來源：土壤觀察

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農(nóng)田，是氧化亞氮的全球第一大排放源，占全球氧化亞氮排放總量近60%。因此，發(fā)展合適的計(jì)算方法以估算農(nóng)田氧化亞氮直接排放量，不僅可以明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候變化的影響程度，還可以為發(fā)展農(nóng)田減排技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

文/韓揚(yáng)眉（中國科學(xué)報(bào)見習(xí)記者）

來源：中國科學(xué)報(bào)（2019年9月17日）

稻田土壤樣品采集 程琨攝

提起溫室氣體，大多數(shù)人都會(huì)想到二氧化碳和甲烷，而對氧化亞氮卻多有忽略。作為全球排名第三的溫室氣體，氧化亞氮在百年尺度內(nèi)的增溫效應(yīng)是其等量二氧化碳的近300倍。

農(nóng)田，是氧化亞氮的全球第一大排放源，占全球氧化亞氮排放總量近60%。因此，發(fā)展合適的計(jì)算方法以估算農(nóng)田氧化亞氮直接排放量，不僅可以明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候變化的影響程度，還可以為發(fā)展農(nóng)田減排技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

我國科學(xué)家研究農(nóng)田氧化亞氮排放方法和估算20余年，以期獲得確定性和可信度更高的分析結(jié)果。

近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤學(xué)科溫室氣體計(jì)量團(tuán)隊(duì)與英國阿伯丁大學(xué)、愛丁堡大學(xué)學(xué)者合作，對中國農(nóng)田氧化亞氮直接排放因子進(jìn)行了更新，并提供了更為細(xì)化的排放因子，從而將氧化亞氮直接排放量估算的不確定性降低到7%。相關(guān)成果在線發(fā)表于《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》雜志。

排放因子：更精細(xì)化的估算

我國的農(nóng)田氧化亞氮排放量約占全球總排放量的1/4，且隨著近年來氮肥施用量的增加而急劇上升。

減“氮”行動(dòng)，刻不容緩，但如何減、減多少，需要精確的數(shù)據(jù)支撐。已有研究發(fā)現(xiàn)，氮肥施用量與氧化亞氮直接排放量有著極顯著的關(guān)系。

“我們基于該關(guān)系開發(fā)了氧化亞氮直接排放因子。”論文通訊作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院副教授程琨告訴《中國科學(xué)報(bào)》，氧化亞氮直接排放因子即單位質(zhì)量氮素投入所帶來的農(nóng)田氧化亞氮排放量。“有了排放因子，以后想計(jì)算某個(gè)區(qū)域內(nèi)農(nóng)田氧化亞氮的直接排放量，只需要知道這個(gè)區(qū)域的氮素投入量就行了。”

目前全球通用的農(nóng)田氧化亞氮排放因子，是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）于2006年發(fā)布的《IPCC國家溫室氣體清單指南》所提供的，即旱地1%，淹水稻田0.3%。今年5月，IPCC第49次全會(huì)通過了《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南2019修訂版》，基于氣候、肥料和水分管理類型提出了更為細(xì)化的全球尺度排放因子。不過，因農(nóng)田氧化亞氮排放通量具有顯著的時(shí)空差異，該排放因子在國家特別是區(qū)域尺度上具有較高的不確定性，IPCC也同時(shí)建議各個(gè)國家和地區(qū)開發(fā)自己的排放因子。

20世紀(jì)90年代以來，我國學(xué)者在氧化亞氮排放因子的開發(fā)上積累了方法學(xué)的研究基礎(chǔ)，但因數(shù)據(jù)量不足，無論是排放因子，還是用其估算的氧化亞氮排放量，均存在較大不確定性，也使得研究結(jié)果的可信度有限。

程琨表示，得益于近年來國家對基礎(chǔ)研究的支持，科學(xué)家們越來越多地開展了田間原位氧化亞氮排放的監(jiān)測研究。“我們期望借鑒前人排放因子的研究經(jīng)驗(yàn)，基于近年來豐富的農(nóng)田氧化亞氮數(shù)據(jù)資源，開發(fā)農(nóng)業(yè)區(qū)尺度的體現(xiàn)作物特征和肥料類型特征的更準(zhǔn)確的排放因子。”

全球氣候變化頂尖專家、英國阿伯丁大學(xué)教授Pete Smith告訴《中國科學(xué)報(bào)》，用于量化氧化亞氮排放的排放因子，對實(shí)施減排措施和制定減排策略非常有意義。此外，更好地量化排放因子，以及它們?nèi)绾我虻貐^(qū)和作物而變化，在評估氣候變化減排目標(biāo)的進(jìn)展方面極為重要。

差異化計(jì)量：更精準(zhǔn)的區(qū)域排放統(tǒng)計(jì)

溫室氣體是導(dǎo)致全球氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，而農(nóng)業(yè)源非二氧化碳溫室氣體排放占全球排放的10%~12%。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所研究員郭李萍告訴《中國科學(xué)報(bào)》，對農(nóng)田溫室氣體排放進(jìn)行計(jì)量，可以明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候變化的貢獻(xiàn)程度，還可以為發(fā)展農(nóng)田管理減排技術(shù)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。同時(shí)，準(zhǔn)確估算我國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量，也可為國家在國際氣候談判中提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

“在進(jìn)行溫室氣體排放計(jì)量中，主要關(guān)注的焦點(diǎn)是計(jì)量方法的準(zhǔn)確性、可操作性和不確定性問題，以及估算結(jié)果不確定性的量化說明。”郭李萍表示。

目前，能夠估算氧化亞氮排放的方法有模型模擬法和排放因子法。與模型模擬法相比，排放因子法可以用極為有限的數(shù)據(jù)，即僅知道氮素投入量，便能得到盡可能準(zhǔn)確的估計(jì)。

研究人員通過文獻(xiàn)搜集，建立了包含1151組觀測值的中國農(nóng)田氧化亞氮排放數(shù)據(jù)庫，然后將不同方法計(jì)算得出的排放因子進(jìn)行對比評價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮素投入量與氧化亞氮直接排放量的線性回歸方法的解釋度最高，且模擬效果最好。

通俗來講，就是氧化亞氮直接排放的多少，有可能取決于氮肥施用量的多少。

以2016年為例，該研究精確估計(jì)了中國農(nóng)田因化肥投入引起的氧化亞氮年直接排放量為30.5萬噸，95%置信區(qū)間為28.3萬—32.7萬噸。

同時(shí)，為證明該方法的有效性，研究人員利用它對不同農(nóng)業(yè)區(qū)的不同作物、不同農(nóng)田管理類型下的排放因子進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)中國農(nóng)田氧化亞氮排放因子存在巨大的農(nóng)業(yè)區(qū)差異和作物類型、肥料類型及水分模式等管理影響差異。

值得一提的是，研究人員針對中國九大農(nóng)業(yè)區(qū)的細(xì)化排放因子，繪制了高分辨率的中國農(nóng)田氧化亞氮排放空間分布圖。該圖顯示，氧化亞氮排放最高的區(qū)域分布在長江中下游地區(qū)（特別是江蘇東部）、黃淮海地區(qū)、東北地區(qū)（特別是松嫩平原），這些地區(qū)應(yīng)當(dāng)是提高氮肥利用率、減少氧化亞氮排放的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

Pete Smith表示，通過準(zhǔn)確量化中國農(nóng)田氧化亞氮排放、控制氮肥施用，在保證作物產(chǎn)量最大化的同時(shí)減少氧化亞氮排放，有助于減少中國的氣候足跡。

不過，也有研究表明，農(nóng)田氮素投入與氧化亞氮排放量具有非線性關(guān)系。“雖然本研究并未觀測到這種關(guān)系，但不能忽視這種關(guān)系存在的可能性，未來應(yīng)當(dāng)予以關(guān)注。”程琨說。

除此之外，在農(nóng)田中，由于前季作物種植施用的氮素殘留會(huì)對氧化亞氮排放產(chǎn)生影響，冬閑田的溫室氣體排放也不容忽視。不過，其如何排放以及排放量在農(nóng)業(yè)溫室氣體排放中貢獻(xiàn)如何，仍有待進(jìn)一步研究。

管理之基：更有效的降氮減排

農(nóng)田中的氧化亞氮直接排放主要是由于人為氮肥施用造成的。因此，氮肥的投入量以及氮肥的形式、施用方法、施用時(shí)期等是農(nóng)田氧化亞氮排放最主要的影響因素。

“氣候條件、土壤理化性質(zhì)、農(nóng)田管理（包括灌溉、秸稈還田、土壤調(diào)理劑使用等）均會(huì)對土壤氧化亞氮排放產(chǎn)生不同的影響。”郭李萍說。

在郭李萍看來，減少氧化亞氮排放，最重要的途徑是提高氮素利用率。采取一些管理措施，比如配合施用有機(jī)無機(jī)肥、添加生物質(zhì)炭，以及使用氮肥增效劑及緩控釋肥、水肥一體化管理等，都可以有效提高當(dāng)季氮肥利用率。這能夠在保證糧食產(chǎn)量的同時(shí)，顯著減少氧化亞氮排放及氮肥的其它無效損失。

的確，實(shí)現(xiàn)糧食安全與溫室氣體減排“雙贏”，一直是人類共同追求的目標(biāo)。程琨表示，在未來氣候變化情況下，尤其是發(fā)展中國家，如何在保障糧食產(chǎn)量的前提下達(dá)到農(nóng)田固碳減排目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)“氣候智慧農(nóng)業(yè)”（Climate smart agriculture），是當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。

今年6月，我國向《聯(lián)合國氣候變化框架公約》秘書處提交了《中華人民共和國氣候變化第三次國家信息通報(bào)》和《中華人民共和國氣候變化第二次兩年更新報(bào)告》，其中報(bào)告了我國在2010年和2014年的國家溫室氣體清單。與2005年國家溫室氣體清單的回算結(jié)果對比，農(nóng)業(yè)活動(dòng)氧化亞氮的排放量有所增加。

“該研究提供的基于農(nóng)業(yè)區(qū)、作物類型和農(nóng)田管理類型的更為細(xì)化的氧化亞氮排放因子，可為未來溫室氣體清單編制提供方法學(xué)和數(shù)據(jù)支撐，可降低清單編制的不確定性。”郭李萍說。