PNAS | 兰州大学等单位合作揭示全球农业氨排放对氮沉降时空格局的影响

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氨气作为大气中主要的碱性气体，不仅是大气细颗粒物PM2.5污染的重要推手，更是大气氮沉降的重要贡献源。过去几十年来大气氨排放与农业生产活性氮过量使用密切相关，然而全球农业系统哪些作物或动物具有高氨排放潜力及农业氨排放如何影响全球氮沉降的时空格局尚不清楚。
针对上述问题，兰州大学资源环境学院氮循环研究团队基于多源地理空间数据（包括农田施肥、畜牧业养殖、遥感活性氮浓度等）和区域统计数据，建立了自下而上的农业氨排放计算方法，开发了全球近四十年（1980-2018年）的长记录农业氨排放数据集。研究发现从1980年到2018年，全球农业系统（包括农田和畜牧业）氨排放量增加了78%，其中农田氨排放量增加了128%，畜牧业氨排放量增加了45%。全球三种主要作物（小麦、玉米和水稻）和四种主要动物（牛、鸡、羊和猪）占氨排放总量的70%以上（图1）。

图1 全球农业氨排放的空间分布及其主要贡献源

研究团队基于构建的长时序农业氨排放数据集，驱动了全球大气化学模型GEOS-Chem，系统评估了全球1980年来农业氨排放对氮沉降时空格局的影响。研究发现欧盟是全球氨态氮沉降1980年来下降的唯一区域，下降了约16%，其主要原因是欧盟已将氨排放控制列入空气污染防治政策，并制定了一系列针对性农业氨减排措施。然而，除了欧盟，目前全球大部分国家都尚未对氨排放进行严格管控，导致全球陆地氨态氮沉降增加了72%，其中氨态氮沉降占总沉降的比例从1980年的41%上升到2018年的54%。基于产量-氮肥反馈关系模型，发现在维持现有农作物产量不变的前提下全球氮肥使用可降低38%，其中三种主要作物（小麦、玉米和水稻）约占氮肥过量使用的72%（图2）。氮肥使用过量约占农业（农田和畜牧业）氨排放的11%，中国、印度和美国氮肥过量使用分别占各国农业氨排放的31%、25%和22%；氮肥过量使用占全球氮沉降总量的10%，中国、印度和美国氮肥过量使用占各国氮沉降总量的10-20%。除了种植业外，畜牧业系统的合理管控可进一步减少农业氨排放，例如酸化抑氨、密闭控氨、回收固铵等。尽管西欧国家（如丹麦和荷兰）已经采取了农业氮管理措施并制定了氨排放控制政策，但中国、印度、美国等在解决农业氨污染方面仍缺乏相关政策支持。

图2 氮肥过量使用对农业氨排放和氮沉降的贡献

该研究在全球尺度量化了主要作物和动物类型对农业氨排放的贡献，回答了目前农业系统氨的主要排放源，对准确认识全球农业氨污染提供了重要数据支撑。研究认为未来如果不加强对氨排放管控，氨态氮在全球氮沉降中将占有更大比重。该研究为农业氨污染相关政策制定提供了重要的科学依据，这对实现《科伦坡宣言》目标，将全球氮素污染减半具有重要意义。

相关研究以“Exploring global changes in agricultural ammonia emissions and their contribution to nitrogen deposition since 1980”为题，于2022年3月28日在线发表在PNAS杂志。兰州大学刘磊研究员为论文第一作者和通讯作者，中国农业大学刘学军教授为共同通讯作者。该论文是研究团队近五年关于农业氨排放与大气氮沉降研究的集成性成果。本项研究是地理学、大气科学、生态学等多学科交叉合作的成功尝试，对认识大气氮沉降的时空格局和农业氨排放的相互关联具有重要的学术价值。研究工作得到国家重点研发计划（2017YFC0210100和2017YFD0200101）、国家自然科学基金项目（42001347、41471343、41425007、41705130和41922037）、兰州大学中央高校自由探索项目和中国农业大学高水平团队建设项目的资助。

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