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Oct 03, 2023

농경지에서 낮은 곳으로의 질소 가스 문제 해결

npj 기후 및 대기 과학 5권, 기사 번호: 43(2022) 이 기사 인용

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농업에서 질소비료를 사용하면 암모니아, 산화질소, 아산화질소를 포함한 상당량의 질소가스를 생성합니다. 더 나은 농지 관리 관행을 통해 질소 가스 배출을 줄이는 동시에 깨끗한 물 환경과 기후 스마트 농업을 실현할 수 있습니다. 이 기사에서 우리는 먼저 농지의 질소가스 배출을 줄이기 위한 국제적 움직임에 대한 개요를 제공했습니다. 그런 다음 농업 경영 관행이 다양한 작물의 질소 사용 효율에 미치는 영향을 요약하고 질소 가스 배출에 미치는 영향을 평가했습니다. 결과는 질소 사용 효율성을 높이고 이를 통해 질소 가스 배출을 완화하기 위해 현장별 지속 가능한 관리 관행을 구현하는 것이 중요하다는 것을 나타냅니다. 우리는 또한 농업 활동이 농경지 질소 순환에 미치는 영향을 다루고, 환경적 이익을 극대화하고 생태계 서비스를 유지하기 위해 잘 정의된 범위로 체계적인 균형 평가를 수행해야 한다는 점을 강조했습니다. 마지막으로 저배출 농업으로 나아가면서 세 가지 우선 방향을 제시했습니다.

농업에서 충분한 질소 공급은 작물의 생리학적 및 대사 작용에 참여하는 수많은 비단백질 화합물의 합성을 보장하여 결과적으로 작물의 수확량과 품질에 반영됩니다1. 일반적으로 토양 상부 15cm 내의 총 질소 질량은 토양 중량의 0.1%~0.6%이며, 토양 시스템의 유형에 따라 2000~12000kg-N ha−1 범위입니다2. 작물 재배를 위한 질소 비료의 중요성에도 불구하고 농지에 질소 비료를 부적절하거나 과도하게 투입하면 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 비료 시비는 암모니아(NH3), 산화질소(NO), 아산화질소(N2O)와 같은 인위적인 질소 가스 배출의 주요 원인이라는 것이 잘 알려져 있습니다. 연구에 따르면 비료 및 가축 생산과 같은 농업 활동은 NH3의 가장 큰 배출원(세계 인위적 배출의 80~90%를 차지3)이고, 대류권 NO의 주요 원인(그 중 10%를 차지4,5)이며, 가장 큰 배출원입니다. N2O의 인위적인 발생원(그 중 60~70%를 차지5). 이러한 질소 함유 가스는 NH3 및 NO에 의한 지역적 연무 형성, N2O에 의한 지구 온난화와 같은 대기 조건의 지역적 및/또는 지구적 규모의 변화를 유발하는 데 중요한 구성 요소입니다.

NH3는 다양한 악영향을 미치는 널리 퍼진 대기 오염물질입니다. 이는 SOx 및 NOx와 같은 산성 종의 상당 부분을 중화하여 암모늄 함유 에어로졸을 형성할 수 있습니다. 이러한 에어로졸은 초미세먼지(PM2.5)의 주요 구성성분으로 공기질을 저하시키고 인체 건강에 악영향을 미칩니다. Lelieveld 등6의 추정에 따르면 전 세계 농업 활동으로 인한 NH3 배출이 PM2.5에 기여하고 이에 따른 조기 사망률은 약 20%입니다. 2014년 합성 질소 비료와 거름 사용으로 인한 전 세계 NH3 배출량은 연간 각각 12.3 및 3.8 Tg-N이었습니다7. 또한 NH3는 결국 습윤 또는 건식 퇴적을 통해 토양과 지표수로 되돌아가며8 이로 인해 자연 생태계의 산성화, 부영양화 및 생물 다양성 손실을 초래합니다. 마찬가지로, NO는 대기 중 대류권 오존 및 기타 광화학 산화제(예: 질산)의 생성을 촉매할 수 있으므로 대기 화학에서 중요한 역할을 합니다. 토양에서 발생하는 전 세계 NOx 배출량은 연간 21 Tg-N으로 추정되며, 오차는 연간 ± 4\u201110 Tg-N입니다9. 토양에서 배출되는 NOx의 양은 일반적으로 낮습니다. 그러나 불활성 질소로 전환되기 전에 현장 조건에서 상당한 양의 N2O가 형성될 수 있습니다2.

For agricultural NO emission, Wang, et al.39 estimated that the annual NO emission from soils was about 657 Gg-N, and approximately 73.7% and 22.0% of the total NO emissions in July 1999 originated from arable lands and grasslands, respectively. Another study by Lu, et al.40 estimated that the annual soil NOx emissions above canopy in 2008–2017 were 0.77 ± 0.04 Tg-N. For comparison, the total anthropogenic NOx emissions, including power plant, industry, transportation, and residential processes, over China in 2010 were estimated to be 27.3 Tg per year (derived from MEIC v1.2)41. For the agricultural N2O source, Gao, et al.2O emissions from Chinese croplands from 1980 to 2007 using localized emission factors. Biogeosciences 8, 3011–3024 (2011)." href="/articles/s41612-022-00265-3#ref-CR42" id="ref-link-section-d498526e1425"42 estimated the direct N2O emission from paddy soils in China in 2007 was approximately 35.7 Gg N2O-N per year, with an annual increase rate of 0.4% since 1980. During 2007–2016, the soil N2O emission in China was about 1.4 ± 0.8 Tg-N per year28./p> 10 cmol kg−1): NH3 volatilization ranges from 0.20‒1.00 cmol kg−1./p>1.00 cmol kg−1./p>

Both balanced fertilization and improved NUE are always the most effective strategies to reduce nitrogenous oxide emissions from farmlands. Aside from the above front-end approaches, the NO emission can be controlled by a number of back-end practices, such as (i) adjustments of soil moisture, (ii) the application depth of N fertilizer, (iii) the use of organic fertilizers, and (iv) the use of controlled-release fertilizers. The increase in the application depth of fertilizers could effectively reduce the NO emission because of potential NO sorption by soils. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 63, 231–238 (2002)." href="/articles/s41612-022-00265-3#ref-CR124" id="ref-link-section-d498526e4919">124. For urea, deep placement (e.g., 0.12 m deep in the case of Andisols125) would be highly effective in reducing NO emissions; however, relatively less effective on N2O emissions. For the organic farming system, a number of studies have proven that organic fertilizers could greatly reduce nitrogenous oxide emissions from various crops, such as managed vegetable systems115. Organic fertilizers could result in a low NO emission intensity as the denitrification could be enhanced by the increase of soil organic carbon and pH115. Cheng, et al.. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 63, 231–238 (2002)." href="/articles/s41612-022-00265-3#ref-CR124" id="ref-link-section-d498526e4938"124 also noticed that banded controlled-release urea can significantly reduce the NO emission by 78.8‒82.6%, in comparison with the conventional urea. However, the effect of organic farming on N2O emission reduction is still a topic of discussion. For instance, a recent study126 indicated that the use of livestock manures could reduce both NO (by 46.5–59.8%) and N2O (by 41.4–49.6%) emissions in comparison to urea fertilizer. Abbasi, et al.127 also found that the use of organic manure in corn growing seasons would produce less N2O emissions, compared to innorganic ammonium nitrate; however, it resulted in a higher N2O emission in unfertilized soybean seasons./p>

For reducing the N2O emission, several practical methods have been developed and deployed, such as (i) keeping soils in aerobic conditions by optimum irrigation-drainage management, and avoidance of soil compaction by animals or traffic2, (ii) using slow release fertilizers128, urease inhibitor129, or nitrification inhibitor130, (iii) incorporating (bio-)organic fertilizers131 and biochars132 in soil-plant systems, and (iv) sowing legume crops in the fallow period between crop cycles133. In particular, the green practice of using inhibitors has been greatly advocated by numerous studies. Subbarao and Searchinger134 propsed the concept of maintaining the status of fertilizers in soil systems as a "more ammonium solution" by applying biological nitrification inhibitors. Biological nitrification inhibitors typically work at least 10 cm underground in the rhizosphere; therefore, the NH3 emission from soils, on the other hand, would not increase135. Wang, et al.130 has critically reviewed the effect of biological nitrification inhibitors on the N2O emission. Nitrification inhibitors can be transported through the roots to the active sites for nitrification in the soils to increase NUE and yield, thereby reducing N2O emissions. For instance, the use of the urease and/or nitrification inhibitors can significantly reduce N2O emissions, e.g., by up to 65.4% in the case of NBPT and DCD129. Maaz, et al.107 also reported a wide range of N2O emission reduction by 8‒100% when introducing nitrification inhibitors or combined with urease inhibitors. Cheng, et al.. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 63, 231–238 (2002)." href="/articles/s41612-022-00265-3#ref-CR124" id="ref-link-section-d498526e5025"124 also noticed that banded controlled-release urea can significantly reduce the N2O emission by 31.6‒40.5%, in comparison with the conventional urea./p>2O emissions from Chinese croplands from 1980 to 2007 using localized emission factors. Biogeosciences 8, 3011–3024 (2011)./p>

. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 63, 231–238 (2002)./p>

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