化肥及氣候暖化導致土壤亞硝酸排放上升 加劇全球臭氧污染
大氣臭氧污染不但危害人類健康及農作物生長，更加劇氣候暖化，已成為全球環境問題。臭氧的形成除了可歸咎於人為污染物，與土壤排放亦有密切關係。香港理工大學（理大）研究人員整合了1980年至2016年間的全球土壤亞硝酸（HONO）排放數據，再結合全球化學氣候模型進行研究，揭示土壤亞硝酸排放是導致臭氧濃度上升的重要原因，並會對植被帶來負面影響。
土壤微生物活動及施肥等農務作業，會引致土壤中各種氣體被釋放到大氣中，過去已有研究指空氣中的亞硝酸可能高達八成是來自土壤排放。亞硝酸與羥基自由基（OH）和氮氧化物（NOₓ）在大氣中的相互作用，對臭氧的化學生成起了關鍵作用。然而，目前人們對土壤亞硝酸排放可能造成的長遠環境問題仍欠缺詳細分析。
由理大土木及環境工程學系大氣環境講座教授王韜教授帶領的研究團隊彙編了來自世界各地不同生態系統的土壤亞硝酸排放量綜合數據集，創建出一套可作定量分析的參數化方案，量化這些排放帶來的影響。為進行全面數據集測量，研究將多項變因整合至參數化方案中，包括土壤溫度及水分含量等氣候因素，以及肥料種類與施用率；而微生物、土地用途及土壤質地等難以直接量化的因素，團隊則依據土壤樣本採集地的經緯度及土地類型，採用不同參數化方法處理。研究成果已發表於國際期刊《自然通訊》，第一共同作者包括理大博士後研究員王亞男博士及山東大學教授的李沁怡博士。
全球土壤亞硝酸排放持續上升
研究指出，全球土壤亞硝酸排放量從1980年的9.4 太克氮（Tg N）升至2016年的11.5 太克氮。團隊利用化學氣候模型模擬這些排放對大氣成分的影響，發現全球表面臭氧濃度會因此每年平均上升2.5%，局部區域的增幅更高達29%。同時，這亦會增加植被暴露於臭氧的風險，大大影響生態平衡及糧食作物的生產，更會減低植被吸收二氧化碳的能力，令溫室效應進一步加劇。
團隊分析，土壤亞硝酸排放受含氮化肥的使用及土壤溫度、土壤水分含量等氣候因素影響，排放量因而有明顯的季候性及地域性差異。全球土壤亞硝酸排放量的高峰期集中在夏季，土壤溫度較高、農作物生長蓬勃的時期。其中，北半球佔全球土壤亞硝酸排放量的三分之二，並以亞洲最高，佔總排放量37.2%，排放熱點主要集中在印度、中國東部、北美中部、歐洲、非洲大草原及南美洲的農業區域。
低污染地區更受影響
值得注意的是，土壤亞硝酸排放導致臭氧濃度上升的情況，在人為排放量較低的地區尤其明顯。這是由於臭氧的形成與其前體氮氧化物和揮發性有機化合物（VOCs）濃度之間存在密切關係。人為排放量低的地區通常有較低氮氧化物濃度、較高揮發性有機化合物濃度，處於氮氧化物受限狀態，臭氧對氮氧化物的敏感度會增加，以致氮氧化物濃度一旦上升，臭氧水平就會更顯著地提高。
近年來，全球積極減低人為排放量，或導致更多地區轉變為氮氧化物受限狀態，加劇土壤排放對空氣污染及臭氧形成的影響。王韜教授表示：「隨着全球暖化惡化及化肥用量增加，土壤亞硝酸排放量料會持續上升，可能會令減少人為排放所帶來的部分預期效益遭抵消。因此，要有效推動可持續發展，必須深入了解及妥善管理土壤排放量。我們建議在制定全球空氣污染緩解策略時，將土壤亞硝酸排放納入整體考量。」
先進建模技術及多樣化資料集
研究團隊在開發出此套強大的參數化方案時，利用了先進建模技術及多樣化資料集，包括來自過往研究的110組實驗室測量數據，以及Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications Version 2（MERRA2）的再分析數據等。研究亦引入了美國國家大氣研究中心的「社群大氣化學模型」（CAM-Chem），以模擬土壤亞硝酸排放帶來的大氣化學影響及植物暴露風險。
王教授指：「我們未來的研究將著重兩大方向，分別是擴展全球土壤亞硝酸排放觀測網絡，以及探究微生物對土壤亞硝酸排放的作用，以助更準確地估算土壤亞硝酸排放所產生的臭氧和其他二次空氣污染物，並分析其對植物的影響。進一步的研究亦應探索高效的肥料使用策略，例如深施肥料、使用氮肥增效劑等，在減少土壤亞硝酸排放的同時，維持農業生產力。 」
土壤微生物活動及施肥等農務作業，會引致土壤中各種氣體被釋放到大氣中，過去已有研究指空氣中的亞硝酸可能高達八成是來自土壤排放。亞硝酸與羥基自由基（OH）和氮氧化物（NOₓ）在大氣中的相互作用，對臭氧的化學生成起了關鍵作用。然而，目前人們對土壤亞硝酸排放可能造成的長遠環境問題仍欠缺詳細分析。
由理大土木及環境工程學系大氣環境講座教授王韜教授帶領的研究團隊彙編了來自世界各地不同生態系統的土壤亞硝酸排放量綜合數據集，創建出一套可作定量分析的參數化方案，量化這些排放帶來的影響。為進行全面數據集測量，研究將多項變因整合至參數化方案中，包括土壤溫度及水分含量等氣候因素，以及肥料種類與施用率；而微生物、土地用途及土壤質地等難以直接量化的因素，團隊則依據土壤樣本採集地的經緯度及土地類型，採用不同參數化方法處理。研究成果已發表於國際期刊《自然通訊》，第一共同作者包括理大博士後研究員王亞男博士及山東大學教授的李沁怡博士。
全球土壤亞硝酸排放持續上升
研究指出，全球土壤亞硝酸排放量從1980年的9.4 太克氮（Tg N）升至2016年的11.5 太克氮。團隊利用化學氣候模型模擬這些排放對大氣成分的影響，發現全球表面臭氧濃度會因此每年平均上升2.5%，局部區域的增幅更高達29%。同時，這亦會增加植被暴露於臭氧的風險，大大影響生態平衡及糧食作物的生產，更會減低植被吸收二氧化碳的能力，令溫室效應進一步加劇。
團隊分析，土壤亞硝酸排放受含氮化肥的使用及土壤溫度、土壤水分含量等氣候因素影響，排放量因而有明顯的季候性及地域性差異。全球土壤亞硝酸排放量的高峰期集中在夏季，土壤溫度較高、農作物生長蓬勃的時期。其中，北半球佔全球土壤亞硝酸排放量的三分之二，並以亞洲最高，佔總排放量37.2%，排放熱點主要集中在印度、中國東部、北美中部、歐洲、非洲大草原及南美洲的農業區域。
低污染地區更受影響
值得注意的是，土壤亞硝酸排放導致臭氧濃度上升的情況，在人為排放量較低的地區尤其明顯。這是由於臭氧的形成與其前體氮氧化物和揮發性有機化合物（VOCs）濃度之間存在密切關係。人為排放量低的地區通常有較低氮氧化物濃度、較高揮發性有機化合物濃度，處於氮氧化物受限狀態，臭氧對氮氧化物的敏感度會增加，以致氮氧化物濃度一旦上升，臭氧水平就會更顯著地提高。
近年來，全球積極減低人為排放量，或導致更多地區轉變為氮氧化物受限狀態，加劇土壤排放對空氣污染及臭氧形成的影響。王韜教授表示：「隨着全球暖化惡化及化肥用量增加，土壤亞硝酸排放量料會持續上升，可能會令減少人為排放所帶來的部分預期效益遭抵消。因此，要有效推動可持續發展，必須深入了解及妥善管理土壤排放量。我們建議在制定全球空氣污染緩解策略時，將土壤亞硝酸排放納入整體考量。」
先進建模技術及多樣化資料集
研究團隊在開發出此套強大的參數化方案時，利用了先進建模技術及多樣化資料集，包括來自過往研究的110組實驗室測量數據，以及Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications Version 2（MERRA2）的再分析數據等。研究亦引入了美國國家大氣研究中心的「社群大氣化學模型」（CAM-Chem），以模擬土壤亞硝酸排放帶來的大氣化學影響及植物暴露風險。
王教授指：「我們未來的研究將著重兩大方向，分別是擴展全球土壤亞硝酸排放觀測網絡，以及探究微生物對土壤亞硝酸排放的作用，以助更準確地估算土壤亞硝酸排放所產生的臭氧和其他二次空氣污染物，並分析其對植物的影響。進一步的研究亦應探索高效的肥料使用策略，例如深施肥料、使用氮肥增效劑等，在減少土壤亞硝酸排放的同時，維持農業生產力。 」
