研究人员指出，作物与土壤是农业景观中挥发性有机物（VOC）的关键排放源。农业管理实践——包括物种选择、耕作、施肥与灌溉——通过改变土壤养分水平、作物生长状况以及土壤微生物群落的生物量与多样性，显著塑造农业VOC收支。深入理解VOC排放来源、潜在过程及控制因子，对于精准量化农业景观总VOC排放并评估其对大气化学与生态系统互馈的影响至关重要。本综述系统整合了当前关于可耕地作物（如小麦、玉米、高粱、油菜、马铃薯、黑麦）及裸露农田土壤VOC排放的认知，并评估了矿质与有机肥施用、耕作、灌溉及残茬管理等关键措施对排放的影响。研究人员进一步讨论了农业VOC排放的大气化学效应，提出了改进基于过程的参数化方案与排放清单表征的优先方向。最后，研究人员构建了一个概念性框架，将作物排放、土壤交换与事件驱动的管理措施贡献相分离，以支持农业VOC排放的更一致估算及其在大气与生态评估中的整合应用。
1. 引言
农业景观通过作物、土壤与大气间的气体交换显著影响大气化学。除温室气体交换外，农业痕量气体尤其是挥发性有机物（VOC）亦贡献于空气污染，并影响气候调节与空气质量。许多活性VOC（特别是萜类化合物，包括异戊二烯、单萜、倍半萜及含氧萜类）、非萜类含氧VOC（OVOC，如醇、醛、酮、有机酸）及芳香族化合物，可与臭氧、羟基自由基、硝酸根自由基等大气氧化剂发生复杂反应，导致二次污染物生成。这类农业VOC混合物不仅可促进臭氧生成，还可促进二次有机气溶胶（SOA）的生成。由于大量农业区邻近人为氧化剂（如NOx 、SO2 ）水平较高的密集人口区域，作物与土壤及管理实践产生的VOC排放可在城乡混合环境中贡献局地与区域空气污染及相关健康风险。尽管农业VOC排放通常低于森林等高排放自然植被，但在生长季峰值期，作物VOC通量可达较高水平，并在高温、强辐射及臭氧或NOx 浓度升高条件下，参与区域空气质量事件的形成。除大气化学与空气质量作用外，VOC还介导广泛的植物—生物互作，并为可持续作物保护策略提供潜在途径，但此类应用不在本综述范围内。
过去数十年，农业VOC排放研究逐步发展。早期研究主要依赖箱式法，集中于少数化合物（尤其是异戊二烯与单萜）。随后，PTR-MS与原位涡动协方差等技术进步实现了更高时间分辨率的观测，揭示了含氧VOC的重要贡献及管理相关排放脉冲。近期土壤挥发组学与微生物VOC研究拓展了地下过程认知，强调需对作物、土壤及农业管理进行综合整合。然而，既往研究仍集中于有限系统（如小麦、玉米等谷物作物，马铃薯、番茄等蔬菜，油菜等油料作物及柑橘等果园），且显示VOC通量与组成在作物、生育期与站点间存在强变异性。
施肥、耕作、灌溉等管理实践通过改变土壤理化条件及微生物多样性与活性，进而改变生物源VOC的产生、消耗及与大气的净交换。农业土壤本身也是不可忽视的VOC来源，其排放受环境与生物因子共同调控。长期施肥可渐进改变土壤性质与微生物群落，进而影响VOC产生与消耗。尽管土壤VOC通量一般低于地上植被，但基于三点原因仍需重视：一是农业用地覆盖地球表面大面积区域，裸露或稀疏植被土壤普遍；二是土壤VOC排放对土壤条件变化响应敏感，其量化对整体VOC收支评估重要；三是温度与湿度等气候指示因子同样调控农业土壤VOC排放。
当前农业VOC排放模拟结合自下而上方法与自上而下约束。自下而上模型（如MEGAN）利用土地覆盖、叶面积指数、气象等活动数据与预设排放因子（EF）估算不同植被类型（含作物）排放。自上而下方法则依托化学传输模式反演，通过调整地表VOC排放以拟合大气观测。两类框架虽可识别农业VOC排放时空特征，但仍存局限：自下而上模型常依赖稀疏或通用EF，忽略作物类型与管理活动的差异；自上而下反演对大气输送与化学过程的不确定性（包括与臭氧、氮氧化物等共污染物的相互作用）敏感。改进两类模型的农业VOC表征，亟需更多过程层面理解与针对性观测。
为弥补上述不足，本综述旨在系统整合农业VOC主要来源、排放控制过程及管理实践的调控作用。具体目标为：1）系统整合并尽可能量化主要农业排放源的VOC排放；2）评估可耕地作物、土壤及管理实践间的排放差异，并提出排放模拟的概念框架；3）讨论农业VOC对大气化学的意义及预测当前挑战。本综述明确排除急性虫害与农药施用直接相关的VOC，聚焦于常规管理与基线条件下的农业VOC排放（含作物、土壤及常见田间措施）。
2. 材料与方法
研究人员通过Google Scholar与Web of Science进行文献检索，检索词组合涵盖“VOC”与可耕地作物（小麦、玉米、高粱、黑麦、燕麦、大麦、油菜、马铃薯）、农业土壤、灌溉、耕作及肥料（氮肥、绿废、作物残茬、粪浆、堆肥等）相关术语，时间跨度为1990–2025年。纳入标准为报道栽培可耕地作物、裸露农业土壤或相关管理实践的原位VOC通量或浓度测量的研究；排除非农业系统、非栽培植物、急性虫害或农药施用相关VOC研究，实验室胁迫实验仅保留对照数据。经筛选，最终从131篇文献中整合109条农业VOC动态通量记录或数据序列。通量数据集主要来自欧洲（法国、比利时、德国、意大利），反映了现有农业VOC野外研究的地理分布。
研究人员从77篇文献中提取65条可耕地作物通量记录；从9篇文献中提取5条裸露农业土壤通量记录（涵盖裸土期，含温度、湿度与有机质含量影响）；从48篇文献中提取38条管理措施驱动的田间VOC排放通量记录（矿质施肥5条、有机施肥28条、耕作1条、灌溉/复水3条、收获后/残茬管理11条）。作物轮作实验归入作物排放类别，覆盖作物仅在与管理措施直接相关时考虑。作物与土壤相关排放单位统一转换为μg m−2 h−1 ，管理措施相关排放以g kg−1 物质为单位（文献常用单位）。所有化合物按功能类分组为非萜类OVOC、非卤代烃（烷烃、烯烃、芳烃）、萜类、含硫VOC（SVOC）、含氮VOC（NVOC）及残余“其他”类。
3. 地上与地下过程
可耕地VOC排放受土壤、植物及管理实践及其互作影响，组成与排放模式随作物种类、根系性状及物候阶段变化。本节同时涵盖作物出苗前裸土排放，其对生长季前期农业VOC收支有贡献。
3.1 农业土壤排放
农业土壤可通过多条路径排放VOC，包括微生物初级与次级代谢、有机质分解过程中的释放，以及土壤颗粒与表面的非生物挥发或解吸。植物根系与土壤动物亦可贡献，且排放通常在温暖湿润条件下增强。与植被相比，裸土VOC通量较低，但化合物组成特征独特。近期土壤挥发组学与微生物VOC（mVOC）研究进一步表明，土壤VOC交换与微生物群落组成、土地利用强度及土壤健康密切相关，且土壤可作为多种化合物的源或汇。
裸土通量研究显示，OVOC在农业土壤排放中占主导地位，甲醇与丙酮通常为最大贡献者，其次为乙醛与乙酸；萜类、醇类与含硫VOC亦有检出，但通量更低，其中萜类被认为源于微生物代谢，但其排放量远小于地上植被。近期田间研究还表明，作物存在与管理历史会影响土壤VOC谱。例如，大豆田土壤挥发组学检测到约200个VOC峰，且大豆小区总体VOC信号高于相邻非大豆土壤，有机酸与酯类特征明显。裸土VOC通量常具时间变异性，耕作与播种等扰动可通过促进土壤翻转及新鲜有机质向深层混入刺激微生物活动，从而增强排放。总体而言，土壤源萜类及其他微生物源VOC在局域生态互作及土壤生物质量指示中的作用日益被认识，但其净田间尺度通量仍缺乏定量表征。
3.2 作物地上排放
可耕地作物净VOC排放通量（μg m−2 h−1 ）在物候发育与测量尺度间跨度极大。玉米与小麦是研究最多的作物，涵盖器官与生态系统尺度观测，而燕麦与大麦数据仍稀疏。生态系统尺度通量通常高于器官或箱式测量，同种作物排放通常在生长早期最低，开花与成熟阶段变异性最大且包含多个高排放案例。各研究中OVOC通量常超过萜类，表明OVOC主导作物VOC通量。种间差异反映代谢与环境互作的变异：油菜、玉米与小麦在叶片成熟期具显著不同的VOC谱，单萜排放相差3倍；玉米受远红光（模拟邻体信号）暴露可增加VOC排放（尤其是绿叶挥发物与萜类）；栽培油菜被报道为甲基碘（与臭氧损耗相关的VOC）排放源；小麦与玉米在一些研究中检测到的萜类排放较低，显示其在多数条件下萜类贡献较小，而对温度与养分可利用性等环境驱动因子更敏感。
3.2.1 叶片排放
作物叶片VOC排放量化有助于约束植物—环境互作并揭示胁迫生理机制。叶片发育早期，甲醇通常为优势化合物，与其参与细胞壁扩张与构建一致；单萜排放在此阶段亦可升高，幼叶单萜排放可比成熟叶高2–8倍。随叶片成熟，VOC组成与通量可随物种与环境条件变化。萜类（单萜与倍半萜）响应常具胁迫特异性：某些生物胁迫（如特定真菌侵染）与排放降低相关，而植食性与多种非生物胁迫（干旱、高温、臭氧）更常增强排放。多数一年生可耕地作物异戊二烯排放通常较低，如法国小麦田观测到可忽略的净异戊二烯交换；但在控制条件下（高光强与高温）及胁迫（如伤口或灼烧）后，大豆叶片可产生瞬时异戊二烯脉冲，且高温下排放增加，表明背景异戊二烯排放通常较小，但胁迫或扰动下可出现短寿命爆发。其他化合物组具不同胁迫敏感性：短链醛（甲醛、乙醛）排放常在非生物胁迫下增加；含硫VOC在盐胁迫与养分限制下可增强；绿叶挥发物（GLV，如己醛与顺-3-己烯醇）排放则在植食性或机械损伤后显著促进。多数叶片排放VOC通过气孔扩散逸出，少量经角质层扩散；胁迫下气孔关闭可限制多数VOC扩散传输，但若胁迫增强VOC产生或释放内部储存库，或膜透性与角质层扩散增加，排放仍可能上升，部分抵消气孔限制。衰老期异戊二烯排放通常保持低水平（受限于合成能力与光合活性下降），而乙醛与乙醇排放增加的现象在部分研究中被报道，但模式随物种与条件变化。
3.2.2 开花与结实阶段排放
作物开花期涵盖花序出现、抽穗与开花，果实发育与成熟则为独立物候阶段。此阶段VOC排放可来自多器官（叶片、花、发育中果实），具物种特异的典型VOC谱。开花期生态系统VOC交换常以甲醇与乙醛为主导（主要与叶片等绿色组织代谢相关，而非花朵）。油菜开花期可表现显著的单萜排放（与防御及信号传导功能一致）；玉米开花期GLV排放约为其他物候阶段的2倍。随开花进程，排放谱可转变，乙酸与特定单萜（如α-侧柏烯）在开花后期增加，虽通量通常低于优势OVOC，但在短时高排放事件中仍可能与大气化学相关。
3.3 作物地下排放
根系分析与近根实验证实，作物根系可产生并排放VOC。同时，根系改变土壤理化性质（孔隙度、pH、有机质含量、湿度），影响VOC在土壤中的传输与滞留。由于根系处于根际（受根系分泌物与高微生物活性塑造的生物独特区域），难以分离根系产生与根际微生物产生或消耗的VOC。根系通过筛选特定微生物群落，可改变微生物VOC产生与消耗，进而改变根际作为VOC净源或汇的功能。例如，作物根际甲醇氧化与甲基营养作用通常增强（水稻田除外）。许多根系排放VOC易吸附于土壤颗粒或溶解于土壤基质，显著降低其到达大气的潜力，因此评估根系为VOC汇或源的过程复杂，结论随环境条件与实验方案变化。直接评估根系对土壤表面VOC通量的净地下效应研究稀少，森林系统研究显示根系可为VOC汇或源，但表面通量通常远小于地上部排放；可耕地作物的同类数据集仍有限。尽管如此，多项研究表明作物根系具品种与基因型特异的VOC谱，而土壤过程强烈过滤该信号。例如，油菜根系排放含硫与含氮VOC（甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚等）；番茄驯化与野生基因型根系在植食性胁迫相关条件下具部分不同的醛类与萜类谱；玉米品种间多种根系醛与酮丰度存在差异。近期研究进一步表明，根系产生量可超过土壤表面通量推断值，因周围土壤可作为甲醇等化合物的强汇。综上，根系源VOC具塑造作物与基因型特异排放谱的潜力，但其对田间尺度农业VOC通量的定量贡献仍缺乏约束，亟需耦合根区产生与土壤表面交换的靶向测量。
4. 农业管理实践对VOC排放的影响
4.1 施肥相关排放
VOC对施肥的响应常呈非线性与化合物特异性，而非随养分输入单调缩放。多项研究报道，中等养分供应下，部分植物与土壤源VOC排放高于养分限制或过量施肥情形，这与低肥力下的代谢限制及高投入下的植物生理或微生物群落转变有关。施肥还可改变VOC组成，使特定化合物出现或消失。此外，矿质与有机肥常产生不同的排放动态与VOC组成。
4.1.1 矿质施肥
矿质氮（N）、磷（P）、钾（K）输入改变土壤养分有效性与pH，从而影响微生物群落及其代谢活性，进而改变土壤与植物中VOC的产生与消耗。例如，法属圭亚那热带森林多年养分添加实验显示，土壤—大气单萜排放增加，净VOC吸收减少，提供了矿质养分富集可同时刺激生物源VOC（BVOC）产生并降低土壤VOC汇强度的直接证据。值得注意的是，养分效应并非对所有VOC均为正向：磷有效性被报道可降低植物异戊二烯排放，凸显需针对性研究P（及其他养分）如何调控农业生态系统的萜类与OVOC。作物中，氮肥可通过提高光合能力与生长，常与单萜及异戊二烯排放增加相关。例如，油菜中更高的N可利用性促进了脂氧合酶途径挥发物（α-侧柏烯与乙酸）的排放；响应还可依物候阶段变化：花期施N时乙酸与α-蒎烯主导排放，而盛花期施N后3-蒈烯与柠檬烯增加。矿质施肥亦可影响土壤VOC：施NPK及NPK+硫肥的土壤甲苯丰度显著高于未施肥对照，表明矿质施肥可刺激土壤中特定芳香族VOC的产生和/或减少其消耗。
4.1.2 有机施肥
有机肥（粪肥、绿废堆肥、污水污泥、粪浆）可提高养分有效性、改善土壤结构、刺激细菌与真菌活性，并直接提升土壤有机质水平。近期研究显示，田间施用有机肥后短期内可出现大量VOC排放，触发路径随有机肥类型而异。绿废堆肥（如蔬菜残茬与落叶）可支持土壤中木质素与纤维素的细菌降解，导致萜类排放；秸秆改良土壤观测到丙酮排放；部分研究认为绿废堆肥产生的微生物群落结构与未施肥土壤相似，暗示其在某些情形下效应相对温和。基于法国田间研究的估算显示，绿废施用总VOC排放因子约为0.23 g VOC kg−1 绿废，对应欧洲尺度年排放约564 kt VOC。粪浆与粪肥施用可显著改变土壤pH与微生物群落结构，常增加γ-变形菌与厚壁菌的相对丰度（与甲醇产生相关），并在施用后最初数天内诱导强而短暂的VOC排放（甲醇、丙酮、二甲基硫醚等），一周后排放水平常下降；高分辨率隧道测量显示，草地施猪粪浆与沼液后立即可检测到VOC爆发，但一天后通量通常极低甚至低于检测限，与更持续的NH3 排放形成对比。现有田间研究报道，粪肥堆肥施用总VOC排放因子约为0.18–0.43 g kg−1 牛粪，略高于部分研究中的绿废堆肥，据此估算欧洲粪肥施用年排放约746 kt VOC（假设每年施用一次）。污水污泥在有氧条件下亦快速分解，释放氮等养分并改变微生物多样性，与甲苯、丙酮、甲醇、乙醇、粪臭素、乙醛的高排放相关，而二甲基硫醚排放的研究结果较不一致。污水污泥土地利用的总VOC排放因子在清单指南中仍缺乏稳健数据，过程与田间尺度测量显示，干燥与堆肥排气通常以OVOC、含硫化合物及芳香族化合物为主，其量级强烈依赖于干度、通气与温度。重复有机改良还可诱导土壤性质与微生物群落组成的长期变化，潜在改变背景VOC产生与消耗路径，但该长期影响尚未被排放因子数据集或过程参数化充分约束。总体而言，有机施肥常与OVOC及含硫VOC排放增强相关，且以施用后立即出现的短时增加为主。区域评估中，这些通量最好与改良剂用量及处理面积结合解读。
4.2 耕作相关排放
耕作通过破坏土壤结构与生物活性、翻转表土及混入地表残茬影响农业VOC排放。这些过程重新分配养分并形成具不同氧可利用性的微位点，从而改变微生物活性及VOC产生与消耗。例如，耕地耕作后丙酮排放显著增强，超过此前裸土期水平。扰动表层通常增加土壤通气，促进甲醇与丙酮等OVOC排放；但这些化合物也可作为土壤微生物的碳源与能源，因此耕作后排放常随微生物吸收部分抵消产生而下降。高分辨率土壤挥发数据显示，集约化管理（含频繁耕作）主要改变土壤VOC组成与多样性，而非大幅增大通量。含氧VOC仍占主导，但集约化管理的农业土壤VOC多样性略低，OVOC占比（约色谱信号的65%）低于森林与草地土壤，与耕作重构微生物群落及VOC混合物、同时保持通量处于裸土范围一致。与此同时，重复耕作与机械碾压可促进亚表层压实（如犁底层），降低气体扩散率；湿润条件下，压实带与土壤团聚体内可形成氧限制的厌氧微位点，使微生物代谢转向厌氧（含发酵），产生乙醇、短链有机酸（如丁酸）与酮类（如丙酮）等还原性挥发代谢物。总体而言，现有田间证据表明，耕作相关VOC排放通常处于裸土通量范围内，且小于有机施肥或残茬改良后报道的多日增强效应。由于耕作可形成氧可利用性改变的微位点，解读单个OVOC时需谨慎：乙醛（常伴乙醇）通常被视为叶片缺氧/厌氧更可靠的指示物；而丙酮虽在氧操控实验中常被观测到，但其响应方向并不一致，在低O2 与复氧条件下均可增加，提示其反映更广泛的植物/微生物代谢与氧化还原动态，而非单纯O2 水平。
4.3 灌溉相关排放
灌溉主要用于满足作物水分需求并减轻干旱胁迫，并通过改变土壤湿度与植株水分状况调控VOC排放。土壤湿度是生物源VOC交换的关键变量，水分可利用性通过改变微生物活性与根系呼吸影响土壤VOC产生。冠层尺度上，干旱加剧通常导致气孔关闭与底物供应减少，严重干旱时可抑制类异戊二烯排放。多项研究报道，干期后的复水或灌溉可随光合作用与作物生长恢复快速改变VOC通量，且复水可触发瞬时排放爆发（尤其异戊二烯）。特定VOC组对灌溉的响应取决于植物水力状况与土壤条件。水分可利用性通过气孔调控与代谢转变共同影响VOC交换：异戊二烯直至严重干旱前受气孔关闭影响甚微（因其对气孔扩散限制相对不敏感）；而许多OVOC与部分萜类的交换则更易受气孔导度约束。单萜排放可在干旱恢复期随水力传导度恢复与气孔重开而增加；相反，过度灌溉或涝渍可造成缺氧/厌氧条件，促进厌氧代谢与微生物发酵，增强乙醛、乙醇与丙酮等含氧VOC排放。近期以马铃薯为对象的研究进一步显示，冠层VOC混合物（含倍半萜、烷烃、单萜与甲基苯类）可对干旱与适宜供水条件产生系统性响应，且少量化合物（如法尼烯与二甲苯异构体、支链烷烃）可作为潜在的干旱标记物，凸显VOC测量辅助灌溉管理的潜力。总体而言，尽管证据有限但一致，灌溉制度通过控制干旱胁迫与土壤湿度动态，可显著改变农业VOC通量，但定量约束仍稀疏。
4.4 收获后相关排放
收获后，作物残茬通常留于土表分解或通过后续耕作混入表土，为微生物活动提供底物。该分解过程可增加挥发性有机酸（乙酸与甲酸）排放；多项研究报道，腐烂作物残茬可大量排放丙酮与甲醇；甲醛排放亦可随分解过程中甲醇氧化副产物而增加。这些排放脉冲在特定环境条件下（升温、灌溉或湿润表土、紫外线或O3 暴露）常被放大；此外，微生物活动还可在有氧条件下由凋落物与土壤产生二甲基硫醚等含硫挥发物。尽管秸秆露天焚烧在许多地区已被禁止或严格限制，偶发或非法焚烧仍可产生极大且化学复杂的VOC烟羽。在仍实施残茬焚烧的地区，短时间内可向大气排放大量OVOC（含甲醇与甲醛），对局地空气质量与反应性大气化学具重要意义。
5. 讨论
5.1 农业VOC排放的大气化学与气候变化意义
农业是VOC排放的重要来源（涉及作物、土壤及多种管理实践）。既往估算显示，玉米、小麦、油菜与果树等广泛种植的作物在欧洲年排放约1.3 Tg VOC，约为欧洲森林排放（约3.2 Tg）的一半。上述估算未计入农业管理实践（尤其是施肥）的贡献。例如，90%的欧洲农田施用矿质肥，有机施肥占欧洲农业面积的9.6%。基于粗略计算，仅有机施肥一项，在欧洲9810万公顷可耕地、假设每季施用量25 t ha−1 、年施用1–2次的情景下，年排放可达0.2–1.04 Tg VOC，与Karl等估算的欧洲农田VOC排放量相当，使农业总VOC收支接近欧洲森林年VOC排放量。值得注意的是，农业排放空间分布更集中，且考虑到其邻近富含NOx 的人为环境，对局地空气质量与臭氧生成的 disproportion影响大于自然景观排放。近期研究显示了油菜凋落叶排放生成SOA的潜力，并强调了有机农业废物循环利用相关的气溶胶生成。区域尺度上，农业圣华金河谷的直接通量观测进一步表明，农业VOC源在城乡混合环境中对二次污染与清单改进日益重要。
作物VOC对环境因子的响应亦不同于树木。与成熟森林生态系统不同，可耕地作物的年度生活史使其对温度、水分可利用性及管理时序的变化尤为敏感。升温与更频繁的热浪可能促进更耐热或耐旱作物（如高粱）的种植；更长的生长季可能增加适宜地区双季种植的可行性。除温度外，未来气候情景还可能包含降水格局改变（部分地区干旱更频、部分地区洪涝或涝渍更频），可能通过改变灌溉需求加剧胁迫相关VOC响应（尤其是绿叶挥发物与短链含氧化合物）。大气CO2 升高还可通过改变气孔导度、碳同化及类异戊二烯生物合成的底物可利用性影响VOC交换。此外，作为气候减缓策略的生物能源作物扩张可能引入具独特VOC排放谱的作物类型：现有测量显示，短轮伐期柳树可表现以异戊二烯为主的显著排放，而芒草在某些田间条件下可测VOC通量低得多；比较研究进一步表明，多年生生物能源作物与一年生可耕地作物在排放量级与组成上差异显著。气候驱动的病虫害压力变化也可能间接改变农业VOC收支（通过增加胁迫相关排放），但这不在本综述主要范围内。总体而言，未来变化的方向与幅度仍不确定，因VOC排放因子、化合物混合物及管理响应在作物与环境条件间差异巨大。同时需认识到，为实现可持续性目标推广的农业实践（如有机施肥、少耕、覆盖种植或残茬保留）亦可能以复杂方式改变VOC排放，有时增加短时脉冲或改变VOC组成。理解这些权衡对设计兼顾农艺效益、土壤与生态系统功能及大气影响的综合管理策略至关重要。
5.2 改进农业VOC模拟 的 优 先 方 向
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