加拿大粪肥改良土壤氧化亚氮排放研究30年回顾：进展、差距与政策启示

《Canadian Journal of Soil Science》：Review of research studies on nitrous oxide emissions from manure-amended soils in Canada from 1990 to 2023

本文针对加拿大粪肥改良土壤N2O排放估算的不确定性难题，系统分析了1990-2023年间122篇研究文献。通过对比实地观测与国家清单报告，发现研究分布与排放热点区域不匹配、微气象学方法严重不足、固体粪肥和细质地土壤研究匮乏等关键缺口。该研究为优化排放因子模型、指导科研资金分配提供了重要科学依据，对完善温室气体清单具有里程碑意义。

　　

在应对气候变化的全球行动中，准确估算农业温室气体排放已成为科学界和政策制定者共同关注的焦点。作为重要的温室气体之一，氧化亚氮（N₂O）的全球增温潜势是二氧化碳的298倍，而农业土壤是其重要排放源。在加拿大，粪肥改良土壤产生的N₂O排放量估计达到1525千吨二氧化碳当量，但这一估算的准确性受到多种因素的挑战。

加拿大幅员辽阔，气候、土壤、养殖类型和管理实践的多样性使得N₂O排放测量异常复杂。尽管加拿大研究人员数十年来一直在研究粪肥改良土壤的N₂O排放，但缺乏对研究进展的系统评估。现有研究是否充分反映了排放的空间分布？研究方法是否足以支持精准的排放因子开发？这些问题的答案对于制定科学的气候政策和合理分配科研资源至关重要。

正是在这样的背景下，加拿大农业与农业食品部的研究团队在《Canadian Journal of Soil Science》上发表了这项开创性研究。该研究首次对1990年至2023年间加拿大粪肥改良土壤N₂O排放研究进行了全面梳理，通过对比研究分布与国家清单报告中的排放数据，揭示了科学研究与实际排放热点之间的不匹配现象，为未来研究方向的调整和政策的优化提供了关键见解。

研究方法上，团队采用系统文献分析法，从Scopus数据库检索1990-2023年间相关文献，最终纳入122篇符合标准的研究。研究从多个维度进行分析：按省份和牲畜类型划分的研究空间分布、测量技术（培养实验、土壤箱法、微气象学法、模型法等）、研究季节（生长季、非生长季、全年）和持续时间（单年、多年）、粪肥施用时间（春季、秋季）以及土壤质地（粗、中、细质地）。同时，研究团队获取了加拿大国家清单报告中各省份各类牲畜粪肥的N₂O排放数据，用于与研究成果分布进行对比分析。

研究数量分布特征

分析显示，122篇文章共包含135项研究，覆盖六种牲畜类型。大多数研究集中在艾伯塔省、安大略省和魁北克省。从牲畜类型看，奶牛粪肥研究最多（55项），其次是猪（36项）和肉牛（29项）。土壤箱法因其成本低、易操作成为最常用的测量技术。

国家排放估算与研究对齐度

2023年国家清单报告显示，粪肥施用导致的土壤N₂O排放总量为1524.9千吨二氧化碳当量，其中肉牛粪肥贡献最大（33%），其次是奶牛（28%）和猪（27%）。省份分布上，湿度较高的魁北克和安大略省排放量占总量的68.7%，但研究分布与排放热点存在明显不匹配。

特别值得关注的是，肉牛粪肥研究在魁北克省完全空白，而该省由于潮湿气候导致的高排放因子，其单位牲畜排放量是半干旱地区的六倍。奶牛粪肥研究在安大略和魁北克的分布（59.6%的研究）也低于该区域的实际排放贡献（84.4%）。这种研究资源分配与排放严重程度的不匹配，影响了排放估算的准确性。

研究技术方法分析

土壤箱法（57项）和培养实验（31项）是最常用的技术，而微气象学方法仅有8项研究，且自2017年以来没有新增研究。微气象学方法能提供高时空分辨率的连续测量，对估算年排放量至关重要，但其高成本和操作难度限制了应用。模型和混合方法研究在2016年后显著增加，反映出对综合评估工具的需求增长。

研究季节和持续时间

2016年后，全年和非生长季排放研究显著增加，年均发表文章从之前的0.5篇增至2篇，这与加拿大农业温室气体计划的资助密切相关。多年研究（50项）多于单年研究（14项），多年数据能更好地捕捉年际变异性和处理滞后效应，提高估算可靠性。

研究发现，春季解冻期排放可占年排放量的60%以上，而全年测量研究仅有17项，其中仅3项系统测量了完整年周期。非生长季排放的重要性与观测数据不足形成鲜明对比，特别是在粪肥秋季施用后有机碳氮积累可能进一步增加解冻期排放的情况下。

粪肥施用时间影响

春季和秋季施用研究分别为59和39项研究年。秋季施用粪肥为土壤提供活性氮源，在无作物吸收的情况下增加非生长季排放风险。然而，秋季固体粪肥的全年排放研究仅有4项，远少于液体粪肥（12项）。值得注意的是，固体粪肥因其有机质含量高，可能导致更持久的排放效应，而当前清单计算方法对液固体粪肥使用相同排放因子可能存在偏差。

土壤质地研究分布

中等质地土壤研究占64%，而细质地土壤仅占24%。细质地土壤因持水性好、有机质含量高，通常产生更高排放，国家清单中使用2.55的比率因子进行校正。但这一因子主要基于东部加拿大研究，在西部省份细质地土壤上的验证不足。考虑到加拿大细质地（860万公顷）和粗质地（780万公顷）农田的广大面积，土壤质地特异性排放因子的准确性对全国估算至关重要。

这项系统性回顾研究揭示了加拿大粪肥改良土壤N₂O排放研究的多重缺口。空间上，高排放区域（如魁北克和安大略）的研究投入不足；方法上，高分辨率的微气象学测量严重缺乏；时间上，非生长季特别是解冻期排放观测不充分；物料上，固体粪肥和不同质地土壤的研究覆盖不足。

这些发现对改进温室气体清单估算和指导未来研究方向具有重要意义。研究人员建议，加拿大科研团队应加强全年高分辨率通量测量，充分考虑牲畜分布、粪肥管理、气候条件和土壤质地的多样性，为粪肥改良土壤N₂O排放提供更全面的科学基础。只有在充分认识这些复杂相互作用的基础上，才能制定出真正有效的温室气体减排策略，为应对气候变化贡献农业部门的解决方案。

这项研究不仅为加拿大温室气体清单的完善提供了路线图，也为全球类似气候条件下的农业排放研究提供了方法论借鉴。随着各国对农业温室气体减排重视度的提高，这种系统的研究评估将变得越来越重要，推动科学研究更好地服务于气候行动目标。