排放到大氣中的氮去哪兒了

　　隨著工業化和城市化迅速發展，化石燃料燃燒和農業活動排放了大量含氮污染物（NOx、NH3等）進入大氣環境，給人體健康和生態環境造成了嚴重威脅，甚至影響到全球氣候變化。

　　進入大氣的含氮污染物，一部分可溶于雨滴或者云滴，然后隨著雨水、雪、霧或是露水降落到地面上；另一部分可在重力或者氣流的作用下沉降到地面，或者被植被、土壤和水體等吸附，這些過程綜合在一起就是通常所見的“氮沉降”。

　　氮沉降總量被低估

　　目前，我國已經成為繼美國之后的全球氮沉降熱點區。然而，由于不同研究者所用測量方法的差異，已有監測結果還不能十分明確地認知我國氮沉降的格局、沉降途徑、化學形態等。

　　為此，自2012年開始，“973”項目“典型流域陸地生態系統—大氣碳氮氣體交換關鍵過程、規律與調控原理”設置了氮沉降研究專題，開展典型小流域大氣活性氮沉降通量的長期觀測研究，發展了大氣活性氮以氣體、顆粒物和降水三種途徑進入生態系統的通量測算方法，增進了對我國氮沉降總量、途徑和形態的認識。

　　由于采樣點的隨機性和觀測方法的不確定性，量化我國氮沉降通量還有一定的爭議。Atmospheric Environment上發表一篇文章認為我國20世紀的氮沉降量約20.07 kg N ha-1 yr-1。這一總量的得出是基于“濕沉降約占總沉降的70%”的假設，未充分考慮氣態HNO3和NH3，以及顆粒態的NH4+和NO3-干沉降到的貢獻，明顯低估了我國氮沉降總量。基于70%的假設，估算出的氮沉降可以作為混合沉降通量而非總沉降通量。

　　華北地區氮沉降量最高

　　混合沉降采集方法本質上是一種被動采樣法，該方法將采樣器完全暴露在大氣中，因此一部分顆粒物和氣態污染物沉降到采樣器表面，采集到的降雨樣品其實是混合沉降，其含氮組分受到干沉降的影響。

　　因此，其測量結果高于濕沉降通量結果，但又顯著低于氮沉降總量。在以往的研究中，多數采用的是被動采樣法測量氮沉降總通量，而忽略了氣體和顆粒物干沉降的貢獻，顯著低估了氮沉降總量。

　　基于全國性的氮沉降監測網絡，估算我國無機氮沉降總量約40 kg N ha-1 yr-1，空間差異較大（2.9-75.2 kg N ha-1 yr-1）：華北地區氮沉降量最高（≈60 kg N ha-1 yr-1），東南和西南次之，東北和西北較低，青藏高原為氮沉降總量最低。

　　而2015年Atmospheric Chemistry and Physics上的最新結果表明青藏高原地區無機氮濕沉降通量約為1.58 kg N ha-1 yr-1，該研究認為以往模式估算的結果或是根據插值所得結果，過高估計了青藏高原地區實際氮沉降通量。

　　須摸清氨氣排放清單

　　按照含氮物質種類，降雨中的含氮物質主要由NH4+（銨鹽），NO3-（硝酸鹽）以及TON（降水各種有機氮成分）構成。通常來講，農業區由于牲畜糞便和養殖，以及部分農業活動排放出的NH3溶于降雨中，主要以NH4+為主要成分。工業區以及城市降水中NO3-所占比例較大，主要與工業生產、金屬冶煉、機動車等排放的NOx（氮氧化物）有關。

　　為降低硝酸鹽污染的影響，近十年來美國嚴格控制NOx的排放，這一措施已見成效。根據PNAS最新研究結果：美國地區濕沉降中NO3--N的含量已經明顯降低，其在氮沉降中的比例也開始低于NH4+-N。

　　中國作為發展中國家，NH4+-N在濕沉降中的比較高，氮沉降的主要形態和發展趨勢與美國不同。Nature上發表的研究結果表明我國NH4+-N所占濕沉降的比例一直在下降。20世紀90年代NH4+-N與NO3--N的比值（2.0）卻低于80年代（5.0），這與我國NH3和NOx的排放量變化趨勢相一致。

　　氣體NH3、NOx和HNO3干沉降對總沉降通量有顯著的貢獻，特別是氨氣（NH3）。即使在城市地區，NH3沉降也是氮沉降總量的主要組成部分，但其來源一直存在較大的爭議。

　　據最新研究結果表明，在北京地區清潔天氣下84%的NH3主要源為農業源，然而在重霾天氣下，90%的NH3來源為化石燃料的燃燒。我國作為NH3排放量居高不下，且相關減排政策一直未出臺，未來需要開展大量的基礎調查，摸清氨氣排放清單，理清城市氨氣來源，為霾污染治理和緩解氮沉降提供科學基礎。

　　 ■潘月鵬

　　（作者單位：中國科學院大氣物理研究所）