摘要
随着全球人口增长和气候变化，粮食安全和全球变暖已成为农业发展面临的两大挑战。马铃薯是第四大粮食作物，因较高的环境适应性和生产能力，在确保国家粮食安全，缓解粮食需求方面具有重要意义。地膜覆盖田间管理措施能有效地增加马铃薯产量，特别在低温缺水地区，已经被广泛应用，此外，地膜覆盖也会影响农田温室气体的排放，对环境产生一定的影响。本文使用反硝化分解（DNDC）模型探究中国不同区域马铃薯块茎产量、温室气体及NH3排放的变化特征及空间分布规律；采用生命周期评价（LCA）方法量化马铃薯种植过程中的农业投入成本，计算相应的经济效益，从生产效益、环境效益和经济效益综合评估中国覆膜雨养马铃薯的可持续性发展；最后基于CMIP6全球气候模式数据探究中国雨养马铃薯在未来气候情景下的生产潜力和环境影响。主要研究结果如下： （1）在点位尺度上，利用文献中收集的试验数据对DNDC模型进行校准和验证，经过参数优化调整后，马铃薯块茎产量、CO2、CH4、N2O以及NH3排放的模拟值和观测值拟合的R2分别为0.87、0.82、0.86、0.85和0.89 ，说明DNDC模型可以较好地模拟马铃薯块茎产量和相关气体的排放，可以用于后续区域尺度上的研究。 （2）地膜覆盖使中国雨养马铃薯平均产量提高了39.7%，其中在华南、华北和西北地区增加比较显著，相比于不覆膜处理分别提高了66.1%，44.1%和43.6%。覆膜后CO2、N2O和全球变暖潜能值（ GWP ）分别增加了15.4%， 47.8%和38.9%，NH3排放量降低了33.9%，但是CH4的排放没有显著影响变化。温室气体排放强度（GHGI）和GWP值覆膜后在东北和西北地区较高，而在长江中下游和华南地区，覆膜能降低GHGI值。总的来说，在长江中下游和华南地区，覆膜能极大程度提高马铃薯块茎产量，同时降低对环境的影响（低GHGI值和NH3排放量），适合推广地膜的使用。 （3）气候和土壤特征变量是驱动温室气体和NH3排放的重要因素。在覆膜处理下，土壤特征变量中的有机氮，有机碳和气候变量中的降雨量是影响CO2排放的重要因素。在不覆膜处理下，土壤pH和容重对CO2排放的影响也较大。降雨在覆膜和不覆膜处理下对CH4和N2O排放的影响都是最大的，对于NH3的排放，不管是在覆膜还是不覆膜处理下，土壤特征变量中的土壤黏粒含量，无机氮含量和气候变量中的降雨量都是主要的影响因素。 （4）在1980-2019年时间尺度范围上，覆膜提高了中国雨养马铃薯的平均农业经济收入，相比于不覆膜处理提高了38%。其中，华南地区农业经济收入增加相对比较高，比不覆膜处理提高了66.2%，而西北地区增加相对比较低，相比于不覆膜处理提高了45.5%。在雨养马铃薯的平均农业投入中，用于购买种子和化肥的费用最高，其次为农家肥和机械作业费，所占比重分别为40%、26%、14%和10%。覆膜使全国雨养马铃薯的平均农业净收益提高了71%。华南地区覆膜后的净经济收益增加比最高，西南地区最低，各地区的农业净收益增加比排序为：华南＞华北＞西北＞东北＞长江中下游＞西南地区。 （5）在未来气候情景下，覆膜雨养马铃薯产量、全球变暖潜能值均高于不覆膜处理，而NH3排放量低于不覆膜处理。随着时间的推移，雨养马铃薯的NH3排放量也随之增加，全球变暖潜能值和温室气体排放强度随着年份的增加而下降。其中，在CanESM5气候变化模式下雨养马铃薯的产量和全球变暖潜能值是相对较高的，相比于不覆膜处理，分别提高了24%-30%和26%-28%。NH3排放量在MRI-ESM2-0气候变化模式下相对较高，相比于不覆膜处理降低了29%左右。 综上，本文基于校准后的DNDC模型探究了地膜覆盖管理措施对中国雨养马铃薯块茎产量、温室气体及氨气排放的影响。研究结果表明，覆膜提高了雨养马铃薯块茎产量、全球变暖潜能值和净经济收益且降低了氨气的排放量。基于对产量和环境的影响，在华南和长江中下游地区适宜覆膜马铃薯的种植。未来气候变化会对雨养马铃薯产量和氨气排放量产生一定的影响，同时全球变暖潜能值和温室气体排放强度随着年份的增加而逐渐下降，说明在未来气候情景下，覆膜在提高雨养马铃薯块茎产量的同时能降低全球变暖潜能值和单位产量的温室气体排放，做到增产和减排的协同兼顾。该研究丰富了对中国雨养覆膜马铃薯温室气体排放规律的认识，对优化农业生产方式和田间管理措施，实现温室气体减排和农田增产且兼顾经济收益，优化马铃薯区域模拟参数，促进农业可持续发展有重要的意义。
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