农田管理土壤直接排放NOx的排放因子——基于IPCC方法论框架的清单编制研究

《Advances in Climate Change Research》：Direct emission factors for inventorying NOx emissions from managed soils as part of the IPCC methodology framework

　　

政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）现行清单框架采用单一通用默认直接排放因子（direct emission factor, EF），无法充分反映管理土壤一氧化氮（nitric oxide, NO）排放的巨大异质性，可能导致不同植被类型和环境条件下氮氧化物（nitrogen oxides, NOx）清单的系统偏差。鉴于土壤排放的NOx主要以NO形式释放，研究人员综合全球田间观测的直接EF（针对NO）数据，构建了基于Tier 1和Tier 2的国家及全球管理土壤直接NOx排放清单更新方法论框架。对于Tier 1，综合得到如下聚合EF：种植非茶园旱地植被的管理土壤［EF1,O(NOx)］为0.49%（95%置信区间：0.41%–0.58%）；茶园土壤［EF1,Tea(NOx)］为1.66%（1.17%–2.15%）；淹水种稻土壤［EF1,FR(NOx)］为0.10%（0.05%–0.17%）；放牧动物尿粪沉积土壤［EF3(NOx)］为0.11%（0.06%–0.18%）。主要种植系统间直接EF差异显著（p = 0.001），EF高低顺序为茶园＞非茶旱地＞稻田。对非茶旱地（类型I），土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）含量是调控NO直接EF的最关键因素（p = 0.001）。据此提出Tier 2方案，将该类型按SOC≤1%［EF1,O,SOC≤1%(NOx)］和SOC＞1%［EF1,O,SOC>1%(NOx)］细分，EF分别为0.31%（0.25%–0.37%）和0.62%（0.49%–0.75%）。本研究提出的直接EF可提高管理土壤NOx排放清单准确性，并为制定针对性减排策略提供依据。

本文发表于《Advances in Climate Change Research》，研究背景如下：当前IPCC温室气体清单指南对管理土壤直接氮氧化物（NO_x，主要指一氧化氮NO和二氧化氮NO₂，土壤源以NO为主）排放沿用单一默认直接排放因子（EF），该值最初源自N₂O–NH₃–NO_x综合估算且未区分种植制度与土壤环境差异。由于NO主要通过土壤硝化、反硝化及化学反硝化（chemodenitrification）产生，受施氮量、土壤水分、pH、有机碳（SOC）及作物类型显著影响，全球田间观测显示不同农田系统NO排放差异可达一个数量级，单一EF会造成国家尺度清单的高估或低估。因此，研究人员通过开展全球尺度的NO直接EF元分析，按IPCC N₂O清单分层思路（EF₁、EF₃对应NO_x的EF_1(NOx)、EF_3(NOx)），拟提出区分种植类型的Tier 1默认EF及基于SOC分层的Tier 2 EF，完善IPCC方法论框架下的NO_x排放核算依据。

为开展本研究，研究人员采用的主要关键技术方法如下：通过Web of Science、Google Scholar及CNKI检索2026年5月前发表的田间原位土壤NO排放研究，补充Wang et al.(2022)已建数据库并追溯参考文献，纳入标准限定为大田试验（排除室内培养与盆栽）、含完整施氮与不施氮对照及全生育期观测、排除增效肥处理；从文献中提取或数字化图表获取季/年累积NO排放（kg N/hm²）及施氮量，按EF＝(E_N－E₀)/N计算直接EF（以NO_x–N计）；将数据集按氮源分为非茶旱地、茶园、淹水稻田、放牧动物尿粪沉积四类；采用MetaWin 2.1进行加权随机效应模型元分析，以Bootstrap法（1000次重抽样）给出95%置信区间（CI），组间异质性检验判定分层变量显著性，Rosenthal失安全系数评估发表偏倚。

3.1. Data availability for stratification of direct NO_xemission factors（直接NO_x排放因子的分层数据可用性）

研究人员发现有机土（泥炭地，n=7）与矿质旱地土壤（n=264）年均NO排放无显著差异，现有证据不支持单独设EF_2(NOx)。全库340条EF记录中，非茶旱地样本量最大（n=237），可进一步分层；稻田（n=55）、茶园（n=27）、放牧尿粪（n=21）样本不足以支持环境因子再分层。对非茶旱地多变量分析表明土壤有机碳（SOC）含量对EF影响最显著（p=0.001）且两亚组样本均衡（SOC≤1%: n=103；SOC>1%: n=131），选作Tier 2分层依据。

3.2. Direct emission factors of NO_xfor Tier 1（Tier 1直接NO_x排放因子）

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  3.2.2. Direct emission factors of NO_xfor soils cultivated with flooded rice（淹水种稻土壤直接NO_xEF）
  淹水条件抑制好氧硝化，NO多被还原为N₂O或N₂，稻田EF_1,FR(NOx)显著低于其他类型，均值为0.10%（0.05%–0.17%），证实稻田为全球尺度NO弱源。
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  3.2.3. Direct emission factors of NO_xfor soils utilized for tea plantations（茶园土壤直接NO_xEF）
  茶园长期大量施铵态氮肥致强酸化（pH常＜4.5），酸性条件下化学反硝化增强NO生成，加之高施氮量，EF_1,Tea(NOx)最高，均值1.66%（1.17%–2.15%），为非茶旱地的3–6倍。
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  3.2.4. Direct emission factors of NO_xfor upland soils growing non-tea vegetation（非茶旱地土壤直接NO_xEF）
  综合得EF_1,O(NOx)为0.49%（0.41%–0.58%），介于稻田与茶园之间且差异显著，较IPCC旧版单一默认值能更好反映旱地作物系统特征。
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  3.2.5. Direct emission factors of NO_xfor soils with nitrogen deposition by grazing animals（放牧动物氮沉积土壤直接NO_xEF）
  尿粪及 slurry表面集中施氮使局域pH和离子强度变化暂抑硝化或促NH₃挥发，EF_3(NOx)较低，均值0.11%（0.06%–0.18%），与稻田接近。

3.3. Direct emission factors of NO_xfor Tier 2（Tier 2直接NO_x排放因子）

对非茶旱地按SOC分层：SOC≤1%时EF_{1,O,SOC≤1%(NOx)}＝0.31%（0.25%–0.37%）；SOC＞1%时EF_{1,O,SOC>1%(NOx)}＝0.63%（0.49%–0.75%）。高SOC促进孔隙通气及微生物产NO过程，故高SOC组EF约低SOC组两倍。稻田、茶园及放牧尿粪因样本不足不建议再分层，各国可用本国实测值做Tier 2。

3.4. Variability and uncertainty（变异性与不确定性）

不确定性源于Tier 1未细分有机/矿质土及尿粪类型差异、有机肥C/N及放牧斑块"热点"效应未被量化、全球观测站点地理分布不均及测量方法差异。未来需扩大观测网络支持Tier 2推广，最终可通过Tier 3过程模型降低不确定性。

讨论与结论（Conclusions部分总结翻译）：

研究人员通过综合全球田间观测，推导了管理土壤NO直接EF，作为IPCC框架下NO_x清单Tier 1和Tier 2潜在默认值，方法与直接氧化亚氮（N₂O）排放因子一致。四大氮源类别——(I)非茶旱地植被、(II)茶园、(III)淹水稻田、(IV)放牧动物尿粪沉积——直接EF差异显著，类型II最高（约为类型I四倍、类型III和IV十五倍）。类型I土壤中SOC是最主要影响因子，可按SOC≤1%与＞1%细分，高SOC亚组EF约为低SOC亚组两倍。各类型及亚组均值EF可作为Tier 1和Tier 2清单默认值。鉴于IPCC现行单一通用默认EF不能捕捉全球/国家管理土壤NO_x排放固有异质性，本研究按管理植被和土壤条件量化聚合与分层的直接EF，夯实了NO_x核算科学基础，可提高国家排放清单准确性，为未来IPCC指南更新及制定农田NO_x靶向减排策略提供支撑。