基于修正IPCC2006法的县域尺度农田N2O排放量估算——以湖北省天门市为例

沈体忠

(湖北省天门市农业环境保护站，湖北 天门 431700)

吴海兵，江敏

(湖北省天门市农业科学院，湖北 天门 431700)

李春辉

(湖北省天门市耕地质量保护与肥料管理局，湖北 天门 431700)

气候变暖是当今全球性的环境问题，主要原因是大气中温室气体浓度的不断增加。N2O是一种重要的温室气体，具有较强的增温潜势(Global Warming Potential，GWP)以及在空气中较长的滞留时间。以100a的时间尺度来计算，N2O的全球GWP是同等质量CO2的310倍，在空气中滞留的时间约为150a，对全球变暖的贡献率约占全部温室气体总贡献的5%～6%。此外,N2O还参与大气中许多光化学反应，表现为在平流层中通过NX把O3转化O2，形成NO和N2，破坏臭氧层，增强紫外线辐射，影响人类健康[1～4]。1750年以来，人类活动导致全球温室气体(CO2、CH4、N2O)浓度明显增加,N2O浓度值已从工业化前时代的约270μL/L增至2005年的319μL/L,远远超出了根据冰芯记录测定的工业化前几千年的浓度值[5]，且其浓度正以每年0.2%～0.3%的速度增长[4]。

N2O排放源分为自然源(包括海洋、森林、草地)和人为源(包括施肥农田、动物废弃物处理系统、化石燃料燃烧、生物质燃烧、己二酸和氮肥生产等)。陆地生态系统氮循环对大气中温室气体浓度的变化起着至关重要的作用，农田土壤是全球N2O的主要排放源，是近几十年来大气N2O浓度持续上升的重要原因[1]。据政府间气候变化专业委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change ,IPCC)第2次评估报告[6]估算，目前农田N2O排放总量为3.50Tg(1Tg =1012g)N/a,占人为源排放量的61.4%，占全球N2O总排放量的23.8%。中华人民共和国气候变化初始国家信息通报[7]显示，1994年我国N2O排放总量为850.0Gg(1Gg=109g)N，农业活动占92.47%，而在农业活动中农田N2O直接和间接排放量占79.83%，其中化学氮肥施用导致的N2O排放量占农田排放量的57.8%。因此，农田N2O排放受到国内外广大研究人员的关注。准确估算农田N2O排放量，并探讨适合当地条件的农业减排技术，对于保护人类的生存环境，减缓全球气候变暖具有重要意义。

湖北省天门市农田施用化学氮肥始于1951年，这几十年来，为了提高耕地利用率,增加农作物产量，导致化学氮肥偏施和过量施用，农田化学氮肥施用量(纯N,下同)从1964年的7863t上升到2014年的37074t，50年间增加了4.91倍。我国第1次农业污染源普查结果显示，2007年天门市单位耕地面积化学氮肥施用量为788.85kg/hm2,是当年全省平均施用量的1.52倍[8]。有研究表明，自1949年以来，化学氮肥施用量的急剧增长，已成为中国农田N2O排放量逐年增加的最主要因素[9]。为此，本研究基于相关农业活动水平统计数据，采用修正的IPCC2006计算方法，对天门市县域尺度2008～2014年农田N2O排放量进行估算，以期为研究区建立农业温室气体减排技术体系和管理措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天门市地处112°35′～113°28′E、 30°23′～30°54′N，位于江汉平原北部、汉江下游左岸，属北亚热带季风气候，常年平均气温16.4℃，无霜期249.6d,年均日照时数1872.4h，年均降雨量1113.3mm。市境内整个地势自西北向东南倾斜，形成剥蚀低丘、岗状平原和河湖平原3种地貌，它们分别占版图面积的1.3%、22.5%和76.2%。研究区主要成土母质岗状平原为第四纪黏土,而河湖平原则为近代河流冲积物。全市农田土壤可划分为黄棕壤、潮土和水稻土3个土类,各土类依次占耕地总面积的0.63%、61.47%和37.90%。耕作制度以小麦(油菜)—中稻、早稻—晚稻和小麦(油菜)—棉花(大豆)等一年两熟制为主,是我国重要的优质稻、优质棉和“双低”油菜生产基地。

1.2 研究方法

目前，估算区域尺度农田N2O排放的方法主要有排放因子法(包括IPCC方法和IAP-N模型)、试验推断法、经验公式法和过程模型法(包括DNDC、CASA、CENTURY与EXPERT-N)[1]。鉴于计算参数的可获性以及估算结果与区域外的可比性，本研究采用 IPCC2006计算方法对天门市县域尺度农田N2O排放量进行估算。该方法是基于氮素输入量和排放系数的方法，以各种肥料中所消耗的含氮量以及以N2O形式排放出来的系数为基础进行计算[10]。但在2006年IPCC国家温室气体清单指南第4卷农业、林业和其他土地利用[11]中，N2O排放计算公式将管理土壤中的农田、草场等一同进行估算，由于本研究研究对象是农田，加之研究区无有机土，且仅对农田氮素肥料投入引起的N2O排放量进行估算，故采用修正的IPCC2006计算方法，对天门市县域尺度农田N2O(以N计,后同)直接排放量和间接排排量进行估算。

1.2.1 农田N2O直接排放量的估算

直接排放(direct emission)是指各种氮素肥料施入农田土壤后，在微生物参与下，通过硝化和反硝化过程排放的N2O，计算公式为：

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

(1)

式中：N2ODirect为农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为农田土壤中化肥氮的年施用量，kg/a；FON为农田土壤中粪肥氮的年添加量，kg/a；FCR为农田土壤中秸秆还田氮的年还田量，kg/a；EF1和EF2分别为氮素肥料投入引起的旱地和水田N2O排放的排放因子。本研究选用张强等[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,农田畜禽粪便氮年添加量与人粪尿氮年添加量以及秸秆还田氮分别按式(2)～(4)进行估算。

农田畜禽粪便氮年添加量的计算公式为：

(2)

式中：FON(C)为畜禽养殖农田年粪肥氮的添加量，kg/a；i为某种畜禽；n为畜禽的种类数；Qi为第i种畜禽的年饲养量，头(只)/a；Ti为第i种畜禽的饲养周期，d；Pi为第i种畜禽的粪便排泄系数，kg/[(头(只)·d]；Fi为第i种畜禽粪便的农田添加比例,%；Ki为第i种畜禽粪便的全氮含量，g/kg。主要计算参数列于表1。

表1 农田畜禽粪肥氮添加量的计算参数

注：粪便排泄系数除生猪、奶牛来源于我国第1次农业污染源普查数据外，其余均来源于文献[13]；蛋鸡以本地土鸡为主。

农田人粪尿氮年添加量的计算公式为：

FON(R)=M×G×P×F×K×10-3

(3)

式中：FON(R)为农田年人粪尿氮的添加量，kg/a；M为农村年常住人口数,cap/a；G为农村常住人口成人折算比率，本研究按85%进行折算[12]；P为成年人粪尿排泄系数，本研究取693kg/(cap·a)[13]；F为人粪尿的农田添加比例,本研究取33%；K为人粪尿的全氮含量，本研究取6.4g/kg[13]。

农田秸秆还田氮年还田量的计算公式为：

(4)

式中：FCR为作物秸秆还田年秸秆氮的还田量，kg/a；j为某种作物；l为作物的种类数；Lj为第j种作物的经济产量，kg/(hm2·a) ；Zj为第j种作物的秸秆经济指数；Fj为第j种作物地上部秸秆还田比例，% ；Gj为第j种作物的根冠比；Sj为第j种作物的秸秆还田面积,hm2/a；Kj为第j种作物秸秆的全氮含量，g/kg。其主要计算参数列示于表2。

表2 农田主要秸秆还田氮还田量的计算参数

注：秸秆经济指数来源于我国第1次农业污染源普查数据。

1.2.2 农田N2O间接排放量的估算

间接排放(indirect emission)是指农田土壤中挥发氮(NH3和NX形式)沉降进入土壤和水面过程中以及氮素淋溶和径流过程中排放的N2O[1]。计算公式分别见式(5)和式(6)。

1)农田土壤中挥发氮大气沉降N2O排放 其计算公式为：

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

(5)

式中：N2O(ATD)为每年农田土壤中挥发氮大气沉降产生的N2O量，t N/a；FracGASF为以NH3和NOX形式挥发的化肥施用氮比例，取 IPCC的缺省值0.10kg/kg[11]；FracGASM为以NH3和NOX形式挥发的粪肥添加氮比例，取IPCC的缺省值0.20kg/kg[11]；EF3为土壤和水面氮大气沉降的N2O排放的排放因子,取 IPCC的缺省值0.01kg N2O-N/kg[11]；FSN和FON的含义同式(1)。

2)农田土壤中氮溶淋/径流N2O排放 计算公式为：

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

(6)

式中，N2O(L)为每年投入到农田土壤中的氮素肥料通过溶淋/径流产生的N2O量，t N/a；FracLEACH-(H)为农田土壤中通过溶淋/径流损失的所有投入氮的比例，取 IPCC的缺省值0.30kg/kg[11]；EF4为氮溶淋/径流引起的N2O排放的排放因子,取IPCC的缺省值0.0075kg N2O-N/kg[11]；FSN、FON和FCR的含义同式(1)。

1.3 数据来源

研究区2008～2014年耕地面积、农作物播种面积、农作物产量、化学氮肥施用量、农村常住人口、畜禽饲养量和农作物机收面积等农业活动水平数据来源于《天门统计年鉴》与《天门农机化统计年报》。

2 结果与分析

2.1 农田N2O直接排放

2.1.1 农田N2O直接排放量与排放通量的变化趋势

天门市2008～2014年农田N2O直接排放量与排放通量的计算结果见图1。由图1可知，农田N2O直接排放量呈小幅度波动下降的变化趋势，由2008年的567.12t N波动下降到2014年的554.45t N，降幅2.23%，年均农田N2O直接排放量为561.59t N/a。而N2O的排放通量与N2O年直接排放量的变化趋势略有不同，它是随着年份的递进而逐年缓慢下降，从2008年的5.30kg N/hm2逐年下降到2014年的4.99kg N/hm2，降幅为5.85%，年均排放通量为5.14t N/(hm2·a)。农田N2O年直接排放量与排放通量的变化特征可能与农田利用类型和单位耕地面积氮素肥料投入量等的变化有关。

图1 天门市农田N2O直接排放量与排放通量的变化趋势

2.1.2 不同农田利用类型对N2O直接排放的贡献

IPCC将农田简单地分为旱地和水田2大利用类型。从农田不同利用类型看(图1)，2008～2014年天门市旱地N2O排放量显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之间，水田则分布在113.55～132.01t N之间，年均排放量旱地为436.87 t N/a，水田为124.72t N/a，旱地年均N2O排放量是水田的3.50倍。它们对农田N2O直接排放量的贡献范围旱地为76.19%～79.98%，平均贡献率为77.79%；而水田的贡献较小，贡献范围为20.02%～23.81%，平均贡献率仅为22.21%。可见，旱地是天门市农田利用中N2O直接排放的主要贡献者，也是其主要排放源。

2.1.3 不同氮源对农田N2O直接排放的贡献

由计算结果可知，2008～2014年天门市农田所投入的化肥施用氮、粪肥添加氮和秸秆还田氮对农田N2O直接排放的贡献率为化肥施用氮>粪肥添加氮>秸秆还田氮。它们对农田N2O直接排放量的贡献范围分别为80.44%～85.19%、9.28%～9.84%与5.50%～9.72%，其平均贡献率化肥施用氮为82.80%、粪肥添加氮为9.45%、秸秆还田氮为7.75%。这表明化肥施用氮的投入在N2O直接排放中起着决定性的作用。这与张强等[12]研究的不同氮源对农田N2O直接排放的贡献趋势基本一致。但后者的有机物质(包括粪肥添加氮、饼肥添加氮和绿肥添加氮)贡献率为15.57%～33.23%,明显大于天门市。这可能与研究区绿肥种植面积可忽略不计以及各种饼肥还田量极少(主要用作畜禽饲料)等有关。

2.2 农田N2O间接排放

2.2.1 农田N2O间接排放量的变化趋势

天门市2008～2014年农田N2O间接排放量的计算结果见图2。由图2可知，农田N2O间接排放量年度间始终处于波动状态，一直在233.02～238.15t N/a的区间波动，最高排放年(2009年)与最低排放年(2011年)仅相差5.13t N，相差2.15%。这主要是由氮溶淋/径流和挥发氮大气沉降N2O间接排放量年度间变化幅度较少所致。7年来，农田N20年均间接排放量为235.30t N/a。

2.2.2 不同排放源对农田N2O间接排放的贡献

从农田不同N2O间接排放源看(图2),2008～2014年天门市农田氮溶淋/径流N2O排放量明显大于挥发氮大气沉降。其中挥发氮大气沉降N2O年排放量分布在71.99～74.94t N的范围内，氮溶淋/径流则分布在159.51～164.04t N的范围内，年均N2O排放量挥发氮大气沉降为73.24t N/a，氮溶淋/径流为162.06t N/a，氮溶淋/径流是挥发氮大气沉降的2.21倍。它们对N2O间接排放的贡献范围氮溶淋/径流为68.43%～69.20%，挥发氮大气沉降为30.80%～31.57%，平均贡献率氮溶淋/径流为68.87%，而挥发氮大气沉降仅为31.13%。由此可见，农田氮溶淋/径流是天门市农田N2O间接排放的主要贡献者，也是其主要排放源。

图2 天门市农田N2O间接排放量的变化趋势

2.2.3 不同氮源对农田N2O间接排放的贡献

计算结果显示,2008～2014年天门市农田所投入的化肥施用氮、粪肥添加氮和秸秆还田氮对农田N2O间接排放的贡献范围分别为80.40%～84.20%、12.04%～12.87%和3.76%～6.73%,平均贡献率化肥施用氮为82.35%、粪肥添加氮为12.30%、秸秆还田氮为5.35%；其贡献是化肥施用氮>粪肥添加氮>秸秆还田氮，只是粪肥添加氮比直接排放的平均贡献率提高了2.85个百分点，而化肥施用氮与秸秆还田氮则分别降低了0.45个百分点和2.4个百分点，这主要是由不同氮源的氮挥发比例不同所造成的。这进一步表明，化肥施用氮的投入在农田N2O间接排放中也起着决定性的作用。

2.3 农田N2O排放

2.3.1 农田N2O排放量的变化趋势

天门市2008～2014年农田N2O排放量的计算结果见图3。由图3可知，天门市农田N2O排放量(包括直接排放和间接排放)主要受直接排放量的影响，变化趋势与直接排放的变化趋势基本一致，也是呈小幅度波动下降，且年度间变化轨迹也相吻合。农田N2O排放量由2008年的800.23t N波动下降到2014年的789.94t N，降幅1.29%。2008～2014年7年间，天门市农田N2O年均排放量为796.89t N/a。

2.3.2 不同排放途径对农田N2O排放的贡献

从农田N2O直接与间接排放途径看(图3),2008～2014年天门市农田N2O直接排放量显著高于间接排放量。如上所述,农田N2O年均直接排放量为561.59t N/a,间接排放量为235.30t N/a,直接排放量是间接排放量的2.39倍。对农田N2O排放量的平均贡献率直接排放高达70.47%，而间接排放仅为29.53%。这说明直接排放是天门市农田N2O排放的主要排放途径。故今后应将控制农田N2O排放的着力点放在农田N2O直接排放上。

图3 天门市农田N2O排放量的变化趋势

2.3.3 不同氮源对农田N2O排放的贡献

天门市2008～2014年不同氮源对农田N2O排放贡献的计算结果见图4。由图4可知，不同氮源对农田N2O排放的贡献趋势没有发生改变，仍然是化肥施用氮>粪肥添加氮>秸秆还田氮。它们对农田N2O排放的贡献范围分别为80.43%～84.91%、10.10%～10.75%与4.99%～8.82%，其平均贡献率化肥施用氮高达82.67%，粪肥添加氮和秸秆还田氮则仅为10.29%和7.04%。表明化肥施用氮对农田N2O排放的贡献处于绝对主导地位，是天门市农田N2O排放的主要贡献者。

图4 不同氮源对农田N2O排放的贡献率

2.3.4 不同氮源的N2O排放因子

按照张强等[12]给出的农田N2O直接排放的计算参数，旱地和水田对各种氮素肥料投入总量的N2O直接排放因子分别为16.50、6.44kg N/t；按照IPCC[11]给出的农田N2O间接排放的计算参数，化肥施用氮、粪肥添加氮和秸秆还田氮的N2O间接排放因子分别为5.11、6.68、3.54kg N/t。在研究区还没有实现排放因子区域化前，它可作为今后计算农田氮素肥料投入所引起的N2O排放的一个简单而实用的计算参数。

3 结论与讨论

本研究采用修正的IPCC2006计算方法，对天门市县域尺度农田氮素肥料投入引起N2O排放的估算结果表明，2008～2014年天门市农田N2O排放量呈小幅度波动下降的变化趋势，降幅1.29%；直接排放量占农田N2O排放量的70.47%，是农田N2O排放的主要排放途径；而旱地利用对直接排放量的贡献率为77.79%、氮溶淋/径流对间接排放量的贡献率为68.87%,旱地利用和氮溶淋/径流分别是直接排放与间接排放的主要贡献者，也是主要排放源；化肥施用氮对农田N2O排放的贡献率为82.67%,是农田N2O排放的主要贡献者。

由于本研究按照国家尺度的计算方法估算县域尺度农田N2O的排放量，可能会带来其估算结果的不确定性。同时，本研究中农田N2O排放量是采用IPCC排放因子法计算得来，鉴于研究区缺乏农田N2O排放观察数据，农田N2O排放因子尚不清楚，估算时只能选用国家尺度的平均值和全球尺度的缺省值。但农业土壤N2O排放受多种因素的影响，气候条件、土壤性质、土地利用类型、农业耕作措施以及水肥管理都会影响到农田N2O的排放[15]。故本研究估算的农田N2O排放量存在较大的不确定性。如农田N2O直接排放的排放因子选用的是我国旱地和水田的平均排放因子，但该平均排放因子不能很好地反映环境因素所带来的N2O排放的时空变异性，导致研究区农田N2O直接排放量存在较大的不确定性[12]。而农田N2O间接排放的排放因子则选用IPCC的全球缺省值，IPCC在给出其缺省值的同时还给出了缺省值的不确性范围，即挥发氮大气沉降的不确性范围为0.002～0.05kg N2O-N/kg，氮溶淋/径流的不确性范围为0.0005～0.025kg N2O-N/kg[11]。显而易见，本研究估算的农田N2O间接排放量也存在较大的不确定性。因此，开展农田温室气体排放测定，实现排放因子区域化，是研究区当前一项亟待解决的基础性工作。

有研究表明，通过测土配方施肥、改表施为深施、有机肥与化肥混施等措施可提高氮肥利用率，若将氮肥利用率从20%～30%提高到30%～40%，则可相应降低10%的N2O排放[16]；而农田施用长效氮肥与控/缓释化肥能显著减少N2O的排放。如施用长效碳酸氢铵与施用普通碳酸氢铵、尿素相比，可分别减少74%和59.2%～78%的N2O排放[17，18]；施用长效尿素和尿素相比，可减少61%的N2O排放[18]；施用控释尿素与施用尿素、普通碳酸氢铵相比可减少62%和54%的N2O排放[17]；施用控释肥与施用复合肥相比则可减少80%左右的N2O排放[19]。另外，施用硝化抑制剂减少农田N2O排放具有较大的潜在价值。Delgado等[3]报道，硝化抑制剂和尿素一起施用于大麦田，21d后N2O的释放量降低了71%～82%。因此，从生产应用讲，大力实施测土配方施肥技术，减少化肥使用量、提高氮肥利用效率和施用长效氮肥与控/缓释化肥并添加硝化抑制剂是减少农田N2O排放的主要途径[16，20]。