农民施用氮肥以提高作物产量，养活更多人和家畜。但是，当施肥量超过作物的吸收能力时，部分多余的氮肥会转化为气体形式，包括一氧化二氮，这是一种温室气体，其在大气中捕获的热量约为二氧化碳的300倍。约70%的人为一氧化二氮来自农业土壤，因此，寻找减少这些排放的方法至关重要。
在推荐减少农业土壤中一氧化二氮和其他温室气体的做法之前，科学家首先必须了解它们在哪里以及何时被释放。土壤排放的取样工作繁琐且昂贵，因此大多数研究没有进行广泛的空间和时间取样。来自伊利诺伊大学香槟分校的一项新研究旨在改变这一现状，严格取样商业玉米和大豆田在多年的实际管理场景下的一氧化二氮和二氧化碳排放。这组数据不仅可以为减排建议提供依据，还可以完善预测我们的全球未来的气候模型。
研究的共同作者、伊利诺伊大学农业、消费者和环境科学学院作物科学系的研究科学家章春华表示：“减少农业土壤温室气体排放可以帮助我们实现全球气候目标。高空间和时间分辨率、大规模和多年数据对于建立良好信息的减排策略是必要的。在我们的研究之前，这些数据集并不存在。”
章及其同事在凯宇关的领导下，利用美国能源部ARPA-E SMARTFARM计划的资金，创建了迄今为止可用于农场一氧化二氮和二氧化碳排放的最广泛数据集。他们在传统、保护性和无耕作管理的商业玉米和大豆田中建立了一个大规模的气体取样站网络。
想象一下，一个田野装有微型地面烟囱，向外排放来自土壤的气体。研究人员将在整个季节的每周或每两周访问，以测量这些气体的浓度，为期两年。持续排放高浓度气体的烟囱被称为“热点”。“热点”时刻是指在降雨或施肥等事件之后，绝大多数或全部烟囱的浓度上升。
章表示：“我们发现二氧化碳排放在不同田地、地点和年份之间，甚至在玉米和大豆体系之间都是相似的。这些结果告诉我们，二氧化碳排放是一致的，而高空间分辨率的取样可能足以估算整个田地的排放。”
另一方面，一氧化二氮的情况则完全不同。在特定烟囱中，一氧化二氮的量在一次采样和下次采样之间剧烈波动（热点时刻），研究人员发现，他们无法预测在特定日期会在田地中的哪个位置找到热点。
章说：“在空间和时间上，一氧化二氮有很大的变异性。一天，A点可能有一个热点时刻，而在下次测量时，我们会在B点和C点发现热点时刻。热点就是在移动。”
这一发现很重要，因为如果前期研究只是针对少数几个点或少数几天进行了取样，他们对一氧化二氮排放的估算可能会非常不准确。这些测量结果为告诉我们何时会达到关键临界点的全球气候模型提供了信息，因此确保其尽可能准确至关重要。
研究的共同作者、伊利诺伊大学作物科学系教授李德圭表示：“这个项目使我们能够捕捉到空间、时间和管理的变异，从而提供标准数据以及验证田间温室气体排放的平台。这对于可持续做法以确保粮食和生物能源需求并最小化排放到大气中是必要的。”
结果还揭示了管理和作物体系如何影响温室气体排放。玉米和大豆的二氧化碳排放相似，保护性耕作和无耕作的排放也类似，但传统的铣耕和连续种植玉米的浓度更高。另一方面，在保护性耕作和无耕作下，玉米的一氧化二氮远高于大豆，而在铣耕下的连续玉米几乎是超出图表的水平。
章说：“我们可能无法预测一氧化二氮何时何地会激增，但我们知道管理是有影响的。在连续种植玉米中，农民需要施用大量氮肥，这会转化为一氧化二氮。而传统耕作则破坏土壤表面并释放气体。我们知道如何减轻这种影响。”
