Nature正刊最新文章！德國馬克斯普朗克生物地球化學(xué)研究所揭示全球人為活性氮的凈氣候效應(yīng)

自工業(yè)革命以來，農(nóng)業(yè)化肥的使用和化石燃料的燃燒極大地增加了環(huán)境中活性氮的含量，并造成了許多如空氣污染、水體富營養(yǎng)化等的環(huán)境挑戰(zhàn)。然而，人為活性氮對于地球氣候系統(tǒng)的影響卻鮮為人知。最近，一項由德國馬克斯普朗克生物地球化學(xué)研究所研究人員領(lǐng)銜的國際研究，綜合了多個陸面生態(tài)模型和大氣化學(xué)傳輸模型，發(fā)現(xiàn)歷史人為活性氮排放對氣候造成了凈冷卻效應(yīng)，從而部分抵消了化石燃料二氧化碳排放引起的全球增暖。這項研究于2024年7月24日以“Global net climate effects of anthropogenic reactive nitrogen”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》上。

氮元素以多種形式存在于土壤、水和空氣中，因此會通過各種途徑影響氣候。氮氣占空氣的78%左右，但因其較強的惰性對氣候不造成影響。但所有其他氮化合物（科學(xué)上稱為活性氮）都會對全球氣候產(chǎn)生直接或間接的影響，并引發(fā)增暖或冷卻效應(yīng)：例如，一氧化二氮，俗稱笑氣，主要由富氮土壤和化石燃料燃燒排放，其溫室效應(yīng)幾乎是二氧化碳的 300 倍。相比之下，化石燃料燃燒產(chǎn)生的短壽命氮氧化物以及化肥生產(chǎn)施用而排放的氨氣在大氣中形成細(xì)小懸浮顆粒。它們遮擋陽光，從而使氣候變冷。同時，大氣中的活性氮沉降到陸地上，使植物生長得更茂盛，從而從大氣中吸收更多的二氧化碳，這也具有冷卻效果。此外, 氮氧化物還會通過增加大氣氧化性，降低大氣甲烷濃度并因此冷卻大氣。然而，氮氧化物也會刺激對流層中另一種溫室氣體臭氧的形成，并加劇全球變暖。

圖1. 人為活性氮影響氣候的過程示意圖

在這項由馬克斯普朗克生物地球化學(xué)研究所的宮成博士和 Sönke Zaehle教授領(lǐng)銜的研究中，總結(jié)了人為活性氮的各種增暖和冷卻效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，通過人類活動進(jìn)入地球系統(tǒng)的活性氮使氣候每平方米冷卻 -0.34 瓦 - 在氣候研究中，這被稱為凈負(fù)輻射強迫。相比之下，根據(jù)政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 在其最新評估報告中指出的，人為活動使2011-2020年大氣平均每平方米額外加熱 2.7 瓦，其中化石燃料產(chǎn)生溫室氣體占主要貢獻(xiàn)，與此同時，與工業(yè)化前相比，地球在此期間升溫了 1.1 攝氏度。“人為氮輸入造成的負(fù)輻射強迫不能簡單地轉(zhuǎn)化為全球平均溫度的變化，因為有些影響發(fā)生在局部地區(qū)，氣候系統(tǒng)對輻射強迫的這種變化的反應(yīng)很復(fù)雜，”這項研究的共同作者、馬克斯普朗克生物地球化學(xué)研究所所長 Sönke Zaehle 說。

圖2. 全球人為活性氮的凈輻射強迫

盡管一氧化二氮具有變暖效應(yīng)，但這項新研究表明，如果沒有人為的氮輸入，氣候會進(jìn)一步升溫。然而，這項研究的作者強調(diào)，“這聽起來可能是個好消息，但氮排放同時也有許多有害影響，例如對健康、生物多樣性和臭氧層，因此，目前的發(fā)現(xiàn)并不是掩蓋有害影響的理由，更不用說將額外的氮輸入視為對抗全球變暖的一種手段“

在這項跨學(xué)科的研究中，研究團(tuán)隊首先分析了最終進(jìn)入土壤、水或空氣的各種活性氮的強度，然后確定了人類活動產(chǎn)生的活性氮的總氣候影響。通過整合 NMIP2 項目的陸地生態(tài)模型結(jié)果，并結(jié)合使用大氣化學(xué)傳輸模型GEOS-Chem，研究團(tuán)隊計算了人為氮排放對輻射強迫的影響，即單位時間內(nèi)照射到地球表面一平方米的輻射能量。“以前基于文獻(xiàn)研究的估計通常是零散的，因此忽略了全球氮循環(huán)過程在空間上的強異質(zhì)性和高度非線性，”馬克斯普朗克生物地球化學(xué)研究所博士后、這項研究的第一作者宮成說。“我們的研究結(jié)果強調(diào)了考慮生物地球化學(xué)、大氣化學(xué)和氣候之間的相互作用對于了解人為活性氮對氣候的影響的重要性，并因此呼吁更多的學(xué)科交叉合作，從而能更加系統(tǒng)地提高對于人類活動影響全球碳氮循環(huán)和氣候影響的理解水平。”

圖3. 整合NMIP2的多個陸地生態(tài)模型和CEDS人為排放清單得到的全球人為活性氮的歷史排放趨勢

“應(yīng)該減少氮排放，”Sönke Zaehle 說。“改進(jìn)農(nóng)業(yè)實踐有助于更有效地利用氮作為肥料。例如，通過這種方式，可以減少導(dǎo)致全球變暖和破壞臭氧層的一氧化二氮排放，”Sönke Zaehle 繼續(xù)說道。“然而，重要的是要認(rèn)識到，雖然減少人為氮投入有利于人類健康和生態(tài)系統(tǒng)，但也會對氣候產(chǎn)生影響。因此，除了減少活性氮之外，溫室氣體的排放，尤其是化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳和甲烷，也必須更大程度地減少。只有這樣，我們才能更好地保護(hù)健康和自然，并緩解氣候變化。”