科研進展

ERL:茶園是全球農田氧化亞氮(N2O)的“熱點”排放源

  茶,作爲最大衆化、最受歡迎的健康飲品,在區域和全球農業經濟發展和文化傳播方面具有关键作用。截止目前,全世界有超過62個國家種植茶葉,面積達到490萬公頃;中國作爲茶葉的故鄉,其種植面積和産量均居世界首位。全球茶樹種植的普遍特點是生長在高熱高濕、透水性良好的酸性土壤中,並且隨著茶樹的生長,茶園土壤中的有機質含量逐漸增加。再者,爲了追求茶葉的産量和提高茶葉的品質,茶農频繁對茶園施用大量氮肥,施肥量通常爲200–1200kgNha-1yr-1,遠高于糧食作物農田。這種高氮肥投入和茶園的酸化以及有機碳含量的增加可能會發生協同作用,促進茶園土壤硝化和反硝化過程中氧化亞氮(N2O)的産生和排放,從而影響區域或全球氣候環境變化。

  中國科學院大气物理研究所碳氮循环研究团队在亚热带地区的田间观测研究表明,稻田转变为茶园后并不会减少土壤温室气体净排放量,而只是污染物质的形式交换,即稻田甲烷(CH4)的強排放轉換爲茶園的N2O排放,並且隨著植茶年齡的增加,土壤N2O排放呈增加趋势(Yao et al.,2018)。再者,不同的施肥类型也会影响茶园的N2O排放,與施尿素處理相比,有機肥處理顯著增加了71%的N2O排放。可見,從削減溫室氣體排放考慮,茶園不可以施用有機肥,因爲有機肥提供的大量有機碳和茶園土壤低pH會營造多種氮轉化途徑産生N2O(Yao et al.,2015)。

  基于現有的田間觀測數據,通過文獻荟萃(Meta)分析方法對區域和全球尺度上茶園土壤的N2O排放進行了定量分析。結果表明,在區域尺度上,盡管中國茶葉種植面積僅占<2%的中國農田總面積,但估算得出2018年我國茶園N2O排放總量約爲28GgNyr-1,占中国农田总排放量的15%(姚志生等,2020)。在全球尺度上,研究得出茶园N2O年平均排放量高达17.1kgN ha-1yr-1,且N2O排放量與施氮量呈顯著指數正相關關系(圖1)。全球茶園N2O平均排放系數爲2.31%,顯著高于IPCC提出的全球農田N2O排放缺省值1%,並且也顯著高于其他糧食、園藝、纖維和油料等作物的全球平均排放系數(圖1)。對于全球茶園N2O總排放量而言,盡管在全球尺度上茶葉種植面積僅占0.3%的農田總面積,但其N2O排放總量(約爲57–84GgNyr-1)占全球農田N2O排放總量的比重卻高達12.7%。由此可見,茶園是全球農業種植系統中N2O的“熱點”排放源。同時,本研究還表明,與茶農常規施肥處理相比,施用緩控釋肥、添加生物炭、石灰或硝化抑制劑等替代管理措施能夠有效降低茶園土壤N2O排放,其平均減少量約爲48%。研究結果將爲准確編制全球農田N2O排放清單提供關鍵參數,並爲制定有效的茶園N2O減排方案提供科學依據。

  以上研究成果发表于国际学术期刊Environmental Research Letters上(王燕博士研究生为第一作者,姚志生研究员为通讯作者)。该研究得到中國科學院基础前沿科學研究计划从0到1原始创新项目(ZDBS-LY-DQCOO7)和国家自然科学基金项目(41977282和41675144)共同资助。

圖1.(左)全球不同作物氧化亞氮(N2O)排放系數的比較;(右)不同研究施氮(N)量與N2O排放關系的比較。實線表示各研究中的實際施N量與N2O排放的關系,虛線表示基于茶園施N量進行擬合的施N量與N2O排放的關系。

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  1. Wang Y, Yao Z, Pan Z, Wang R, Yan G, Liu C, Su Y, Zheng X, Butterbach-Bahl. K. 2020. Tea-planted soil as global hotspots for N2O emissions from cropland. Environ. Res. Lett. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aba5b2

  2. Yao Z, Zheng X, Liu C, Wang R, Xie B, Butterbach-Bahl K. 2018. Stand age amplifies greenhouse gas and NO releases following conversion of rice paddy to tea plantations in subtropical China. Agric. Forest Meteorol. 248: 386-396. http://dx.doi.org/10.1016/j.agrformet.2017.10.020

  3. Yao Z, Wei Y, Liu C, Zheng X, Xie B. 2015. Organically fertilized tea plantation stimulates N2O emissions and lowers NO fluxes in subtropical China. Biogeosciences 12: 5915-5928. https://doi.org/10.5194/bg-12-5915-2015

  4. 姚志生, 王燕, 王睿, 刘春岩, 郑循华. 2020. 中国茶园N2O排放及其影响因素. 农业环境科学学报, 39(4): 715-725. https://doi.org/10.11654/jaes.2020-0137

 
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