自工業(yè)革命以來,隨著全球人口的急劇增加,對糧食、肉類等食物的需求也不斷增加。這些因素導(dǎo)致全球農(nóng)田面積不斷擴(kuò)大,同時也促使化學(xué)氮肥的大量使用。氮肥的使用一方面顯著的增加了糧食的產(chǎn)量,滿足了人類的需求,但同時也帶來了很多環(huán)境負(fù)面效應(yīng)。例如,過量的氮肥會通過地表徑流進(jìn)入河流、湖泊等造成水體的富營養(yǎng)化,進(jìn)入地下水后會污染飲用水。調(diào)查發(fā)現(xiàn),嬰兒飲用高含量的硝酸鹽的污染水后會造成酶系統(tǒng)發(fā)育不全和高鐵血蛋白癥。氣態(tài)氮氨是大氣中細(xì)顆粒物PM2.5形成的重要前體物,它可以與二氧化硫和氮氧化物等經(jīng)大氣化學(xué)反應(yīng)形成硫酸銨和硝酸銨等二次粒子,進(jìn)而造成霧霾等天氣。氮氣是氣態(tài)氮損失的另外一種形式,其對環(huán)境沒有任何負(fù)效應(yīng)。因此,研究農(nóng)田氮素的損失途徑,特別是活性氮和惰性氮流失的比例,對于農(nóng)田氮肥的合理利用和糧食增產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。
中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所生物地球化學(xué)組的白娥研究員、王超助理研究員等與美國加州大學(xué)戴維斯分校的Benjamin Houlton教授合作,利用氮穩(wěn)定性同位素模型(N-Isotope Model)和全球環(huán)境評估模型(IAMGE)對全球范圍內(nèi)農(nóng)田氮素的輸入、輸出途徑進(jìn)行了分析,并對比了工業(yè)革命之前(1860年)和現(xiàn)今(2000年)兩個時間點的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn),自1860年至2000年,全球農(nóng)田氮素的輸入增加了近9倍,其中氮肥使用由0 Tg N yr-1增加到 70 Tg N yr-1。農(nóng)田活性氮素NH3,N2O,NO和淋溶氮流失分別增加了2.7,17,20和10倍。同時,惰性氮氣N2排放也增加了13倍,但是這些氮氣僅占到活性氮的20%,不能夠完全抵消活性氮素排放帶來的負(fù)效應(yīng)。
該研究以Growth in the global N2 sink attributed to N fertilizer inputs over 1860to 2000為題發(fā)表在Science of The Total Environment上。該研究得到973項目(No. 2014CB954400)、和國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項目(No. 41175138)的支持。
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1860年至2000年間,全球農(nóng)田面積增加及農(nóng)田土壤氮氣排放變化圖




