农业非二氧化碳温室气体排放的协同效应与权衡：有机碳改良剂的一项全球元分析

《European Journal of Agronomy》：Synergies and trade-offs in agricultural non-CO 2 greenhouse gas emissions: A global meta-analysis of organic carbon amendments

　　

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  秸秆和有机肥刺激了CH₄排放。
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  秸秆刺激了N₂O排放，而有机肥则可能抑制其排放。
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  生物炭始终能缓解CH₄和N₂O的排放。

引言

根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC, 2023）的最新报告，全球平均地表温度相较于工业化前水平已上升1.1°C。温室气体（GHGs），如二氧化碳（CO₂）、CH₄和N₂O，是全球变暖的主要驱动因素；其中，在100年时间尺度上，CH₄和N₂O的全球增温潜势（GWP）分别为CO₂的27倍和273倍（IPCC, 2023）。农业中CH₄和N₂O的排放分别占人为CH₄和N₂O排放的31%和52%，使农业活动成为非CO₂温室气体的最大来源（Saunois et al., 2025, Tian et al., 2024）。因此，有效缓解农业排放是实现气候智慧型农业的关键。

在农田生态系统中，CH₄主要通过产甲烷微生物的活动产生，同时被耗甲烷微生物氧化，而N₂O则主要来源于土壤氮的硝化和反硝化过程（Malyan et al., 2025, Zhang et al., 2015）。因此，N₂O和CH₄的排放之间存在复杂的交互作用。Zhao等（2024）发现，在不同水稻灌溉实践下，CH₄和N₂O之间存在权衡关系。间歇灌溉提高了土壤氧气含量，抑制了CH₄的产生，同时加速了由硝化作用驱动的N₂O排放。此外，这两种气体的产生受微生物耦合过程所调控的碳氮转化所控制（Finn et al., 2014, Zhang et al., 2015），因此，调节土壤碳氮输入可能为减排提供机会。

有机碳添加剂（OCAs），如作物残茬、生物炭和有机肥（OF），被广泛认为是改善土壤质量、碳固持和作物产量的有前途的手段（He et al., 2024, Mateo et al., 2024）。然而，OCAs也向土壤提供了额外的氮和活性碳，改变了土壤微生物活动和氧气水平，并为CH₄排放提供了直接底物，为N₂O的产生提供了电子供体（Jin et al., 2020, Mateo et al., 2024）。现有的荟萃分析表明，残茬添加使CH₄和N₂O的排放分别增加21–158%和18.3–28.31%（Jia et al., 2024, Li et al., 2023, Qiu and Wei, 2021）；有机肥对CH₄和N₂O的影响已被发现存在分歧。尽管这两种气体之间的生物地球化学相互作用至关重要，但目前基于数据的研究很少采用配对观测来评估OCAs对CH₄和N₂O的协同影响；这一缺失可能会掩盖实现同时减排的管理实践，或导致出乎意料的权衡。此外，现有的面积尺度排放量或GWP评估可能未能充分考虑OCAs带来的产量增益。相比之下，产量尺度排放量和温室气体强度（GHGI）允许进行综合考虑作物产量和温室气体排放的全面评估。

我们计算了与OCA施用相关的排放量。评估指标因此，采用已发表的数据集进行了一项综合荟萃分析，这些数据集包含了有机碳添加剂条件下CH₄和N₂O的同时测量数据。评估了面积尺度（每单位田地面积的CH₄和N₂O排放量）和产量尺度（各面积尺度排放量除以作物产量）CH₄和N₂O排放的总效应量。此外，将总CH₄和N₂O排放量及作物产量转化为GWP和GHGI。还汇总了土壤和添加剂的理化特性以及田间管理信息，并使用机器学习模型进一步解释CH₄和N₂O排放量的差异，旨在为制定有针对性的OCA管理策略提供依据，以最大限度地实现温室气体减排与作物生产力之间的协同效应。

章节摘要

数据收集

选取了三种有机碳添加剂——秸秆、生物炭和有机肥——以调查它们在产量尺度和面积尺度上对土壤CH₄和N₂O同时排放的影响。有关这三种添加剂下土壤CH₄和N₂O排放的数据收集自已发表的文章。搜索词的组合为（"CH₄*" OR "methane*"）AND（"N₂O*" OR "nitrous oxide*"）AND（"straw residue*" OR "straw returning" OR "straw mulching" OR "straw retention" OR "straw*" OR "biochar*" OR "residue retent*" OR

温室气体排放对秸秆添加的响应

秸秆添加显著刺激了产量尺度（SMD = 2.09, CI: 1.74 ~ 2.44）和面积尺度（SMD = 2.59, CI: 2.14 ~ 3.04）的CH₄排放，并促进了面积尺度（SMD = 0.51, CI: 0.18 ~ 0.83）的N₂O排放。然而，产量尺度的N₂O排放未受显著影响（SMD = 0.08, CI: ?0.19 ~ 0.34）（图1）。此外，40.8%的面积尺度观测值和37.7%的产量尺度观测值显示CH₄和N₂O排放均有所增加（双损失区），33.6%的

气候条件对有机碳添加所致温室气体排放的影响

在耕地中施用有机碳材料对非CO₂温室气体，特别是CH₄和N₂O，具有复杂的影响。施用的有机碳材料的分解为CH₄和N₂O的产生提供了重要底物，而分解过程中好氧微生物的耗氧作用也创造了有利于产甲烷菌和反硝化菌繁殖的条件（Huang et al., 2024, Wei et al., 2022）。相反，OCAs可以改善土壤通气性和水分

结论

本研究利用配对观测数据的荟萃分析，综合评估了OCAs（特别是秸秆、生物炭和有机肥）对面积尺度和产量尺度CH₄和N₂O排放的影响。研究结果表明存在显著的权衡关系：秸秆和有机肥通常刺激CH₄排放，而在两者中只有有机肥抑制了N₂O排放，相比之下，生物炭在大多数条件下能缓解这两种气体的排放，凸显了其在净温室气体减排方面的有效性。主要驱动因素，如土壤pH值、初始土壤有机碳（SOC）和

CRediT作者贡献声明

陈雨萱：撰写——初稿，可视化，软件，调查，形式化分析。唐建凯：调查，形式化分析。杨启亮：撰写——审阅与编辑，监督，资源。任宪宪：调查。沙志鹏：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，资金获取，数据整理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明，不存在任何已知的竞争性财务利益或人际关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金的资助（批准号 42407464）。

陈雨萱|唐建凯|杨启亮|任宪宪|沙志鹏