研究发现农场附近的溪流排放大量温室气体

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在明尼苏达州流域的上游，水中充满了溶解的一氧化二氮，以至于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校水文学家于中杰将其比作汽水罐。
“如果你从当地溪流中取水并测量一氧化二氮，就会发现饱和度比与大气平衡时高出数万倍。换句话说，这种强效温室气体已经超饱和。
“自然而然，你会想知道它是从哪里来的，”伊利诺伊州农业、消费者和环境科学学院自然资源与环境科学系助理教授余说道。
在最近发表于《环境科学与技术》和《地球物理研究快报》的两篇论文中，Yu 和他的同事发现，像他们在明尼苏达州采样的溪流中的排放物主要来自农业土壤中的硝化过程。此外，他们还发现溪流排放占年度一氧化二氮预算的比例比以前知道的要大得多。
“估算一氧化二氮排放量的传统方法是通过放置在土壤表面的测量室进行测量，但如果只关注土壤，你无法了解下风处或下游生态系统的一氧化二氮排放量，这些生态系统接收了农业系统中过量的氮损失，”Yu说。
“当我们追踪这些下游排放时，我们发现它们可能占玉米带地区一氧化二氮总排放量的三分之一。”
反过来说，测量某一年一氧化二氮的排放量相对简单。这种温室气体的吸热效率比二氧化碳高出近 300 倍，而且在大气中存在时间长。因此，如果科学家在某一时间点测量一氧化二氮，就很容易计算出下一季或下一年的排放量又增加了多少。更困难的是确定一氧化二氮的来源。
人们普遍认为农业是大气中一氧化二氮的主要来源。当农民施用氮肥时，一些氮肥会被农作物吸收，一些会流失到附近的溪流中，一些会被土壤微生物转化为一氧化二氮。这种气体可以立即逸出到空气中，或者如果它被困在地下土壤孔隙中，它会溶解到土壤水中，最终在雨水或融雪期间被带到地下水和/或溪流中。
余说，在农业对温室气体排放的贡献中，储存在土壤中、随径流迁移以及从接收溪流和河流中排放出来的一氧化二氮部分一直被忽视。
“通过更好地了解这些间接溪流排放，我们可以改进直接土壤排放的估计。在我们的案例中，溪流排放的高贡献表明，在当前区域一氧化二氮预算中，土壤排放量可能被高估了，”Yu 说。
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“建立强大的区域一氧化二氮排放清单是设计有效的缓解策略并在大空间范围内验证其结果的重要第一步。”
在微生物的硝化和反硝化过程中，氮和氧（一氧化二氮的成分）会发生微妙的同位素变化，于的仪器可以像指纹一样读取这些变化。当他的团队对溪水进行取样时，他们可以发现多达一半的一氧化二氮来自农业土壤的硝化过程。
分析还揭示了余所说的一氧化二氮产生的“热点”和“热点时刻”，以及随后流入水道的情况，例如施用氨基肥料之后，以及随后的强降雨事件之后。
“我们的研究结果表明，溪流排放量最高的地区是溪流与周围土壤之间联系紧密的地区，尤其是在雨季。大型风暴事件、融雪和安装排水管会增强土壤与溪流之间的联系，从而导致溪流产生的大量一氧化二氮排放量，”他说。“这些地区和事件应成为有针对性的减排工作的重点。”
当研究小组从一座离地面 328 英尺的高塔上取样空气时，同位素特征显示，该地区至少 35% 的一氧化二氮来自溪流。然而，余谨慎地没有夸大这一估计，因为这些一氧化二氮仅来自明尼苏达州的一座塔。
他和他的同事计划在不久的将来对七塔网络的更大区域进行采样。不过，这一发现表明科学家和土地管理者应该更加关注与农业相关的溪流。
“在讨论农业一氧化二氮排放时，人们通常关注的是化肥氮投入或农业系统中氮利用效率低下的问题。我们的研究结果揭示了通过溪流和河流间接排放途径的潜在重要性，从而拓宽了这种理解，”Yu 说道。
“这意味着减少渗滤或促进高效水循环的管理实践不仅是改善水质的最佳管理实践，而且还有可能降低集约农业地区的温室气体排放。例如，在雨养田地中种植冬季覆盖作物或控制灌溉可能是有效的策略。
“另一方面，促进土壤水分增强渗透（即水分通过土壤剖面运动）的做法通常被认为有利于防止土壤涝渍状况，但可能会无意中增加下游的一氧化二氮排放，”他补充道。
“这凸显了采取整体管理方法的必要性，需要同时考虑氮循环和水循环。”