北大物理學院張霖研究員等指出農業土壤氮氧化物排放對我國大氣臭氧污染治理提出新挑戰

北京大學物理學院大氣與海洋科學系張霖研究員課題組與環境科學與工程學院張遠航院士等合作研究,指出我國華北平原夏季大量土壤氮氧化物排放降低了人為减排對控制臭氧污染的有效性,並導致一種“懲罰效應”,為我國大氣臭氧污染治理帶來新挑戰。我國正面臨著日益嚴峻的臭氧污染形勢。

北京大學物理學院大氣與海洋科學系張霖研究員課題組與環境科學與工程學院張遠航院士等合作研究,指出我國華北平原夏季大量土壤氮氧化物排放降低了人為减排對控制臭氧污染的有效性,並導致一種“懲罰效應”,為我國大氣臭氧污染治理帶來新挑戰。相關成果2021年8月18日線上發表於《自然▪通訊》(Nature Communications)。

近地面臭氧作為一種主要大氣污染物,危害人體健康和植被,並顯著影響大氣氧化性。我國正面臨著日益嚴峻的臭氧污染形勢。全球監測資料表明,當前我國華北平原夏季臭氧濃度和健康暴露水准顯著高於其他北半球中緯度都市地區。儘管2013年我國實施《大氣污染防治行動計劃》以來,大幅减少了氮氧化物(臭氧主要前體物)等污染物的人為排放,並有效控制了細顆粒物(PM2.5)污染,但華北平原夏季大氣臭氧濃度在2013—2019年期間仍以每年超過3 ppbv的速率增長,是全球近十年臭氧增長最快的區域。

北京大學物理學院大氣與海洋科學系張霖研究員課題組與環境科學與工程學院張遠航院士等合作研究,指出我國華北平原夏季存在大量土壤氮氧化物排放,抑制了大氣臭氧污染對於人為化石燃料燃燒所引起的氮氧化物排放的敏感性,從而降低了人為减排對控制臭氧污染的有效性,導致一種“懲罰效應”,這就要求額外的人為减排力度,給我國臭氧治理提出了新挑戰。

近地面臭氧主要是由氮氧化物、揮發性有機物、一氧化碳等在光照條件下通過二次化學反應生成的。華北平原是我國氮氧化物人為排放(主要來自能源工業、交通和居民生活等)最活躍的地區;與此同時,由於密集的農業活動,含氮化肥施用和大氣氮沉降過程將氮素輸入到土壤中,在一定氣象條件下,土壤微生物的硝化/反硝化過程也將重新向大氣排放氮氧化物。土壤氮氧化物排放模型測算結果表明,華北平原夏季土壤氮氧化物排放量可達該地區人為氮氧化物排放量的20%,其中由農業化肥施用所導致的土壤氮氧化物排放量約占60%。這一工業和農業來源氮氧化物排放疊加的特徵與日本、韓國、美國西部及歐洲中部等國家和地區的臭氧污染熱點區域顯著不同。土壤氮氧化物排放源在當前我國臭氧污染治理策略設計中尚未被充分考慮,在眾多應用於我國臭氧源解析和减排情景類比的空氣品質模型中也一直被忽略。

聯合研究團隊使用GEOS-Chem大氣化學數值模型,借助高性能計算平臺描述大氣污染物的排放、化學、沉降和傳輸過程,重現了我國華北平原夏季臭氧污染的時空分佈特徵(圖1a,b),並分解出人為排放對臭氧污染的貢獻值,該名額可以用來衡量通過人為污染物减排所能達到的最大臭氧濃度下降值。研究發現,該名額在存在土壤氮氧化物排放(現實情景,圖1c)時為21 ppbv,較不存在土壤氮氧化物排放時的31 ppbv(圖1d)低30%左右;這不僅意味著華北平原土壤氮氧化物的存在大大削弱了採取减排措施可以達到的臭氧治理效果,也體現出華北平原工業和農業來源氮氧化物在臭氧化學形成中的相互競爭效應(二者在此前的臭氧研究中並沒有被認識到)。

圖1.土壤氮氧化物排放對華北平原夏季近地面臭氧污染人為源貢獻估算的影響:(a)和(b)分別展示了2017年7月華北平原都市網站觀測和類比的月均最大臭氧8h濃度值的空間分佈;(c)和(d)分別展示了在有/無土壤氮氧化物排放的情景下通過數值模型計算的人為排放源所致臭氧貢獻值

對這種競爭效應進行量化的結果呈現出存在土壤氮氧化物排放時臭氧對於人為氮氧化物减排的響應明顯小於不存在土壤氮氧化物時的情景(圖2);這說明,土壤氮氧化物的存在使得大氣臭氧化學生成對人為氮氧化物更加不敏感。當人為氮氧化物排放完全去除時,華北平原土壤氮氧化物生成的大氣臭氧濃度將從現實情景的2.9 ppbv新增到15 ppbv,大大抵消了氮氧化物人為减排帶來的臭氧减少。換句話說,當使用空氣品質數值模型對臭氧進行减排效果評估時,忽略土壤氮氧化物排放所得的减排效率將會顯著過高。

圖2.土壤氮氧化物排放抑制了大氣臭氧對人為氮氧化物排放的敏感性:黑線和灰線分別代表空氣品質數值模型在有/無土壤氮氧化物排放情景下,華北平原臭氧濃度對人為氮氧化物排放下降20%~100%的響應(左軸);紅線表示土壤氮氧化物排放在不同人為排放情景下對大氣臭氧生成的貢獻,即黑線和灰線之差(右軸)

囙此,土壤氮氧化物排放的存在將導致一種“懲罰效應”,即為實現一定臭氧控制目標所要求的額外的人為氮氧化物减排量。研究顯示,若將2017年7月現實情景中華北平原的臭氧濃度降低5 ppbv,該效應為13%(單獨减排人為氮氧化物)或4%(同步减排氮氧化物、揮發性有機物和一氧化碳);在更嚴格的臭氧控制目標(如將臭氧濃度降低15 ppbv)下,該效應也將大於10%。隨著工業活動等來源產生的氮氧化物排放在當前减排舉措下不斷减少,土壤氮氧化物帶來的“懲罰效應”將愈發顯現。

這項研究指出了與其他臭氧污染嚴重的國家和地區相比,我國華北平原的土壤氮氧化物高排放帶來額外的挑戰。施用含氮化肥是保障糧食安全的重要途徑,囙此土壤氮氧化物的排放並不能簡單地被削减,這就迫切要求我們進一步加強人為氮氧化物的减排,或者實施對氮氧化物和揮發性有機物的協同减排,以實現臭氧污染治理。另一方面,如果能够通過提高氮肥施用效率控制土壤氮氧化物排放,將對保障空氣品質、人類健康、食品安全,減緩氣候變化和保護生物多樣性等產生多重效益,也有助於提高當前减排措施對臭氧污染防治的成效。

相關研究成果以“農業土壤氮氧化物排放在華北平原臭氧污染防治中被低估的作用”(The underappreciated role of agricultural soil nitrogen oxide emissions in ozone pollution regulation in North China)為題,2021年8月18日線上發表於《自然▪通訊》(Nature Communications);物理學院2019届博士畢業生盧驍(現為中山大學大氣科學學院副教授)為第一作者,張霖研究員和張遠航院士為共同通訊作者,物理學院博士研究生葉興沛(2020級)、周密(2016級)也參與了主要研究工作。其他合作者包括北京大學物理學院林金泰研究員課題組、都市與環境學院周豐研究員及來自中國海洋大學、清華大學、華東師範大學、香港浸會大學、美國哈佛大學、法國氣候與環境科學實驗室(LSCE)等國內外高校和科研機構的科研人員。

上述研究工作得到國家重點研發計畫和國家自然科學基金資助。

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本文標題: 北大物理學院張霖研究員等指出農業土壤氮氧化物排放對我國大氣臭氧污染治理提出新挑戰
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656047191478202
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