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城环学院周丰课题组在Nature Food发文量化全球农田氧化亚氮减排潜力

2021年10月21日,北京大学城市与环境学院周丰课题组在Nature Food上发表题为“Global mapping of crop-specific emission factors highlights hotspots of nitrous oxide mitigation”的研究论文,首次揭示了全球农田氧化亚氮(N2O)排放因子(EF)的空间分异及其生物地球化学机制,并量化了全球农田N2O减排潜力。

氧化亚氮(N2O)是单分子增温潜势较二氧化碳(CO2)高300倍(100年时间尺度)的强效温室气体,其在大气中寿命可达百年之久,也是平流层臭氧最主要的破坏者。农业是最大的N2O人为排放源,其中农田氮肥施用(含化肥和有机肥)是其主要贡献者。因此,减少农田N2O排放对全球升温控制在2°C 以内是至关重要的。

农田N2O减排潜力取决于EF和施氮阈值,准确确定EF的空间格局,以及量化兼顾粮食和环境安全的施氮阈值是目前面临的主要挑战。周丰课题组联合7个国家科研人员,建立了完整且具有更高代表性的全球农田土壤N2O排放通量同化系统,确定了可验证的不同作物的施氮阈值,利用“自下而上和自上而下”耦合方法体系,系统回答3个科学问题:全球农田EF的空间异质性多大?全球和区域尺度下关键驱动因素是什么?在粮食和环境安全前提下,全球农田N2O减排潜力多大,哪里最有效?

研究发现,农田N2O EF的空间分异达2个数量级,在以往观测盲区存在多个EF高值区(如中美洲、东南亚、北欧);不管是全球还是区域尺度,环境条件(湿润指数、SOC和粘土含量)均是农田N2O EF地域分异的主导因素,而非传统认为的农艺管理措施(图1),通俗地讲,自然条件通过调控“水-土-气”界面化学过程来塑造N2O排放因子的格局,且调节着农艺管理对排放因子的影响程度;在不影响作物产量的情况下,全球农田土壤N2O可减排30%,相当于中国和美国的农田土壤N2O排放之和,其中65%的全球减排潜力集中在20%的播种面积(亚热带湿润气候或潜育土和强淋溶土,图2),换句话说,“小范围,大潜力”,为实现环境和粮食安全的协同效益提供了科学依据。

图1 农田氧化亚氮排放因子空间分异的多尺度驱动因素。a. 全球尺度,b-e. 栅格尺度(3.75° ´ 3.75°)

图2 全球农田氧化亚氮减排潜力(注:图中数字表示20%全球作物收获面积所实现的累积减排潜力)

北京大学城市与环境学院博士后崔晓庆为第一作者,周丰为通讯作者。周丰课题组博士生薄岩、硕士生王琪慧(已毕业)和吾拉哈提·阿达力别克为本研究作出重要贡献。合作者来自法国气候与环境实验室Philippe Ciais教授、马里兰大学Eric A. Davidson教授、联合国粮食及农业组织Francesco N. Tubiello博士、宾夕法尼亚州立大学Xiaoyue Niu教授、海南大学巨晓棠教授、联邦科学与工业研究组织Josep G. Canadell博士、乌得勒支大学Alexander F. Bouwman教授、斯坦福大学Robert B. Jackson教授、科罗拉多州立大学Nathaniel D. Mueller教授、中国科学院大气物理研究郑循华教授、纽约大学David R. Kanter教授、奥本大学Hanqin Tian教授和中国农业科学院展晓莹博士。该成果得到国家自然科学基金等项目资助。

论文信息:Cui, X.; Zhou, F.*; Ciais, P.; Davidson, E. A.; Tubiello, F. N.; Niu, X.; Ju, X.; Canadell, J. G.; Bouwman, A. F.; Jackson, R. B.; Mueller, N. D.; Zheng, X.; Kanter, D.; Tian, H.; Adalibieke, W.; Bo, Y.; Wang, Q.; Zhan, X.; Zhu, D., Global mapping of crop-specific emission factors highlights hotspots of nitrous oxide mitigation. Nature Food. 2021, 2,DOI: 10.1038/s43016-021-00384-9.

数据来源:https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14842965

https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14844069

https://doi.org/10.6084/m9.figshare.16353480

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