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中國科學(xué)院大氣物理研究所有一位潘月鵬研究員，專注于追蹤大氣氨的來源和去向，被辦公室同事戲稱“潘氨”。然而，此“氨”非彼“安”。大氣中的氨是很不安全的。今天，我們就來了解一下氨氣的前世今生。
“潘安”之名始于杜甫的《花底》詩：“恐是潘安縣，堪留衛(wèi)玠車”。潘安即潘岳，西晉著名文學(xué)家。在他生活的時(shí)代，栽培綠肥就記載于《廣志》：“苕草色青黃紫花，十二月稻下種之，蔓延殷盛，可以美田，葉可食”。這里的“苕草”就是我國古代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用到的一種肥料。
圖1 毛葉苕子。苕子可作綠肥，具有產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣、固氮能力強(qiáng)等特點(diǎn)。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
中國古語說：莊稼一枝花，全靠肥當(dāng)家。沒有足夠的肥料，農(nóng)業(yè)必然因地力衰退而歉收。在化肥沒有發(fā)明出來的年代，南美還曾爆發(fā)了一場持續(xù)四年的戰(zhàn)爭，起因竟是爭奪海鳥糞——“天然肥料”。那是在19世紀(jì)，歐洲爆發(fā)工業(yè)革命后，人口數(shù)量激增，糧食供應(yīng)日趨緊張。面對農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需求，科學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)植物從腐殖質(zhì)中獲取養(yǎng)分。海鳥糞由于富含氮和磷，是那個(gè)時(shí)代最理想的天然有機(jī)肥，因此成為戰(zhàn)略資源。
圖2 南美海島鳥糞開采。南美花崗巖海島寸草不生，周圍魚類眾多，成為海鳥天堂，鳥糞厚達(dá)幾十米。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
事實(shí)上，地球大氣中氮含量富足，但主要是氮?dú)?，無法被植物直接吸收利用。自然環(huán)境下，只有閃電或者固氮菌可以把氮?dú)廪D(zhuǎn)化為可被植物利用的有效氮。但這些固氮方式效率很低，每公頃土地充其量只能養(yǎng)活幾個(gè)素食者。
圖3 豆科植物根瘤中的固氮菌，可以把氮?dú)庾兂缮锟衫玫挠行У?。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
直到1908年，德國科學(xué)家用空氣合成了氨，化肥生產(chǎn)進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代?，F(xiàn)在，每公頃的土地可以承載幾十人的口糧。毫不夸張的說，氮肥的發(fā)明養(yǎng)活了地球上至少一半的人口。
然而，工業(yè)氮肥的大量投入很快打破了自然界的平衡。
現(xiàn)在，全球每年的氮肥生產(chǎn)和化石燃料燃燒排放的活性氮，已經(jīng)超過了生物固氮和閃電等自然固氮量。這個(gè)平衡被打破后，就像打開了潘多拉魔盒，負(fù)面的效應(yīng)也越來越多，并且逐漸影響著我們的生活環(huán)境。
圖4 潘多拉魔盒（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
比如，農(nóng)田過量施肥后，沒有被作物吸收的氮就變成了妖魔鬼怪，無孔不入：留在農(nóng)田里會導(dǎo)致土壤板結(jié)和酸化，進(jìn)入地下水會造成硝酸鹽超標(biāo)，匯入河流湖海會引起水體的富營養(yǎng)化。歐洲水體酸化最嚴(yán)重的時(shí)期，一些湖泊甚至出現(xiàn)魚蝦絕跡的現(xiàn)象。
此外，農(nóng)田施加的氮肥還有一部分通過氨氣揮發(fā)的形式進(jìn)入到大氣中，與工業(yè)排放的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得大氣污染雪上加霜。
時(shí)下，春播已經(jīng)開始，田間地頭一片繁忙景象。澆水、施肥，成為糧食豐收的保障。每年3月底4月初，監(jiān)測北京城市大氣氨的儀器上經(jīng)常出現(xiàn)氨氣脈沖峰，當(dāng)這些富含氨氣的污染氣團(tuán)經(jīng)過北京時(shí)，氨氣濃度是春節(jié)期間的十幾倍。
中科院大氣所還在全國組網(wǎng)監(jiān)測大氣氨的時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)華北是我國氨氣濃度最高的區(qū)域。這個(gè)觀測網(wǎng)絡(luò)有53個(gè)站點(diǎn)，如果按照土地類型區(qū)分，農(nóng)業(yè)地區(qū)的大氣氨濃度最高，其實(shí)這不奇怪，因?yàn)槭┓蕰尫虐睔膺M(jìn)入大氣。然而，意想不到的是排在第二名的站點(diǎn)類型，竟然是城市地區(qū)。華北城市氨氣的年均濃度是森林或者草地的好幾倍。
圖5 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣氨沉降觀測場（潘月鵬 攝）
城市大氣氨污染是一個(gè)普遍現(xiàn)象，不只出現(xiàn)在華北。對于城市大氣氨的來源，大部分人的第一直覺是農(nóng)田傳輸來的。其實(shí)，除了施肥，養(yǎng)殖場也排放大量氨。另外，在農(nóng)業(yè)活動靜默的冬季，機(jī)動車、燃煤和電廠逃逸的氨氣相對更多，科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了這些燃燒源排放氨氣的同位素證據(jù)。
圖6 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣氨溯源采樣器（潘月鵬 攝）
除了地面上的測量，衛(wèi)星也能看到大氣氨的污染狀況。
比如，歐洲的一顆衛(wèi)星就發(fā)現(xiàn)，我國華北、印度北部和非洲中部等地區(qū)是全球氨氣濃度的熱點(diǎn)區(qū)。
同時(shí)，衛(wèi)星上還觀察到很多工業(yè)源或化工廠排放氨氣的信號。
圖7 全球大氣氨濃度的衛(wèi)星觀測結(jié)果（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
氨氣停留在大氣中會加劇霾污染，它也會躲進(jìn)云、雨、氣溶膠或者直接隨著大氣傳輸?shù)缴只虿莸氐茸匀画h(huán)境中，進(jìn)而造成生物多樣性降低和溫室氣體排放等一系列危害。這一現(xiàn)象的科學(xué)稱呼是“大氣氮沉降”，是全球氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是連接大氣圈和生物圈的紐帶。
圖8 中科院額爾古納大氣氮沉降試驗(yàn)場。氮添加后，喜氮植物瘋狂生長，逐漸成為優(yōu)勢種，處于競爭劣勢的其它植物群落數(shù)量減少。（呂曉濤 攝）
過去幾十年，“大氣氮沉降”的潛在影響備受關(guān)注?？茖W(xué)家在草地或森林的土壤上面，用灑水壺“噴淋施肥”來模擬大氣氮沉降，進(jìn)而觀察自然生態(tài)系統(tǒng)的反應(yīng)。通過這樣的野外實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家想弄清楚一件事：大氣傳輸過來的這些“外來氮”沉降到地表后，是否會影響地球系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，影響的程度和方式怎樣，又如何調(diào)控這些影響。
圖9 中國科學(xué)院清原森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站。實(shí)驗(yàn)人員在林下土壤開展噴淋施肥模擬氮沉降。（習(xí)丹 攝）
近年來，有科學(xué)家逐漸意識到，以往的“噴淋施肥”實(shí)驗(yàn)有些問題。因?yàn)?，大氣傳輸來的“外來氮”首先接觸的是植物，而不是土壤。尤其是在森林地區(qū)，植被才是接收大氣氮沉降的“第一高度”。于是，研究人員開始嘗試用飛機(jī)在森林上空噴水施肥，來進(jìn)一步觀察森林的反應(yīng)。
美中不足的是，在飛機(jī)上給森林“噴淋施肥”的實(shí)驗(yàn)仍然不完整。因?yàn)樗豢紤]了看得見的雨水，而忽略了隱形的“外來氮”，那就是通過大氣傳輸過來的氨氣（干沉降）。
圖10 氮沉降的三種主要途徑：降水（濕沉降）、氣體和顆粒物（干沉降）(潘月鵬 繪)
其實(shí)，氨氣沉降到地表后，像二氧化碳一樣，可以直接進(jìn)入葉孔，參與植物的生理過程。
但不利的影響也會存在。
比如，英國科學(xué)家就在泥炭沼澤濕地實(shí)施了一項(xiàng)“噴氨施肥”實(shí)驗(yàn)，隨后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氨氣沉降量達(dá)到每年70公斤/公頃的時(shí)候（相當(dāng)于華北氮沉降量），只需要3年時(shí)間，沼澤植被蓋度和組成就會發(fā)生明顯變化，敏感的物種會消失。
圖11 大氣氨干沉降到地表后，可以通過葉孔進(jìn)入植物（氨氣影響下葉片損傷，變成棕褐色）。（圖片來源：Ian D. Leith. Global Change Biology，2011）
然而，如果使用“噴淋施肥”來模擬氮沉降的影響，濕地物種組成的變化要到第5年才出現(xiàn)。這就告訴我們，在相同大氣氮沉降量的情況下，氨氣干沉降對植物群落的影響速度要比濕沉降快兩年。而這也是科學(xué)家最擔(dān)心的事情，因?yàn)橐酝牡两刀际恰皣娏苁┓省?，沒有考慮氨氣干沉降的影響，也就預(yù)測不到這種快速的變化。
更為緊迫的是，現(xiàn)在全球各地大氣氨濃度都在升高，我們不得不考慮它的潛在影響。
對于不同類型的自然植被而言，高濃度的氨氣是天然的氮肥，還是另一個(gè)潘多拉魔盒，是未來大氣氮沉降模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)該重點(diǎn)探索的內(nèi)容。
有關(guān)“噴氨施肥”的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想和來龍去脈可以參見Atmospheric and Oceanic Science Letters 大氣活性氮?？?。
圖12 模擬大氣氮沉降的野外控制實(shí)驗(yàn)：（a）傳統(tǒng)的林下施氮方式（模擬濕沉降）；（b）林冠施氮方式（模擬濕沉降）；（c）未來模擬林冠干、濕沉降的方式（模擬不同氮沉降形式：干、濕沉降；不同形態(tài)的氮：氧化態(tài)和還原態(tài)，尤其是氨氣）。(圖片來源：Atmospheric and Oceanic Science Letters，https://doi.org/10.1080/16742834.2020.1733919)
面對持續(xù)升高的氨氣及不利影響，全球行動不一。歐洲較早提倡氨減排，但在強(qiáng)制歐美改善空氣質(zhì)量的《哥德堡議定書》中，歐盟只提出6%的氨減排目標(biāo)，與二氧化硫（59%）和氮氧化物（42%）的宏偉減排計(jì)劃相比少的可憐。美國國家大氣沉降觀測計(jì)劃已將氨濃度列入監(jiān)測指標(biāo)。“十三五”期間，我國開展“化學(xué)肥料減施”和“農(nóng)畜牧業(yè)氨控制”科技攻關(guān)。2020年3月，河北省印發(fā)鍋爐、水泥、平板超低排放標(biāo)準(zhǔn)，將“氨逃逸”列為重點(diǎn)監(jiān)管內(nèi)容。這一系列操作將引領(lǐng)我國氨氣減排進(jìn)入快車道。
氨氣減排，未來可期。
來源：中國科學(xué)院大氣物理研究所
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