亮文解读 | 果园、菜地和茶园中的气态活性氮损失

农业碳中和与低碳经济

Carbon Neutrality and a Low Carbon Economy for Agriculture

专 辑 文 章 介 绍

 · 第一篇 · 

▎论文ID

Gaseous reactive nitrogen losses from orchards, vegetables and tea plantations

果园、菜地和茶园中的气态活性氮损失

发表年份：2023年

第一作者：王金阳

通讯作者：邹建文

 :  jwzou21@njau.edu.cn

作者单位：南京农业大学资源与环境科学学院

  Cite this article :  

Jinyang WANG, Pinshang XU, Haiyan LIN, Shumin GUO, Zhaoqiang HAN, Jianwen ZOU. GASEOUS REACTIVE NITROGEN LOSSES FROM ORCHARDS, VEGETABLES AND TEA PLANTATIONS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 155‒166 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022477

 

 · 文 章 摘 要 · 

        氮肥施用在保障粮食安全的同时，也加速了全球农田土壤的氮循环。与谷类作物相比，当前对于果园、菜地和茶园种植（orchards, vegetables and tea plantations，OVT）中的气态活性氮排放研究尚有不足。本研究通过对全球184个试验点的1454个OVT中土壤氨（NH₃）、氧化亚氮（N₂O）和一氧化氮（NO）排放数据的集成和定量估算，旨在辨析不同土地利用方式下的活性氮排放因子及其排放量的差异性特征，综合评估其对全球农田总排放的相对贡献。无论施肥与否，中国果园NH₃和N₂O排放量及菜地的N₂O和NO排放量均高于全球其他地区，而茶园N₂O排放量低于菜地。据估计，当前来自OVT土壤NH₃、N₂O和NO直接排放量分别占中国农田总排放的25%、67%和50%。未来研究需进一步加强野外观测试验，建立气态活性氮排放的标准化采样方法，并实施基于理论知识的管理措施，以助力实现农业绿色发展。

 

 · 文 章 亮 点 · 

1. 综合评估了中国和全球果园、菜地和茶园种植的气态活性氮损失。

2. 中国果园、菜地和茶园中的气态活性氮排放量大于全球其他地区。

3. 我国果园、菜地和茶园是农业源活性氮排放的热点地区。

 

 · Graphical abstract · 

 

 · 研 究 内 容 · 

▎引言

       由人类活动引起的活性氮浓度增加正加快着全球氮循环。据估计，全球人为活性氮的总产量为每年210 Tg，其中约一半来自农业生产中的氮肥施用，而以NH₃挥发和氮氧化物形式排放的气态活性氮是农田土壤氮损失的主要途径。大量施加氮肥在保证农业粮食生产的同时，也不可避免地威胁环境可持续性并影响人类健康。过去三十年间，由于中国果园、菜地和茶园等经济作物种植面积不断扩大，使得我国农田种植结构发生巨大变化。然而，与谷类作物相比，高氮输入的经济作物种植导致更多的氮盈余，随之产生的活性氮气体排放量也相对较大。因此，深入了解经济作物集约化种植产生的气态活性氮排放特征及其对农田土壤的贡献，是实现农业绿色发展的重要一步。
 

▎背景排放和施肥引起的活性氮排放

       气态活性氮排放在不同气体类型、作物和地区之间存在着显著性差异（图1）。在施肥条件下，其排放量总体表现为NH₃> N₂O > NO。中国果园的NH₃和N₂O的排放所引起的活性氮排放值分别为6.7和5.0 kg·ha^–1，而菜地的N₂O和NO排放中活性氮值分别为3.6和1.3 kg·ha^–1，均显著大于全球其他地区。这表明，我国果园和菜地种植成为全球农业活性氮气体排放的热点地区。相比之下，中国茶园的N₂O排放（9.4 kg·ha^–1，活性氮值，后同）显著小于全球其他地区（20.6 kg·ha^–1）。此外，中国农田NH₃挥发在三种种植方式之间无显著差异，而N₂O排放呈现茶园>果园>菜地的分布格局，且茶园的NO排放量显著大于果园和菜地（P < 0.05），主要原因是茶园的酸性土壤环境更有利于发生化学反硝化作用。在未施肥条件下，中国果园的NH₃和N₂O及菜地的N₂O和NO背景排放中值显著大于全球其他地区，而茶园的N₂O背景排放与全球无显著差异。中国果园和茶园的NH₃背景排放显著大于菜地（P < 0.001），果园的N₂O背景排放则显著大于其他两种种植方式（P < 0.01）。此外，茶园的NO背景排放显著大于菜地，但与果园无显著差异。

图1 果园、菜地和茶园种植引起的气态活性氮损失
 

▎气态活性氮的排放因子

       本文研究总结并比较了中国和全球范围内不同种植系统之间的气态活性氮排放因子，其因作物和地区不同而异。具体而言，中国果园（1.2%）和菜地的N₂O排放因子（0.85%）与全球均值相当（1%），而我国和全球茶园的N₂O排放因子（2.3%和2.4%）显著大于果园和菜地且高出全球均值。造成这一差异主要是由于茶园普遍分布在亚热带和热带地区，其最佳土壤pH值范围为4.5–5.5，这种酸性环境有利于土壤N₂O的产生。与N₂O不同，三种种植方式下的NO和NH₃排放数据相对较少。据统计，中国果园和茶园的NO排放因子分别为0.42%和1.5%，而菜地的NO排放因子（1.1%）与全球均值（1.2%）相近。对于NH₃来说，全球果园的NH₃排放因子为4.4%，显著小于中国和全球菜地的NH₃排放因子（12.5%和13.3%）。
 

▎气态活性氮的定量估算

       中国OVT系统中施肥引起的NH₃挥发总量为1.4 Tg·yr^–1约占中国农田总排放的23%（图2）。其中，菜地占一半以上，而果园最少。采用恒定排放因子估算我国菜地NH₃排放量为0.52 Tg·yr^–1，该值小于基于经验模型的估计值1.1 Tg·yr^–1。在21世纪10年代，中国菜地的N₂O排放总量为62 Gg·yr^–1，其值大于由具体区域排放因子的估算所得55 Gg·yr^–1。中国果园和茶园种植产生的N₂O排放量相当，其均值为41 Gg·yr^–1。果园、菜地和茶园的N₂O排放量分别占中国农田排放总量的18%、27%和18%。中国菜地的NO排放量为55.7 Gg·yr^–1，约占全球总量的2/3。除菜地以外，中国其他经济作物的NO排放量相当于全球果园和茶园总排放的40%。总体而言，OVT种植系统不仅在中国，而且在全球农业生产活动中都是气态活性氮排放的重要来源。

图2 中国果园、菜地和茶园种植与谷类作物施肥引起的活性氮排放比较
 

▎结论

       本研究利用现有原位观测资料，探究并估算了中国和全球OVT系统的气态活性氮排放因子及其排放量。研究表明，中国果园NH₃和N₂O排放量明显高于全球其他地区，中国菜地种植的NH₃挥发量占全球总排放的一半以上。研究结果仍具有高度不确定性，主要归因于现有可用数据的代表性不足。为更好地了解OVT系统中气态活性氮的排放特征及其对农业减排贡献，建议未来研究重点关注以下两个方面：（1）制定采样指南，规范采样标准；（2）开展更多原位观测试验，提高全球数据覆盖率。

原文链接：https://journal.hep.com.cn/fase/EN/10.15302/J-FASE-2022477