研究人员发现，溪流排放主要是由农业土壤中的硝化过程产生的。他们还发现，这些溪流排放对年度一氧化二氮排放的贡献远大于之前所理解的。
在明尼苏达州的一个流域上游地区，水中溶解的一氧化二氮水平如此之高，以至于伊利诺伊大学香槟分校的水文学家余仲杰将其比作一罐苏打水。
“如果你收集当地溪流的水并分析一氧化二氮的水平，浓度是与大气平衡时预期值的数万倍。基本上，它与这种强效温室气体极为饱和。自然，人们会好奇其来源，”余说道，他是伊利诺伊大学自然资源和环境科学系的助理教授。
在最近的两项研究中，余和他的团队发现，像明尼苏达州这些溪流的一氧化二氮排放主要是农业土壤中的硝化作用造成的。此外，他们确定这些溪流排放占年度一氧化二氮预算的比例远高于之前所承认的。
“通常，估计一氧化二氮排放的方法是在土壤表面放置测量舱，但仅关注土壤并不能揭示下游或下风向生态系统吸收农业实践中逃逸的过量氮的排放，”余指出。“当我们追踪这些下游排放时，发现它们可能占到玉米带地区一氧化二氮总排放的三分之一。”
量化一年的总一氧化二氮排放是相对简单的。这种温室气体在捕捉热量方面的效能近乎二氧化碳的300倍，并且在大气中持续时间很长。因此，如果科学家在某一时刻测量它，他们就可以轻松计算出在随后的季节或年份中积累的量。然而，确定其来源则复杂得多。
众所周知，农业活动是大气一氧化二氮的重要来源。当农民施用氮基肥料时，部分被作物吸收，部分冲入附近的溪流，部分被土壤微生物转化为一氧化二氮。这种气体可以迅速逃逸到大气中，或者溶解在土壤水分中，最终在降雨或雪融过程中到达地下水或溪流。
余强调，土壤中储存的一氧化二氮、通过径流运输并从接受溪流和河流中释放出的气体在讨论农业对温室气体排放贡献时常常被忽视。
“通过更好地理解这些间接的溪流排放，我们也可以提高直接土壤排放估计的准确性。我们的研究结果表明，溪流排放的重大贡献表明，现有的区域一氧化二氮排放估计可能高估了土壤排放，”余解释道。“建立一个可靠的区域一氧化二氮排放清单是制定有效减排策略和评估其在更大范围内结果的关键第一步。”
在硝化和反硝化的微生物过程中，构成一氧化二氮的氮和氧会经历微妙的同位素变化，余的仪器可以检测到，类似于独特的指纹。当他的团队分析溪流水时，他们发现近一半的一氧化二氮来源于农业土壤中的硝化作用。他们的分析还识别出余所描述的“一氧化二氮生产的热点”和“一氧化二氮排放的热点时刻”，尤其是在施用氨基肥料后，随之而来的强降雨。
“我们的研究结果表明，溪流排放在水流与周围土壤之间连接紧密的地区达到峰值，尤其是在潮湿条件下。重大风暴事件、融雪和排水瓷砖的安装大大增强了水道中的一氧化二氮排放，”他表示。“这些地点和事件应该优先考虑以便进行集中减排工作。”
当研究团队从一座高达328英尺的高塔采样空气时，同位素特征表明该地区至少35%的一氧化二氮排放来自溪流。然而，余小心翼翼地不想过分强调这个估计，因为它是基于明尼苏达州单个塔的观测。他和他的同事们计划很快在更广泛的区域扩大采样，使用七个塔组成的网络。尽管如此，这一发现暗示着科学家和土地管理者应更加关注与农业活动相关的溪流。
“在关于农业一氧化二氮排放的讨论中，焦点通常集中在氮肥投入或农业系统中的氮利用效率不高。然而，我们研究的发现拓宽了我们对通过溪流和河流间接排放路径的理解，”余说。“这表明，旨在减少氮淋溶或促进水资源有效回收的管理实践，不仅有助于改善水质，还可能有助于降低农业重度耕作地区的温室气体排放。例如，在雨养田地中采用冬季覆盖作物或控制灌溉实践可以是有效策略。”
“相反，增强土壤水分渗透的做法——通常被视为防止土壤饱和的有利做法——可能无意中导致下游一氧化二氮排放的增加，”他补充道。“这凸显了同时考虑氮和水循环需求的综合管理策略的必要性。”
