氮肥施用是保障粮食安全的关键措施之一，对提高农作物产量、增强土壤肥力、促进农业可持续发展具有不可替代的作用。然而，过量或不合理的氮肥施用不仅降低肥料利用率，还会导致温室气体排放增加和大气污染等一系列气候或环境问题。中国作为全球最大的化肥消耗国，过量施肥导致的农田活性氮（Nr，包括NH3、N2O、NO和HONO）排放对区域大气环境的影响不容忽视。在当前其他人为污染源得到有效控制并逐步减少的背景下，明确农田Nr排放的时空分布特征及其对区域细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）污染的贡献将有助于“持续深入打好蓝天、碧水、净土保卫战”。然而，现有研究多基于统计方法估算农田Nr的年排放量，缺乏高时空分辨率的排放数据，制约了农田Nr在PM2.5与O3污染形成过程中作用的模拟准确性。中国科学院东北地理与农业生态研究所区域大气环境学科组研究人员将国际上先进的基于过程的农业生态模型FEST-C*进行本地化改进，成功构建了WRF-FEST-C*-CMAQ多模型系统。应用该系统对2020年中国农田Nr排放进行逐日模拟，深入分析了其时空分布特征及主要驱动因素，全面评估了农田Nr排放对区域大气PM2.5和O3生成的影响。
研究发现，2020年中国农田Nr排放总量为6.32 Tg，其中NH3、N2O、NO和HONO的排放量分别为4.21 Tg、0.85 Tg、0.66 Tg和0.60 Tg（图1）。在各类Nr物种中，NH3排放受施肥影响最为明显，约14%的农田氮会转化为气态NH3挥发至大气中。华北、东南和西南地区是Nr排放的热点区域，其排放总量占全国80%以上。小麦、玉米和水稻是中国农田 Nr 排放的主要作物，其贡献率分别为36%、24%和 22%。作为我国粮食主产区，华北地区农田Nr排放主要集中在6月、7月和10月，东南地区的Nr排放峰值在3月和4月，而东北地区为5月和6月，这种排放时间特征与各地区主要作物的施肥与播种时间相一致。值得注意的是，农田N2O排放在8月有一定的升高，表明N2O排放也受到除施肥外的其他环境因素的影响。基于结构方程模型、随机森林及优势分析等方法对影响各区域农田Nr排放的驱动因素进行分析，发现氮肥施用量、土壤温度和土壤湿度是影响Nr排放的主控因素且与排放呈显著正相关。从一年一熟到一年三熟制地区，氮肥施用量、土壤温度和土壤湿度对除HONO外的其他Nr物种排放的相对重要性增加了5%-15%，而农田HONO排放在一年两熟和一年三熟制地区主要受土壤温度和湿度的影响。农田NO和HONO排放促进了区域大气O3的生成，导致全国8小时滑动平均O3浓度升高约8%，这种促进作用在华北地区最为明显。在华北南部和东南部地区，农田NO和HONO排放导致小时 O3浓度下降，其主要原因是夜间O3被大气中的NO快速滴定而消耗（图2）。
图1 2020年中国农田活性氮排放量、空间分布及月变化
图2 华北南部和东南部地表O3浓度和模型模拟的农田 NO 和HONO 排放日变化 (a) 以及夜间地表O3与NO和HONO之间的主要化学转化过程 (b)
相关成果发表在国际期刊《Science of the Total Environment》和《Agriculture》上，东北地理所区域大气环境学科组博士生张萌铎和张学磊副研究员为共同第一作者，修艾军研究员为通讯作者。该研究得到中国科学院人才计划和国家自然科学基金等项目共同资助。
论文信息：
Zhang,M.,Zhang,X.,Gao,C.,Zhao,M.,Zhang,S.,Xie,S.,Ran,L.,Xiu,A. Reactive nitrogen emissions from cropland and their dominant driving factors in China. Science of The Total Environment,2025,968: 178919.https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2025.178919.
Zhang,M.,Zhang,X.,Gao,C.,Zhao,M.,Zhang,S.,Xie,S.,Xiu,A. Quantifying the impact of fertilizer-induced reactive nitrogen emissions on surface ozone formation in China: Insights from FEST-C* and CMAQ Simulations. Agriculture,2025,15(6):612. https://doi.org/10.3390/agriculture15060612.
