: 北方豆科草地氧化亚氮排放的热点解析：基于涡度协方差测量的草地更新主导作用及肥料类型效应研究

《Soil and Tillage Research》：Grassland renewal dominates multi-year nitrous oxide emissions in boreal legume grassland: Insights from eddy-covariance measurements

本文探讨了北方豆科草地在不同施肥策略和草地更新周期下的氧化亚氮(N2O)排放动态。研究人员通过三年涡度协方差(eddy-covariance)测量，对比了无机氮肥(Nmin)与牛粪沼液(Norg)在不同年份的排放影响。研究发现，草地更新年份是三年排放周期的关键热点，其排放量比生产年份高出55-80%。此外，与预期相反，有机施肥策略的累计排放量比无机肥高出37-59%。研究揭示了不同的环境控制机制，强调了草地管理和施肥类型对制定N2O减排策略及改进北方草地排放清单的关键意义。

　　

在农业生产中，氮肥的施用是支撑作物产量的重要保障，但它也可能带来一个棘手的“副作用”——加剧温室效应。氧化亚氮（N₂O）作为一种强效温室气体，其全球增温潜势是二氧化碳（CO₂）的273倍，而农业土壤正是其最大的人为排放源。尤其是在广袤的草地生态系统中，如何精确量化N₂O的排放并找出有效的减排策略，是全球气候变化研究中的一个关键难题。然而，现有的认知和监测手段存在几个显著的问题：首先，传统的静态箱法测量频率较低，容易错过短暂但强烈的排放脉冲事件，这可能导致年度排放总量的严重低估。其次，广泛使用的联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）默认排放因子（通常为1%）可能无法准确反映特定区域和特定管理实践下的实际情况，尤其是在气候寒冷的北方（Boreal）地区。更关键的是，草地并非一成不变的，它们通常以3-4年为一个周期进行更新（包括使用除草剂、翻耕和重新播种），这一剧烈的人为扰动会释放大量土壤中的氮，可能成为排放的“超级热点”。然而，在整个草地轮作周期内，特别是在这种更新年份下，不同肥料类型（如快速释放的无机氮和缓释的有机氮）对N₂O排放的长期影响究竟如何，研究仍十分匮乏。本文发表于《Soil and Tillage Research》上的研究，正是为了深入解答这些问题，为我们理解和管理北方豆科草地的N₂O排放提供了宝贵的数据和见解。

为量化草地轮作周期内的N₂O排放动态，研究人员在芬兰东部的Maaninka地区一个6.3公顷的豆科（红三叶草与梯牧草混播）草地，开展了为期三年（2017-2020年）的连续观测研究。研究设计了一个完整的轮作周期，包括第一年（R₁）、第二年（R₂）的生产年份以及第三年（R₃，即草地更新年份）。研究比较了两种主流的施肥策略：矿质氮肥（N_min）和牛粪沼液（N_org）。其核心技术是涡度协方差（Eddy Covariance, EC）技术，通过在田间设立的观测塔，配备声波风速仪和量子级联激光光谱仪，实现了对N₂O通量的高频（10 Hz）、生态系统尺度的连续测量，能更准确地捕捉排放的动态变化。此外，研究者运用足迹（Footprint）分析模型，将测量的通量数据准确归属到不同施肥处理的地块。同时，利用随机森林模型等统计方法分析了N₂O排放的关键环境驱动因子。

研究结果显示：

3.1. 气候与土壤条件：研究期间的年均温度高于当地30年长期平均值，而降水量在R₂和R₃年份低于长期均值，表现出年际差异。

3.2. 涡度协方差测量的N₂O通量：N₂O通量呈现明显的季节性和事件驱动型脉冲。施肥和草地更新等管理活动后，均出现了明显的排放峰值，最高瞬时通量分别达到11.7（N_min）和13.4（N_org） nmol m^-2s^-1。有趣的是，在未施肥的更新年份（R₃），N_org处理的日平均通量反而显著高于N_min处理，揭示了肥料遗留效应。

3.3. 季节性与累积N₂O排放：年排放量随着轮作周期推进而增加。在N_min处理下，年排放量从R₁的1.9 kg N₂O-N ha^-1yr^-1增至R₃的3.4 kg N₂O-N ha^-1yr^-1。在N_org处理下，相应年份的排放量分别为2.6、3.0和5.4 kg N₂O-N ha^-1yr^-1。最重要的发现之一是，无论施肥类型如何，草地更新年份（R₃）的排放量均显著高于前两年的生产年份，增幅分别达到55%（N_min）和80%（N_org）。此外，在整个轮作周期内，有机肥处理的累积排放量比无机肥处理高出37%至59%。非生长季（主要是冬季和春季解冻期）的排放贡献了全年排放预算的22%至35%，凸显了在寒冷气候区连续测量的重要性。

3.4. 排放因子与产量标准化排放强度：N_min处理的排放因子在R₁至R₃年间介于1.79%至7.56%之间；N_org处理在R₁和R₂年的排放因子为2.65%至3.06%。这些数值普遍超过了IPCC 1%的默认值，尤其是在草地更新年份，排放因子急剧升高。产量标准化排放强度（即单位干物质产量所产生的N₂O排放量）在更新年份也急剧增加，表明该阶段的农业环境效率较低。

3.5. N₂O排放的环境驱动因素：多元分析揭示了不同施肥策略下，驱动N₂O排放的主要环境因子存在差异。在无机肥处理下，生态系统呼吸是首要驱动因子；而在有机肥处理下，土壤温度则占据主导地位。这表明两种施肥方式可能通过不同的生物地球化学路径影响N₂O的产生：无机肥排放与整体微生物活性更相关，而有机肥排放更受控于有机质矿化速率。

讨论与结论：

本研究的关键结论是，在北方豆科草地的三年轮作周期中，草地更新阶段是N₂O排放的决定性“热点”，其影响甚至超越了肥料类型的选择。翻耕等土壤扰动破坏了团聚体结构，释放了先前被保护的有机氮，并创造了利于反硝化作用的厌氧微位点，从而显著刺激了N₂O的产生。这与许多温带研究结果一致，但强调了在北方特定气候条件下这一过程的重要性。

研究结果对IPCC默认排放因子提出了挑战，表明基于涡度协方差连续测量得到的排放因子远高于基于静态箱法的默认值。尽管方法学差异（如是否包含本底排放）部分解释了这种差异，但研究结果强烈呼吁开发针对特定管理阶段（尤其是更新阶段）和特定肥料类型的、更精确的区域性排放因子，以改进国家温室气体清单。

一个违反直觉但至关重要的发现是，有机肥（牛粪沼液）并未如预期般降低N₂O排放，反而在整个轮作周期内持续产生了更高的累积排放量。这可能是因为在寒冷、碳限制而非氮限制的土壤中，有机肥额外提供的碳源促进了反硝化微生物的活动。这一发现对以有机肥或豆科固氮作为可持续集约化策略的设想提出了警示，需要在不同环境条件下重新评估其温室气体效益。

此外，非生长季排放占总排放的显著比例，凸显了北方农业生态系统在冬季和春季解冻期间不容忽视的排放潜力，这在制定全年减排策略时必须予以考虑。

总之，这项基于三年连续涡度协方差测量的研究，为理解北方草地N₂O排放的动态和控制因素提供了宝贵的实证数据。它明确指出，优化草地更新策略（例如延长轮作周期或改进更新技术）可能比单纯改变肥料类型，对减少N₂O排放具有更大的潜力。这项研究不仅强调了改进国家排放清单方法论的必要性，也为制定更精准、基于过程的农业温室气体减排政策提供了关键的科学依据。