中国农业大学资环学院刘学军教授团队揭示中国氮沉降四十年：从达峰转折到农业氨主导

9月14日，中国农业大学资源与环境学院刘学军教授团队联合中国科学院南京地理与湖泊研究所刘磊研究员及国内外二十余家科研机构学者，在《自然综述·地球与环境》（Nature Reviews Earth & Environment）发表综述论文《中国氮沉降的驱动因素、变化趋势与影响》（Drivers, trends and impacts of nitrogen deposition in China）。张福锁院士、许稳教授等为共同作者。论文整合全国氮沉降监测网络（NNDMN）实测与多模型模拟，系统梳理1980年以来中国活性氮沉降从排放、传输、干湿沉降到土壤酸化、水体富营养化、生物多样性丧失与碳汇响应的完整链条，并提出将农业氨管理纳入气候与空气质量协同政策框架。

氮沉降是大气中含氮化合物以干、湿沉降形式降落到陆地和水体中的过程，是连接大气污染与陆地生态系统退化的重要桥梁。过量氮沉降会引发土壤酸化、水体富营养化、生物多样性丧失等一系列连锁效应。中国作为全球最大的氮沉降热点区，其变化趋势对维持生态系统功能和可持续性至关重要。

图1 活性氮的氮源、排放及控制其干湿沉降的过程。排放污染物包括二氧化硫、氮氧化物和氨；二次无机气溶胶包括硝酸铵(NH₄NO₃)和硫酸(氢)铵((NH₄)₂SO₄或NH₄HSO₄)，它们是细颗粒物(PM_2.5)的关键组分；活性氮(Nr)沉降包括干沉降（气体和颗粒物直接向地表转移）和湿沉降(通过降水对活性氮的清除和沉降)。在活性氮的完整大气生命周期中——从排放源经化学转化到沉降——空气污染最终驱动陆生和水生生态系统的退化。

研究发现，中国活性氮沉降总量从1980年起持续以每年3%至5%的速率增长，到2010年至2012年间达到峰值——每年约1640万吨氮（即16.4 Tg N yr^-1）。此后受《大气污染防治行动计划》等政策驱动，工业氮氧化物（NOx）大幅减排，到2020年全国总沉降降至每年1330万吨氮，其中工业源氧化态氮（NOy）降约34%。但农业来源的还原态氮（NHx）仅在2015年后小幅下降，至2020年已占总量60%至70%。这意味着中国氮沉降的核心矛盾由“工业与农业并重”转为“农业氨氮主导”。

空间分布上，氮沉降热点集中于华北平原、长江中游和四川盆地等工农业密集区域。2011-2020年，城市监测点年均总氮沉降48 kg N/ha、农村地区为39 kg N/ha、背景区域低于10-15 kg N/ha；北方以干沉降为主（占50-70%），东南以湿沉降为主（占50-60%）。模型与卫星混合估算显示，东部年均值达30-60 kg N/ha，西部多低于10 kg N/ha。

图2 中国活性氮沉降的变化。a. 1980年至2020年间模拟的总活性氮沉降。b. 1980年至2020年间模拟的总氨和铵沉降预算。c. 1980年至2020年间模拟的总活性氮氧化物沉降。d. 基于国家氮沉降监测网络观测，2010年至2020年间实测的平均总Nr沉降。e. 2010年至2020年间实测的平均总氨沉降。f. 实测的平均总硝氮沉降。g. 实测的氨硝沉降之比。h. 实测的平均干沉降。i. 实测的平均湿沉降。

研究进一步揭示了氮沉降驱动机制的复杂性。全国陆地氮沉降的90%至95%来自国内排放源。氨因大气寿命短，因此沉降对氨排放高度敏感。2005年至2015年SO2大幅减排，使氨向铵盐转化减慢15-25%，气态氨寿命延长，远距离输送增强，重新塑造区域干沉降格局。研究特别指出了“自挫循环”：继续削弱SO2和NOx会延长气态氨寿命，增加干氨沉降，因而单靠工业脱硫脱硝不能解决农业氨问题。

在生态影响方面，研究评估了氮沉降对土壤酸化、水体富营养化和生物多样性的三重压力。中国南方、中部高沉降区表土pH每年下降0.004至0.013；1980年代以来内陆水体活性氮输入翻番，太湖流域大气氮占三分之一，还原态氮促蓝藻暴发，死藻分解致缺氧“死区”；高寒草甸与温带草地长期施氮导致物种丰富度下降20%到35%，稀有种优先消失。

图3 活性氮沉降及其环境影响。活性氮沉降与空气质量、生物多样性、森林生长、水质、土壤化学和陆地碳汇密切相关。本图总结了活性氮沉降对环境和人类健康产生的复杂级联影响，展示了大气污染物和气候因素如何最终改变土壤化学性质、减少陆地碳汇、引发生物多样性丧失和富营养化，并威胁水质和公众健康。

基于稳态质量平衡的高分辨率临界负荷评估显示，2020年仍有约15%陆地超富营养化临界负荷。若在现有减排计划上进一步强化氨排放路径，富营养化超标面积可降至7%，基本消除源头溪流的酸化风险。研究建议推广合作社统施与手机实时氮顾问，补贴由“按施肥量”改为“按效率”，并把氨减排写入PM_2.5与臭氧协同管控目标。

图4 食物系统中氮沉降削减与管理的框架。多目标氮管理旨在通过提高氮利用效率、  促进循环利用以及减少活性氮排放和沉降，来推动农业系统和人类系统的可持续性。

研究最后提出了四个优先方向：一是完善监测网络，扩建高原、西北等稀疏区站点，改进氨双向干沉降参数；二是用同位素稀释法、高分辨质谱等研究气溶胶-沉降反馈及氮-磷-碳-硫耦合；三是建立跨大气-水-土壤多介质的整合氮阈值，防止“污染搬家”——即解决一个问题却恶化另一个；四是推动跨学科研究与适应性治理，以农学、大气科学、生态学、经济学、社会科学等多学科联合，打破传统学科壁垒，将科学认知嵌入适应性政策框架。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省基础研究计划等资助。刘学军教授为通讯作者，刘磊和刘学军为论文并列第一作者，中国农业大学为第一单位。