和“潘安”一起念“黑化肥会挥发”_风闻

中国科学院大气物理研究所有一位潘月鹏研究员，专注于追踪大气氨的来源和去向，被办公室同事戏称“潘氨”。然而，此“氨”非彼“安”。大气中的氨是很不安全的。今天，我们就来了解一下氨气的前世今生。

“潘安”之名始于杜甫的《花底》诗：“恐是潘安县，堪留卫玠车”。潘安即潘岳，西晋著名文学家。在他生活的时代，栽培绿肥就记载于《广志》：“苕草色青黄紫花，十二月稻下种之，蔓延殷盛，可以美田，叶可食”。这里的“苕草”就是我国古代农业生产用到的一种肥料。

图1 毛叶苕子。苕子可作绿肥，具有产量高、适应性广、固氮能力强等特点。（图片来自网络）

中国古语说：庄稼一枝花，全靠肥当家。没有足够的肥料，农业必然因地力衰退而歉收。在化肥没有发明出来的年代，南美还曾爆发了一场持续四年的战争，起因竟是争夺海鸟粪——“天然肥料”。那是在19世纪，欧洲爆发工业革命后，人口数量激增，粮食供应日趋紧张。面对农业发展的迫切需求，科学家们很快发现植物从腐殖质中获取养分。海鸟粪由于富含氮和磷，是那个时代最理想的天然有机肥，因此成为战略资源。

图2 南美海岛鸟粪开采。南美花岗岩海岛寸草不生，周围鱼类众多，成为海鸟天堂，鸟粪厚达几十米。（图片来自网络）

事实上，地球大气中氮含量富足，但主要是氮气，无法被植物直接吸收利用。自然环境下，只有闪电或者固氮菌可以把氮气转化为可被植物利用的有效氮。但这些固氮方式效率很低，每公顷土地充其量只能养活几个素食者。

图3 豆科植物根瘤中的固氮菌，可以把氮气变成生物可利用的有效氮。（图片来自网络）

直到1908年，德国科学家用空气合成了氨，化肥生产进入工业化时代。现在，每公顷的土地可以承载几十人的口粮。毫不夸张的说，氮肥的发明养活了地球上至少一半的人口。

然而，工业氮肥的大量投入很快打破了自然界的平衡。

现在，全球每年的氮肥生产和化石燃料燃烧排放的活性氮，已经超过了生物固氮和闪电等自然固氮量。这个平衡被打破后，就像打开了潘多拉魔盒，负面的效应也越来越多，并且逐渐影响着我们的生活环境。

图4 潘多拉魔盒（图片来自网络）

比如，农田过量施肥后，没有被作物吸收的氮就变成了妖魔鬼怪，无孔不入：留在农田里会导致土壤板结和酸化，进入地下水会造成硝酸盐超标，汇入河流湖海会引起水体的富营养化。欧洲水体酸化最严重的时期，一些湖泊甚至出现鱼虾绝迹的现象。

此外，农田施加的氮肥还有一部分通过氨气挥发的形式进入到大气中，与工业排放的污染物发生化学反应，使得大气污染雪上加霜。

时下，春播已经开始，田间地头一片繁忙景象。浇水、施肥，成为粮食丰收的保障。每年3月底4月初，监测北京城市大气氨的仪器上经常出现氨气脉冲峰，当这些富含氨气的污染气团经过北京时，氨气浓度是春节期间的十几倍。

中科院大气所还在全国组网监测大气氨的时空变化，发现华北是我国氨气浓度最高的区域。这个观测网络有53个站点，如果按照土地类型区分，农业地区的大气氨浓度最高，其实这不奇怪，因为施肥会释放氨气进入大气。然而，意想不到的是排在第二名的站点类型，竟然是城市地区。华北城市氨气的年均浓度是森林或者草地的好几倍。

图5 中国科学院大气物理研究所大气氨沉降观测场（潘月鹏 摄）

城市大气氨污染是一个普遍现象，不只出现在华北。对于城市大气氨的来源，大部分人的第一直觉是农田传输来的。其实，除了施肥，养殖场也排放大量氨。另外，在农业活动静默的冬季，机动车、燃煤和电厂逃逸的氨气相对更多，科学家也发现了这些燃烧源排放氨气的同位素证据。

图6 中国科学院大气物理研究所大气氨溯源采样器（潘月鹏 摄）

除了地面上的测量，卫星也能看到大气氨的污染状况。

比如，欧洲的一颗卫星就发现，我国华北、印度北部和非洲中部等地区是全球氨气浓度的热点区。

同时，卫星上还观察到很多工业源或化工厂排放氨气的信号。

图7 全球大气氨浓度的卫星观测结果（图片来自网络）

氨气停留在大气中会加剧霾污染，它也会躲进云、雨、气溶胶或者直接随着大气传输到森林或草地等自然环境中，进而造成生物多样性降低和温室气体排放等一系列危害。这一现象的科学称呼是“大气氮沉降”，是全球氮循环的重要环节，是连接大气圈和生物圈的纽带。

图8 中科院额尔古纳大气氮沉降试验场。氮添加后，喜氮植物疯狂生长，逐渐成为优势种，处于竞争劣势的其它植物群落数量减少。（吕晓涛 摄）

过去几十年，“大气氮沉降”的潜在影响备受关注。科学家在草地或森林的土壤上面，用洒水壶“喷淋施肥”来模拟大气氮沉降，进而观察自然生态系统的反应。通过这样的野外实验，科学家想弄清楚一件事：大气传输过来的这些“外来氮”沉降到地表后，是否会影响地球系统的正常运转，影响的程度和方式怎样，又如何调控这些影响。

图9 中国科学院清原森林生态系统观测研究站。实验人员在林下土壤开展喷淋施肥模拟氮沉降。（习丹 摄）

近年来，有科学家逐渐意识到，以往的“喷淋施肥”实验有些问题。因为，大气传输来的“外来氮”首先接触的是植物，而不是土壤。尤其是在森林地区，植被才是接收大气氮沉降的“第一高度”。于是，研究人员开始尝试用飞机在森林上空喷水施肥，来进一步观察森林的反应。

美中不足的是，在飞机上给森林“喷淋施肥”的实验仍然不完整。因为它只考虑了看得见的雨水，而忽略了隐形的“外来氮”，那就是通过大气传输过来的氨气（干沉降）。

图10 氮沉降的三种主要途径：降水（湿沉降）、气体和颗粒物（干沉降）(潘月鹏 绘)

其实，氨气沉降到地表后，像二氧化碳一样，可以直接进入叶孔，参与植物的生理过程。

但不利的影响也会存在。

比如，英国科学家就在泥炭沼泽湿地实施了一项“喷氨施肥”实验，随后发现，当氨气沉降量达到每年70公斤/公顷的时候（相当于华北氮沉降量），只需要3年时间，沼泽植被盖度和组成就会发生明显变化，敏感的物种会消失。

图11 大气氨干沉降到地表后，可以通过叶孔进入植物（氨气影响下叶片损伤，变成棕褐色）。（图片来源：Ian D. Leith. Global Change Biology，2011）

然而，如果使用“喷淋施肥”来模拟氮沉降的影响，湿地物种组成的变化要到第5年才出现。这就告诉我们，在相同大气氮沉降量的情况下，氨气干沉降对植物群落的影响速度要比湿沉降快两年。而这也是科学家最担心的事情，因为以往的氮沉降都是“喷淋施肥”，没有考虑氨气干沉降的影响，也就预测不到这种快速的变化。

更为紧迫的是，现在全球各地大气氨浓度都在升高，我们不得不考虑它的潜在影响。

对于不同类型的自然植被而言，高浓度的氨气是天然的氮肥，还是另一个潘多拉魔盒，是未来大气氮沉降模拟实验应该重点探索的内容。

有关“喷氨施肥”的实验构想和来龙去脉可以参见Atmospheric and Oceanic Science Letters 大气活性氮专刊。

图12 模拟大气氮沉降的野外控制实验：（a）传统的林下施氮方式（模拟湿沉降）；（b）林冠施氮方式（模拟湿沉降）；（c）未来模拟林冠干、湿沉降的方式（模拟不同氮沉降形式：干、湿沉降；不同形态的氮：氧化态和还原态，尤其是氨气）。(图片来源：Atmospheric and Oceanic Science Letters，https://doi.org/10.1080/16742834.2020.1733919)

面对持续升高的氨气及不利影响，全球行动不一。欧洲较早提倡氨减排，但在强制欧美改善空气质量的《哥德堡议定书》中，欧盟只提出6%的氨减排目标，与二氧化硫（59%）和氮氧化物（42%）的宏伟减排计划相比少的可怜。美国国家大气沉降观测计划已将氨浓度列入监测指标。“十三五”期间，我国开展“化学肥料减施”和“农畜牧业氨控制”科技攻关。2020年3月，河北省印发锅炉、水泥、平板超低排放标准，将“氨逃逸”列为重点监管内容。这一系列操作将引领我国氨气减排进入快车道。

氨气减排，未来可期。

来源：中国科学院大气物理研究所