鉴于在氮循环和温室气体N2O方面的研究基础和成果，中国科学院生态环境研究中心祝贵兵研究员和朱永官院士受邀在生态环境领域顶级期刊Nature Reviews Earth & Environment（IF: 71.5）撰写综述文章“Nitrous oxide sources, mechanisms and mitigation”，系统梳理全球N2O研究进展与趋势，总结国内外N2O减排成果，重点探讨多圈层N2O排放特征，解析生物与非生物N2O生成机制，并提出减排策略，明确未来重点研究方向。

图 1. 全球N2O排放热点和热时

N2O是主要的臭氧消耗物质，其在1750–2022年间对温室气体增温效应的贡献为6.4%。当前大气N2O浓度快速上升，主要源于农业源与工业源的直接排放以及内陆水体的间接排放。全球一半以上人为N2O排放来自农业，因此保障粮食安全与协调气候目标成为关键挑战。由于排放具有显著时空异质性，传统方法与模型存在局限，需深入解析多圈层排放特征，精准把握其规律。文章对土壤圈、水圈、大气圈、冰冻圈、岩石圈、塑料圈和工业排放等各圈层的排放特征进行了详细阐述。此外尺度效应、土壤特性、微气候与微地形差异、底物可用性、人为干扰以及测量方法差异等多重因素，也共同导致N2O排放估算的不确定性。因此，亟需深入揭示N2O排放机制并完善相关模型。

图 2. N2O产生途径

文章系统剖析了N2O的生成机制，涵盖生物途径与生物-非生物协同途径。生物途径主要包括两条：一是由NO3-驱动的反硝化细菌反硝化过程；二是由NH4+驱动的硝化细菌硝化、硝化细菌反硝化及硝化耦合反硝化过程。此外，厌氧条件下，细胞色素c P460蛋白可将两分子NH2OH直接氧化为N2O。不同途径的氮氧来源各异，传统15N单同位素示踪方法难以解析氧来源，而15N-18O双同位素示踪技术结合δ15Nbulk、δ18O和δ15Nsp可区分各途径贡献，并与模型结合理解区域及全球尺度通量模式。生物-非生物协同作用广泛存在于各类自然/人工生态系统，通过化学反硝化与羟胺转化路径发生，前者在富含Fe(II)或NO3-环境中贡献率可达28%，但该机制尚未纳入主流模型，可能致排放低估。目前N2O生成过程仍存在诸多关键科学问题，如非生物过程贡献比例不明、NH4+与NO3-驱动路径的争议、关键环境参数的调控机制等。同时，厌氧氨氧化过程可在好氧-厌氧界面将NH4+与NO2-转化为N2而不产生N2O，该技术已在污水与工业废水处理中应用，但其在自然水体中的N2O减排潜力尚需进一步验证。

图 3. 我国厌氧氨氧化热区的生态工程

控制N2O排放需从“减少产生”与“增加消耗”两方面协同发力。在农业领域，可通过精准施肥、有机肥替代、间作轮作以及添加硝化抑制剂等方式减少氮肥转化中的N2O释放，同时引入高活性还原菌增强土壤对N2O的消耗能力。陆地水体方面，污水处理厂可采用新型脱氮工艺大幅减排，自然水域则可利用厌氧氨氧化菌降低N2O生成。工业上，选择性催化还原与光/电催化分解等低成本技术已能高效处理高温或高浓度N2O排放。综合来看，融合精准管理、微生物工程与政策创新，是实现多圈层N2O减排的关键路径。

当前N2O研究仍面临排放估算不确定、关键排放热点遗漏、原位数据不足等挑战。为提升监测与减排精度，未来需重点加强野外原位观测并构建全球N2O数据库，融合空天技术与人工智能，在多尺度解析排放机制、预测通量变化并优化管理策略，同时深入揭示气候变暖背景下的N2O排放规律，以支撑全球精准控排。

论文第一作者为中国科学院生态环境研究中心祝贵兵研究员，朱永官院士为通讯作者。

论文链接：Nitrous oxide sources, mechanisms and mitigation | Nature Reviews Earth & Environment

论文背后的故事The story behind the paper：https://communities.springernature.com/posts/nitrous-oxide-sources-mechanisms-and-mitigation

环境水质学重点实验室

2025年11月5日