农田氧化亚氮排放：生物地球化学驱动因子、硝化抑制剂、政策启示与未来方向

《REVIEWS IN ENVIRONMENTAL SCIENCE AND BIO-TECHNOLOGY》：Nitrous oxide emission from croplands: biogeochemical drivers, nitrification inhibitors, policy implications, and future directions

　　

氧化亚氮（N₂O）排放是农田面临的一个独特环境挑战，因为N₂O既是强效温室气体，又是平流层臭氧消耗的主要贡献者。排放主要源于农业氮（N）输入，以及在土壤氧和水分条件波动下，氮库转化过程中微生物介导的硝化作用和反硝化作用。然而，氮输入对于维持产量稳定、保障充足的粮食蛋白质供应以及维持农场盈利能力至关重要。因此，主要依赖减少氮用量的减缓策略在不大幅影响农业生产力的情况下难以推广。当以氯氟碳化物-11当量臭氧消耗排放表示时，N₂O（179.0 kt yr^?1）超过了遗留臭氧消耗物质和过渡性氢氯氟碳化物（145.7 kt yr^?1）的合计排放量，这加强了在气候和臭氧保护框架中优先考虑农业N₂O的理由。在本综述中，研究人员综合了当前对硝化作用和反硝化作用产生N₂O的途径以及N₂O还原为二氮（N₂）这一生物汇的理解，强调了肥料驱动的氮库变化如何与土壤相互作用，从而调节途径优势度和N₂O:N₂产物比率。然后，研究人员将这些机制置于21世纪肥料使用轨迹和大气N₂O上升的背景下，并总结了将农业N₂O与臭氧损耗联系起来的平流层反应。在这些机制基础上，研究人员通过对比合成硝化抑制剂与新兴的生物硝化抑制特性及其在种植系统中整合的潜力，评估了直接靶向硝化的减缓措施。最后，研究人员强调了最近的缔约方会议谈判和2024年全球氧化亚氮评估如何将N₂O提升为气候和臭氧保护议程的优先事项。研究人员认为，减缓措施的持久推广将需要基于结果的量化，包括能够提供可信的季节到年度估算并具有透明不确定性的模型和测量策略，从而使管理变化转化为可验证的N₂O减排和符合条件的激励。

**驱动农田N₂O排放的生物地球化学过程**

**1 引言**

氮循环是支撑生命的基础生物地球化学过程，将惰性大气N₂转化为生物可利用的活性氮。工业固氮（Haber–Bosch工艺）使合成氮肥大量使用，在提高农业产量的同时，也导致氧化亚氮（N₂O）排放显著上升。N₂O既是强效温室气体，也是平流层臭氧消耗物质。仅靠减少肥料使用难以在不影响生产力的前提下实现减排，因此需要将科学进展转化为可推广的减缓策略。

**2 驱动农田N₂O排放的生物地球化学过程**

**2.1 硝化作用与N₂O产生**

硝化作用是农田土壤中N₂O的重要来源。氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）将铵（NH₄⁺）氧化为亚硝酸盐（NO₂^?），亚硝酸盐氧化细菌（NOB）进一步将其氧化为硝酸盐。在氨氧化过程中，氨单加氧酶（AMO）催化NH₃氧化为羟胺（NH₂OH），NH₂OH可被进一步氧化为NO₂^?，但部分中间产物会分叉生成N₂O。在氧气限制条件下，一氧化氮（NO）积累及其还原也会产生N₂O。因此，硝化作用产生N₂O的途径受氧气有效性和微生物酶系统影响。

**2.2 反硝化作用与N₂O产生**

反硝化作用是在缺氧条件下，微生物将NO₃^?逐步还原为NO₂^?、NO、N₂O和N₂的过程。每一步由不同的还原酶催化。许多反硝化细菌缺乏完整的酶系，可能