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氮肥施用是保障糧食安全的關(guān)鍵措施之一，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量、增強(qiáng)土壤肥力、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)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(huì)導(dǎo)致溫室氣體排放增加和大氣污染等一系列氣候或環(huán)境問題。中國作為全球最大的化肥消耗國，過量施肥導(dǎo)致的農(nóng)田活性氮（Nr，包括NH₃、N₂O、NO和HONO）排放對區(qū)域大氣環(huán)境的影響不容忽視。在當(dāng)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(nóng)田Nr排放的時(shí)空分布特征及其對區(qū)域細(xì)顆粒物（PM_2.5）和臭氧（O₃）污染的貢獻(xiàn)將有助于“持續(xù)深入打好藍(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)”。然而，現(xiàn)有研究多基于統(tǒng)計(jì)方法估算農(nóng)田Nr的年排放量，缺乏高時(shí)空分辨率的排放數(shù)據(jù)，制約了農(nóng)田Nr在PM_2.5與O₃污染形成過程中作用的模擬準(zhǔn)確性。中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所區(qū)域大氣環(huán)境學(xué)科組研究人員將國際上先進(jìn)的基于過程的農(nóng)業(yè)生態(tài)模型FEST-C*進(jìn)行本地化改進(jìn)，成功構(gòu)建了WRF-FEST-C*-CMAQ多模型系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)對2020年中國農(nóng)田Nr排放進(jìn)行逐日模擬，深入分析了其時(shí)空分布特征及主要驅(qū)動(dòng)因素，全面評估了農(nóng)田Nr排放對區(qū)域大氣PM_2.5和O₃生成的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，2020年中國農(nóng)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(nóng)田氮會(huì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)NH₃揮發(fā)至大氣中。華北、東南和西南地區(qū)是Nr排放的熱點(diǎn)區(qū)域，其排放總量占全國80%以上。小麥、玉米和水稻是中國農(nóng)田 Nr 排放的主要作物，其貢獻(xiàn)率分別為36%、24%和 22%。作為我國糧食主產(chǎn)區(qū)，華北地區(qū)農(nóng)田Nr排放主要集中在6月、7月和10月，東南地區(qū)的Nr排放峰值在3月和4月，而東北地區(qū)為5月和6月，這種排放時(shí)間特征與各地區(qū)主要作物的施肥與播種時(shí)間相一致。值得注意的是，農(nóng)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(huán)境因素的影響。基于結(jié)構(gòu)方程模型、隨機(jī)森林及優(yōu)勢分析等方法對影響各區(qū)域農(nóng)田Nr排放的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(guān)。從一年一熟到一年三熟制地區(qū)，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(nóng)田HONO排放在一年兩熟和一年三熟制地區(qū)主要受土壤溫度和濕度的影響。農(nóng)田NO和HONO排放促進(jìn)了區(qū)域大氣O₃的生成，導(dǎo)致全國8小時(shí)滑動(dòng)平均O₃濃度升高約8%，這種促進(jìn)作用在華北地區(qū)最為明顯。在華北南部和東南部地區(qū)，農(nóng)田NO和HONO排放導(dǎo)致小時(shí) 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(nóng)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(nóng)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(xué)轉(zhuǎn)化過程 (b)

相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊《Science of the Total Environment》和《Agriculture》上，東北地理所區(qū)域大氣環(huán)境學(xué)科組博士生張萌鐸和張學(xué)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(xué)院人才計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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.