农业施肥强度对热带和温带流域河流温室气体通量的影响

《Journal of Environmental Management》：The role of agricultural fertilization intensity on fluvial GHG fluxes from tropical and temperate catchments

农业施肥强度对热带与温带流域温室气体排放的影响研究表明，施肥强度显著改变河流大小、土地利用与水文因素对GHG通量的控制权重，温带高强度农业区域CO?和N?O通量更高，而热带区域CH?通量更突出。弹性回归模型显示，流量与溶解氧、无机氮正相关，温带地区氮输入增强主导GHG生产，热带地区河流大小和土地利用影响更显著。呼吸商（RQ）揭示温带以内源呼吸为主，热带在高峰流量时外部CO?输入占主导。

　　本研究探讨了流域农业强度对河流中碳（C）和氮（N）循环的影响，以及这种影响如何进一步塑造温室气体（GHG）通量的时空变化。通过分析78个热带和温带流域中不同农业施肥强度的河流站点的年数据集，包括水文参数、水体物理化学指标、温室气体饱和度和通量，研究揭示了农业强度在不同气候区对河流温室气体排放的显著影响。研究发现，在两种气候区中，水体中温室气体的饱和度与溶解氧呈负相关，而与溶解性无机氮（DIN）呈正相关，表明氮驱动的生物源温室气体生成是主要因素。然而，农业强度在不同气候区对温室气体通量与远端驱动因素（如河流大小、土地利用和径流）的尺度关系产生了显著影响。

在热带流域中，农业主要以广域型为主，施肥强度较低，CO?和N?O通量随河流大小的增加而减少。这可能是因为在较小的河流中，更多的表面积与周围环境接触，从而增强了外部温室气体的输入。相比之下，温带流域中农业以集约型为主，施肥强度较高，土地利用对温室气体通量的影响超过了河流大小。DIN浓度和温室气体通量在温带流域中随着农业用地的增加而显著上升，这表明集约农业带来了更多的氮输入，从而促进了温室气体的生成。此外，农业施肥强度还影响了两个研究区域在高径流事件期间的CO?来源。在热带流域中，CO?通量主要与外部CO?输入相关，而在温带流域中，则与水体内部的呼吸作用和高氮浓度下的条件相关。

该研究强调了农业强度在不同气候区对河流温室气体通量控制机制的差异性。热带流域中，由于农业强度较低，CO?和N?O通量遵循传统的河流大小和径流变化的模式。然而，在温带流域中，由于农业集约化程度高，氮富集成为主导因素，改变了河流温室气体通量的控制方式。此外，研究还发现，呼吸商（RQ）作为区分河流CO?来源的指标，在不同径流条件下具有不同的表现。在温带流域中，RQ值相对稳定，表明内部呼吸作用主导了CO?通量，而在热带流域中，RQ值随着径流增加而显著上升，提示外部输入或厌氧过程可能对CO?通量产生更大影响。

本研究的发现对理解全球河流温室气体排放的尺度效应具有重要意义。在热带和温带流域中，农业强度的不同显著影响了温室气体通量与远端驱动因素之间的关系，这为在更广泛的地理尺度上估算河流温室气体排放提供了关键信息。通过识别农业强度对温室气体通量的影响，研究提出了在不同气候条件下，如何通过农业管理措施来减少温室气体排放的策略。例如，在集约农业地区推广精准施肥，减少氮肥过量使用，可以在提高农业产量的同时，降低氮的流失，增强环境可持续性。

在研究方法上，本研究采用了弹性网络回归模型和单变量回归分析，以评估不同驱动因素对温室气体通量的影响。数据采集覆盖了两个研究区域，包括热带地区的肯尼亚和温带地区的德国。这些数据通过QGIS软件结合数字高程模型（DEM）进行流域划分，并使用地区特定的土地利用数据进行分析。通过比较不同农业强度下的温室气体通量和水体质量参数，研究揭示了农业活动对河流温室气体排放的复杂影响。

尽管研究提供了重要的见解，但也存在一些局限性。首先，温室气体通量的估算依赖于模型推导的气体转移速率，这可能导致较大的不确定性。其次，研究基于多年的数据集，可能受到年际变化的影响，如干旱或洪水等极端气候事件。然而，由于土地利用和河流大小是控制温室气体通量的主要因素，这些因素在研究期间保持相对稳定，因此对结果的影响可能较小。此外，农业施肥强度指数基于国家层面的数据，可能无法充分反映农场层面的差异。因此，未来的研究应更注重获取细粒度的农业施肥数据，以更好地理解河流温室气体排放的空间异质性。

研究的结论表明，农业强度不仅影响温室气体通量的大小，还改变了其控制机制和来源。这为未来制定更精确的温室气体排放报告和缓解策略提供了重要依据。特别是在气候变化加剧的背景下，农业集约化和极端水文事件预计会更加频繁，因此，模型和缓解策略必须考虑到本地尺度的土地利用强度及其对河流温室气体动态的独特影响。通过识别区域排放热点，并结合监测和建模框架，可以制定更针对性的缓解措施，以适应不同地区的土壤-气候-管理条件。此外，研究还建议改进IPCC排放因子和国家温室气体清单方法，以更准确地反映区域差异和本地农业管理实践。