全 文 ：中国生态农业学报 2010年 1月 第 18卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2010, 18(1): 7−13


* 国家自然科学基金面上项目(40771098)、国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAD17B05)和公益性行业科研专项(200803030)资助
** 通讯作者: 巨晓棠(1965~), 男, 博士, 教授, 主要研究方向为碳氮循环与温室气体减排。E-mail: juxt@cau.edu.cn
张强(1979~) , 男 , 博士研究生, 主要研究方向为氮素循环及农田 N2O排放。E-mail: zhangqiang7910@163.com
收稿日期: 2009-04-01 接受日期: 2009-06-28
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00007
应用修正的 IPCC2006方法对中国农田 N2O
排放量重新估算*
张 强 巨晓棠** 张福锁
(中国农业大学资源与环境学院 农业部植物营养学重点实验室 北京 100193)
摘 要 氧化亚氮(N2O)是一种重要的温室气体, 农田土壤是其排放的重要源。本研究通过本地参数修正的
IPCC2006计算方法, 结合统计资料计算中国农田土壤的 N2O直接排放量。结果表明: 从 1980年到 2007年中
国农田 N2O排放年均增长 7.6%, 2007年 N2O-N排放量达到 288.4 Gg。2007年化学氮肥投入、有机物质投入、
作物秸秆投入、有机土排放对农田 N2O 直接排放的贡献份额分别为 77.64%、15.57%、6.46%和 0.33%。从分
布格局看, 2007年农田 N2O直接排放总量较大省份主要集中在华北地区和四川盆地, 单位耕地面积 N2O排放
量较高的地区主要集中在华北地区和东南沿海。
关键词 农田土壤 氧化亚氮 排放因子 IPCC2006计算方法 N2O排放分布格局
中图分类号: S14; X501 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)01-0007-07
Re-estimation of direct nitrous oxide emission from agricultural soils of
China via revised IPCC2006 guideline method
ZHANG Qiang, JU Xiao-Tang, ZHANG Fu-Suo
(Key Laboratory of Plant Nutrition, Ministry of Agriculture; College of Resources and Environmental Sciences,
China Agricultural University, Beijing 100193, China)
Abstract Nitrous oxide is an important greenhouse gas and agricultural soil is a major source of nitrous oxide emission. The aim of
this study was to estimate direct nitrous oxide emissions from agricultural soils of China through the IPCC2006 guideline method
updated with combined local parameters and statistical data. The results show that average annual growth rate of direct nitrous oxide
emission from agricultural soils of China is 7.6% for 1980~2007, releasing 288 400 tons N in 2007. The contributions of chemical
nitrogen fertilizer input, organic material input, crop residues input and histosol soils to direct nitrous oxide emission from agricul-
tural soils of China are 77.64%, 15.57%, 6.46% and 0.33% respectively in 2007. From the distribution pattern, provinces of high
nitrous oxide emission are mainly concentrated in North China Plain and Sichuan Basin. On the other hand, provinces of high nitrous
oxide emission per unit arable land area are mainly in North China Plain and the Southeast coast area.
Key words Agricultural soil, Nitrous oxide, Emission factor, IPCC2006 guideline, Distribution pattern of N2O emission
(Received April 1, 2009; accepted June 28, 2009)
气候变暖是当今全球性的环境问题, 其主要原
因是大气中温室气体浓度的不断增加。N2O 是一种
重要的温室气体, 在大气中具有较长的滞留时间并
参与大气中许多光化学反应, 破坏大气 O3层[1]。其
中自然土壤和农业土壤是全球最主要的 N2O释放源,
其贡献达 58%~72%[2], 而农业土壤中, 氮肥施用量
的增加是导致大气中 N2O浓度增长的最主要因素[3]。
中国是一个农业大国 , 随着人口的迅速增长 ,
为了在有限的土地上生产更多的粮食, 导致氮肥的
大量施用, 从 1949 年的 0.6 万 t 上升到 2005 年的
2 229.3万 t[4], N2O 排放量也随之大幅上升。有资料
表明, 中国 1994年 N2O排放总量为 85万 t, 其中农
8 中国生态农业学报 2010 第 18卷


业活动占 92.43%, 而农业排放中农田直接排放和间
接排放占 79.83%, 其中化学氮肥施用导致的 N2O排
放占中国农田排放量的 57.8%[5]。因此, 深入了解农
田土壤 N2O的排放过程并正确评估和设法减少其排
放量具有重要意义。
研究区域农田土壤 N2O排放的方法主要有排放
通量汇总外推法[6−9]、IPCC1996 Guidelines法[10−15]、
经验公式法[16−19]和机理模型计算法[20−27]。排放通量
汇总外推主要是通过某区域田间试验得到的排放通
量结合其轮作制度及耕地面积进行简单外推; IPCC
法主要是农田各种氮源投入汇总并结合氮排放因子
来计算; 经验公式法主要是把农田 N2O 排放和影响
因素建立经验公式来进行估算; 机理模型计算则是
通过建立基于排放过程的机理模型结合配套的参数
数据库进行计算。对于中国而言, 排放通量汇总外
推过于粗糙; 而现在国内的经验公式仅是单个点的
总结或是仅依据排放量和某几个影响因素建立的经
验公式, 容易片面扩大某个影响因素的作用, 在推
算全国尺度上还存在一定的偏差; 机理模型虽然基
于 N2O 排放过程, 但其复杂的模型结构和输入参数
给应用带来了困难, 另外这类模型仍有待进一步利
用本地观测数据进行验证。IPCC计算方法虽然不能
反映一些影响因素而导致的农田 N2O 排放差异, 但
其计算参数容易收集, 并且是现在全球国家尺度上
计算 N2O 排放清单的通用方法, 和其他国家的结果
也容易进行对比。本研究采用 IPCC 最新公布的
IPCC2006 Guidelines 计算方法, 利用本课题组总结
的中国农田 N2O的排放因子以及修正计算方法中的
其他参数估算中国农田的 N2O 直接排放量, 并对其
历史变化及各部分贡献进行分析。
1 材料与方法
1.1 基础数据
全国及各省畜禽养殖数量来源于中国农业出版
社的《中国畜牧业年鉴》[28], 全国及各省肥料施用
量、作物产量、人口数量等来源于中国农业统计资
料及中国统计年鉴(以上数据截止时间均为 2007 年
底)[4]。N2O 排放因子数据来源于本研究组建立的农
田 N2O 排放以及影响因子数据库(主要包括排放量
以及与土壤状况相关的因子、与农田管理状况相关
的因子、与测量状况相关的因子等[29]), 数据库主要
通过对国内外关于中国农田生态系统 N2O排放文献
和其他相关资料的搜集整理得到, 其中排放因子计
算公式为:
排放因子=(施肥处理 N2O排放量−空白
处理 N2O排放量)/施氮量 (1)
1.2 计算方法
1.2.1 IPCC2006农田 N2O直接排放计算方法[30]
IPCC2006农田 N2O直接排放计算公式为:
N2ODirect−N=N2O−NN inputs+N2O−NOS+N2O−NPRP (2)
式中, N2ODirect –N 为土壤中 N2O–N年排放量, N2O–
NN inputs为土壤中施氮造成的 N2O–N年排放量, N2O–
NOS为有机土中 N2O–N年排放量, N2O–NPRP为草地
土壤因为粪尿投入而产生的 N2O–N年排放量, 其单
位均为 kg(N2O–N)·a−1。
因本研究仅考虑农田土壤, 故N2O–NPRP不考虑
在内。有机土在中国仅有 5×106 hm2左右, 且主要分
布在东北和西南的偏远地区 , 不适于农业生产活
动。1990 年中国有机土的种植区域仅 1.9×104 hm2,
种植区域有机土的 N2O–N排放为 0.95 Gg [10], 1990
年后基本保持不变, 故此处把 1990 年的数据作为
N2O–NOS排放的默认值。
1.2.2 N2O−NN inputs计算方法及参数修正
IPCC2006 计算方法中不再考虑固氮作用对农
田 N2O 直接排放的影响, 故 N2O−NN inputs采用以下
公式计算:
N2O−NN inputs=[(FSN+FON+FCR)×EF1]+[(FSN+
FON+FCR)×EF1FR] (3)
式中, FSN为化肥N的投入量, FON为有机物质N的投
入量, FCR为作物秸秆N的投入量, EF1为旱地排放因
子, EF1FR为水田排放因子。其中:
FSN=化学氮肥 N×(1－FRACGASF) (4)
式中, 复合肥含氮量按 300 g·kg−1计算, FRACGASF
为化学氮肥施入土壤中以 NH3 和 NOX 挥发的比例,
这里采用默认值 0.1 kg·kg−1
FON=粪尿 N+饼肥 N+绿肥 N (5)
粪尿 N= ××∑ )()( ii
i
排泄系数人或动物种类
)()(N ii 收集还田比例量排泄物含 × (6)
饼肥 N= ××∑ )()( ii
i
出饼率做饼肥作物产量
饼肥含 N量(i) (7)
绿肥 N=绿肥产量×含 N量 (8)
其中人粪尿的计算按照农村人口计算, 人口数
量和成人人口数量的折算比率为 0.85[31−32]。
FCR= ×××∑ )(N)()( iii
i
量秸秆含秸秆籽粒比作物产量
)(i还田比例 (9)
EF排放因子及其他参数的采用: IPCC2006N2O
排放因子默认值水田为 0.3%, 旱地为 1%, 本研究通
过建立中国 N2O排放数据库, 用 Mata analysis汇总
第 1期 张 强等: 应用修正的 IPCC2006方法对中国农田 N2O排放量重新估算 9


N2O 排放因子, 用原始数据求算术评价值得出中国
水田和旱地 N2O排放因子分别为 0.54%和 1.49%(表
1)。但从排放因子的频数分布状况看(图 1), 排放因
子整体上不符合正态分布, 故所求算术平均值不符
合实际情况。原始数据经对数转换、平方根转换后
仍然不服从正态分布, 本研究经尝试多种数据处理
方法后, 采用立方根转换后进行正态化处理。所谓
正态化处理, 即是把在原始尺度上呈偏态(正偏或负
偏)的频数分布转变成机率尺度(组段), 使原来的偏
态分布在转换后的尺度上呈现正态[33−35]。经过正态
化处理后 , 从机率尺度和正态化频数(原始频数/组
距)分布图(图 2)看, 数据呈正态分布。求得正态化处
理后的平均值和标准差后, 再换算回排放因子, 得
出水田和旱地排放因子分别为 0.41%和 1.05%(表 1),
以此来替代 IPCC2006默认值。文中用到的其他参数
见表 2~表 4。每个参数在不同文献报道中差异很大,
为保证所得参数更可靠, 本研究采用权威参数值选
取和取大量参数值的平均值相结合的方法确定。比
如每个畜禽粪便排放系数是多个数据的平均值, 不
同作物的籽粒秸秆比报道参数亦相差很大, 本研究
采用农业部通过大量调查后编写的《中国有机肥料
资源》和《有机肥料养分志》中的权威数据。
2 结果与分析
2.1 中国农田 N2O排放状况及各部分贡献
从 1980年到 2007年中国农田 N2O排放呈迅速
增长趋势(图 3), N2O-N排放量从 1980年的 94.2 Gg
增加到 2007年的 288.4 Gg, 年平均增长 7.6%。其中,
排放总量的迅速增长主要随着旱地排放量的快速增
长而变化, 水田排放量对其影响较小。水田 N2O 排

表 1 中国水田和旱地 N2O 排放因子(汇总分析)
Tab. 1 Summary of nitrous oxide emission factor of paddy field and upland in China (Mata analysis) %
农田类型
Arable land type
样本数
Sample
计算方法
Method
平均值
Mean
标准差
Stand deviation
原始值计算 Original data 0.54 0.53 水田
Paddy field

195


正态化处理
Normalization after cube root conversion
0.41 0.04
原始值计算 Original data 1.49 1.23 旱地
Upland

261


正态化处理
Normalization after cube root conversion
1.05 0.02


图 1 中国水田和旱地 N2O 排放因子分布状况
Fig. 1 Distribution of nitrous oxide emission factor of paddy field and upland in China


图 2 排放因子正态化过程的频数分布状况
Fig. 2 Distribution of frequency of emission factor after normalized conversion
10 中国生态农业学报 2010 第 18卷


表 2 人或畜禽粪便排泄量及其含氮量和还田比例
Tab. 2 Human or animal excreta amount and its nitrogen content (fresh sample) and percent of returned to soil in China
种类
Category
粪便排泄量
Excreta amount
总氮含量 Nitrogen content
(g·kg−1)
排泄物还田比例
Returned to soil of excreta (%)
猪 Pig 5.3 kg·d−1 2.38 65
役用牛 Labor cow 10.1 t·a−1 3.51 30
肉牛 Beef cow 7.7 t·a−1 3.51 30
奶牛 Milk cow 19.4 t·a−1 3.51 30
马 Horse 5.9 t·a−1 3.78 44
驴、骡 Donkey and mule 5.0 t·a−1 3.78 44
羊 Sheep 0.87 t·a−1 10.14 33
肉鸡 Meat chicken 0.10 kg·d−1 10.32 45
蛋鸡 Layer chicken 53.3 kg·a−1 10.32 45
鸭、鹅 Duck and goose 39.0 kg·a−1 6.25 45
兔 Rabbit 41.4 kg·a−1 8.74 45
人 Human 107 kg·a−1 6.43 33
数据来源于文献[32, 36−40] Data source is reference [32, 36−40].

表 3 饼肥出饼率及饼肥、绿肥含氮量
Tab. 3 Ratio of crop seed or straw converting to cake fertilizer and nitrogen content in cake fertilizer and green manure
种类
Category
出饼率
Ratio of crop seed or straw converting to cake fertilizer (%)
含氮量
Nitrogen content (g·kg−1)
菜籽饼 Rape cake 0.55 53.5
棉籽饼 Cottonseed cake 0.80 42.9
大豆饼 Soybean cake 0.85 66.8
花生饼 Peanut cake 0.50 69.2
芝麻饼 Sesame cake 0.50 50.8
葵花籽饼 Sunflower seeds cake 0.70 47.6
胡麻饼 Flax cake 0.70 56.0
绿肥 Green manure / 4.0
数据来源于文献[41−42] Data source is reference [41−42].

表 4 主要作物秸秆籽粒比及秸秆氮养分含量及其利用状况
Tab. 4 Straw/seed ratio and N content in straw of main crop and its utilization status in China
种类
Category
秸秆/籽粒
Straw/ seed
秸秆氮含量
N content of straw (g·kg−1)
还田比例
Returned to soil of straw (%)
水稻 Rice 0.9 9.1 30
小麦 Wheat 1.1 6.5 45
玉米 Maize 1.2 9.2 20
粟 Millet 1.0 8.2 0
高粱 Sorghum 2.0 12.5 0
其他谷物 Other corn 1.0 6.8 45
豆类 Bean 1.0 21.0 80
薯类 Potato 0.5 25.1 0
棉花 Cotton 3.0 12.4 0
花生 Peanut 0.8 18.2 90
油菜 Rape 2.5 8.7 40
甘蔗 (叶/茎) Sugarcane (leaf/ stem) 0.3 11.0 90
糖用甜菜 (叶/根) Beet (leaf/ root) 0.5 2.5 90
烟草 Tobacco leaf 1.0 14.4 0
数据来源于文献[38−44] Data source is reference[38−44].

放量在 1980~1995 年间基本处于持平阶段, 1995~
2003年经过一定幅度的增长后有所降低, 2003年降
至最低点后又开始逐渐增长。1995~2003年水田 N2O
排放量先增长后降低的原因是 1995 年后随着化学
氮肥施用量的增加, 水田 N2O 排放量一定程度上有
所增长, 随后水田播种面积 1999~2003 年间有一定
幅度的减少而排放量有所下降。水田 N2O排放量在
1980~2007 年整个过程中变化程度较小 , 1980 年
N2O-N排放量为 29.8 Gg, 2007年为 33.1 Gg, 年平均
增长仅为 0.4%。旱地 N2O排放量 1980~2007年呈直
线增长, 1980年 N2O-N排放量为 64.4 Gg, 2007年为
255.3 Gg, 年平均增长高达 10.9%。
从中国农田 N2O直接排放各方面具体贡献率看
(表 5), 1995年后各部分贡献率变化不大, 化学氮肥
第 1期 张 强等: 应用修正的 IPCC2006方法对中国农田 N2O排放量重新估算 11


表 5 中国农田 N2O 直接排放各方面贡献率
Tab. 5 Contribution of impact factors of direct nitrous oxide emission from agricultural soil in China %
年份
Year
化肥贡献
Contribution of chemical
fertilizer
有机物质贡献
Contribution of organic
material
作物残留贡献
Contribution of crop
residues
有机土贡献
Contribution of histosol
1980 57.55 33.23 8.20 1.01
1985 66.98 23.56 8.73 0.74
1990 73.09 19.08 7.30 0.53
1995 75.21 17.54 6.83 0.42
2000 76.41 16.70 6.51 0.38
2005 76.27 16.89 6.50 0.34
2007 77.64 15.57 6.46 0.33


图 3 中国农田 N2O 直接排放历史变化(1980~2007)
Fig. 3 Historical change of direct nitrous oxide emissions
from agricultural soil of China (1980~2007)

保持在 75%~78%, 说明化学氮肥的投入在N2O排放
中起着决定性作用。有机物质、作物秸秆投入分别
保持在 15%~18%和 6.5%左右, 有机土排放保持在
0.35%左右, 化学氮肥的贡献远远高于全球 36%的
水平, 而有机物质投入的贡献则远远低于全球 30%
的水平 [14]。从历史变化看 , 化学氮肥的贡献率从
1980 年的 57.55%增长到 2007 年的 77.64%, 增长
34.9%, 而有机物质投入、作物秸秆投入、有机土排
放分别降低 53.1%、21.2%和 67.3%。随着测土配方
施肥的进行和秸秆还田机械的推广, 未来中国会趋
向于一个排放总量和化学氮肥贡献有所降低、有机
物和秸秆贡献增长的较为合理的结构。
2.2 中国农田 N2O排放分布格局和单位耕地排放负荷
根据 2007年各省的数据, 采用和全国相同的计
算方法, 计算全国各省份农田 N2O 直接排放量(图
4)。我国农田 N2O 排放具有较大的空间变异性, 农
田 N2O 排放主要受氮肥施用量的影响, 因此中国地
区间氮肥投入不均衡是导致农田 N2O排放量空间分
布差异的主要原因之一。排放量较大的省份主要集
中在华北地区各省和四川盆地, 其中排放总量最高
的省份是河南省和山东省, 其中河南省 N2O-N 排放
量为 32.6 Gg, 其次是山东省 29.1 Gg, 分别占全国
农田排放总量的 11.2%和 10.0%, 其原因是这些地区
是我国的主要粮食产区, 耕地面积大, 以集约经营
的耕作方式向土壤施入了大量的外源氮素, 从而造
成排放总量较高。排放总量最低的省份是西藏 ,
N2O-N 排放量为 0.6 Gg, 仅为排放量最高省份河南
省的 1.8%。
我国单位耕地面积农田 N2O直接排放的分布格
局与排放总量的分布格局呈不同趋势, 排放总量的
高低可能与各省的耕地面积有关, 省份越大, 耕地
面积越大, 则可能对农田投入的氮越多, 导致农田
N2O 直接排放的值就越高, 因而单位耕地面积排放
比排放总量在指标衡量上更有代表性。从图 5 可以
看出, 东部地区的单位耕地面积排放量明显高于西
部地区, 其中, 排放量最高的区域主要集中在华北
地区和东南沿海。2007 年全国农田单位耕地面积
N2O-N直接排放的平均值为 2.36 kg·hm−2, 17个省
(市、区)高于全国平均水平, 其中超过 4.0 kg·hm−2
的地区包括北京市、江苏省和河南省, 以北京市为
最高, 达 4.73 kg·hm−2。


图 4 2007 年中国农田 N2O 直接排放格局
Fig. 4 Pattern of direct nitrous oxide emission from
agricultural soil in China in 2007
12 中国生态农业学报 2010 第 18卷



图 5 2007 年中国农田单位耕地面积 N2O 直接排放格局
Fig. 5 Pattern of direct nitrous oxide emission per unit arable
land area from agricultural soil in China in 2007

3 结论和讨论
利用搜集的参数修正 IPCC2006 计算方法, 对
我国农田 N2O直接排放进行计算结果表明, 从 1980
年到 2007年中国农田N2O排放增长迅速, 年平均增
长 7.6%, 2007年 N2O-N排放量达到 288.4 Gg。排放
总量主要随着旱地排放量的快速增长而变化, 水田
排放量对其影响较小。
对农田 N2O 排放的贡献因素进行分析, 各部分
贡献大小依次为化学氮肥>有机物质>作物秸秆>有
机土排放。2007年化学氮肥、有机物质、作物秸秆、
有机土排放对农田 N2O 直接排放的贡献分别为
77.64%、15.57%、6.46%和 0.33%。
2007年分地区计算表明, 农田 N2O直接排放总
量较大省份主要集中在华北地区和四川盆地, 其中
排放总量河南省最高, 西藏最低, N2O-N排放量分别
为 32.6 Gg和 0.6 Gg; 单位耕地面积 N2O排放量较
高的地区主要集中在华北地区和东南沿海, 其中北
京市为最高, N2O-N排放达 4.73 kg·hm−2。
排放因子是计算过程中的一项重要参数, 其因
土壤、气候、种植制度的不同而有所差异, 在运用
汇总分析对排放因子进行总结的过程中, 大部分的
观测结果分布在东部地区, 数据库涵盖范围欠广(图
6)。同时, 在观测数据中也存在观测频率低、观测季
节不完整、田间处理单一或无年际重复、无不施氮
肥处理等问题, 造成排放因子存在很大的不确定性,
本文经立方根转换及进行正态化处理后, 所得水田
和旱地的排放因子 0.41%和 1.05%, 一定程度上能反
映全国的水平, 但也存在一定问题, 主要是采用平

图 6 中国农田 N2O 排放观测点位置分布
Fig. 6 Location of the observation sites of N2O direct emis-
sion from croplands of China

均值不能很好地反映环境因素所带来的 N2O排放的
时空变异性。
IPCC计算方法的优点是仅需要肥料施用量、牲
畜数量、作物残茬还田等方面的统计数据, 而不需
要农田区域、土壤、气候、肥料类型, 或其他农田
管理措施, 计算简单、方便; 但是农业土壤中的 N2O
排放受多种因素的影响, 气候条件、土地利用类型、
土壤性质以及农业耕作措施都会影响到 N2O的排放
量, 特别是中国各地气候、土壤、农田管理等变异
较大, 此方法在计算分布格局时因为采用统一的参
数及排放因子, 不能反映因为这些影响因素存在而
导致的差异[20, 22]。而机理模型一般都具有复杂的模
型结构和输入参数, 在当前情况下, 所能获取的数
据通常并不能很好地满足模型的输入和计算, 这给
应用带来了困难; 而且许多机理模型在区域上应用
普适性较差, 尚需要进一步的验证和本地化参数修
正[18−19,45]。在中国建立农田 N2O排放和影响其产生
机理的因素(土壤、气候、农田管理措施)之间的统计
学模型是一条适宜的道路。
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