温室气体引起的全球变暖和臭氧层破坏是当今两大全球环境问题。氧化亚氮(N20)是大气中仅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的重要温室气体,同时也是破坏性最大的臭氧消耗物质之一。农田生态系统是大气N2O的重要排放源,中国农田由于生产面积大、N肥施用量高而对全球N2O排放贡献较大,已经成为陆地生态系统温室气体排放研究的热点方向之一。政府间气候变化专门委员会[IPCC]引入N20排放因子(Emission Factor-EF)的概念来定量农业N肥施用引起的N20排放量。按照IPCC排放因子方法学,农田N2O直接排放由两部分组成:氮肥施用所引起的肥料氮转化为N2O-N的排放量和土壤N转化成N2O-N的本底排放(背景排放),这意味着线性回归技术可以用来定量模拟中国不同作物种植下的农田N20直接排放量。水稻和蔬菜是中国重要的水田和旱地作物。中国水稻播种面积在2011年为3006万公顷,蔬菜播种面积1964万公顷,分别占同年农作物总播种面积(16228万公顷)的18.5%和12.1%;根据国际化肥工业联合会IFA的估算,中国农业生产中消耗N肥最多的农作物分别为蔬菜和水稻,其生产过程分别施用N肥6.55 TgN和5.02 TgN,占2010年度中国农业化学N肥消耗量的20.1%和15.4%。因此,蔬菜和水稻生产中的N20排放是中国农业温室气体排放清单编制的重要组成部分。本研究采用IPCC排放因子方法学,基于全球稻田和菜地N2O排放通量田间原位观测资料的集成分析,采用普通最小二乘法(OLS)线性回归分析技术确定氮肥的N20排放因子和背景排放量,在此基础上收集中国水稻和蔬菜生产的相关输入参数数据,估算N20直接排放总量,分析时空变化特征。主要研究内容和结果如下:中国水稻生产中采取了多种水分管理方式,主要包括持续淹水(F)、淹水-晒田-淹水(F-D-F)、淹水-晒田-湿润灌溉(F-D-M)等。本文从已发表文献中收集到142组N20排放通量结果,运用OLS线性回归分析技术建立了稻田不同水分管理方式下水稻生长季N20直接排放量的估算模型。模型拟合结果表明,持续淹水条件下稻田施氮量对N20季节排放量的影响并不明显,其N2O季节排放总量平均相当于施氮量的0.05%。而淹水-晒田-淹水和淹水-晒田-湿润灌溉的水分管理方式下,两者存在显著的相关关系(P<0.0001),肥料N的N20排放因子在淹水-晒田-淹水的水稻生长季为0.25%,在淹水-晒田-湿润灌溉的水分管理方式下为0.76%。另外,淹水-晒田-淹水和淹水-晒田-湿润灌溉的水分管理方式下水稻生长季N20背景排放量分别为0.37 kgN20-N.ha-1和0.43 kgN20-N.ha-1。根据中国水稻生产面积、化学N肥施用量等统计数据,并从文献中查找各水稻产区的水分管理方式,依赖于不同水分管理方式的N20统计模型估算结果表明,中国稻田水稻生长季的N20排放量从上世纪五十年代的10.06 GgN2O-N.yr-1持续增加到九十年代的28.19 GgN20-N.yr-1,但在本世纪初期(2005-2014)的十年间下降为24.92 GgN2O-N.yr-1,与上世纪80年代的排放水平(24.35 GgN20-N·yr-1)相当。N20排放估算的不确定性从五十年代的59.8%减低到本世纪初期的37.5%。本世纪初期华北平原和中西部单季稻作区稻田水稻生长季氮肥施用量最大,因而单位面积的N20排放强度最高。就对中国稻田水稻生长季N20直接排放总量的贡献而言,长江中下游因种植面积最大、氮肥施用量高以及中期晒田的水分管理方式为主等多种因素,导致该稻作区的N20直接排放贡献最大,占51%-54%。另外,本研究估算的上世纪90年代水稻生长季释放的N20量约占同期农业N20排放总量的7%-10%,这一比例在2005-2014更降低为30%-8%。中国稻田约占耕地面积的23%,相比于旱地作物生产而言,过去几十年水稻生产的发展在很大程度上减缓了中国农业生产N20的排放。中国的蔬菜生产N肥施用量高,灌溉频繁,复种指数高。另外,设施蔬菜栽培发展迅速,到2011年中国设施蔬菜播种面积为353.5万公顷,占蔬菜生产面积的18%。设施菜地土壤性状与露天土壤相比发生了很大的变化,由此可能导致不同的N20排放规律。基于26篇文献报道的78个菜地N20排放通量结果,同样采用OLS线性回归分析技术,建立了露天和设施菜地N20排放量的估算模型。模型拟合结果显示,菜地的N20年度累积排放量与施N量存在显著的线性正相关关系,设施菜地N肥的N20排放因子约为0.51%,低于露天菜地N肥的N20排放因子1.79%;两者的年度背景N20排放量比较接近,设施菜地(2.20 kgN20-N·ha-1)略高于露天菜地系统(1.97 kgN20-N·ha-1)。根据中国各地区蔬菜种植面积、化学N肥施用量等统计数据,并从文献中查找中国各地区菜地的复种指数,运用本文建立的菜地N20估算模型对2011年度中国菜地的N20直接排放量进行估算。结果显示,由于不断扩大的蔬菜种植面积和较高的氮输入量水平,菜地N20排放量在2011年估算达到115.70 GgN2O-N,包括化肥N施加引起的排放97.65 GgN2O-N和背景排放18.05 GgN20-N,排放估算的不确定性为32.8%。其中,华中和华北蔬菜种植区对中国菜地N20排放的贡献率最大,分别为34.4%和29.1%。中国菜地面积约占中国耕地面积的7%,但所排放的N2O约占中国农业土壤N20排放量的13.2%-42.1%。以2011年为例,虽然中国蔬菜种植面积(1964万公顷)不足水稻播种面积(3006万公顷)的三分之二,但蔬菜生产投入的化学N肥量(6.50 TgN)却已经超过了水稻生产(5.42 TgN);同时,尽管中国水稻生产实践中越来越多的采用中期晒田、后期湿润灌溉等节水措施,但稻田仍有较长时间保持淹水状态这一特点,使得稻田水稻生长季的N2O排放量远低于生育期短、耕作收获频繁的旱地作物蔬菜生产。2011年菜地N20排放量估算达到115.70 GgN20-N,同期的水稻生长季N2O排放量为24.92 GgN20-N,前者为后者的4.65倍,因此相对于水稻以及其他旱地作物生产而言,中国蔬菜生产导致的N20排放已经成为不容忽视的重要组成部分。