科普|农田氧化亚氮（N2O）减排机制和措施

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科普|农田氧化亚氮（N2O）减排机制和措施

Original 2016-09-01 胡荣桂 农业环境科学

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农环格格有话说：

9月1日周四（农历八月初一），大家早安！！

步入九月，一个最能代表秋季的月份.....祝我们一切顺利！！

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今天文章由华中农业大学资源与环境学院--胡荣桂教授和中国科学院大气物理研究所--郑循华研究员共同执笔完成。

文章让我们了解了---农田氧化亚氮（N2O）的减排机制和措施！

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文 胡荣桂1 郑循华2

1. 华中农业大学资源与环境学院；

2.中国科学院大气物理研究所。

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背景

氧化亚氮（N₂O）是仅次于二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）的第三大温室气体，对全球温室效应的贡献占6-7%，但其在 100 年尺度上的增温效应是 CO₂的 298 倍，所以，其在大气中含量微弱的变化也会带来全球温室效应的增加。不仅如此，N₂O在对流层非常稳定，可上升到平流层并与臭氧发生光化学反应而破坏臭氧层。IPCC 第五次评估报告估算，2011年大气中 N₂O 浓度已达到 324 ppb，比工业化前升高了 20%。

N₂O 的排放源

N₂O 的排放源既有自然源也有人为源，自然源包括海洋、森林和自然土壤，人为源则包括农田施肥、畜牧业生产、生物质燃烧和工业过程等。其中，人类农业生产活动，特别是土壤耕作管理是全球 N₂O最重要的排放源，在2005年即占到全球N₂O排放量的55%，2030年将占到59%。若加上其它如养殖粪便管理等，农业活动对全球N₂O排放贡献在2030年将高达84%。

控制N₂O排放

中国是农业大国，2012年氮肥施用量已达到2.39×10⁷ t，并且每年在以4%的速率增长。据报道，2005年中国因氮肥施用排放的N₂O占总排放量的52.9%，是中国N₂O的主要排放源。这表明在农业生产过程中，通过减少氮肥的施用量、提高氮素利用率和减少氮素以N₂O形式逸失是控制我国N₂O排放使之不再增加的最有效途径。

为保证粮食、蔬菜和水果的正常供应，用施肥的方法来补充作物的营养不足以维持或提高单产是最简单的途径。这是因为作物所需要的养分主要从土壤中获得，其氮素营养的来源主要有土壤有机质的矿化，生物固氮和有机肥、化肥氮。而向土壤施用化学氮肥等含氮肥料的主要作用是提供作物生长所需的土壤不能满足的部分。这部分的量是多少在生产中完全可以根据土壤氮素含量水平和农作物的目标产量来计算，这也是测土施肥或配方的理论基础。可以看出，农业生产中的施肥活动实际上是一个农田氮素管理问题，而不能简单地理解为氮肥施用问题。

目前，中国农业领域实际使用氮肥的量近3000万吨，其中约1000万吨使用不合理。不合理的使用不仅带来氮素利用效率或经济上的损失，也会流失到环境中带来严重的环境问题，部分最终会变成N₂O而排放到大气中。这不仅影响农作物的产量和农民的经济收入，还对土壤健康质量和生态环境也带来巨大的压力。而只要人类在氮素管理上稍加注意，即按照作物氮素的吸收规律与土壤的供氮特性来合理施肥，不仅会避免相关问题，还可实现N₂O的减排。如在湖北省的研究表明，仅仅采用测土配方施肥在提高氮肥利用率14.3%的同时还可产生473.5kg CO₂-eq/hm²的减排潜力。而每减少一吨氮素肥料的施用，按照IPCC默认值排放系数估计，可以减少排放21公斤N₂O。所以，合理施用氮肥是减少N₂O减排最有效的措施。

氮素影响

氮素进入土壤后，由于其循环转化过程由微生物过程所控制，故影响各种参与氮素转化微生物活性的环境因子都会影响N₂O的排放。

因此，即使等量的氮肥以相同形态施入土壤，在不同土壤类型、不同气候条件、不同的作物和不同的田间管理措施下，产生N₂O的过程或途径存在很大的差异，其N₂O排放量也极不相同。

大量研究表明

亚热带、热带地区土壤的反硝化具有与温带土壤不同的特征，其N₂O的排放量更高。在中国南方偏酸性的土壤里，由于N₂O的排放过程与铁锰等氧化物的还原氧化过程高度耦合，不仅其产生排放过程复杂，排放量也较高。而在水稻种植中，由于常采用间歇灌溉方式而导致稻田土壤硝化、反硝化过程的反应速率存在差异，且N₂O 在产物中的比例发生变化而影响 N₂O 排放量。

由于一般施入稻田的氮肥以铵态氮肥或产生铵态氮的氮肥为主，铵态氮肥在有氧气的微区发生硝化作用，产生的硝态氮通过扩散过程进入周围厌氧区域而发生反硝化作用，释放出 N₂O、N₂ 等气体。与其它农业土壤相比，稻田土壤的这种硝化与反硝化过程成对出现是其N₂O 产生的主要来源，可占稻田总排放量的30% 以上。

抑制N₂O 的措施

基于对土壤N₂O 产生与排放的这些过程和特性的认识，并考虑中国目前农业生产的普遍技术水平，采用抑制N₂O 产生过程，降低某些微生物或酶的活性，减少氮素或可溶性有机碳的微生物可利用性等都是有效的选择。为此，可以选择有效措施或方法施用缓控释氮肥、添加硝化抑制剂、氮肥深施、以及氮肥配施秸秆或有机肥等。

世界各地的研究表明，在肥料中添加硝化抑制剂（DCD、DMPP），或土壤施用生物质炭，在酸性土壤上使用石灰、白云石粉等措施对降低土壤N₂O排放。使用DCD比不使用的可减少N₂O排放20-50%左右；生物质炭在不同的研究结果显示可减少10-90%；施用pH改良物质，使pH从5.5左右上升到接近中性，可减少40%左右的N₂O排放。

意义

在农业生产中，只要做好氮素管理，且在土壤耕作过程中增加一些调节氮素转化的措施，完全可以使中国农田N₂O排放控制在一个较低的范围内。这不仅对国家完成碳减排任务由重要意义，对减少氮素损失和降低氮素施用带来的其他环境问题的威胁也具有重要借鉴作用。

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致谢：感谢973计划项目“973计划项目（2012CB417106)典型流域陆地生态系统-大气碳氮气体交换关键过程、规律与调控原理”的支持。

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