玉米、小麦和水稻是三种最主要的粮食作物，直接作为人类食物或间接作为牲畜饲料，为人类提供约三分之二的所需热量。玉米、小麦和水稻不仅在保障全球粮食安全方面发挥着关键作用，而且其种植过程中大量的氮肥施用也是温室气体氧化亚氮（N2O）的主要排放源。因此，在维持甚至增加作物产量的同时，减少N2O排放对于协调粮食安全和气候变化至关重要，而目前对主要粮食作物的N2O排放强度（即单位作物产量的N2O排放量）还知之甚少。
中国科学院大气物理研究所姚志生研究员团队基于全球三大粮食作物（玉米、小麦和水稻）的N2O排放田间原位观测和作物产量数据集，探讨分析了N2O排放强度的变化模式、控制因素以及相应的潜在减缓措施。结果表明，全球三大粮食作物的N2O排放强度平均值为210gN Mg-1，其中小麦的N2O排放强度最高（322gN Mg-1），分别是玉米（211gN Mg-1）和水稻（153gN Mg-1）的1.5和2.1倍。三大粮食作物的N2O排放强度在热带或亚热带地区均普遍高于温带地区，而且还呈现出从低纬度向高纬度降低的趋势。与氮肥管理相比，气候和土壤因素可以更好地解释这种全球变化模式，而三者的综合效应可以预测70%以上的变化。此外，该研究得出土壤N2O排放和作物产量的关系遵循最佳高斯曲线，即在作物产量比较低时，N2O排放随着产量的增加而增加，但在超过阈值（即玉米为10 Mg ha-1、小麦为6.6 Mg ha-1、水稻为6.8 Mg ha-1）后，土壤N2O排放则随着产量的进一步增加而显著降低；并且，随着氮肥利用率的提高，三大粮食作物的N2O排放强度均显著下降。这突出表明，氮肥利用率可以作为关键的指标，用于协调作物生产与减缓N2O排放之间的权衡。对于三大粮食作物来说，减少30%的常规氮肥用量、优化施肥方式和施肥时间或施用高效氮肥（如硝化抑制剂、缓释肥和生物炭）均能在稳产甚至增产的情况下，显著降低其N2O排放强度。综上所述，本研究结果为制定有效和有针对性的减缓或适应策略，以实现三大粮食作物的可持续集约化生产提供了关键指导。
上述研究成果发表于国际学术期刊Global Change Biology（IF=11.6），得到国家自然科学基金项目（42177217和41977282）资助。
文章链接：
Yao, Z., Guo, H., Wang, Y., Zhan, Y., Zhang, T., Wang, R., Zheng, X., Butterbach‐Bahl, K. 2024. A global meta‐analysis of yield‐scaled N2O emissions and its mitigation efforts for maize, wheat, and rice. Global Change Biology, 30 (2): e17177. https://doi.org/10.1111/gcb.17177.
图1. 三大主粮作物（玉米、小麦和水稻）氧化亚氮（N2O）排放强度的全球变化模式、主要控制因素及其相应的减排措施。
