排放到大气中的氮去哪儿了

　　随着工业化和城市化迅速发展，化石燃料燃烧和农业活动排放了大量含氮污染物（NOx、NH3等）进入大气环境，给人体健康和生态环境造成了严重威胁，甚至影响到全球气候变化。

　　进入大气的含氮污染物，一部分可溶于雨滴或者云滴，然后随着雨水、雪、雾或是露水降落到地面上；另一部分可在重力或者气流的作用下沉降到地面，或者被植被、土壤和水体等吸附，这些过程综合在一起就是通常所见的“氮沉降”。

　　氮沉降总量被低估

　　目前，我国已经成为继美国之后的全球氮沉降热点区。然而，由于不同研究者所用测量方法的差异，已有监测结果还不能十分明确地认知我国氮沉降的格局、沉降途径、化学形态等。

　　为此，自2012年开始，“973”项目“典型流域陆地生态系统—大气碳氮气体交换关键过程、规律与调控原理”设置了氮沉降研究专题，开展典型小流域大气活性氮沉降通量的长期观测研究，发展了大气活性氮以气体、颗粒物和降水三种途径进入生态系统的通量测算方法，增进了对我国氮沉降总量、途径和形态的认识。

　　由于采样点的随机性和观测方法的不确定性，量化我国氮沉降通量还有一定的争议。Atmospheric Environment上发表一篇文章认为我国20世纪的氮沉降量约20.07 kg N ha-1 yr-1。这一总量的得出是基于“湿沉降约占总沉降的70%”的假设，未充分考虑气态HNO3和NH3，以及颗粒态的NH4+和NO3-干沉降到的贡献，明显低估了我国氮沉降总量。基于70%的假设，估算出的氮沉降可以作为混合沉降通量而非总沉降通量。

　　华北地区氮沉降量最高

　　混合沉降采集方法本质上是一种被动采样法，该方法将采样器完全暴露在大气中，因此一部分颗粒物和气态污染物沉降到采样器表面，采集到的降雨样品其实是混合沉降，其含氮组分受到干沉降的影响。

　　因此，其测量结果高于湿沉降通量结果，但又显著低于氮沉降总量。在以往的研究中，多数采用的是被动采样法测量氮沉降总通量，而忽略了气体和颗粒物干沉降的贡献，显著低估了氮沉降总量。

　　基于全国性的氮沉降监测网络，估算我国无机氮沉降总量约40 kg N ha-1 yr-1，空间差异较大（2.9-75.2 kg N ha-1 yr-1）：华北地区氮沉降量最高（≈60 kg N ha-1 yr-1），东南和西南次之，东北和西北较低，青藏高原为氮沉降总量最低。

　　而2015年Atmospheric Chemistry and Physics上的最新结果表明青藏高原地区无机氮湿沉降通量约为1.58 kg N ha-1 yr-1，该研究认为以往模式估算的结果或是根据插值所得结果，过高估计了青藏高原地区实际氮沉降通量。

　　须摸清氨气排放清单

　　按照含氮物质种类，降雨中的含氮物质主要由NH4+（铵盐），NO3-（硝酸盐）以及TON（降水各种有机氮成分）构成。通常来讲，农业区由于牲畜粪便和养殖，以及部分农业活动排放出的NH3溶于降雨中，主要以NH4+为主要成分。工业区以及城市降水中NO3-所占比例较大，主要与工业生产、金属冶炼、机动车等排放的NOx（氮氧化物）有关。

　　为降低硝酸盐污染的影响，近十年来美国严格控制NOx的排放，这一措施已见成效。根据PNAS最新研究结果：美国地区湿沉降中NO3--N的含量已经明显降低，其在氮沉降中的比例也开始低于NH4+-N。

　　中国作为发展中国家，NH4+-N在湿沉降中的比较高，氮沉降的主要形态和发展趋势与美国不同。Nature上发表的研究结果表明我国NH4+-N所占湿沉降的比例一直在下降。20世纪90年代NH4+-N与NO3--N的比值（2.0）却低于80年代（5.0），这与我国NH3和NOx的排放量变化趋势相一致。

　　气体NH3、NOx和HNO3干沉降对总沉降通量有显著的贡献，特别是氨气（NH3）。即使在城市地区，NH3沉降也是氮沉降总量的主要组成部分，但其来源一直存在较大的争议。

　　据最新研究结果表明，在北京地区清洁天气下84%的NH3主要源为农业源，然而在重霾天气下，90%的NH3来源为化石燃料的燃烧。我国作为NH3排放量居高不下，且相关减排政策一直未出台，未来需要开展大量的基础调查，摸清氨气排放清单，理清城市氨气来源，为霾污染治理和缓解氮沉降提供科学基础。

　　 ■潘月鹏

　　（作者单位：中国科学院大气物理研究所）