
• 1 土壤空间数据库的建立39-40
• 2 土壤属性数据库的建立40-41
• 3 土壤属性数据与空间数据的集成41-42
• 第二节 土壤栅格数据库的建立42-47
• 1 矢量数据到栅格数据的转换42-45
• 2 栅格数据的叠加匹配45-46
• 3 模型所需数据的集成46-47
• 第四章 模型输入参数的空间分异特征47-58
• 第一节 土壤质地的空间分异特征47-49
• 1 单一栅格粒度的空间分异特征47-48
• 2 不同栅格粒度的空间分异特征48-49
• 第二节 土壤容重的空间分异特征49-51
• 1 单一栅格粒度的空间分异特征49-51
• 2 不同栅格粒度的空间分异特征51
• 第三节 土壤pH值的空间分异特征51-54
• 1 单一栅格粒度的空间分异特征51-53
• 2 不同栅格粒度的空间分异特征53-54
• 第四节 土壤有机碳含量的空间分异特征54-56
• 1 单一栅格粒度的空间分异特征54-55
• 2 不同栅格粒度的空间分异特征55-56
• 本章小结56-58
• 第五章 太湖地区稻田甲烷排放模拟的粒度效应58-68
• 第一节 单一栅格粒度单位面积稻田CH_4年排放模拟特征58-62
• 1 区域尺度单位面积稻田CH_4年排放的分布特征58-60
• 2 不同土区单位面积稻田CH_4年平均排放量的分布特征60-61
• 3 县域单位面积稻田CH_4年排放的分布特征61-62
• 第二节 稻田甲烷排放模拟的粒度效应62-66
• 1 七种栅格粒度由小变大的面积误差62-63
• 2 栅格粒度对太湖地区区域稻田CH_4排放总量估算的影响63-64
• 3 栅格粒度对太湖地区县域尺度单位面积稻田CH_4年排放估算的影响64-66
• 第三节 稻田甲烷排放模拟的适宜粒度选择66-67
• 本章小结67-68
• 第六章 全文总结68-79
• 第一节 结论68-69
• 第二节 创新点69
• 第三节 不足之处69-71
• 1 模型数据库的动态更新69-70
• 2 更细栅格的模型粒度效应研究70-71
• 参考文献71-79
• 致谢79-80

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