減碳從田間做起：精準施肥助攻氣候治理

面對氣候變遷，農業排放不容忽視。透過優化氮肥管理、施用緩釋肥與精準農業技術，可顯著減少氧化亞氮排放。科學實證支持政策介入推動永續耕作。

溫室氣體在大氣中扮演著至關重要的角色，它們如同地球的一層天然絕緣層，吸收並重新釋放太陽輻射，維持地球表面的溫暖，使生命得以繁衍。然而，自工業革命以來，人類活動顯著增加了大氣中溫室氣體的濃度，打破了原有的能量平衡，導致全球氣候變遷加速。主要的溫室氣體包括二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亞氮（N₂O）1。這些氣體通過吸收地球表面釋放的長波輻射，減緩能量逸散到太空的速度，從而導致地球溫度升高，即溫室效應1。

在眾多溫室氣體中，氧化亞氮（N₂O），俗稱笑氣，因其強效的暖化潛力和對環境的雙重影響而備受關注。氧化亞氮不僅是一種長效溫室氣體，更被科學界認定為目前最重要的消耗臭氧層的物質3。儘管其在大氣中的濃度遠低於二氧化碳，但其暖化潛力卻遠高於二氧化碳和甲烷2。特別是在農業領域，人為活動導致的氧化亞氮排放量尤為顯著，使得農業成為人為氧化亞氮排放的主要來源之一3。據美國環境保護署（EPA）的數據顯示，農業土壤排放佔美國氧化亞氮排放量的很大比例12。

本報告旨在深入探討在農業生產中施用氮肥後，土壤中產生的氧化亞氮如何成為一種強效溫室氣體。報告將著重於闡述氧化亞氮產生的具體機制，分析其作為溫室氣體的獨特特性，並探究多種影響其在土壤中排放的關鍵因素。通過對這些方面的詳細分析，期望能夠更全面地理解農業活動與氣候變遷之間的複雜關係，並為制定有效的減排策略提供科學依據。

土壤氮循環是一個複雜的生物地球化學過程，對維持陸地生態系統的生產力至關重要。該循環涉及多個關鍵步驟，包括氨化作用（ammonification）、硝化作用（nitrification）和脫氮作用（denitrification）17。首先，大氣中的氮氣（N₂）需要通過固氮作用轉化為植物可利用的形式，主要是氨（NH₃）3。固氮作用主要由土壤中的固氮微生物完成，包括自生固氮菌和與豆科植物共生的根瘤菌。一旦進入土壤，氨通常會迅速轉化為銨離子（NH₄⁺）3。

接下來是硝化作用，這是一個好氧過程，由兩類不同的微生物完成3。首先，氨氧化菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）和氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA）將銨離子氧化為亞硝酸鹽（NO₂⁻）。然後，亞硝酸鹽氧化菌（Nitrite-Oxidizing Bacteria, NOB），如亞硝酸桿菌屬（Nitrobacter）和硝化螺旋菌屬（Nitrospira），會將亞硝酸鹽進一步氧化為硝酸鹽（NO₃⁻）。值得注意的是，近年來的研究發現，某些微生物能夠完成將氨直接氧化為硝酸鹽的完整過程，這被稱為完全氨氧化（comammox）17。硝化作用不僅提供了植物易於吸收的硝酸鹽，同時也可能導致一部分氮以氧化亞氮的形式排放到大氣中，特別是在氧氣供應受限的情況下3。

脫氮作用則是一個在缺氧條件下發生的厭氧過程3。當土壤中氧氣不足時，例如在高土壤濕度的情況下，一些兼性厭氧微生物會利用硝酸鹽作為電子受體，將其逐步還原為氮氣（N₂）。在這個過程中，會產生多種氮的氧化物中間產物，包括一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N₂O）。因此，脫氮作用是土壤中氧化亞氮產生的另一個重要途徑3。此外，還有一些其他的微生物途徑，如異養硝化作用和共脫氮作用，也被認為可以產生氧化亞氮4。

在農業生產中施用氮肥，無論是無機氮肥還是有機氮肥，都會顯著增加土壤中可利用氮的含量，從而擾亂土壤中自然的氮循環平衡12。氮肥的施用直接提高了土壤中銨和硝酸鹽的濃度，為參與硝化作用和脫氮作用的微生物提供了更充足的底物12。不同種類的氮肥，例如尿素、硝酸銨等，在施入土壤後會經歷不同的轉化過程，這些過程也會影響氧化亞氮的排放量7。特別值得注意的是，尿素在土壤中會迅速水解，產生氨和二氧化碳，導致土壤pH值升高，而pH值的變化會進一步影響硝化作用和脫氮作用的速率以及氧化亞氮的產生22。

在不同的土壤條件和農業管理實踐下，硝化作用和脫氮作用對氧化亞氮產生的相對貢獻會有所不同。一般而言，硝化作用通常在好氧條件下是土壤中氧化亞氮的主要來源4。然而，在缺氧條件下，特別是在土壤濕度較高的情況下，脫氮作用則成為氧化亞氮的重要來源3。此外，土壤的水飽和度也會影響脫氮過程中氧化亞氮的最終產物，在高濕度下，氧化亞氮更容易被進一步還原為氮氣27。土壤的pH值是另一個關鍵因素，它通過影響微生物的活性和酶的反應速率來調節硝化作用和脫氮作用，進而影響氧化亞氮的產生14。農業管理措施，如耕作方式，也會通過改變土壤的氧氣含量和微生物活性，間接影響氧化亞氮的產生35。

全球暖化潛勢（Global Warming Potential, GWP）是一個重要的指標，用於比較不同溫室氣體對地球暖化的相對貢獻1。GWP是指在特定的時間範圍內（通常是20年或100年），排放單位質量的某種溫室氣體所造成的輻射強迫相對於排放相同質量的二氧化碳所造成的輻射強迫的比值1。由於二氧化碳被作為參考氣體，因此其在所有時間範圍內的GWP都被定義為11。GWP的概念使得科學家和政策制定者能夠在統一的框架下評估和比較不同溫室氣體的排放影響，從而更好地制定減排策略1。

根據政府間氣候變遷專門委員會（IPCC）最新的第六次評估報告以及美國環境保護署（EPA）的數據，氧化亞氮的全球暖化潛勢遠高於二氧化碳。IPCC第六次評估報告指出，在20年和100年的時間範圍內，氧化亞氮的GWP均為2738。而EPA的數據則顯示，氧化亞氮在100年時間範圍內的GWP為2651。這些數值清楚地表明，即使排放相同質量的氣體，氧化亞氮在暖化地球方面的效力也遠遠超過二氧化碳和甲烷等其他主要溫室氣體2。

氧化亞氮不僅具有極高的暖化潛力，它在大氣中的生命週期也相當長，這意味著其排放後會在很長一段時間內持續影響地球的氣候系統1。研究表明，氧化亞氮在大氣中的平均壽命約為114年1。如此長的生命週期使得氧化亞氮的累積效應顯著，對長期的氣候變遷產生深遠的影響。

除了作為強效溫室氣體外，氧化亞氮還在大氣化學中扮演著重要的角色，特別是在臭氧層的損耗方面。科學研究指出，氧化亞氮是目前最重要的消耗臭氧層的物質之一3。當氧化亞氮上升到平流層後，會參與一系列的化學反應，導致臭氧分子分解，從而削弱地球的保護層，增加紫外線輻射對地表的影響。

施用氮肥後土壤中氧化亞氮的排放量受到多種因素的複雜影響，這些因素包括氮肥的種類、施用方式、土壤自身的特性、土壤的濕度和溫度，以及土壤微生物群落的組成和活性。

不同種類的氮肥在施入土壤後，其化學性質和轉化過程各不相同，進而影響氧化亞氮的排放量。研究表明，硝酸鹽基肥料（如硝酸銨）可能比銨基肥料（如硫酸銨）產生更高的氧化亞氮排放7。尿素作為一種廣泛使用的氮肥，其在土壤中會水解產生氨，導致土壤pH值升高，這可能會促進脫氮作用，進而增加氧化亞氮的排放22。不同氮肥的氧化亞氮排放因子（即排放的氧化亞氮量佔施用氮量的百分比）也存在差異7。

氮肥的施用方式對氧化亞氮的排放模式和總量也具有顯著影響。相比一次性施用，分次施用氮肥能夠更好地匹配作物在不同生長階段的養分需求，減少土壤中過量的氮，從而降低氧化亞氮的排放10。在作物快速生長期間施用氮肥可以提高氮利用效率，減少轉化為氧化亞氮的氮量40。此外，精準施肥技術，如側施氮肥，可以根據作物的實際需求和土壤條件精確控制氮肥的用量和施用位置，進一步減少氧化亞氮的排放10。

土壤自身的特性，包括土壤質地、pH值、有機質含量和通氣性，都對氧化亞氮的產生和排放產生重要影響。細質土壤（如壤土和黏土）由於其保水性較強，更容易形成缺氧的微環境，從而促進脫氮作用和氧化亞氮的排放35。土壤pH值通過影響參與氮循環的微生物的活性和酶的反應速率，顯著調節硝化作用和脫氮作用以及氧化亞氮的產生和還原。一般而言，中性至微鹼性的土壤條件可能更有利於氧化亞氮的產生14。土壤有機質含量為脫氮微生物提供了碳源，作為電子供體參與硝酸鹽的還原過程，因此可能增加氧化亞氮的排放14。良好的土壤通氣性有利於硝化作用的進行，但過度通氣可能抑制脫氮作用；相反，缺氧條件則會促進脫氮作用的發生3。

土壤的濕度和溫度在調節參與氧化亞氮產生的微生物過程方面起著關鍵作用。高土壤濕度（通常以田間持水量的百分比或水填充孔隙空間（WFPS）表示，一般超過60% WFPS）通常會限制氧氣在土壤中的擴散，創造缺氧條件，從而促進脫氮作用和氧化亞氮的排放18。土壤溫度升高通常會加速土壤微生物的代謝活性，包括硝化作用和脫氮作用，這可能導致氧化亞氮排放量的增加26。此外，在寒冷地區，土壤經歷的凍融循環也被發現會導致土壤中氧化亞氮的脈衝式排放50。

土壤微生物群落的組成和活性對於氮肥施用後氧化亞氮的產生和還原之間的平衡至關重要。不同種類的細菌和真菌在硝化作用和脫氮作用中扮演著不同的角色，它們在土壤中的相對豐度和活性直接影響氧化亞氮的產生速率和最終的排放量3。特別是氧化亞氮還原酶（nitrous oxide reductase, nosZ）在將氧化亞氮還原為氮氣的過程中起著關鍵作用，而土壤的pH值、氧氣含量和碳源等因素都會影響該酶的活性和編碼基因的豐度17。此外，硝化抑制劑等物質通過抑制特定的微生物群體的活性，可以有效地減少氧化亞氮的排放64。

土壤特性	影響機制	對氧化亞氮排放的趨勢
土壤質地（細質土壤如黏土、壤土）	保水性強，易形成缺氧環境	增加排放（促進脫氮作用）
土壤質地（粗質土壤如砂土）	通氣性好，保水性差	減少排放（限制脫氮作用）
pH值（中性至微鹼性）	有利於硝化和脫氮作用	可能增加排放
pH值（過酸或過鹼）	可能抑制微生物活性	影響複雜，可能增加或減少排放
有機質含量	為脫氮微生物提供碳源	增加排放
通氣性（良好）	有利於硝化作用	可能增加排放
通氣性（不良/缺氧）	促進脫氮作用	增加排放

為了有效減輕農業活動中氧化亞氮的排放，需要採取多方面的策略，涵蓋優化氮肥管理、改進施肥技術以及調整耕作方式等多個方面。

優化氮肥管理是減少氧化亞氮排放的首要措施。這包括根據作物的實際需求精確計算氮肥的施用量，避免過量施肥導致土壤中氮素積累10。同時，根據作物的生長階段和養分吸收規律，調整氮肥的施用時間，盡量在作物需求高峰期施肥，可以顯著提高氮利用效率，減少氮素損失40。此外，選擇合適的施肥地點和方式，例如將氮肥施用於作物根部附近，也可以提高氮的利用率，降低氧化亞氮的排放風險。遵循4R原則（Right source, Right rate, Right time, Right place）是實現優化氮肥管理的有效途徑。

使用緩釋肥料和硝化抑制劑是另一種重要的減排策略。緩釋肥料通過緩慢釋放氮養分，減少土壤中短期內高濃度氮的出現，從而降低了硝化作用和脫氮作用產生氧化亞氮的潛力40。硝化抑制劑則通過抑制土壤中將銨轉化為亞硝酸鹽的微生物活性，延緩硝化作用的進程，從而減少氧化亞氮的產生64。

精準施肥技術的應用為更有效地管理氮肥提供了可能。利用遙感技術、全球定位系統（GPS）以及土壤和作物感測器等先進技術，可以實現按需施肥，根據田間不同區域的具體需求調整氮肥的施用量，從而提高氮利用效率，減少因過量施肥而導致的氧化亞氮排放18。

在耕作制度方面，合理的作物輪作和覆蓋作物實踐也可以對氧化亞氮的排放產生影響。雖然豆科覆蓋作物通過固氮作用增加了土壤中的氮含量，可能在一定程度上增加氧化亞氮的排放風險10，但通過科學的輪作和覆蓋作物管理，可以優化氮循環，減少氮素損失。例如，避免新鮮的生物質和糞便同時存在於土壤中，可以降低氧化亞氮的排放71。

管理土壤特性也是減少氧化亞氮排放的重要方面。通過調節土壤pH值，例如在酸性土壤中施用石灰，可以影響硝化和脫氮作用的速率以及氧化亞氮的產生27。維持適當的土壤濕度對於控制氧化亞氮的排放至關重要，避免土壤過於潮濕或過於乾燥都有助於減少排放27。

為了更好地理解和管理農業土壤中氧化亞氮的排放，科學家們開發了多種測量和模型方法。氧化亞氮排放的測量通常在田間和實驗室進行。現場測量方法包括使用氣室法收集土壤表面釋放的氣體，然後通過氣相色譜等儀器進行分析，以確定氧化亞氮的濃度和排放速率18。同位素示蹤技術，例如使用¹⁵N標記的氮肥，可以幫助研究人員區分氧化亞氮的不同產生途徑，例如硝化作用和脫氮作用4。隨著技術的發展，新型的自動化測量系統也開始應用於氧化亞氮的監測，可以實現更高頻率和更長時間的連續測量80。

除了直接測量外，基於過程的模型也被廣泛應用於模擬和預測不同情境下的氧化亞氮排放。這些模型通過數學方程描述土壤中的氮循環過程，包括硝化作用和脫氮作用，並考慮了氣候、土壤特性和農業管理措施等多種因素的影響。DAYCENT、Cycles等模型是常用的模擬農業系統中氮循環和氧化亞氮排放的工具42。這些模型有助於評估不同管理措施對氧化亞氮減排的潛在效果，並預測未來氣候變遷情境下的排放趨勢81。然而，由於土壤系統的複雜性和氧化亞氮產生的多樣性，這些模型仍然需要不斷改進和驗證，以提高其預測的準確性43。

綜上所述，氮肥施用後土壤中產生的氧化亞氮之所以成為一種強效溫室氣體，是由於其獨特的產生機制和卓越的溫室氣體特性所決定的。氮肥的施用擾亂了土壤中自然的氮循環，為硝化作用和脫氮作用等微生物過程提供了充足的氮源，進而產生了氧化亞氮。氧化亞氮作為一種效力極強且壽命很長的溫室氣體，其全球暖化潛勢遠高於二氧化碳，對氣候變遷構成嚴峻的挑戰。其排放量受到氮肥種類和施用方式、土壤特性、土壤濕度和溫度以及土壤微生物群落等多種因素的複雜調控。

在減緩全球氣候變遷的背景下，解決農業氧化亞氮的排放問題至關重要。通過優化氮肥管理、使用新型肥料和精準農業技術、調整耕作制度以及管理土壤特性等多種策略，可以有效地減少氧化亞氮的排放。同時，準確測量和模擬氧化亞氮的排放對於理解其排放規律和評估減排措施的有效性至關重要。

持續的研究和永續農業實踐的採用，對於在減少農業氧化亞氮排放的同時確保全球糧食安全至關重要。科學家、農民和政策制定者需要共同努力，不斷探索和實施更有效的減排策略，以應對氣候變遷帶來的挑戰，實現農業的可持續發展。

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83. A Review of the Main Process-Based Approaches for Modeling N2O …, 檢索日期：3月 31, 2025， https://www.mdpi.com/2311-7524/10/1/98
84. First-Ever Conceptual Model Explains Variations in Farm N2O Emissions | ILLINOIS, 檢索日期：3月 31, 2025， https://sustainability.illinois.edu/ascs-new-cannon-model-explains-variations-in-agricultural-n2o-emissions/
85. Computer models show how crop production increases soil nitrous oxide emissions, 檢索日期：3月 31, 2025， https://www.news.iastate.edu/news/computer-models-show-how-crop-production-increases-soil-nitrous-oxide-emissions
86. Nitrous oxide emission modeling and measurements – Department of Plant Science, 檢索日期：3月 31, 2025， https://plantscience.psu.edu/research/labs/kemanian/research/research-topics/nitrous-oxide-emission-modeling-and-measurements