围栏限制牲畜进入降低农场池塘的氧化亚氮（N2O）和甲烷（CH4）排放

《Water Research》：Fencing farm ponds to limit livestock access reduces nitrous oxide and methane emissions

　　

农场池塘是全球农业景观中普遍存在的水体，且日益被认为是温室气体（GHG）的重要来源。然而，对这些系统的温室气体评估主要集中于甲烷（CH₄），而氧化亚氮（N₂O）排放仍知之甚少。此外，尚不清楚减少CH₄排放的管理干预措施是否也能减少N₂O排放。在此，研究人员量化了澳大利亚东南部495公里范围内54个有围栏和无围栏的农场池塘的二氧化碳（CO₂）、CH₄和N₂O通量，共计16,773次每小时温室气体测量，以评估牲畜隔离对多气体排放的影响。与无围栏池塘相比，有围栏池塘的N₂O排放量低44%，CH₄排放量低52%，导致总CO₂当量（CO₂-eq）排放量低44%。相比之下，CO₂通量在处理之间没有差异。CH₄和N₂O排放的减少在不同地点并不一致耦合，只有52%的地点显示两种气体同时减少。所测量的水质变量并不能强有力地解释温室气体的变异性，表明标准的水质指标可能不足以预测减排效果。尽管N₂O在质量单位上对总排放贡献很小，但由于其高全球变暖潜势（GWP），占CO₂-eq总排放的四分之三以上（76.7%）。总之，研究人员的发现表明，牲畜隔离可以减少农场池塘的CH₄和N₂O排放，但减排效果具有很强的环境依赖性，不能仅凭单一气体的响应来推断。

**围栏限制牲畜进入显著降低农场池塘温室气体排放——多气体评估揭示N₂O主导气候影响**

**1. 研究背景与目的**

农场池塘（farm ponds）是农业景观中广泛存在的小型水体，承担牲畜饮水和灌溉功能。由于位于集约化土地利用区域，且集水区与水面面积比高，这些池塘常接收大量来自化肥径流和牲畜粪尿的养分及有机质输入，导致富营养化与底层缺氧，为甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的微生物生成创造了条件。尽管单个池塘面积不大，但全球范围内小池塘（<0.1 ha）在淡水水体温室气体排放中贡献显著，其中CH₄排放占淡水湖泊和池塘扩散排放总量的约41%。然而，既有研究大多聚焦CH₄，对N₂O排放的强度、驱动因子及削减潜力认知极为有限。考虑到N₂O的100年全球变暖潜势（GWP）是二氧化碳（CO₂）的273倍（CH₄为27倍），仅核算单一气体将严重低估农业水体的气候影响。围栏（fencing）作为限制牲畜进入的管理措施，已被证明可减少粪便直接输入、促进滨岸植被恢复，并显著降低CH₄排放（降幅56-92%）。但围栏能否同步降低N₂O排放，以及两种气体的减排响应是否耦合，此前尚不清楚。为此，研究人员开展了大规模多气体同步观测，旨在评估牲畜隔离对农场池塘温室气体排放的综合效应。

**2. 研究设计与技术方法**

研究在澳大利亚东南部（维多利亚州及新南威尔士州东南部）展开，覆盖约495公里地理跨度，共选取21个农场的54个池塘，其中25个为围栏池塘（采样前至少2年无牲畜进入）、29个为无围栏池塘。具体方法包括：其一，利用Pondi自动气体通量测量系统，在1-3周内每小时记录CO₂、CH₄和N₂O浓度变化，计算水-气界面通量，共获得16,773次测量数据；其二，现场测定溶解氧（DO）和pH，采集水样分析总凯氏氮（TKN）和总磷（TP）浓度；其三，采用线性混合效应模型（LMM）分析处理效应，使用Akaike信息准则（AICc）筛选最优回归模型，并通过Spearman秩相关检验CH₄与N₂O通量的关联性。计算CO₂-eq排放时，CH₄和N₂O分别乘以GWP系数27和273后与CO₂通量求和。

**3. 研究结果**

**3.1 围栏对温室气体排放的影响**：线性混合效应模型显示，围栏池塘的CH₄和N₂O排放量分别显著低于无围栏池塘52%和44%（CH₄：0.05±0.009 vs. 0.09±0.02 g CH₄ m^-2 day^-1，P=0.03；N₂O：0.02±0.003 vs. 0.04±0.006 g N₂O m^-2 day^-1，P=0.005）。由此，围栏池塘的总CO₂-eq排放降低44%（8.02±0.84 vs. 14.34±1.81 g CO₂-eq m^-2 day^-1，P=0.006）。相比之下，CO₂通量在两种处理间无显著差异（P=0.83）。

**3.2 环境与水质条件及温室气体通量的驱动因素**：围栏池塘的pH和总磷浓度分别平均比无围栏池塘低4%和27%，而DO和TKN无显著差异。跨全部池塘的回归分析表明，CO₂通量与TKN浓度呈显著正相关（β=0.35±0.11，P=0.003，TKN加倍对应约28%的CO₂排放增加）；CH₄通量与气温呈显著正相关（β=0.01±0.005，P=0.006，10°C升温对应约39%的CH₄排放增加）。所测水质变量和气温与N₂O或总CO₂-eq通量无显著关系。

**3.3 CH₄和N₂O排放的耦合关系**：Spearman相关分析发现，CH₄与N₂O通量无显著相关（ρ=0.11，P=0.44），表明高CH₄排放的池塘不一定具有高N₂O排放。位点水平配对分析显示，21个农场中有52%（11个）的位点呈现两种气体同步降低；19%（4个）的位点仅CH₄降低、4个位点仅N₂O降低；另有10%（2个）位点两种气体均升高。尽管如此，以CO₂-eq计，76%（16个）的位点总排放表现为下降。

**3.4 各温室气体对总排放的贡献**：按质量单位比较，CO₂在无围栏和围栏池塘中分别占主导（90.1%和85.6%），CH₄次之（10.1%和6.6%），N₂O贡献最小（4.3%和3.3%）。但换算为CO₂-eq后，N₂O凭借高GWP成为最大贡献者，在无围栏和围栏池塘中分别占76.7%和77.1%，CH₄占17.8%和15.2%，CO₂仅占5.6%和7.7%。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，尽管围栏在平均意义上降低了CH₄和N₂O排放，但两种气体减排的位点间耦合性差（仅52%同步降低），这源于二者受不同的微生物过程和氧化还原条件调控，且N₂O响应可能与反硝化菌群落组成差异有关。研究还发现N₂O对总CO₂-eq排放的贡献异常高，远超城市和水产养殖池塘通常观察到的1-7%水平，