作物轮作中草-三叶草混播草地氧化亚氮排放的实测与模型评估及其对IPCC排放因子的修正意义

推荐：本研究针对农业施肥导致的氧化亚氮(N2O)排放问题，通过三年田间观测与DayCent模型模拟，揭示了草-三叶草混播(ley)在轮作系统中的低排放特征。研究发现有机肥与矿物肥的排放因子(EF)分别为0.23%和0.41%，显著低于IPCC默认值，为精准估算温带气候区草地N2O排放提供了关键数据支撑。

　　

农业活动是温室气体排放的重要来源，其中氧化亚氮(N₂O)的全球增温潜势是二氧化碳的273倍。在欧洲畜牧业体系中，草-三叶草混播草地(grass-clover ley)作为轮作系统的重要组分，其N₂O排放特征尚未明确。当前IPCC默认排放因子(EF)是否适用于这类系统？如何通过模型精准预测其排放？这些问题对制定科学的农业减排政策至关重要。

瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的研究团队在DEMO长期试验基地开展了为期三年(2021-2023)的观测研究。通过自动时间积分箱系统(ATIC)监测三种处理（有机肥、矿物肥和对照）的N₂O排放，并结合DayCent模型进行模拟。研究创新性地调整了模型中的植物碳氮比参数和生物固氮(snfxmx)参数，以准确反映三叶草混播特性。

关键技术包括：1) ATIC系统实现多日连续气体采样；2) 随机森林模型填补数据空缺；3) 基于历史产量数据校准DayCent的植物参数；4) 将有机肥输入拆分为矿质氮和有机氮组分分别处理。

3.1 环境条件与产量
研究期间土壤含水量(WFPS)在35%-90%波动，夏季干旱显著。有机肥与矿物肥处理的年氮收获量相当(28±5 vs 32±5 g N m^-2)，对照组因长期缺氮导致产量下降50%。

3.2 N₂O排放特征
对照处理排放量近乎为零(0.02±0.03 kg N ha^-1 yr^-1)，有机肥和矿物肥处理分别为0.51±0.26和0.53±0.08 kg N ha^-1 yr^-1。值得注意的是，55%的对照处理观测值呈现N₂O吸收现象。

3.3 模型表现
DayCent成功模拟了较低的EF值（有机肥0.26% vs 实测0.23%；矿物肥0.29% vs 实测0.41%），但对2021年湿润季节有机肥排放高峰的捕捉存在偏差。

4.1 低排放机制
研究揭示了三个关键因素：1) 高土壤pH(7.0-7.5)促进N₂O还原酶活性；2) 生长季WFPS多低于70%最优排放阈值；3) 三叶草高占比(43-62%)通过生物固氮(BNF)减少肥料依赖。模型显示ley季节土壤净氮积累达236 kg ha^-1 yr^-1，但后续轮作未出现显著排放激增。

4.2 模型优化启示
研究创新点在于：1) 首次验证DayCent对三叶草混播系统的适用性；2) 提出有机肥应拆解为矿质氮和有机氮分别输入模型；3) 揭示snfxmx参数对控制生物固氮模拟的关键作用。

这项研究为温带气候区草场管理提供了重要依据：一方面证实当前IPCC默认EF可能高估了ley系统的排放，另一方面展示了过程模型在复杂农业系统中的应用潜力。未来需扩大土壤类型和气候区的验证，并关注轮作全周期的氮素平衡。论文发表于《European Journal of Agronomy》，为农业温室气体清单编制和减排策略优化提供了科学依据。