图 大气铵态氮同位素分析的方法原理和关键发现

在国家自然科学基金项目(批准号：42125301、41730855、42073005)等资助下，天津大学刘学炎教授团队与国内外合作者在大气铵态氮同位素研究方面取得进展。研究成果以“燃烧相关的源对氨排放有重要贡献(Significant contributions of combustion-related sources to ammonia emissions)”为题，于2022年12月13日在《自然·通讯》(Nature Communications)杂志发表。

氮循环变化是人类世地表生态环境和气候变化的诱因之一，关系到水-土-气环境质量、粮食生产、生态系统的结构功能和气候反馈。合成氨是化学氮肥的主要原料，氨燃料也是实现能源动力领域“碳中和”的关键物质。然而，工业革命以来人口增长和经济发展导致了大气中氨气和铵根浓度、库存、沉降通量持续增加，正确认识大气氨的主要陆地排放源贡献是制定氨减排策略和评估人为氨生态、环境和气候效应的关键。

由于氨的溶解性和化学反应活性高，其大气寿命较短，但铵根的大气传输明显，导致特定监测点和下垫面的大气铵态氮来源复杂和混合程度高。在区域和全球尺度，以农业氮肥施用和养殖废弃物为主的氨挥发一直被认为是大气中铵态氮的主要来源。近年来，来自实验模拟、地面采样分析、卫星遥感监测，以及更精确的排放清单统计等越来越多的研究证据表明：以燃煤(城市及周边工业煤燃烧、非城市地区散煤燃烧)和燃油(以城市交通为热点，非城市地区也广泛分布)为主的化石能源以及以农作物秸秆和自然火灾为主的生物质燃料燃烧排放了大量氨。然而，广泛存在的燃烧相关氨的排放因子和排放强度难以准确约束，导致燃烧相关氨的排放量及其对区域大气氨的贡献并不确定。

上世纪五十年代以来，氮稳定同位素已逐步成为追踪大气铵态氮来源的有力工具，至今已在东亚、北美和欧洲三大高氮污染区开展了大量观测(图)。然而，如何厘清大气铵态氮的氮同位素变化机理、实现源贡献的同位素定量评估一直是大气系统氮同位素地球化学的一大难题。基于上述背景和问题，研究团队1)详细约束了大气氨、颗粒物铵和降水铵与初始排放氨混合物之间的氮同位素效应;2)重建了东亚、北美和欧洲观测区大气初始排放氨混合物的氮同位素比值，发现大气初始排放氨混合物的氮同位素比值呈现北美>欧洲>东亚，但过去几十年来三个地区的大气初始排放氨混合物的氮同位素比值均下降，表明北美燃烧相关氨的相对占比高于欧洲和东亚，但三个地区挥发氨的占比均呈增加趋势;3)结合主要燃烧相关氨和挥发氨的氮同位素端元值和挥发氨的排放量，应用同位素质量平衡模型计算了三个研究区燃烧相关氨的占比和排放量：分别为东亚40±21%(6.6±3.4 Tg N yr-1)、北美49±16%(2.8±0.9 Tg N yr-1)和欧洲44±19%(2.8±1.3 Tg N yr-1)(图)。这些结果揭示燃烧相关氨对大气铵态氮有重要贡献，提供了新的区域氨排放数据，为当前和未来大气氨减排策略制定、沉降量清算和效应评估提供了新的科学证据。