灌溉对农田中N?O排放因子的影响：非线性的水-氮相互作用及作物介导的途径

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Irrigation-sensitive N?O emission factors for croplands: Nonlinear water–nitrogen interactions and crop-mediated pathways

　　梁传斌|张文心|陈世超|刘文峰|杜太生
中国北京100083，农业水资源高效利用国家重点实验室

**摘要**
灌溉面积正在迅速扩张，并且越来越多地伴随着高氮（N）输入。然而，农田一氧化二氮（N?O）的清单和碳核算仍然经常依赖于没有明确考虑灌溉管理的排放因子（EFs）。由于灌溉改变了含水量孔隙空间、氧气扩散以及硝化作用和反硝化作用之间的平衡，忽略灌溉可能会使排放估算和缓解措施的优先级判断产生偏差。在这里，我们综合了主要作物群体的灌溉和雨养处理下的现场观测数据，以量化灌溉状态和灌溉强度如何调节肥料诱导的一氧化二氮排放因子及其对氮肥施用量的响应。灌溉效应具有系统性但存在异质性：谷物、块茎作物和棉花的排放因子通常较低，而玉米和豆类作物的排放因子往往较高，这表明不同作物之间存在显著差异。在各项研究中，排放因子对灌溉强度的响应明显是非线性的。低至中等程度的灌溉通常会降低排放因子，这与作物对氮的吸收增强以及在相对通风条件下矿物氮的停留时间缩短是一致的；而在高氮供应条件下，过度灌溉会导致土壤向扩散限制状态转变，从而增加一氧化二氮的生成。将农艺结果与排放联系起来还表明，灌溉可能减弱了产量增加与排放因子增加之间的关联。路径分析表明，这种模式反映了直接的水分调节效应以及通过植物水分状态和生产力介导的间接作物效应。我们的研究结果证明，灌溉通过水分-氮控制机制系统性地重塑了一氧化二氮排放因子，而这些效应因作物而异，单一的农田排放因子无法捕捉到这些差异。这些对灌溉敏感、按作物分层的一氧化二氮排放因子为改进IPCC清单参数化（第二/第三级）提供了基于实证的基础，超越了统一的默认值，转向与灌溉和雨养系统及关键农业气候区相匹配的管理特定排放因子分层方法。

**引言**
肥料诱导的一氧化二氮（N?O）排放因子（EFs）在农田温室气体核算中起着核心作用，因为它们将农艺活动数据（尤其是氮肥输入）转化为可用于清单编制的排放量，从而为缓解基线设定、目标设定以及碳指标的可信度提供依据（Eggleston等人，2006；Baasansuren等人，2019；Hergoualc H等人，2021）。在IPCC框架内，使用单一默认排放因子具有吸引力，因为它简单且适用于各种情况。这种方法假设土壤-植物-大气连续体中的管理变化对以一氧化二氮形式释放的氮的比例影响有限（Eggleston等人，2006；Baasansuren等人，2019）。然而，灌溉对此假设提出了挑战，因为它直接影响土壤湿度、氧气可用性、溶质传输和植物对氮的需求，所有这些因素都可能影响以一氧化二氮形式释放的氮的比例（Linn和Doran，1984；Butterbach-Bahl等人，2013）。全球范围内，灌溉农田约占农田总面积的五分之一到四分之一（具体取决于定义和制图方法），这意味着即使是微小的灌溉变化也可能导致国家清单和缓解措施归因方面的实质性差异（Eliasson等人，2003；Portmann等人，2010）。灌溉系统地改变了土壤-植物-大气界面的边界条件——土壤水分状态、氧气可用性、溶质传输和植物对氮的需求——但在农田一氧化二氮核算中，灌溉很少被作为排放因子分层的主要轴（Linn和Doran，1984；Eggleston等人，2006；Butterbach-Bahl等人，2013；Baasansuren等人，2019；Hergoualc H等人，2021）。与水稻系统中的甲烷核算不同，后者已经将水分条件纳入了相对成熟的参数化方案（Yan等人，2005；Kritee等人，2018），尽管灌溉是一氧化二氮生成生物物理过程的一阶控制因素，但专用于一氧化二氮的参数化仍然有限。

**机制解释**
预期灌溉可以改变一氧化二氮排放因子是基于氮循环和气体扩散对土壤湿度的强烈依赖性（Linn和Doran，1984；Firestone和Davidson，1989；Bateman和Baggs，2005；Butterbach-Bahl等人，2013）。土壤含水量调节氧气传输和氧化还原分层，从而影响硝化作用和反硝化作用之间的平衡，以及这些途径的产率比（Linn和Doran，1984；Firestone和Davidson，1989；Bateman和Baggs，2005）。随着土壤湿度增加，气体扩散性降低，促进了厌氧微环境的形成和反硝化作用；然而，一氧化二氮的响应往往是非线性的，因为非常湿润的条件可能有利于一氧化二氮完全还原为氮气，而中等湿度则可以通过支持异质孔隙网络中的有氧和厌氧过程来最大化一氧化二氮的产生（Linn和Doran，1984；Firestone和Davidson，1989；Butterbach-Bahl等人，2005）。同样，一氧化二氮对氮输入的响应也是非线性的，当氮供应超过作物需求时，其增加速度超过线性增长（Shcherbak等人，2014）；最近的证据还表明，土壤酸化也可以以非线性方式调节一氧化二氮排放因子（Qiu等人，2024）。灌溉还通过脉冲式湿润和干燥干扰土壤水分的时间结构，与施肥时机相互作用，产生短暂但重要的排放事件（Groffman等人，2009；Leitner等人，2017；Friedl等人，2022）。除了氧化还原控制外，灌溉还可以重塑底物供应和传输：在有利的热湿条件下，它可能加速矿化作用和硝化菌活性，将硝酸盐转移到有利于反硝化的区域，并改变支持异养呼吸的溶解碳动态（Firestone和Davidson，1989；Sánchez-Martín等人，2008；Groffman等人，2009；Butterbach-Bahl等人，2013；Leitner等人，2017）。这些机制共同指向了水分-氮的耦合控制：排放因子并非仅由氮输入决定，而是由氮负荷与控制反应速率、微环境连通性和气体扩散的水文制度之间的相互作用决定的。

**进一步复杂性**
另一个复杂性在于，灌溉效应可能受到作物功能的调节，而不仅仅是由土壤物理和微生物学决定的（Sapkota等人，2020；Kuang等人，2021；Andrews等人，2022）。通过缓解水分限制，灌溉可以促进冠层发育和产量提高，从而增加植物对氮的吸收和回收，减少可用于气体损失的残留矿物氮；在这些条件下，即使产量和氮输入较高，灌溉也可能降低排放因子（Kallenbach等人，2010；Kennedy等人，2013；McGill等人，2018；Andrews等人，2022）。相反，灌溉可能会加剧微生物周转和硝酸盐的可用性，当与高氮负荷结合时，在有利于反硝化作用不完全或硝化-反硝化作用耦合的条件下，会增加一氧化二氮的产生（Deng等人，2018；McGill等人，2018；Sapkota等人，2020）。因此，净方向取决于系统在水分-氮梯度上的位置以及影响根系生长、物候和水分利用效率的作物特定特征（Sapkota等人，2020；Kuang等人，2021；Andrews等人，2022）。这种作物介导的现象与现场观察结果一致，即灌溉相关的排放因子变化在不同作物群体中并不均匀，这促使我们超越简单的“灌溉与雨养”分类，转向对灌溉量、时机及其与氮管理协调的定量描述（Kennedy等人，2013；Deng等人，2018；Sapkota等人，2020；Kuang等人，2021；Andrews等人，2022）。重要的是，这种描述还可以解释为什么不同生产力区域（如高产与低产环境）表现出不同的排放因子敏感性：产量形成和植物水分状态整合了资源限制，这些限制又反过来影响土壤氮的可用性和氧化还原动态（Kallenbach等人，2010；McGill等人，2018；Sapkota等人，2020）。

**研究范围和证据基础**
本研究综合了配对的田间观测数据，以量化灌溉如何改变主要作物群体（谷物、块茎作物、豆类和棉花）中的肥料诱导一氧化二氮排放因子，并识别系统间变化的农艺驱动因素。利用一个包含同行评审田间实验的全球数据库，我们基于零氮基线的处理-对照对一致地计算排放因子，从而最小化背景排放的混淆，并实现跨研究的直接比较。首先，我们使用考虑重复性的加权和自举不确定性方法，估计灌溉和雨养条件之间的作物分辨差异和汇总差异。其次，我们通过构建灌溉量和氮输入的剂量-响应关系及二维响应表面，进一步超越了简单的灌溉与雨养分类，使用平滑的交互作用表面和作物内部标准化来区分跨作物差异和作物内部的敏感性。第三，为了将管理效应与潜在的生物物理机制联系起来，我们通过拟合结构方程模型来测试灌溉是否通过作物表现和水分状态间接影响排放因子，这些模型明确表示产量积累和水分限制作为中介途径。

**研究假设**
基于对过程的了解，我们假设：（1）灌溉以取决于当前水分制度和作物类型的方式改变排放因子；（2）灌溉量与氮输入呈非线性交互，即在不同水分输入条件下，排放因子受到抑制，而在高水分供应和高氮负荷条件下则可能增强；（3）灌溉效应的很大一部分是通过作物产量形成和水分状态途径介导的，而不仅仅是通过直接的水分控制。总体而言，这项分析为基于制度和作物意识的排放因子参数化提供了实证基础，可以提高灌溉管理和农田一氧化二氮核算的准确性。

**结论**
综上所述，通过整合348个地点的273项研究，我们提供了全球证据，表明灌溉通过非线性的水分-氮相互作用和作物介导的途径重新组织了农田一氧化二氮排放因子，产生了系统性的变化，这些变化无法用单一的默认值来表示。由此产生的对灌溉敏感、按作物分层的一氧化二氮排放因子估计为改进IPCC清单方法提供了实用的基础，超越了统一的农田默认值。

**作者贡献声明**
梁传斌：撰写——原始草稿、可视化、软件开发、方法论、数据管理、概念化。
张文心：撰写——原始草稿、可视化、数据管理、概念化。
杜太生：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金筹集。
陈世超：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论。
刘文峰：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52239002和52209072）、农业科学技术重大项目以及中国留学基金委（CSC；奖学金编号202406350104）的支持。