基于修正IPCC2006法的縣域尺度農(nóng)田N2O排放量估算
——以湖北省天門市為例

沈體忠

(湖北省天門市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護站，湖北 天門 431700)

吳海兵，江敏

(湖北省天門市農(nóng)業(yè)科學院，湖北 天門 431700)

李春輝

(湖北省天門市耕地質量保護與肥料管理局，湖北 天門 431700)

氣候變暖是當今全球性的環(huán)境問題，主要原因是大氣中溫室氣體濃度的不斷增加。N2O是一種重要的溫室氣體，具有較強的增溫潛勢(Global Warming Potential，GWP)以及在空氣中較長的滯留時間。以100a的時間尺度來計算，N2O的全球GWP是同等質量CO2的310倍，在空氣中滯留的時間約為150a，對全球變暖的貢獻率約占全部溫室氣體總貢獻的5%～6%。此外,N2O還參與大氣中許多光化學反應，表現(xiàn)為在平流層中通過NX把O3轉化O2，形成NO和N2，破壞臭氧層，增強紫外線輻射，影響人類健康[1～4]。1750年以來，人類活動導致全球溫室氣體(CO2、CH4、N2O)濃度明顯增加,N2O濃度值已從工業(yè)化前時代的約270μL/L增至2005年的319μL/L,遠遠超出了根據(jù)冰芯記錄測定的工業(yè)化前幾千年的濃度值[5]，且其濃度正以每年0.2%～0.3%的速度增長[4]。

N2O排放源分為自然源(包括海洋、森林、草地)和人為源(包括施肥農(nóng)田、動物廢棄物處理系統(tǒng)、化石燃料燃燒、生物質燃燒、己二酸和氮肥生產(chǎn)等)。陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)對大氣中溫室氣體濃度的變化起著至關重要的作用，農(nóng)田土壤是全球N2O的主要排放源，是近幾十年來大氣N2O濃度持續(xù)上升的重要原因[1]。據(jù)政府間氣候變化專業(yè)委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change ,IPCC)第2次評估報告[6]估算，目前農(nóng)田N2O排放總量為3.50Tg(1Tg =1012g)N/a,占人為源排放量的61.4%，占全球N2O總排放量的23.8%。中華人民共和國氣候變化初始國家信息通報[7]顯示，1994年我國N2O排放總量為850.0Gg(1Gg=109g)N，農(nóng)業(yè)活動占92.47%，而在農(nóng)業(yè)活動中農(nóng)田N2O直接和間接排放量占79.83%，其中化學氮肥施用導致的N2O排放量占農(nóng)田排放量的57.8%。因此，農(nóng)田N2O排放受到國內(nèi)外廣大研究人員的關注。準確估算農(nóng)田N2O排放量，并探討適合當?shù)貤l件的農(nóng)業(yè)減排技術，對于保護人類的生存環(huán)境，減緩全球氣候變暖具有重要意義。

湖北省天門市農(nóng)田施用化學氮肥始于1951年，這幾十年來，為了提高耕地利用率,增加農(nóng)作物產(chǎn)量，導致化學氮肥偏施和過量施用，農(nóng)田化學氮肥施用量(純N,下同)從1964年的7863t上升到2014年的37074t，50年間增加了4.91倍。我國第1次農(nóng)業(yè)污染源普查結果顯示，2007年天門市單位耕地面積化學氮肥施用量為788.85kg/hm2,是當年全省平均施用量的1.52倍[8]。有研究表明，自1949年以來，化學氮肥施用量的急劇增長，已成為中國農(nóng)田N2O排放量逐年增加的最主要因素[9]。為此，本研究基于相關農(nóng)業(yè)活動水平統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用修正的IPCC2006計算方法，對天門市縣域尺度2008～2014年農(nóng)田N2O排放量進行估算，以期為研究區(qū)建立農(nóng)業(yè)溫室氣體減排技術體系和管理措施提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天門市地處112°35′～113°28′E、 30°23′～30°54′N，位于江漢平原北部、漢江下游左岸，屬北亞熱帶季風氣候，常年平均氣溫16.4℃，無霜期249.6d,年均日照時數(shù)1872.4h，年均降雨量1113.3mm。市境內(nèi)整個地勢自西北向東南傾斜，形成剝蝕低丘、崗狀平原和河湖平原3種地貌，它們分別占版圖面積的1.3%、22.5%和76.2%。研究區(qū)主要成土母質崗狀平原為第四紀黏土,而河湖平原則為近代河流沖積物。全市農(nóng)田土壤可劃分為黃棕壤、潮土和水稻土3個土類,各土類依次占耕地總面積的0.63%、61.47%和37.90%。耕作制度以小麥(油菜)—中稻、早稻—晚稻和小麥(油菜)—棉花(大豆)等一年兩熟制為主,是我國重要的優(yōu)質稻、優(yōu)質棉和“雙低”油菜生產(chǎn)基地。

1.2 研究方法

目前，估算區(qū)域尺度農(nóng)田N2O排放的方法主要有排放因子法(包括IPCC方法和IAP-N模型)、試驗推斷法、經(jīng)驗公式法和過程模型法(包括DNDC、CASA、CENTURY與EXPERT-N)[1]。鑒于計算參數(shù)的可獲性以及估算結果與區(qū)域外的可比性，本研究采用 IPCC2006計算方法對天門市縣域尺度農(nóng)田N2O排放量進行估算。該方法是基于氮素輸入量和排放系數(shù)的方法，以各種肥料中所消耗的含氮量以及以N2O形式排放出來的系數(shù)為基礎進行計算[10]。但在2006年IPCC國家溫室氣體清單指南第4卷農(nóng)業(yè)、林業(yè)和其他土地利用[11]中，N2O排放計算公式將管理土壤中的農(nóng)田、草場等一同進行估算，由于本研究研究對象是農(nóng)田，加之研究區(qū)無有機土，且僅對農(nóng)田氮素肥料投入引起的N2O排放量進行估算，故采用修正的IPCC2006計算方法，對天門市縣域尺度農(nóng)田N2O(以N計,后同)直接排放量和間接排排量進行估算。

1.2.1 農(nóng)田N2O直接排放量的估算

直接排放(direct emission)是指各種氮素肥料施入農(nóng)田土壤后，在微生物參與下，通過硝化和反硝化過程排放的N2O，計算公式為：

N2ODirect={[(FSN+FON+FCR)×EF1]+[(FSN+FON+FCR)×EF2]}×(44/28000)

(1)

式中：N2ODirect為農(nóng)田土壤中氮素肥料投入引起的年度N2O直接排放量，t N/a；FSN為農(nóng)田土壤中化肥氮的年施用量，kg/a；FON為農(nóng)田土壤中糞肥氮的年添加量，kg/a；FCR為農(nóng)田土壤中秸稈還田氮的年還田量，kg/a；EF1和EF2分別為氮素肥料投入引起的旱地和水田N2O排放的排放因子。本研究選用張強等[12]的旱地0.0105kg N2O-N/kg、水田0.0041kg N2O-N/kg，即旱地1.05%、水田0.41%的排放因子。

其中,農(nóng)田畜禽糞便氮年添加量與人糞尿氮年添加量以及秸稈還田氮分別按式(2)～(4)進行估算。

農(nóng)田畜禽糞便氮年添加量的計算公式為：

(2)

式中：FON(C)為畜禽養(yǎng)殖農(nóng)田年糞肥氮的添加量，kg/a；i為某種畜禽；n為畜禽的種類數(shù)；Qi為第i種畜禽的年飼養(yǎng)量，頭(只)/a；Ti為第i種畜禽的飼養(yǎng)周期，d；Pi為第i種畜禽的糞便排泄系數(shù)，kg/[(頭(只)·d]；Fi為第i種畜禽糞便的農(nóng)田添加比例,%；Ki為第i種畜禽糞便的全氮含量，g/kg。主要計算參數(shù)列于表1。

表1 農(nóng)田畜禽糞肥氮添加量的計算參數(shù)

注：糞便排泄系數(shù)除生豬、奶牛來源于我國第1次農(nóng)業(yè)污染源普查數(shù)據(jù)外，其余均來源于文獻[13]；蛋雞以本地土雞為主。

農(nóng)田人糞尿氮年添加量的計算公式為：

FON(R)=M×G×P×F×K×10-3

(3)

式中：FON(R)為農(nóng)田年人糞尿氮的添加量，kg/a；M為農(nóng)村年常住人口數(shù),cap/a；G為農(nóng)村常住人口成人折算比率，本研究按85%進行折算[12]；P為成年人糞尿排泄系數(shù)，本研究取693kg/(cap·a)[13]；F為人糞尿的農(nóng)田添加比例,本研究取33%；K為人糞尿的全氮含量，本研究取6.4g/kg[13]。

農(nóng)田秸稈還田氮年還田量的計算公式為：

(4)

式中：FCR為作物秸稈還田年秸稈氮的還田量，kg/a；j為某種作物；l為作物的種類數(shù)；Lj為第j種作物的經(jīng)濟產(chǎn)量，kg/(hm2·a) ；Zj為第j種作物的秸稈經(jīng)濟指數(shù)；Fj為第j種作物地上部秸稈還田比例，% ；Gj為第j種作物的根冠比；Sj為第j種作物的秸稈還田面積,hm2/a；Kj為第j種作物秸稈的全氮含量，g/kg。其主要計算參數(shù)列示于表2。

表2 農(nóng)田主要秸稈還田氮還田量的計算參數(shù)

注：秸稈經(jīng)濟指數(shù)來源于我國第1次農(nóng)業(yè)污染源普查數(shù)據(jù)。

1.2.2 農(nóng)田N2O間接排放量的估算

間接排放(indirect emission)是指農(nóng)田土壤中揮發(fā)氮(NH3和NX形式)沉降進入土壤和水面過程中以及氮素淋溶和徑流過程中排放的N2O[1]。計算公式分別見式(5)和式(6)。

1)農(nóng)田土壤中揮發(fā)氮大氣沉降N2O排放 其計算公式為：

N2O(ATD)={[(FSN+FracGASF)+(FON+FracGASM)×EF3]}×(44/28000)

(5)

式中：N2O(ATD)為每年農(nóng)田土壤中揮發(fā)氮大氣沉降產(chǎn)生的N2O量，t N/a；FracGASF為以NH3和NOX形式揮發(fā)的化肥施用氮比例，取 IPCC的缺省值0.10kg/kg[11]；FracGASM為以NH3和NOX形式揮發(fā)的糞肥添加氮比例，取IPCC的缺省值0.20kg/kg[11]；EF3為土壤和水面氮大氣沉降的N2O排放的排放因子,取 IPCC的缺省值0.01kg N2O-N/kg[11]；FSN和FON的含義同式(1)。

2)農(nóng)田土壤中氮溶淋/徑流N2O排放 計算公式為：

N2O(L)={[(FSN+FON+FCR)×FracLEACH-(H)]×EF4} ×(44/28000)

(6)

式中，N2O(L)為每年投入到農(nóng)田土壤中的氮素肥料通過溶淋/徑流產(chǎn)生的N2O量，t N/a；FracLEACH-(H)為農(nóng)田土壤中通過溶淋/徑流損失的所有投入氮的比例，取 IPCC的缺省值0.30kg/kg[11]；EF4為氮溶淋/徑流引起的N2O排放的排放因子,取IPCC的缺省值0.0075kg N2O-N/kg[11]；FSN、FON和FCR的含義同式(1)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)2008～2014年耕地面積、農(nóng)作物播種面積、農(nóng)作物產(chǎn)量、化學氮肥施用量、農(nóng)村常住人口、畜禽飼養(yǎng)量和農(nóng)作物機收面積等農(nóng)業(yè)活動水平數(shù)據(jù)來源于《天門統(tǒng)計年鑒》與《天門農(nóng)機化統(tǒng)計年報》。

2 結果與分析

2.1 農(nóng)田N2O直接排放

2.1.1 農(nóng)田N2O直接排放量與排放通量的變化趨勢

天門市2008～2014年農(nóng)田N2O直接排放量與排放通量的計算結果見圖1。由圖1可知，農(nóng)田N2O直接排放量呈小幅度波動下降的變化趨勢，由2008年的567.12t N波動下降到2014年的554.45t N，降幅2.23%，年均農(nóng)田N2O直接排放量為561.59t N/a。而N2O的排放通量與N2O年直接排放量的變化趨勢略有不同，它是隨著年份的遞進而逐年緩慢下降，從2008年的5.30kg N/hm2逐年下降到2014年的4.99kg N/hm2，降幅為5.85%，年均排放通量為5.14t N/(hm2·a)。農(nóng)田N2O年直接排放量與排放通量的變化特征可能與農(nóng)田利用類型和單位耕地面積氮素肥料投入量等的變化有關。

圖1 天門市農(nóng)田N2O直接排放量與排放通量的變化趨勢

2.1.2 不同農(nóng)田利用類型對N2O直接排放的貢獻

IPCC將農(nóng)田簡單地分為旱地和水田2大利用類型。從農(nóng)田不同利用類型看(圖1)，2008～2014年天門市旱地N2O排放量顯著大于水田的排放量。其中旱地N2O年排放量分布在422.44～453.57t N之間，水田則分布在113.55～132.01t N之間，年均排放量旱地為436.87 t N/a，水田為124.72t N/a，旱地年均N2O排放量是水田的3.50倍。它們對農(nóng)田N2O直接排放量的貢獻范圍旱地為76.19%～79.98%，平均貢獻率為77.79%；而水田的貢獻較小，貢獻范圍為20.02%～23.81%，平均貢獻率僅為22.21%?？梢?，旱地是天門市農(nóng)田利用中N2O直接排放的主要貢獻者，也是其主要排放源。

2.1.3 不同氮源對農(nóng)田N2O直接排放的貢獻

由計算結果可知，2008～2014年天門市農(nóng)田所投入的化肥施用氮、糞肥添加氮和秸稈還田氮對農(nóng)田N2O直接排放的貢獻率為化肥施用氮>糞肥添加氮>秸稈還田氮。它們對農(nóng)田N2O直接排放量的貢獻范圍分別為80.44%～85.19%、9.28%～9.84%與5.50%～9.72%，其平均貢獻率化肥施用氮為82.80%、糞肥添加氮為9.45%、秸稈還田氮為7.75%。這表明化肥施用氮的投入在N2O直接排放中起著決定性的作用。這與張強等[12]研究的不同氮源對農(nóng)田N2O直接排放的貢獻趨勢基本一致。但后者的有機物質(包括糞肥添加氮、餅肥添加氮和綠肥添加氮)貢獻率為15.57%～33.23%,明顯大于天門市。這可能與研究區(qū)綠肥種植面積可忽略不計以及各種餅肥還田量極少(主要用作畜禽飼料)等有關。

2.2 農(nóng)田N2O間接排放

2.2.1 農(nóng)田N2O間接排放量的變化趨勢

天門市2008～2014年農(nóng)田N2O間接排放量的計算結果見圖2。由圖2可知，農(nóng)田N2O間接排放量年度間始終處于波動狀態(tài)，一直在233.02～238.15t N/a的區(qū)間波動，最高排放年(2009年)與最低排放年(2011年)僅相差5.13t N，相差2.15%。這主要是由氮溶淋/徑流和揮發(fā)氮大氣沉降N2O間接排放量年度間變化幅度較少所致。7年來，農(nóng)田N20年均間接排放量為235.30t N/a。

2.2.2 不同排放源對農(nóng)田N2O間接排放的貢獻

從農(nóng)田不同N2O間接排放源看(圖2),2008～2014年天門市農(nóng)田氮溶淋/徑流N2O排放量明顯大于揮發(fā)氮大氣沉降。其中揮發(fā)氮大氣沉降N2O年排放量分布在71.99～74.94t N的范圍內(nèi)，氮溶淋/徑流則分布在159.51～164.04t N的范圍內(nèi)，年均N2O排放量揮發(fā)氮大氣沉降為73.24t N/a，氮溶淋/徑流為162.06t N/a，氮溶淋/徑流是揮發(fā)氮大氣沉降的2.21倍。它們對N2O間接排放的貢獻范圍氮溶淋/徑流為68.43%～69.20%，揮發(fā)氮大氣沉降為30.80%～31.57%，平均貢獻率氮溶淋/徑流為68.87%，而揮發(fā)氮大氣沉降僅為31.13%。由此可見，農(nóng)田氮溶淋/徑流是天門市農(nóng)田N2O間接排放的主要貢獻者，也是其主要排放源。

圖2 天門市農(nóng)田N2O間接排放量的變化趨勢

2.2.3 不同氮源對農(nóng)田N2O間接排放的貢獻

計算結果顯示,2008～2014年天門市農(nóng)田所投入的化肥施用氮、糞肥添加氮和秸稈還田氮對農(nóng)田N2O間接排放的貢獻范圍分別為80.40%～84.20%、12.04%～12.87%和3.76%～6.73%,平均貢獻率化肥施用氮為82.35%、糞肥添加氮為12.30%、秸稈還田氮為5.35%；其貢獻是化肥施用氮>糞肥添加氮>秸稈還田氮，只是糞肥添加氮比直接排放的平均貢獻率提高了2.85個百分點，而化肥施用氮與秸稈還田氮則分別降低了0.45個百分點和2.4個百分點，這主要是由不同氮源的氮揮發(fā)比例不同所造成的。這進一步表明，化肥施用氮的投入在農(nóng)田N2O間接排放中也起著決定性的作用。

2.3 農(nóng)田N2O排放

2.3.1 農(nóng)田N2O排放量的變化趨勢

天門市2008～2014年農(nóng)田N2O排放量的計算結果見圖3。由圖3可知，天門市農(nóng)田N2O排放量(包括直接排放和間接排放)主要受直接排放量的影響，變化趨勢與直接排放的變化趨勢基本一致，也是呈小幅度波動下降，且年度間變化軌跡也相吻合。農(nóng)田N2O排放量由2008年的800.23t N波動下降到2014年的789.94t N，降幅1.29%。2008～2014年7年間，天門市農(nóng)田N2O年均排放量為796.89t N/a。

2.3.2 不同排放途徑對農(nóng)田N2O排放的貢獻

從農(nóng)田N2O直接與間接排放途徑看(圖3),2008～2014年天門市農(nóng)田N2O直接排放量顯著高于間接排放量。如上所述,農(nóng)田N2O年均直接排放量為561.59t N/a,間接排放量為235.30t N/a,直接排放量是間接排放量的2.39倍。對農(nóng)田N2O排放量的平均貢獻率直接排放高達70.47%，而間接排放僅為29.53%。這說明直接排放是天門市農(nóng)田N2O排放的主要排放途徑。故今后應將控制農(nóng)田N2O排放的著力點放在農(nóng)田N2O直接排放上。

圖3 天門市農(nóng)田N2O排放量的變化趨勢

2.3.3 不同氮源對農(nóng)田N2O排放的貢獻

天門市2008～2014年不同氮源對農(nóng)田N2O排放貢獻的計算結果見圖4。由圖4可知，不同氮源對農(nóng)田N2O排放的貢獻趨勢沒有發(fā)生改變，仍然是化肥施用氮>糞肥添加氮>秸稈還田氮。它們對農(nóng)田N2O排放的貢獻范圍分別為80.43%～84.91%、10.10%～10.75%與4.99%～8.82%，其平均貢獻率化肥施用氮高達82.67%，糞肥添加氮和秸稈還田氮則僅為10.29%和7.04%。表明化肥施用氮對農(nóng)田N2O排放的貢獻處于絕對主導地位，是天門市農(nóng)田N2O排放的主要貢獻者。

圖4 不同氮源對農(nóng)田N2O排放的貢獻率

2.3.4 不同氮源的N2O排放因子

按照張強等[12]給出的農(nóng)田N2O直接排放的計算參數(shù)，旱地和水田對各種氮素肥料投入總量的N2O直接排放因子分別為16.50、6.44kg N/t；按照IPCC[11]給出的農(nóng)田N2O間接排放的計算參數(shù)，化肥施用氮、糞肥添加氮和秸稈還田氮的N2O間接排放因子分別為5.11、6.68、3.54kg N/t。在研究區(qū)還沒有實現(xiàn)排放因子區(qū)域化前，它可作為今后計算農(nóng)田氮素肥料投入所引起的N2O排放的一個簡單而實用的計算參數(shù)。

3 結論與討論

本研究采用修正的IPCC2006計算方法，對天門市縣域尺度農(nóng)田氮素肥料投入引起N2O排放的估算結果表明，2008～2014年天門市農(nóng)田N2O排放量呈小幅度波動下降的變化趨勢，降幅1.29%；直接排放量占農(nóng)田N2O排放量的70.47%，是農(nóng)田N2O排放的主要排放途徑；而旱地利用對直接排放量的貢獻率為77.79%、氮溶淋/徑流對間接排放量的貢獻率為68.87%,旱地利用和氮溶淋/徑流分別是直接排放與間接排放的主要貢獻者，也是主要排放源；化肥施用氮對農(nóng)田N2O排放的貢獻率為82.67%,是農(nóng)田N2O排放的主要貢獻者。

由于本研究按照國家尺度的計算方法估算縣域尺度農(nóng)田N2O的排放量，可能會帶來其估算結果的不確定性。同時，本研究中農(nóng)田N2O排放量是采用IPCC排放因子法計算得來，鑒于研究區(qū)缺乏農(nóng)田N2O排放觀察數(shù)據(jù)，農(nóng)田N2O排放因子尚不清楚，估算時只能選用國家尺度的平均值和全球尺度的缺省值。但農(nóng)業(yè)土壤N2O排放受多種因素的影響，氣候條件、土壤性質、土地利用類型、農(nóng)業(yè)耕作措施以及水肥管理都會影響到農(nóng)田N2O的排放[15]。故本研究估算的農(nóng)田N2O排放量存在較大的不確定性。如農(nóng)田N2O直接排放的排放因子選用的是我國旱地和水田的平均排放因子，但該平均排放因子不能很好地反映環(huán)境因素所帶來的N2O排放的時空變異性，導致研究區(qū)農(nóng)田N2O直接排放量存在較大的不確定性[12]。而農(nóng)田N2O間接排放的排放因子則選用IPCC的全球缺省值，IPCC在給出其缺省值的同時還給出了缺省值的不確性范圍，即揮發(fā)氮大氣沉降的不確性范圍為0.002～0.05kg N2O-N/kg，氮溶淋/徑流的不確性范圍為0.0005～0.025kg N2O-N/kg[11]。顯而易見，本研究估算的農(nóng)田N2O間接排放量也存在較大的不確定性。因此，開展農(nóng)田溫室氣體排放測定，實現(xiàn)排放因子區(qū)域化，是研究區(qū)當前一項亟待解決的基礎性工作。

有研究表明，通過測土配方施肥、改表施為深施、有機肥與化肥混施等措施可提高氮肥利用率，若將氮肥利用率從20%～30%提高到30%～40%，則可相應降低10%的N2O排放[16]；而農(nóng)田施用長效氮肥與控/緩釋化肥能顯著減少N2O的排放。如施用長效碳酸氫銨與施用普通碳酸氫銨、尿素相比，可分別減少74%和59.2%～78%的N2O排放[17，18]；施用長效尿素和尿素相比，可減少61%的N2O排放[18]；施用控釋尿素與施用尿素、普通碳酸氫銨相比可減少62%和54%的N2O排放[17]；施用控釋肥與施用復合肥相比則可減少80%左右的N2O排放[19]。另外，施用硝化抑制劑減少農(nóng)田N2O排放具有較大的潛在價值。Delgado等[3]報道，硝化抑制劑和尿素一起施用于大麥田，21d后N2O的釋放量降低了71%～82%。因此，從生產(chǎn)應用講，大力實施測土配方施肥技術，減少化肥使用量、提高氮肥利用效率和施用長效氮肥與控/緩釋化肥并添加硝化抑制劑是減少農(nóng)田N2O排放的主要途徑[16，20]。