1980— 2010年中國和印度農田化肥氮源氧化亞氮排放的比較

蔣光福，張　穩(wěn)，李　昕，孫文娟

（1.中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室，北京 100093；2.中國科學院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室，北京 100029；3.中國科學院大學，北京 100049）

1980— 2010年中國和印度農田化肥氮源氧化亞氮排放的比較

蔣光福1，3，張穩(wěn)2，李昕1，3，孫文娟1*

（1.中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室，北京 100093；2.中國科學院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室，北京 100029；3.中國科學院大學，北京 100049）

采用排放因子方法估算了1980—2010年中國和印度小麥、玉米和水稻農田化肥氮源N2O直接排放量，并進一步分析了兩國農田N2O排放的時間變化和空間差異。結果表明：中國1980—2010年小麥、玉米、水稻田的單位面積N2O直接排放量平均值分別為1.75、1.60、0.42 kg N2O-N·hm-2·a-1，分別為印度的1.3、2.4、2.0倍。中國小麥、玉米農田單位面積N2O排放量較高的地區(qū)主要集中在東南和南部，西部和北部排放較低，而印度小麥、玉米農田單位面積排放量高的區(qū)域則集中在東部及西南沿海。三十年間，中印兩國三種作物N2O直接排放量平均值分別為98.6、47.8 Gg N2O-N。中國小麥和玉米田N2O排放量占三種作物排放總量的近90%，而印度農田N2O排放則主要來自小麥田，約占70%。兩國三種作物N2O直接排放量隨時間呈顯著增加趨勢，增加速率均表現(xiàn)為小麥田＞玉米田＞水稻田。中國三種作物N2O排放總量的年均增加速率為3.7%，低于印度的10.4%。雖然中國三種作物單位面積N2O直接排放量和排放總量高于印度，但排放強度（單位產(chǎn)量的N2O-N排放量）及其增加速率均低于印度。

N2O排放；小麥；玉米；水稻；中國；印度

蔣光福，張穩(wěn)，李昕，等.1980—2010年中國和印度農田化肥氮源氧化亞氮排放的比較［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（9）：1807-1815.

JIANG Guang-fu，ZHANG Wen，LI Xin，et al.Comparison of synthetic fertilizer N-induced direct nitrous oxide emissions from croplands between China and India during 1980—2010［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（9）：1807-1815.

N2O是大氣中僅次于CO2和CH4的第三種長壽命溫室氣體，其百年尺度的增溫效應是CO2的265倍［1］。IPCC第五次評估報告指出，2006年全球農業(yè)活動產(chǎn)生的N2O排放量（以N2O-N計，下同）為4.1 Tg（1 Tg= 1012g），占人為源總排放的59%［2］。農田N2O排放按來源劃分包括農田土壤背景排放、有機糞肥排放和化肥氮源排放等，其中化肥氮源N2O排放是農田N2O排放的主要組成部分，且以旱作農田排放為主［3-5］。

中國和印度毗鄰，且均為農業(yè)大國，為提高糧食產(chǎn)量，兩國的化肥氮用量都不斷增加，尤其是20世紀80年代以來，中印農業(yè)化肥氮投入迅速增長。世界化肥協(xié)會（IFA）統(tǒng)計資料顯示［6］：1980年中國農業(yè)化肥氮投入占世界總化肥氮投入的19.5%，至2010年上升為31.2%，從20世紀80年代以來一直是世界化肥氮用量第一大國。1980年印度農業(yè)化肥氮投入占世界總化肥氮投入的5.8%，2010年增長至15.9%，成為世界第二大化肥氮消耗國。中印兩國的農作物中，小麥、玉米、水稻三種主糧作物化肥氮投入占比高，2010年兩國的上述三種作物化肥氮投入分別占國家農業(yè)總氮投入的44.6%和59.1%［7］；同時，兩國的三種作物產(chǎn)量也均顯著增加，且中國的增加量遠高于印度［8］。研究中印兩國20世紀80年代以來三種主糧作物農田化肥氮源N2O排放，特別是單位糧食產(chǎn)量的N2O排放，不僅有助于理解兩國農田N2O的排放趨勢及兩國間種植不同作物農田的N2O排放差異，對深入探尋適宜于兩國的農田N2O減排措施也具有重要意義。

張強等［5］通過本地參數(shù)修正IPCC 2006排放因子方法估算中國農田土壤的N2O直接排放量，結果顯示：1980—2007年，中國農田N2O排放年均增長7.6%；至2007年排放量達到288 Gg N2O-N，化肥氮投入對農田N2O直接排放的貢獻為77.6%。Zou等［4］用降水修正的IPCC2006排放因子方法估算的20世紀80年代中國農田化肥氮源N2O排放量為116 Gg N2O-N·a-1（1 Gg=109g），而20世紀90年代則上升到211 Gg N2O-N·a-1，年均增長9.14 Gg N2O-N·a-1。Zhou等［9］結合高分辨率數(shù)據(jù)源估算中國2008年農田化肥氮N2O排放量為308 Gg N2O-N·a-1。Garg等［10］研究指出，印度1985年到2005年N2O總排放量從144 Gg N2O-N增加到267 Gg N2O-N，其中化肥氮源排放占的比例由40%增加到49%。Bhatia等［11］指出印度N2O排放總量從1980年的50 Gg N2O-N，增長到2007年的138 Gg N2O-N。

雖然對于中印兩國農田N2O排放前人已有不少的研究，但采用統(tǒng)一的方法和相同的空間分辨率，針對不同作物農田及單位糧食產(chǎn)量的N2O排放，開展中印兩國間的對比研究還不多見。本文試圖通過對1980—2010年中印小麥、玉米和水稻種植的農田化肥氮源N2O排放進行估算，探討兩國三種作物農田N2O排放的差異及其變化。

1　材料與方法

1.1模型選擇

利用排放因子估算N2O排放是IPCC推薦的最直接和廣為應用的方法［1］。該方法基于氮肥用量與N2O排放量之間的極顯著相關關系，根據(jù)本地化或經(jīng)修正的N投入N2O排放系數(shù)來估算N2O的排放量。但這種基于常系數(shù)的估算方法未考慮除N投入之外的其他環(huán)境因素對土壤氮過程及N2O排放的影響。雖然大尺度樣本空間內農田N2O排放受降水及溫度的制約，但經(jīng)溫度修正的排放因子在降低N2O估算不確定性方面效果有限，而經(jīng)降水修正的排放因子則可顯著提高N2O估算的準確性［12-13］。鑒于此，本研究采用Lu等［14］降水修正IPCC2006排放因子方法估算旱作作物小麥和玉米農田化肥氮源N2O直接排放（方程1），而水稻田N2O直接排放則采用IPCC2006［15］的缺省排放因子方法（方程2）：

式中：P為年降水量，m；F為化肥N投入量，kg N·a-1；Q表示以N計的N2O排放量，kg N2O-N·a-1。

1.2數(shù)據(jù)來源與空間化處理

1.2.1化肥氮投入量及其空間化

為客觀比較中印兩國農田N2O排放，方程（1）和（2）的輸入數(shù)據(jù)需來自相同的數(shù)據(jù)源和空間分辨率。1980—2010年中印農作物種植的歷年化肥氮施用量和分作物的播種面積數(shù)據(jù)（表1）分別來源于IFA和聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織（FAO）。由于根據(jù)IFA［6］和FAO［8］數(shù)據(jù)僅能得到個別年份（中國：1997、2010年；印度：2003、2004、2010年）分作物的氮肥施用量，為獲得1980—2010年逐年小麥、玉米和水稻單位面積施氮量，本研究根據(jù)兩國上述年份的各作物施氮量和對應年份的該作物播種面積，計算小麥、玉米和水稻單位面積施氮量與全部農作物單位面積施氮量國家平均值的比，將該比值通過時間段內插和外推以計算其他年份各作物的施氮量。詳細計算過程如圖1所示。

以中國的小麥為例，已知1980—2010年中國全部農作物逐年施氮量和播種面積，及1997單位面積施氮量N1997，w和2010年的施氮量M2010，w及播種面積A2010，w，按以下步驟計算獲得1980—2010年小麥逐年施氮量：首先用2010年小麥施氮量除以小麥播種面積A2010，w，得到小麥單位面積施氮量N2010，w。同樣方法計算出1997和2010年中國全部農作物平均單位面積施氮量國家平均值N1997和N2010。計算1997年和2010年小麥與全部作物平均單位面積施氮量國家平均值的比值K1997，w和K2010，w（Kw=Nw/Nt）。假定該比值在1997年和2010年間為線性分布，內插計算1997—2010年逐年Kw值，并按比例外推1980—1996年，從而獲得1980—2010年逐年Kw值。將每年的Kw乘以對應年份的作物平均單位面積施氮量國家平均值Nt，得出當年小麥單位面積施氮量Nt，w，再乘以當年小麥播種面積At，w，最終獲得1980—2010年小麥逐年化肥氮總施用量Mt，w。

經(jīng)圖1分別計算出中國和印度小麥、玉米、水稻和其他作物施氮量與IFA統(tǒng)計的當年施氮量數(shù)據(jù)對比，作為對圖1計算結果的一致性約束。作物空間分布柵格數(shù)據(jù)來源于Leff等［16］的研究結果（表1），并依據(jù)FAO提供的逐年作物面積重新核校后，獲得1980—2010年小麥、玉米、水稻的播種面積空間數(shù)據(jù)。與圖1估算的作物單位面積施氮量相乘，得到柵格化的作物總施氮量（分辨率為0.5°×0.5°），以用于公式（1）的N2O排放計算。

1.2.2降水數(shù)據(jù)

通過GIS技術對1980—2009年全球降水逐月柵格數(shù)據(jù)（表1）進行提取和計算，得出1980—2010年年均降水空間數(shù)據(jù)，將2010年降水數(shù)據(jù)采用2009年的替代。降水數(shù)據(jù)空間分辨率與氮投入空間數(shù)據(jù)一致，為0.5°×0.5°。

1.3不確定性分析

圖1　計算小麥、玉米、水稻單位面積施N量流程圖（其他：除小麥、玉米、水稻外的其他農作物）Figure 1 A flow chart for calculating fertilizer N application per unit area in wheat，maize and rice fields

表1　數(shù)據(jù)說明及來源Table 1 Description of data sources

本研究中采用降水修正排放因子方法［14］估算小麥、玉米旱作農田化肥氮源N2O排放，用IPCC2006［15］缺省排放因子估算水稻農田化肥氮源N2O排放。排放量估算的不確定性來源主要包括方程（1）和方程（2）系數(shù)偏差以及圖1中不同作物化肥氮施用量估計偏差。年降水量數(shù)據(jù)相對于估算方程系數(shù)以及施氮量來說，因偏差較小而未包含在不確定性計算之內。除此之外，若不考慮總施氮量和播種面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)誤差的情況下，不同作物施氮量估計偏差主要來源于Kt，w、Kt，m、Kt，r、Kt，c值的偏差（圖1）。利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)（表1）推算的Kt，w、Kt，m、Kt，r、Kt，c值具有一定程度的年際波動（中國 1997年的 Kt，w、Kt，m、Kt，r、Kt，c值分別為0.99、0.93、1.03、1.01，而2010年則分別為0.99、0.82、0.89、1.11；印度2003年的Kt，w、Kt，m、Kt，r、Kt，c值分別為1.67、0.70、1.37、0.73，而2004年其值分別為1.60、0.67、1.32、0.76，至 2010年則分別為 1.72、1.21、1.43、0.67）。為量化其不確定性，本研究利用不同年份（中國：1997、2010年；印度：2003、2004、2010年）的Kt，w、Kt，m、Kt，r、Kt，c值，在不考慮其時間變化的前提下，分別計算中、印兩國小麥、玉米和水稻種植的N2O排放量，計算兩個年份的差值。在此基礎上，合并方程系數(shù)偏差和Kt，w、Kt，m、Kt，r、Kt，c值偏差的不確定性。根據(jù)IPCC （2006）［15］不確定性量化指南，采用以下兩個公式合并不確定性：

式中：Utotal為合并后的不確定性（相對于基線情景）。式（3）中的xi和Ui分別表示小麥、玉米和水稻的基線情景排放量及其相對不確定性；式（4）中的U1和U2分別表示方程（1）的系數(shù)和施氮量的相對不確定性。

圖2　中印三種作物農田單位面積化肥氮源N2O排放量Figure 2 Direct N2O emission fluxes from croplands in China and India

2　結果

2.1中印三種作物農田單位面積化肥氮源N2O直接排放量

1980—2010年中國三種作物農田單位面積化肥氮源N2O直接排放量（單位播種面積的N2O排放量）均高于印度。中國小麥、玉米、水稻田三十年來單位面積N2O排放量平均值分別為1.75、1.60、0.42 kgN2O-N· hm-2，分別為印度的1.3、2.4、2.0倍。從作物來看，中國的小麥田單位面積N2O排放量與玉米田相近，而印度小麥田單位面積N2O排放量則高出玉米田近一倍。中國和印度的小麥、玉米農田單位面積N2O排放量均遠高于水稻田。

1980—2010年中印三種作物農田單位面積N2O排放量均呈現(xiàn)顯著的增加趨勢（P＜0.001）。中國的小麥、玉米、水稻田單位面積N2O排放量從1980年的1.10、1.00、0.27 kg N2O-N·hm-2增加到 2010年的2.30、1.82、0.52 kg N2O-N·hm-2。印度則相應的從1980年的0.64、0.26、0.08 kg N2O-N·hm-2，增加到2010年的1.79、1.43、0.36 kg N2O-N·hm-2。雖然中國三種作物農田單位面積N2O排放量均高于印度，但對每個作物而言，中印兩國間的年增加速率接近，中國和印度小麥田線性方程的斜率分別為0.047、0.042（圖2a），玉米田分別為 0.035、0.032（圖2b），水稻田則分別為0.009、0.008（圖2c）。中印兩國農田單位面積N2O排放量年增長速率均表現(xiàn)為：小麥田＞玉米田＞水稻田。

中印小麥和玉米農田單位面積N2O排放量均具有明顯的時間變化和空間特征。中國小麥、玉米農田單位面積N2O排放量較高的地區(qū)主要集中在東南和南部，而西部和北部排放較低。1980s初（1980—1984年）到2000s末（2006—2010年）三種作物農田單位面積N2O排放量均有明顯增加，特別是小麥和玉米田增加尤為顯著，但其空間分布格局與1980s初相比變化不大（圖3），小麥、玉米農田單位面積N2O排放量依然是長江以南的地區(qū)較高。為了體現(xiàn)各省（邦）之間的排放差異，本研究采用兩國省（邦）級行政單元矢量數(shù)據(jù)對計算結果進行了提取和分析。結果表明：海南、臺灣、廣東、福建和江西是中國小麥和玉米單位面積N2O排放量最高的省份，其小麥和玉米田單位面積N2O平均排放量1980s初分別為2.9、2.8 kg N2O-N·hm-2，2000s末增加到6.6、5.6 kg N2O-N hm-2，為全國農田單位面積N2O排放量均值的2.7、2.8倍。

圖3　中印1980s初和2000s末三種作物農田單位面積化肥氮源N2O排放量空間格局Figure 3 Spatial distribution of direct N2O emission fluxes from croplands in China and India in early 1980s and late 2000s

與中國類似，印度2000s末三種作物農田化肥氮源單位面積N2O排放量較1980s初都明顯增加，旱作的小麥和玉米農田增加量高，但其的空間格局變化不大，高排放區(qū)域集中在東北部及西南沿海兩個邦（圖3a、圖3b）。1980s初印度小麥和玉米田單位面積N2O排放量較高的邦為東北部的Mizoram、Meghalaya和Tripura，以及東南部和南部沿海的Goa和Kerala，平均為2.1、0.9 kg N2O-N·hm-2，2000s末增加到6.7、4.1 kg N2O-N·hm-2，為全國農田單位面積N2O排放量均值的3.5、3.3倍。

2.2中印三種作物農田化肥氮源N2O排放總量及各作物排放貢獻

1980年中國三大作物農田總化肥氮投入7.04 TgN，到2010年增加到14.54 TgN，增加了一倍；而印度則相應地從1.91 TgN增加到9.78 TgN，增加了5倍多（表2）。三種作物農田中，水稻田氮投入占總投入量的比例最高，中國平均為40%，印度為55%。1980—2010年，中國玉米氮肥施用量占三種作物總投入量的比例從23%增加到35%，而印度玉米田氮肥投入比例低，1980年僅為三種作物總投入量的4%，到2010年增加到9%，遠低于其小麥田和水稻田。

表2　中印三種作物農田化肥氮投入及化肥氮源N2O排放量Table 2 Fertilizer nitrogen inputs and direct N2O emissions from three croplands in China and India

三十年間，中印兩國三種作物N2O直接排放量平均值分別為98.6、47.8 Gg N2O-N。1980年中國三種作物農田N2O直接排放總量為61.8±10.9 GgN2O-N，其中小麥田占總排放量的52%，玉米和水稻田分別占33%和 15%；2010年排放總量增加到 130.3±19.9 GgN2O-N，年均增加3.7%，小麥和玉米田對N2O排放總量的貢獻相當，分別為43%和45%，水稻田為12%。與1980年相比，2010年小麥和水稻田對N2O排放總量的貢獻均有所下降，而玉米田則有所增加（表2）。印度1980年三種作物農田N2O直接排放總量為 19.0±4.0 GgN2O-N，2010年增加到 78.4±17.5 GgN2O-N，年均增加10.4%，小麥、玉米和水稻田占總排放量的比例分別由1980年的74%、8%和18%變?yōu)?010年的65%、15%和20%。印度小麥田對N2O排放總量的貢獻有所下降，而玉米和水稻田則均有增加（表2）?？傮w而言，中國小麥和玉米田占N2O排放總量的近90%，而印度農田N2O排放總量則絕大部分來自小麥田的貢獻，占約70%。

2.3中印三種作物農田化肥氮源N2O排放強度

為明確生產(chǎn)單位產(chǎn)量的作物帶來的化肥氮源N2O排放，本研究定義作物N2O排放強度為農田N2O直接排放量與作物產(chǎn)量之比，其中每克N2O排放以265 gCO2當量計［1］。結果顯示：20世紀80年代中國小麥和玉米田N2O排放強度高于印度，而自90年代初至2010年，印度小麥和玉米田N2O排放強度則總體高于中國。除1980年外，印度1981—2010年水稻田的N2O排放強度始終高于中國。1980—2010年中國小麥、玉米和水稻田N2O排放強度平均為204.5、146.2、30.1 gCO2e·kg-1，而印度則為222.6、159.0、48.1 gCO2e·kg-1，兩國均表現(xiàn)為小麥＞玉米＞水稻。

1980—2010年中印三種作物農田N2O排放強度，除中國小麥田外，其他均呈顯著增加趨勢（P＜0.001），且印度農田的N2O排放強度年增長速率遠高于中國（圖4）。印度小麥、玉米、水稻田N2O排放強度與年份之間線性方程的斜率，即排放強度年增加速率分別為3.75、3.97、1.15 gCO2e·kg-1·a-1，中國僅為0.72、0.82、0.36 gCO2e·kg-1·a-1。可見，1980—2010年印度的作物生產(chǎn)中，小麥和玉米N2O排放強度的年增速約5倍于中國，水稻約3倍于中國。從作物來看，小麥和玉米田N2O排放強度增加速率相當，均遠高于水稻田。

3　討論

3.1農田N2O排放及排放系數(shù)

對旱作農田N2O排放的估計受氮肥投入量和年降水量的共同影響。本研究結果顯示，中國N2O排放較高的地區(qū)主要集中在東南和南部，而西部和北部排放較低。Zheng等［18］通過調研和分析我國12個點54組農田N2O直接排放因子的實測數(shù)據(jù)得出，東南和華南的農田N2O排放因子較高，而東北和西北則較低，我們得到的結果也與之相吻合（圖3）。雖如此，本研究由于缺乏作物單位面積施氮量的空間分布數(shù)據(jù)，在全國范圍內僅采用平均值代替，無疑對施氮量高的地區(qū)低估了其N2O排放，而對于施氮量低的地區(qū)，其N2O排放可能被高估。

圖4　中印三種作物化肥氮源N2O排放強度Figure 4 Direct N2O emissions per unit yield in croplands of China and India

農田N2O是農田土壤中一系列與微生物活動密切相關的硝化與反硝化過程的產(chǎn)物，其產(chǎn)生過程非常復雜。除降水外，其他氣候（如溫度）、土壤和田里管理方式均會對N2O排放產(chǎn)生影響［13，19］。田間試驗獲得的農田土壤N2O排放系數(shù)具有極高的時間和空間變異性，變化范圍可達0.1%～8.0%［18］，如：四川農田小麥生長季N2O排放系數(shù)為1.29%，玉米季排放系數(shù)為0.92%［20］，而陜西農田小麥生長季N2O排放系數(shù)僅為0.09%［21］，江蘇小麥生長季N2O排放系數(shù)為0.11%～0.66%，且隨著施氮量的不同有所變化［22］。Zhou等［23］綜合考慮氣候、土壤和農田管理的影響，基于分段統(tǒng)計模型計算的2008年我國旱作谷物農田化肥N源N2O排放系數(shù)為0.84%（0.66%～1.02%）。本研究得到的（表2）中國小麥N2O排放系數(shù)均值為1.28%（1.11%～1.44%），玉米N2O排放系數(shù)為1.29%（1.17%～1.49%），略高于Zhou等［23］的結果。Linquist等［24］通過分析全球62個點328組觀測數(shù)據(jù)指出，小麥和玉米的N2O直接排放系數(shù)分別為1.21%和1.06%。本研究中國的小麥玉米N2O排放系數(shù)與全球平均值較為接近。

在對印度農田N2O排放的估算中，Garg等［10］引用了Mitra等［25］給出的平均N2O排放系數(shù)，作為農作物（包括水稻、小麥、玉米等）化肥氮施用的N2O直接排放因子。本研究中印度水稻、玉米和小麥種植的化肥氮源N2O排放系數(shù)平均為0.8%～1.0%，較Mitra等［25］給出的0.65%偏高。此外，田間試驗獲得印度水稻-小麥作物生長季N2O排放系數(shù)為0.38%［26］，小麥生長季N2O排放系數(shù)為0.20%～0.56%［27］。Jain等［28］對印度西北部農田的研究顯示，小麥的N2O直接排放系數(shù)為0.53%，玉米為0.43%。本研究估算的小麥和玉米N2O排放系數(shù)分別為1.57%（1.28%～2.17%）和1.67% （1.44%～2.15%），均高于上述結果。其原因可能在于印度主要農區(qū)的自然降水偏高，而Lu等［14］統(tǒng)計模型基于全球田間試驗觀測的數(shù)據(jù)建立，建模的年降水量在370～1220 mm之間。對于降水超過1220 mm的區(qū)域，模型可能高估了其N2O排放。

稻田因為淹水的緣故，其土壤更具還原性，抑制了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉換的生物化學過程，同時也使更多的氮還原成N2，從而減少了N2O的排放，表現(xiàn)為水稻生長期N2O排放系數(shù)比旱作的小麥、玉米等低。但是，水旱輪作情形下，間歇的淹水和落干反而更有利于N2O的排放［26，29］。由于缺乏復種指數(shù)的空間對應數(shù)據(jù)，本研究對于旱作小麥和玉米農田及雙季稻田土壤N2O排放的估算，未細分其不同輪作情形下的排放系數(shù)差異，可能會對估算結果造成一定程度的偏差。此外，印度旱作稻田面積約占水稻總種植面積的12%［30］，目前對印度旱作稻田N2O排放的研究還不多見，零星的研究結果顯示印度雨養(yǎng)條件下稻田的N2O排放比淹水稻田略低［31］。這可能跟印度旱作稻田施肥量普遍偏低，同時又缺乏降水［32］有關。因本文無法獲取旱作稻田的空間分布，故沒有將旱作稻田的N2O排放單獨計算，而這可能使得對印度稻田N2O排放的估計偏高。

小麥、玉米和水稻作為中國和印度的主糧作物，其種植面積分別占各自農作物播種面積的50%和40%（2010年）。與此相應，中印兩國這三種作物種植的化肥氮施用量占農作物氮肥施用量的45%和60% （2010年）。據(jù)估計［4-5，14］，中國農田化肥氮施用導致的N2O直接排放約為115.7（1980）、198.9（1997）、223.9 （2007）Gg N2O-N·a-1。與本研究的對應年份相比，小麥、玉米和水稻農田的N2O排放合計分別占農田化肥N2O總排放的53.4%、48.8%和60.6%。這種年際年的波動變化與種植結構和不同作物施肥強度有關（表2）。在印度，這三種作物化肥氮施用量占其全部農作物的比例超過50%，特別是近5年，這一比例更是接近60%，比中國現(xiàn)狀的約45%高出很多。因此，本研究中印度小麥、玉米和水稻的化肥施用N2O直接排放估計（表2）對于了解其農田施肥的N2O排放具有更直接的參考意義。

3.2N2O排放強度與減排

溫室氣體排放強度是一個涉及溫室氣體排放和作物產(chǎn)量的量化指標。農業(yè)耕作中，減少溫室氣體排放的措施通常會受到保證農業(yè)產(chǎn)量的限制。因此，以溫室氣體排放強度為參考，有利于對比不同措施在兼顧農業(yè)生產(chǎn)和減排之間的綜合效果。本研究顯示，中國三大作物農田單位面積化肥氮源N2O排放量增長速率與印度基本一致（圖2），但單位作物產(chǎn)量的N2O排放（排放強度）卻總體低于印度，且30年來排放強度的增加趨勢也低于印度（圖4）。這意味著對印度而言，農田N2O減排受產(chǎn)量的制約更大；從N2O減排角度考慮，印度宜采取除增施化肥外的其他措施提高糧食產(chǎn)量。

模型模擬的結果［33］顯示，全球小麥和玉米的N2O排放強度分別為270 gCO2e·kg-1和230 gCO2e·kg-1，比本研究的中印小麥和玉米的排放強度 202～222 gCO2e·kg-1和143～159 gCO2e·kg-1均高。但這并不意味著中印兩國具有更高的氮肥利用效率。Perlman等［33］的模擬結果包含了N2O的背景排放、化肥和有機肥等的直接排放。中印兩國化肥的N2O直接排放占農田總N2O排放的比例不到50%，其排放強度與Perlman等［33］的模擬結果對比顯示，中印兩國在提高氮肥利用率、降低N2O排放方面與全球平均水平之間仍有較大差距。

基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的綜合分析結果顯示，2010年中印兩國的農作物氮肥施用量分別為51、25 Tg N，占全球氮肥施用量的29%和14%，但其氮肥利用率僅為0.25 和0.30，低于全球平均的0.42［34］。將氮肥施用控制在均衡合理水平，同時通過提高其他農作措施的利用效率和水平，例如改善灌溉、有機無機肥精準配施、改進作物品種等［35-36］，有望使農田氮肥利用率提高至0.60～0.75［34］，從而顯著降低農田N2O排放強度。一個可以參照的實例是，美國作物的氮肥利用率達68%，其當前玉米N2O排放強度僅為33～109 gCO2e·kg-1［37］。

4　結論

（1）1980—2010年，中印兩國小麥、玉米和水稻田N2O直接排放量分別為98.6、47.8 Gg N2O-N。2010年中國小麥和玉米田N2O排放量占三種作物排放總量的近90%，印度農田N2O排放則主要來自小麥田，占約70%。

（2）中印兩國三種作物農田N2O直接排放量和排放強度均隨時間顯著增加，但印度排放強度的增加速率顯著高于中國。

（3）中國小麥、玉米農田單位面積N2O排放量較高的地區(qū)主要集中在長江以南，印度的高排放區(qū)域集中在東部及西南沿海地區(qū)。

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Comparison of synthetic fertilizer N-induced direct nitrous oxide emissions from croplands between China and India during 1980—2010

JIANG Guang-fu1，3，ZHANG Wen2，LI Xin1，3，SUN Wen-juan1*
（1.State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change，Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100093，China；2.LAPC，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029；3.China University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Synthetic fertilizer N-induced direct N2O emissions from wheat，maize，and rice fields in China and India during 1980 to 2010 were estimated using a precipitation-rectified N2O emission factor.A comparison of temporal and spatial variations of the estimated N2O emissions was made between two countries.Results indicated that the direct N2O emission fluxes in China were averaged 1.75 kg N2O-N·hm-2· a-1for wheat，1.60 kg N2O-N·hm-2·a-1for maize，and 0.42 kg N2O-N·hm-2·a-1for rice over the 30-year period，which were respectively 1.3-，2.4-and 2.0-times that in India.The spatial distribution of the N2O emissions from wheat and maize fields was characterized by higher fluxes in southeast and south China than in west and north China.By contrast，the east and southwest India showed higher N2O emission fluxes than other areas.The averages of the direct N2O emissions were 98.6 Gg N2O-N in China and 47.8 Gg N2O-N in India over the 30-year period. Wheat and maize fields contributed approximate 90%to the total emissions from these three crops in China，while wheat field accounted for about 70%of the total emissions in India.Over the period 1980—2000，the direct N2O emissions in both countries increased，with the increasing rate in order of wheat＞maize＞rice.The annual increasing rate was 3.7%for these three crops in China，much lower than that in India（10.4%）.A further investigation indicated that the emission intensity（N2O emission per unit crop yield）and its increase rate in China were lower than those in India，though the direct N2O emissions were higher in China than in India.

N2O emissions；wheat；maize；rice；China；India

X511

A

1672-2043（2016）09-1807-09doi：10.11654/jaes.2016-0155

2016-01-30

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA05020205）；國家自然科學基金項目（41573069，31370492）

蔣光福（1989—），男，碩士研究生，主要從事陸地溫室氣體排放和減排研究。E-mail：jiangguangfu@ibcas.ac.cn

孫文娟E-mail：sunwj@ibcas.ac.cn