荷兰农业氮素施用与氨排放的空间不确定性及其对环境的影响

【推荐】针对农业氮素管理中空间异质性导致的不确定性难题，荷兰瓦赫宁根大学团队基于INITIATOR模型，通过蒙特卡洛模拟量化了粪肥与化肥氮输入及氨排放的时空变异特征。研究发现：500米网格尺度下粪肥氮输入不确定性达21%，合成肥达32%，而国家级尺度分别降至5%和26%。该成果为制定差异化减排策略提供了量化依据，揭示了空间聚合效应在降低环境评估不确定性中的关键作用。

　　

荷兰农业氮素管理的空间不确定性研究——基于INITIATOR模型的多尺度分析

农业生产中氮素的不当管理会对空气、水体和土壤造成严重污染。荷兰作为欧洲农业密集区，长期面临氨（NH?）、氧化亚氮（N?O）等活性氮化合物过量排放的问题。研究表明，仅2019年荷兰农业源NH?排放就占全国总排放量的90%以上，其中畜禽粪便和化肥的不均匀施用是主要污染源。然而，传统环境评估常忽略空间异质性对氮素流失的影响，导致政策制定存在显著误差。

为解决这一问题，荷兰瓦赫宁根大学环境研究所的研究团队，利用自主研发的INITIATOR（Integrated Nitrogen Tool for Agricultural Environmental Impact Assessment）模型，结合蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟方法，系统评估了2019年荷兰农业氮素施用与氨排放的空间不确定性。研究首次将动物数量、排泄率、施肥标准等47项输入参数的不确定性纳入统一框架，分析了从500米网格到国家级共四个空间尺度的氮素分配与排放特征。

研究采用空间显式模型INITIATOR，整合了荷兰239个农业区域（AREG）、56,646个农场及43,229个畜牧设施的空间数据。通过构建概率分布函数（PDFs）表征输入参数的不确定性（如动物排泄率CV值3-7%，排放因子CV值15-33%），结合空间自相关（ρ=0.1-0.5）与跨相关性（如氮磷排泄比ρ=0.5），生成1000组随机输入参数集。模型运行后，采用分位数法计算95%置信区间（CI），并通过敏感性分析识别关键影响因子。

结果显示：粪肥氮输入的不确定性随尺度缩小显著增加，500米网格的CI范围达165-245 kg N ha?1 yr?1（相对误差21%），而国家级尺度仅为194-213 kg N ha?1 yr?1（5%）。合成肥输入的不确定性则呈现相反趋势，500米网格CI为89-168 kg N ha?1 yr?1（32%），国家级降至93-156 kg N ha?1 yr?1（26%）。这种尺度效应主要源于局部管理差异（如特赦农场的高施肥强度）在宏观层面的统计抵消作用。

在氨排放方面，畜禽舍内排放（51.5 kg N ha?1 yr?1）占总排放的57%，田间施用过程贡献43%。500米网格的NH?排放CI范围为36.0-68.3 kg N ha?1 yr?1（32%），国家级尺度收敛至80.7-97.0 kg N ha?1 yr?1（9%）。敏感性分析表明，舍内排放因子（贡献43%）和施肥技术（贡献36%）是主要不确定性来源。

研究证实，通过空间聚合可有效降低环境评估的不确定性。例如，粪肥氮输入的国家级预测误差较网格尺度减少74%，这对制定区域性减排政策具有重要意义。研究建议：①建立高分辨率的粪肥运输数据库以改善空间分配模型；②开展田间原位观测校准排放因子；③开发动态权重分配算法，提升小尺度预测精度。

该成果发表于《Nutrient Cycling in Agroecosystems》，为荷兰农业环境政策的精细化设计提供了量化工具，同时也为空间显式环境模型的不确定性分析提供了方法学参考。研究揭示的尺度效应规律，对全球农业面源污染治理具有重要借鉴价值。