東北地理所在農田活性氮排放及其對區域空氣質量影響研究中取得進展
氮肥施用是保障糧食安全的關鍵措施之一，對提高農作物產量、增強土壤肥力、促進農業可持續發展具有不可替代的作用。然而，過量或不合理的氮肥施用不僅降低肥料利用率，還會導致溫室氣體排放增加和大氣污染等一系列氣候或環境問題。中國作為全球最大的化肥消耗國，過量施肥導致的農田活性氮（Nr，包括NH3、N2O、NO和HONO）排放對區域大氣環境的影響不容忽視。在當前其他人為污染源得到有效控制并逐步減少的背景下，明確農田Nr排放的時空分布特征及其對區域細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）污染的貢獻將有助于“持續深入打好藍天、碧水、凈土保衛戰”。然而，現有研究多基于統計方法估算農田Nr的年排放量，缺乏高時空分辨率的排放數據，制約了農田Nr在PM2.5與O3污染形成過程中作用的模擬準確性。中國科學院東北地理與農業生態研究所區域大氣環境學科組研究人員將國際上先進的基于過程的農業生態模型FEST-C*進行本地化改進，成功構建了WRF-FEST-C*-CMAQ多模型系統。應用該系統對2020年中國農田Nr排放進行逐日模擬，深入分析了其時空分布特征及主要驅動因素，全面評估了農田Nr排放對區域大氣PM2.5和O3生成的影響。
研究發現，2020年中國農田Nr排放總量為6.32 Tg，其中NH3、N2O、NO和HONO的排放量分別為4.21 Tg、0.85 Tg、0.66 Tg和0.60 Tg（圖1）。在各類Nr物種中，NH3排放受施肥影響最為明顯，約14%的農田氮會轉化為氣態NH3揮發至大氣中。華北、東南和西南地區是Nr排放的熱點區域，其排放總量占全國80%以上。小麥、玉米和水稻是中國農田 Nr 排放的主要作物，其貢獻率分別為36%、24%和 22%。作為我國糧食主產區，華北地區農田Nr排放主要集中在6月、7月和10月，東南地區的Nr排放峰值在3月和4月，而東北地區為5月和6月，這種排放時間特征與各地區主要作物的施肥與播種時間相一致。值得注意的是，農田N2O排放在8月有一定的升高，表明N2O排放也受到除施肥外的其他環境因素的影響。基于結構方程模型、隨機森林及優勢分析等方法對影響各區域農田Nr排放的驅動因素進行分析，發現氮肥施用量、土壤溫度和土壤濕度是影響Nr排放的主控因素且與排放呈顯著正相關。從一年一熟到一年三熟制地區，氮肥施用量、土壤溫度和土壤濕度對除HONO外的其他Nr物種排放的相對重要性增加了5%-15%，而農田HONO排放在一年兩熟和一年三熟制地區主要受土壤溫度和濕度的影響。農田NO和HONO排放促進了區域大氣O3的生成，導致全國8小時滑動平均O3濃度升高約8%，這種促進作用在華北地區最為明顯。在華北南部和東南部地區，農田NO和HONO排放導致小時 O3濃度下降，其主要原因是夜間O3被大氣中的NO快速滴定而消耗（圖2）。
圖1 2020年中國農田活性氮排放量、空間分布及月變化
圖2 華北南部和東南部地表O3濃度和模型模擬的農田 NO 和HONO 排放日變化 (a) 以及夜間地表O3與NO和HONO之間的主要化學轉化過程 (b)
相關成果發表在國際期刊《Science of the Total Environment》和《Agriculture》上，東北地理所區域大氣環境學科組博士生張萌鐸和張學磊副研究員為共同第一作者，修艾軍研究員為通訊作者。該研究得到中國科學院人才計劃和國家自然科學基金等項目共同資助。
論文信息：
Zhang,M.,Zhang,X.,Gao,C.,Zhao,M.,Zhang,S.,Xie,S.,Ran,L.,Xiu,A. Reactive nitrogen emissions from cropland and their dominant driving factors in China. Science of The Total Environment,2025,968: 178919.https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2025.178919.
Zhang,M.,Zhang,X.,Gao,C.,Zhao,M.,Zhang,S.,Xie,S.,Xiu,A. Quantifying the impact of fertilizer-induced reactive nitrogen emissions on surface ozone formation in China: Insights from FEST-C* and CMAQ Simulations. Agriculture,2025,15(6):612. https://doi.org/10.3390/agriculture15060612.
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