文献信息:
https://doi.org/10.1021/acs.est.4c05760
Wu, W., Comer-Warner, S.A., Peacock, M., Han, X., Li, S.-L., Ju, X., Liu, C.-Q., Smith, P. and Yan, Z., 2024. IPCC Emission Factor Overestimates N2O Emissions from Agricultural Ditches. Environmental Science & Technology. 2024.
摘要
农业沟渠作为农业地区灌排系统的重要组成部分，接收了大量农田径流养分，成为氧化亚氮（N2O）排放的热点区域。目前，政府间气候变化专门委员会（IPCC）建议使用排放因子（EF）来估算这类间接N2O排放，但沟渠的排放因子归类为地下水排放因子（EF5g），估算可能存在较大误差。基于以上背景，天津大学地科院晏智锋课题组以华北平原这一全球农业最密集的区域之一为研究区域，深入研究了农业沟渠的N2O排放。结果表明，华北平原的区域平均EF值为0.0028，仅为IPCC默认EF5g值（0.006）的一半，表明当前IPCC排放因子可能显著高估了农业沟渠的N2O排放量。EF值在时间和空间上存在显著变化，且与多种环境因素相关。尽管EF值相对较低，华北平原农业沟渠中的N2O浓度依然较高（均值为3.36 μg L-1），区域排放量达1.14±0.86 Gg N2O-N/年，相当于该区域农田直接N2O排放的3.8±2.9%。由于沟渠在农业区域中分布广泛，且范围在进一步扩大，通过更多实地测量优化沟渠EF值，将有助于准确评估农业沟渠对全球N2O排放的贡献，制定有效的减排策略。
01
研究内容与方法
为评估农业沟渠的N2O排放贡献并对比当前IPCC提供的默认排放因子（EF5g），本研究选择华北平原为研究区域，开展了实验监测。研究分为大范围调查(Extensive survey)和月度调查(Monthly survey)两部分，具体采样点位分布如图1所示。大范围调查在华北平原的主要省份进行，涵盖山东、河北和天津三个省市，于2020年10月采集了39个采样点（11个河流样点和28个农业沟渠样点）；月度调查在天津市里自沽灌区及周边地区进行，于2021年5月至2021年11月、以及2022年4月在21个采样点（6个河流样点和15个农业沟渠样点）进行了九次月度调查。N2O排放使用顶空平衡法测量，EF值采用浓度法（N2O−N/NO3−−N）计算，并通过相关性分析、回归树和随机森林方法分析关键影响因素。
图1 华北平原采样点分布图
02
研究结果
研究结果表明，无论是大范围调查还是月度调查，沟渠的N2O浓度和EF值均显著高于河流，但沟渠的平均EF均值（0.0028）不到IPCC默认EF5g值（0.006）的一半（图2）。其他研究也发现了沟渠的EF值比IPCC默认值更低。
图2 不同时空与水体类型的N2O浓度和EF值
EF值与水化学性质之间存在显著相关性（p<0.05），与可溶性活性磷（SRP）、铵态氮（NH4+−N）、溶解性有机碳（DOC）呈正相关，并与硝态氮（NO3−−N）、pH值和溶解氧（DO）呈负相关（图3）。
图3 EF值与水环境参数相关性
随机森林分析进一步验证了这些相关性，表明NH4+−N是预测EF值的最有效因子。回归树分析表明，当NH4+−N浓度超过1.5 mg/L时，模型预测的EF值是低于该浓度时的三倍（图4）。
图4 EF值的回归树与随机森林分析
将实测N2O浓度和通量与使用IPCC默认EF值估算的结果进行对比，使用EF5g估算的平均值（12.49±12.01 μg L⁻¹和308.5±310.7 μg m⁻² h⁻¹）约为实测平均值（3.36±3.19 μg L⁻¹和78.5±93.8 μg m⁻² h⁻¹）的3倍（图5）。
图5 对比实测结果与IPCC默认EF值估算结果
基于实测数据估算，华北平原农业沟渠的年总N2O排放量约为1.14±0.86 Gg N2O−N/年，相当于该区域农田直接N2O排放量的3.8±2.9%，与高氮肥施用的农田排放水平相当，甚至更高。农业沟渠在全球范围内广泛存在，且随着农田扩张及营养输入的增加，其N2O排放预计将不断增加。因此，应进一步对农业沟渠开展研究，将其N₂O排放更准确地纳入区域和全球N₂O排放预算的估算中。
目前，相关研究成果以论文“IPCC Emission Factor Overestimates N2O Emissions from Agricultural Ditches”发表在Environmental Science & Technology。天津大学地球系统科学学院2024届毕业生吴文欣博士为该论文第一作者，晏智锋教授为通讯作者。该成果得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、天津市科技局、海河实验室等项目和单位的资助。
供稿人及团队：吴文欣，天津大学地科院晏智锋教授课题组2024届博士毕业生，主要从事水体温室气体排放特征、驱动机制、模型评估与预测相关研究。
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