中国地区氮肥引起的温室气体排放研究外文翻译资料

 2022-11-24 11:11

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中国地区氮肥引起的温室气体排放研究

Xuejun Liu , Fusuo Zhang

中国农业大学 资源与环境科学学院,中国 北京,100193

摘要:在全球气候变化的背景下,中国在食品安全和环境可持续性上都面临着巨大的挑战。为了满足日益增加的对食品的需求,越来越多的活性氮物质通过哈勃-博施方法被合成。过度使用氮肥的现象出现在中国大部分农业生产中。机动车辆、发电厂以及工业设备都消耗着大量的化石燃料。因此,气体活性氮排放包括NH3、NOX和N2O自1980以来都在持续增长,直接或者间接地影响着温室气体平衡和气候变化。氮肥生产、转化(274 Tg CO2eqyr-1)以及使用(403 Tg CO2eqyr-1)带来的温室气体排放量为中国农业排放的主要组成部分。尽管与此同时氮肥也引起了农作物中少量的碳封存(28-37 Tg CO2eqyr-1)。一些简单的减少氮肥损失和温室气体排放的政策被提出。中国在过去的30年也见证了明显的气候变化、降水波动以及其他极端天气的发生。气候变化使得谷物产量受到影响,同时也可能会加速耕地和荒地的氮循环,比如N2O的排放。因此,在考虑减缓温室气体排放时应该考虑氮反馈。

1.引言:

众所周知,氮在空气污染(例如:NOX和NH3的直接排放和O3的间接排放)、气候变化(对N2O的排放和气溶胶的直接影响,以及对CO2、CH4和O3的间接影响)、粮食生产以及生物多样性中起着重要的作用。因此氮使用和气候变化在中国是两个重要的议题,因为它们与食品安全密切相关[1-2]。自1980年来,农业上将近3倍增长的氮肥使用量使得中国粮食生产增加了70%的产量[3],与此同时中国也变成了世界上最大的温室气体排放国[4]。氮肥在谷物产量、温室气体排放以及气候变化上的影响变得越来越重要,因为氮肥的使用量从1980年开始快速增加。图1是氮肥使用、农业生产、温室气体排放和气候变化之间相互影响的概念图。气候变化尤其是气候变暖可能会增加地球生态系统的氮循环。因此,耕地和荒地土壤可能会释放更多的N2O和温室气体,也可能进一步增加全球变化的速率[5]。此外,氮循环可能会影响陆地生态系统的碳封存,这一点在未来一定会在预测CO2吸收时被考虑进去[6]。所以中国和其他发展中国家应该给予氮循环、温室气体排放和气候变化之间关系更多的关注。

2.中国大气中的活性氮排放和污染:

已有大量的研究估计了中国减少的和被氧化的氮排放[7-9]。自1980年以来,NH3和NOX的排放量持续增加。在1980-2005年间,NH3的排放量增加了一倍(13.7 Tg N yr-1),NOX的排放量增加了3倍(6.0 Tg N yr-1[10]。这两种活性氮物质排放量的快速增加主要源于频繁的农业和工业活动。而主要的人为氮排放来自氮肥的使用和动物排泄物[11]。NOX的排放主要来自于矿物燃料的燃烧,包括发电厂、交通运输以及工业活动[7],以及来自闪电、生物体燃烧和可耕土壤的少量贡献[12]。这些大气中增加的NO2[13]和NH3[14]排放与空气污染和氮沉降的关系已经引起了广泛关注。无化氮、NOX和其他活性氮、硫物质在空气中会进一步相互反应生成二次气溶胶(例如:NH4NO3和(NH42SO4)和(或者)臭氧。这些空气中的细颗粒物和臭氧将会降低能见度、危害人们的健康和种植物产量,甚至对气候产生冷却效应[16]。一项研究表明,随着城市和工业空气污染的加重,降水量有所减少[17]。后者与大气中全球尺度的活性氮排放有一定关系。如果中国现在的经济发展模式继续下去,过量的活性氮引起的空气污染和氮沉降在未来将会对气候、人类健康、食品安全和生物多样性产生重要影响。

图1 氮肥使用、农业生产、温室气体排放和气候变化之间的复杂相互作用

3.中国氮肥的使用以及它的环境危害:

尽管中国氮肥使用的历史可以追溯至100多年前,但是氮肥的大量使用是从1980年才开始的。在人口迅速增长的压力下,国家的农业政策主要集中在通过增加氮肥和其他化学物质的使用来提高农作物产量。这就是国家的氮肥使用量从1980年的10 Tg N yr-1增加至2008年的33 Tg N yr-1的三个原因[3]。从19世纪80年代开始,农业生产能力得到很大的提高。例如,国家粮产量从1980年的320吨增加至2008年的530吨左右[3,18]。毫无疑问,化肥尤其是氮肥在中国农业生产中扮演着一个很重要的角色。一项调查表明,化肥(尤其是氮肥)在粮食增产中贡献了50%[19],与氮肥对欧洲和世界粮食产量增加的贡献相当[20]。因此,未来氮肥在种植业中扮演的角色必须保持在一个合理的基础上。

但是,农业产量的增加是以氮肥的不合理使用和氮肥功效的降低而引起的环境污染为代价得到的。可耕土地中氮的过度使用将会以硝酸盐和气态氮(包括NH3、NOX和N2O)的形式向水圈和大气输送氮物质,从而影响周围甚至范围较广地区的环境[22]。2010年,中国颁布的第一代国家污染源调查中表明,在水体的氮负荷中,农业源(例如:化肥和家畜产生的氮损失)占了57%[23]。根据Robertson和Vitousek的研究[24],氮肥损失带来的环境危害包括以下几个方面:第一,沿海缺氧增加;第二,对流层中N2O和其他活性氮气体的增加;第三,世界上森林和其他自然区域氮沉降的增加。他们还发现,氮圈是复杂的,解决方案需要对氮在农业系统中生物地球化学路径有很深刻的理解,还需要明白各种管理决策的结果。Gruber和Galloway的研究表明[25],随着人类对地球影响的增加,氮圈、碳圈和气候的相互反应在全球生态系统起着越来越重要的作用。最近,NEU项目提出了欧洲的活性氮问题,并且估算了环境中过量的活性氮会使得欧盟每年花费700-3200亿元来治理[20]。中国的氮估计虽然还没有完成,但是已有的一些研究表明氮肥的过量使用已经带来了严重的环境危害,比如土壤酸化[3],水体的富营养化[23],和大气中活性氮污染和沉降[15]。由氮肥损失带来的直接经济代价可能会高达500亿甚至更多[19,22]

4.气候变化及其在中国的影响:

全球变化是一个全球性的议题,根据UNFCCC的研究,全球变化已经影响了许多区域的食品安全和人类健康。增加的温室气体排放被认为是全球气候变化中最重要的驱动因素之一[26]。中国高度重视气候变化问题[26],我们必须为建立一个资源保护和环境友好型社会、增强缓解温室气体的能力和适应气候变化而努力。

自上个世纪以来,中国的年平均温度已经增加了0.5-0.8℃,略高于全球温度增长率[26]。在过去的50年中,除了气候变暖,还有其他气候变化事件发生。自20世纪50年代开始,中国北方年降水量以0.3mm yr-1的平均速率减少,而中国南方却以每年2-6mm yr-1的速率增加。自20世纪60年代起,尤其是在20世纪90年代时期,越来越多的极端气候事件(例如:干旱和洪涝)在中国发生[27]。例如,中国北部和东北部的干旱以及中国南部和西南部的洪涝或者干旱发生得更加频繁。随着海平面的升高(平均每年升高2.5mm),中国面临着越来越严重的沙漠化危险。在全球变暖的背景下,一些预测表明青藏高原和天山山脉的冰川将会以更快的速度撤退,一些小冰川在未来20-30年中可能消失[27]。降水型的改变和其他极端气候变化事件的发生将会极大地影响农业生产和水资源的使用[27-28]。根据Lobell等的最近研究表明[29],在1980-2008年期间的气候变化引起了全球主要农作物的减产。此外,气候变化尤其是气候变暖可能会通过加速微生物的新陈代谢和增加可耕土地和非可耕土地产生的N2O和其他温室气体的排放量来促进氮圈循环。干旱或者洪涝循环已经被证明会导致土壤中大量的氮损失(包括N2O排放和NO3-N的渗透和径流损失)[30]。这些氮反馈可能会影响气候变化,所以必须在考虑国内温室气体减排战略时被考虑进去[5]

5.中国与氮肥使用相关的温室气体排放:

中国的总温室气体排放在1994年、2004年和2007年分别为4060、6100和7230 Tg CO2eq。2007年农业以及农业化学产品消耗了10%的化石能源,释放了19-22%的农业温室气体排放量[31]。氮肥生产、转化(274 Tg CO2eqyr-1)以及使用(403 Tg CO2eqyr-1)带来的温室气体排放量为中国农业排放的主要组成部分[32]。下面我们将重点分析农业中氮肥引起的温室气体排放。

土壤的N2O排放由3个成分组成,包括背景氮、氮肥和肥料引起的氮排放。后面两个成分,尤其是氮肥引起的N2O排放被管理活动严重影响,比如灌溉和施肥。Gu[33]等估计了中国可耕土地的背景排放量,发现2010年总的背景N2O排放在100 Gg yr-1左右。通过区域化可耕土壤以及在区域尺度上按比例增加通量,Xing[34]估算了1995年可耕土壤的N2O的排放量为398 Gg N(或177 Tg CO2eqyr-1),而Liu等[35]用DNDC模型的估计值为340 Gg N(或151 Tg CO2eqyr-1)。根据1996年IPCC的指导方针,区别了旱地和水田的排放因素,Yan等[12]估算了1995年中国N2O的排放量为476 Gg N(或211 Tg CO2eqyr-1)。2007年在氮肥引起的N2O排放资料组的基础上(区分了水稻0.14%和高地作物1.05%的平均排放率),Zhang等[36]估算了氮肥引起的N2O的排放量为288 Gg N(或128 Tg CO2eqyr-1)。由于许多通量的观测还没有满一年,所以由氮肥诱发的N2O的排放还存在许多不确定性。例如,在这些研究中并没有考虑休耕期和冬季的N2O排放[38]。另一个不确定性源于缺乏对氮肥使用引起的直接N2O排放量的估计,这可能比来自可耕土壤的直接排放量更大[39]。此外,除了化学氮肥,有机肥料也是空气中N2O浓度增加的另一个重要来源。在北京实施的一项区域调查中,Liu等[38]观测到每年约有1%的有机肥料会以N2O的形式损失。Davidson[40]估计了在1860-2005年期间约有2%的有机肥料和2.5%的氮肥传化成N2O。如果中国采用如表1所示的模型,有机肥和氮肥引起的N2O直接和间接排放自1980年的190和240 Gg N yr-1增加至2005年的280和700 Gg N yr-1。而有机肥和氮肥产生的N2O的总排放量从1980年的128 Tg CO2eqyr-1增加至2005年的292 Tg CO2eqyr-1

许多田间试验已经研究了氮肥对稻田甲烷排放的影响。Chen等[41]发现尿素的使用增加了CH4的排放量,因为尿素会促进根系生长和根系分泌物的生成,从而为CH4的生成提供了酶作用物。但是也有一些其他的研究表明尿素的使用会减

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