在以水稻种植为主的农业景观中，年氮氧化物（N?O）排放量对降水的敏感度较低

《Agricultural and Forest Meteorology》：Weak sensitivity of annual N 2O emission to precipitation in a paddy-dominated agricultural landscape

　　

摘要

农业是大气中N?O的最大人为来源。已知旱地作物在短时间内会排放大量N?O，并且其排放率具有较高的年际变异性。相比之下，水稻田中N?O的动态变化研究较少。本研究使用涡度协方差系统，在中国长江三角洲一个以水稻种植为主的农业区域的一座70米高塔上，连续测量了N?O的通量，时间跨度为2019年至2024年。结果显示，在施肥月份（6月），高温事件的发生比例（33%）高于全年平均水平（14%），但高温事件期间的N?O通量并不像旱地作物那样明显。六年的平均N?O通量为8.5公斤N?O每公顷每年。年通量与年降水量呈弱相关性（线性相关系数= +0.63，p = 0.18）。年N?O排放的变异系数（CV）（5.9%）远低于降水量的CV（25.1%），表明N?O通量对降水的敏感度较低。总体排放因子（年N?O通量与施肥输入量的比值）为4.3% ± 0.2%，远高于IPCC对水稻田直接排放因子（1%；旱地作物：0.4%）和间接排放因子（1.1%）。未来的研究应探讨这一高排放因子是否适用于其他气候区和不同的水分管理方式下的水稻田。

引言

一氧化二氮（N?O）在100年的时间尺度上的全球变暖潜力大约是二氧化碳（CO?）的300倍（Griffis等人，2017年）。大气中的N?O浓度正以每十年约2%的速度增长（Tian等人，2020年）。作为N?O的最大人为来源，农业部门每年贡献了3.6太克（Tg）的N?O，占全球人为N?O排放量的56%（Tian等人，2024年）。这一排放量的估计范围很大，介于2.7至4.8太克每年之间。这种不确定性主要源于当地排放测量和计算面临的三个挑战。首先，在农业生态系统中，N?O直接来自农田施肥和牲畜粪便。此外，大约30%的氮肥通过径流和淋溶进入农田周围的水体，从而间接排放N?O（IPCC，2006年）。然而，由于排放的偶发性和农业景观的空间异质性，间接N?O通量仍难以测量和建模（Griffis等人，2013年）。

其次，农田生态系统通常会出现短期的高N?O排放通量现象，这些偶发的高通量被称为“高温事件”（McClain等人，2003年；Bernhardt等人，2017年；Wagner-Riddle等人，2020年）。它们虽然只占观测期的1%到10%，但可能占总年N?O排放量的50%以上。涡度协方差（EC）和通量室观测得到的高频时间序列数据显示，高温事件非常明显（Stuchiner等人，2025年；Li等人，2015年；Scanlon和Kiely，2003年；Molodovskaya等人，2012年；Barczyk等人，2024年）。由于这些事件的偶发性（有些仅持续24小时），如果测量频率过低，可能会被忽略。高温事件也难以建模。例如，DNDC模型成功模拟了加拿大某农业区域的总N?O排放，但在预测高温事件的时间和强度方面不够准确（Desjardins等人，2010年）。更复杂的是，农业景观中的N?O排放在空间上高度变异，因为通常包含多种作物类型和不同的施肥管理方式。一个农田中的高温事件可能不能代表相邻农田的情况。目前尚不清楚，在地块尺度（约10米）和田块尺度（约100米）上观察到的N?O高温事件是否也适用于整个景观尺度（约10公里）。

第三，迄今为止的观测研究表明，N?O排放在年际间存在显著变化。变异系数（CV）通常超过20%（Anthony和Silver，2021年；Barczyk等人，2024年；Li等人，2015年；Tallec等人，2022年；Wagner-Riddle等人，2007年），有时甚至达到106%（Merbold等人，2021年）。证据表明，这种排放变异性与降水变化有关（例如，Haszpra等人，2018年；Desjardins等人，2010年）。降水通过增加土壤湿度创造厌氧条件，从而促进反硝化作用，导致N?O的产生和排放增加（Chen等人，2017年；Wang等人，2024年）。降水还可能通过增加径流和淋溶过程中的氮损失来增强N?O的间接排放（Wang等人，2023年）。值得注意的是，大多数多年观测数据集中在以玉米、小麦和油菜为主的旱地生态系统中。在持续湿润的土壤中，N?O排放可以忽略不计，因为强烈的还原条件会促进N?O完全还原为N?（Kroon等人，2010年；van Beek等人，2011年）。然而，即使在水稻田中，通过施肥和水位管理，水稻田仍能在动态的氧化还原条件下维持N?O的产生和排放（Cai等人，1997年）。目前尚不清楚在以水稻种植为主的农业景观中，N?O排放是否在年际间也有显著变化，以及年N?O排放是否像旱地作物那样受降水影响。

N?O的主要排放途径是农田中的氮肥施用。中国是世界上最大的氮肥消费国和生产国。2022年，中国使用了4900万吨氮肥，占当年全球总量的约37%。长江三角洲（YRD）是中国耕地最密集的区域之一。本研究聚焦于YRD的一个以水稻种植为主的农业区域。在该区域，水稻田占土地面积的72.7%，并且严重依赖氮肥来保持高作物产量。我们使用涡度协方差系统在70米高的塔上进行了长期、高频和连续的N?O通量测量，旨在：（1）研究高温事件对N?O排放的贡献及其影响因素，（2）分析月度、季节性和年度排放模式，（3）量化N?O排放与降水的年际变化关系。

节选

地点描述

涡度协方差塔位于安徽省潜邱县的长江三角洲地区（31.9667°N，118.2607°E）。该地区属于亚热带季风气候，年平均气温为16.1°C，年降水量为1091毫米。塔周围5公里范围内的景观由水稻种植（72.7%）、旱地（小麦和玉米，1.1%）、森林（10.2%）、鱼塘（4.2%）、其他水体（5.0%）和其他土地覆盖类型（湿地）组成。

N?O通量的日变化和环境因素

图1显示了N?O、CO?通量以及日降水量（T_soil）的时间序列。水稻生长季（5月至10月）的水热条件较为有利。2019年至2024年的平均数据显示，57.5%的年降水量发生在生长季，范围从48.1%（2022年）到80.1%（2021年）不等。年降水量在564.1毫米（2019年）到1321.6毫米（2020年）之间变化。最大的日降水量出现在2023年7月19日。

年N?O排放量的比较

图7将本研究观察到的年N?O排放量与文献中的数据进行了比较。文献中的结果按空间尺度分为三类：景观尺度（约10公里），包括多种旱地作物；地块尺度（约10米），代表一个鱼塘；田块尺度（约100米），代表一个单一作物（水稻）或水稻-旱地轮作田。本研究的年平均N?O排放量（8.5 ± 0.5公斤N?O每公顷每年）是文献平均值的2.2倍。

结论

本研究使用高塔涡度协方差系统，在以水稻种植为主的农业景观中进行了六年的（2019–2024年）近连续和高频率的N?O观测。N?O的高温事件主要发生在水稻生长季（5月至10月）。6月的施肥引发了N?O排放的峰值。年平均N?O排放量为8.5 ± 0.5公斤N?O每公顷每年。尽管年降水量的变异性很高（CV = 25.1%），

CRediT作者贡献声明

史杰：撰写——初稿、软件开发、方法论、数据分析、概念化。张米：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法论、资金争取、概念化。肖伟：项目监督、资金争取、概念化。谢彦红：软件开发、方法论、数据分析。何阳：数据分析、正式分析。鲍恒新：数据分析、正式分析。

Jie Shi|Mi Zhang|Wei Xiao|Yanhong Xie|Yang He|Hengxin Bao|Fuyu Yang|Shenbao Zhang|Xuhui Lee

耶鲁大学-南京信息科学与管理学院大气环境研究中心，南京气象灾害预测与评估协同创新中心，江苏省南京市