和“潘安”一起念“黑化肥會揮發”_風聞

中國科學院大氣物理研究所有一位潘月鵬研究員，專注於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”之名始於杜甫的《花底》詩：“恐是潘安縣，堪留衞玠車”。潘安即潘岳，西晉著名文學家。在他生活的時代，栽培綠肥就記載於《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”。這裏的“苕草”就是我國古代農業生產用到的一種肥料。

圖1 毛葉苕子。苕子可作綠肥，具有產量高、適應性廣、固氮能力強等特點。（圖片來自網絡）

中國古語説：莊稼一枝花，全靠肥當家。沒有足夠的肥料，農業必然因地力衰退而歉收。在化肥沒有發明出來的年代，南美還曾爆發了一場持續四年的戰爭，起因竟是爭奪海鳥糞——“天然肥料”。那是在19世紀，歐洲爆發工業革命後，人口數量激增，糧食供應日趨緊張。面對農業發展的迫切需求，科學家們很快發現植物從腐殖質中獲取養分。海鳥糞由於富含氮和磷，是那個時代最理想的天然有機肥，因此成為戰略資源。

圖2 南美海島鳥糞開採。南美花崗岩海島寸草不生，周圍魚類眾多，成為海鳥天堂，鳥糞厚達幾十米。（圖片來自網絡）

事實上，地球大氣中氮含量富足，但主要是氮氣，無法被植物直接吸收利用。自然環境下，只有閃電或者固氮菌可以把氮氣轉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活幾個素食者。

圖3 豆科植物根瘤中的固氮菌，可以把氮氣變成生物可利用的有效氮。（圖片來自網絡）

直到1908年，德國科學家用空氣合成了氨，化肥生產進入工業化時代。現在，每公頃的土地可以承載幾十人的口糧。毫不誇張的説，氮肥的發明養活了地球上至少一半的人口。

然而，工業氮肥的大量投入很快打破了自然界的平衡。

現在，全球每年的氮肥生產和化石燃料燃燒排放的活性氮，已經超過了生物固氮和閃電等自然固氮量。這個平衡被打破後，就像打開了潘多拉魔盒，負面的效應也越來越多，並且逐漸影響着我們的生活環境。

圖4 潘多拉魔盒（圖片來自網絡）

比如，農田過量施肥後，沒有被作物吸收的氮就變成了妖魔鬼怪，無孔不入：留在農田裏會導致土壤板結和酸化，進入地下水會造成硝酸鹽超標，匯入河流湖海會引起水體的富營養化。歐洲水體酸化最嚴重的時期，一些湖泊甚至出現魚蝦絕跡的現象。

此外，農田施加的氮肥還有一部分通過氨氣揮發的形式進入到大氣中，與工業排放的污染物發生化學反應，使得大氣污染雪上加霜。

時下，春播已經開始，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，監測北京城市大氣氨的儀器上經常出現氨氣脈衝峯，當這些富含氨氣的污染氣團經過北京時，氨氣濃度是春節期間的十幾倍。

中科院大氣所還在全國組網監測大氣氨的時空變化，發現華北是我國氨氣濃度最高的區域。這個觀測網絡有53個站點，如果按照土地類型區分，農業地區的大氣氨濃度最高，其實這不奇怪，因為施肥會釋放氨氣進入大氣。然而，意想不到的是排在第二名的站點類型，竟然是城市地區。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普遍現象，不只出現在華北。對於城市大氣氨的來源，大部分人的第一直覺是農田傳輸來的。其實，除了施肥，養殖場也排放大量氨。另外，在農業活動靜默的冬季，機動車、燃煤和電廠逃逸的氨氣相對更多，科學家也發現了這些燃燒源排放氨氣的同位素證據。

圖6 中國科學院大氣物理研究所大氣氨溯源採樣器（潘月鵬 攝）

除了地面上的測量，衞星也能看到大氣氨的污染狀況。

比如，歐洲的一顆衞星就發現，我國華北、印度北部和非洲中部等地區是全球氨氣濃度的熱點區。

同時，衞星上還觀察到很多工業源或化工廠排放氨氣的信號。

圖7 全球大氣氨濃度的衞星觀測結果（圖片來自網絡）

氨氣停留在大氣中會加劇霾污染，它也會躲進雲、雨、氣溶膠或者直接隨着大氣傳輸到森林或草地等自然環境中，進而造成生物多樣性降低和温室氣體排放等一系列危害。這一現象的科學稱呼是“大氣氮沉降”，是全球氮循環的重要環節，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場。氮添加後，喜氮植物瘋狂生長，逐漸成為優勢種，處於競爭劣勢的其它植物羣落數量減少。（呂曉濤 攝）

過去幾十年，“大氣氮沉降”的潛在影響備受關注。科學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，進而觀察自然生態系統的反應。通過這樣的野外實驗，科學家想弄清楚一件事：大氣傳輸過來的這些“外來氮”沉降到地表後，是否會影響地球系統的正常運轉，影響的程度和方式怎樣，又如何調控這些影響。

圖9 中國科學院清原森林生態系統觀測研究站。實驗人員在林下土壤開展噴淋施肥模擬氮沉降。（習丹 攝）

近年來，有科學家逐漸意識到，以往的“噴淋施肥”實驗有些問題。因為，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，植被才是接收大氣氮沉降的“第一高度”。於是，研究人員開始嘗試用飛機在森林上空噴水施肥，來進一步觀察森林的反應。

美中不足的是，在飛機上給森林“噴淋施肥”的實驗仍然不完整。因為它只考慮了看得見的雨水，而忽略了隱形的“外來氮”，那就是通過大氣傳輸過來的氨氣（幹沉降）。

圖10 氮沉降的三種主要途徑：降水（濕沉降）、氣體和顆粒物（幹沉降）(潘月鵬 繪)

其實，氨氣沉降到地表後，像二氧化碳一樣，可以直接進入葉孔，參與植物的生理過程。

但不利的影響也會存在。

比如，英國科學家就在泥炭沼澤濕地實施了一項“噴氨施肥”實驗，隨後發現，當氨氣沉降量達到每年70公斤/公頃的時候（相當於華北氮沉降量），只需要3年時間，沼澤植被蓋度和組成就會發生明顯變化，敏感的物種會消失。

圖11 大氣氨幹沉降到地表後，可以通過葉孔進入植物（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。這就告訴我們，在相同大氣氮沉降量的情況下，氨氣幹沉降對植物羣落的影響速度要比濕沉降快兩年。而這也是科學家最擔心的事情，因為以往的氮沉降都是“噴淋施肥”，沒有考慮氨氣幹沉降的影響，也就預測不到這種快速的變化。

更為緊迫的是，現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。

對於不同類型的自然植被而言，高濃度的氨氣是天然的氮肥，還是另一個潘多拉魔盒，是未來大氣氮沉降模擬實驗應該重點探索的內容。

有關“噴氨施肥”的實驗構想和來龍去脈可以參見Atmospheric and Oceanic Science Letters 大氣活性氮專刊。

圖12 模擬大氣氮沉降的野外控制實驗：（a）傳統的林下施氮方式（模擬濕沉降）；（b）林冠施氮方式（模擬濕沉降）；（c）未來模擬林冠幹、濕沉降的方式（模擬不同氮沉降形式：幹、濕沉降；不同形態的氮：氧化態和還原態，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，但在強制歐美改善空氣質量的《哥德堡議定書》中，歐盟只提出6%的氨減排目標，與二氧化硫（59%）和氮氧化物（42%）的宏偉減排計劃相比少的可憐。美國國家大氣沉降觀測計劃已將氨濃度列入監測指標。“十三五”期間，我國開展“化學肥料減施”和“農畜牧業氨控制”科技攻關。2020年3月，河北省印發鍋爐、水泥、平板超低排放標準，將“氨逃逸”列為重點監管內容。這一系列操作將引領我國氨氣減排進入快車道。

氨氣減排，未來可期。

來源：中國科學院大氣物理研究所