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【中国科学报】不可忽视的农田降氮减排

发布日期: 2019-09-17 11:18:57 浏览次数:


提起温室气体,大多数人都会想到二氧化碳和甲烷,而对氧化亚氮却多有忽略。作为全球排名第三的温室气体,氧化亚氮在百年尺度内的增温效应是其等量二氧化碳的近300倍。

农田,是氧化亚氮的全球第一大排放源,占全球氧化亚氮排放总量近60%。因此,发展合适的计算方法以估算农田氧化亚氮直接排放量,不仅可以明确农业生产对气候变化的影响程度,还可以为发展农田减排技术提供数据支撑。

我国科学家研究农田氧化亚氮排放方法和估算20余年,以期获得确定性和可信度更高的分析结果。

近日,南京农业大学土壤学科温室气体计量团队与英国阿伯丁大学、爱丁堡大学学者合作,对中国农田氧化亚氮直接排放因子进行了更新,并提供了更为细化的排放因子,从而将氧化亚氮直接排放量估算的不确定性降低到7%。相关成果在线发表于《环境科学与技术》杂志。

排放因子:

更精细化的估算

我国的农田氧化亚氮排放量约占全球总排放量的1/4,且随着近年来氮肥施用量的增加而急剧上升。

减“氮”行动,刻不容缓,但如何减、减多少,需要精确的数据支撑。已有研究发现,氮肥施用量与氧化亚氮直接排放量有着极显著的关系。

“我们基于该关系开发了氧化亚氮直接排放因子。”论文通讯作者、南京农业大学资源与环境科学学院副教授程琨告诉《中国科学报》,氧化亚氮直接排放因子即单位质量氮素投入所带来的农田氧化亚氮排放量。“有了排放因子,以后想计算某个区域内农田氧化亚氮的直接排放量,只需要知道这个区域的氮素投入量就行了。”

目前全球通用的农田氧化亚氮排放因子,是联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2006年发布的《IPCC国家温室气体清单指南》所提供的,即旱地1%,淹水稻田0.3%。今年5月,IPCC第49次全会通过了《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版》,基于气候、肥料和水分管理类型提出了更为细化的全球尺度排放因子。不过,因农田氧化亚氮排放通量具有显著的时空差异,该排放因子在国家特别是区域尺度上具有较高的不确定性,IPCC也同时建议各个国家和地区开发自己的排放因子。

20世纪90年代以来,我国学者在氧化亚氮排放因子的开发上积累了方法学的研究基础,但因数据量不足,无论是排放因子,还是用其估算的氧化亚氮排放量,均存在较大不确定性,也使得研究结果的可信度有限。

程琨表示,得益于近年来国家对基础研究的支持,科学家们越来越多地开展了田间原位氧化亚氮排放的监测研究。“我们期望借鉴前人排放因子的研究经验,基于近年来丰富的农田氧化亚氮数据资源,开发农业区尺度的体现作物特征和肥料类型特征的更准确的排放因子。”

全球气候变化顶尖专家、英国阿伯丁大学教授Pete Smith告诉《中国科学报》,用于量化氧化亚氮排放的排放因子,对实施减排措施和制定减排策略非常有意义。此外,更好地量化排放因子,以及它们如何因地区和作物而变化,在评估气候变化减排目标的进展方面极为重要。

差异化计量:

更精准的区域排放统计

温室气体是导致全球气候变化的主要驱动因素,而农业源非二氧化碳温室气体排放占全球排放的10%~12%。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员郭李萍告诉《中国科学报》,对农田温室气体排放进行计量,可以明确农业生产对气候变化的贡献程度,还可以为发展农田管理减排技术提供数据和技术支撑。同时,准确估算我国农业温室气体排放量,也可为国家在国际气候谈判中提供准确的数据支持。

“在进行温室气体排放计量中,主要关注的焦点是计量方法的准确性、可操作性和不确定性问题,以及估算结果不确定性的量化说明。”郭李萍表示。

目前,能够估算氧化亚氮排放的方法有模型模拟法和排放因子法。与模型模拟法相比,排放因子法可以用极为有限的数据,即仅知道氮素投入量,便能得到尽可能准确的估计。

研究人员通过文献搜集,建立了包含1151组观测值的中国农田氧化亚氮排放数据库,然后将不同方法计算得出的排放因子进行对比评价。结果发现,氮素投入量与氧化亚氮直接排放量的线性回归方法的解释度最高,且模拟效果最好。

通俗来讲,就是氧化亚氮直接排放的多少,有可能取决于氮肥施用量的多少。

以2016年为例,该研究精确估计了中国农田因化肥投入引起的氧化亚氮年直接排放量为30.5万吨,95%置信区间为28.3万—32.7万吨。

同时,为证明该方法的有效性,研究人员利用它对不同农业区的不同作物、不同农田管理类型下的排放因子进行了计算,发现中国农田氧化亚氮排放因子存在巨大的农业区差异和作物类型、肥料类型及水分模式等管理影响差异。

值得一提的是,研究人员针对中国九大农业区的细化排放因子,绘制了高分辨率的中国农田氧化亚氮排放空间分布图。该图显示,氧化亚氮排放最高的区域分布在长江中下游地区(特别是江苏东部)、黄淮海地区、东北地区(特别是松嫩平原),这些地区应当是提高氮肥利用率、减少氧化亚氮排放的重点关注区域。

Pete Smith表示,通过准确量化中国农田氧化亚氮排放、控制氮肥施用,在保证作物产量最大化的同时减少氧化亚氮排放,有助于减少中国的气候足迹。

不过,也有研究表明,农田氮素投入与氧化亚氮排放量具有非线性关系。“虽然本研究并未观测到这种关系,但不能忽视这种关系存在的可能性,未来应当予以关注。”程琨说。

除此之外,在农田中,由于前季作物种植施用的氮素残留会对氧化亚氮排放产生影响,冬闲田的温室气体排放也不容忽视。不过,其如何排放以及排放量在农业温室气体排放中贡献如何,仍有待进一步研究。

管理之基:

更有效的降氮减排

农田中的氧化亚氮直接排放主要是由于人为氮肥施用造成的。因此,氮肥的投入量以及氮肥的形式、施用方法、施用时期等是农田氧化亚氮排放最主要的影响因素。

“气候条件、土壤理化性质、农田管理(包括灌溉、秸秆还田、土壤调理剂使用等)均会对土壤氧化亚氮排放产生不同的影响。”郭李萍说。

在郭李萍看来,减少氧化亚氮排放,最重要的途径是提高氮素利用率。采取一些管理措施,比如配合施用有机无机肥、添加生物质炭,以及使用氮肥增效剂及缓控释肥、水肥一体化管理等,都可以有效提高当季氮肥利用率。这能够在保证粮食产量的同时,显著减少氧化亚氮排放及氮肥的其它无效损失。

的确,实现粮食安全与温室气体减排“双赢”,一直是人类共同追求的目标。程琨表示,在未来气候变化情况下,尤其是发展中国家,如何在保障粮食产量的前提下达到农田固碳减排目标,即实现“气候智慧农业”(Climate smart agriculture),是当前关注的焦点。

今年6月,我国向《联合国气候变化框架公约》秘书处提交了《中华人民共和国气候变化第三次国家信息通报》和《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》,其中报告了我国在2010年和2014年的国家温室气体清单。与2005年国家温室气体清单的回算结果对比,农业活动氧化亚氮的排放量有所增加。

“该研究提供的基于农业区、作物类型和农田管理类型的更为细化的氧化亚氮排放因子,可为未来温室气体清单编制提供方法学和数据支撑,可降低清单编制的不确定性。”郭李萍说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acs.est.9b01285

原文链接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/9/349619.shtm?from=groupmessage&isappinstalled=0

 

 

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