理大研究揭示化肥及气候暖化导致土壤亚硝酸排放上升 加剧全球臭氧污染

大气臭氧污染不但危害人类健康及农作物生长，更加剧气候暖化，成为全球环境问题。臭氧的形成除了受人为污染物影响，与土壤排放亦有密切关係。香港理工大学（理大）研究人员整合由1980年至2016年间的全球土壤亚硝酸（HONO）排放数据，再结合全球化学气候模型进行研究，揭示土壤亚硝酸排放是导致臭氧浓度上升的重要原因，并会对植被带来负面影响。

土壤微生物活动及施肥等农务作业，会引致土壤中的各种气体被释放到大气中，过去已有研究指出，空气中的亚硝酸可能高达八成是来自土壤排放。亚硝酸与大气中其他污染物的相互作用，对臭氧的化学生成起了关键作用。此外，亚硝酸亦会导致臭氧前体氮氧化物（NOₓ）在空气中的浓度提高，进而促进臭氧形成。

由理大土木及环境工程学系大气环境讲座教授王韬教授带领的研究团队，彙编来自世界各地不同生态系统的土壤亚硝酸排放量綜合数据集，创建一套可作定量分析的参数化方案，量化这些排放带来的影响。为进行全面数据集测量，研究把多项变因整合至参数化方案中，包括土壤温度和水分含量等气候因素，以及肥料种类和施用率；而微生物活动、土地用途及土壤質地等难以直接量化的因素，团队则依据土壤样本采集地的经纬度及土地类型，采用不同参数化方法处理。研究成果已发表于国际期刊《自然通讯》，第一共同作者包括理大博士后研究员王亚男博士及山东大学教授李沁怡博士。

全球土壤亚硝酸排放持续上升

研究指出，全球土壤亚硝酸排放量从1980年的9.4 太克氮（Tg N）升至2016年的11.5 太克氮。团队利用化学气候模型模拟这些排放对大气成分的影响，发现全球表面臭氧浓度会因此每年平均上升2.5%，局部区域的增幅更高达29%。同时，这亦会增加植被暴露于臭氧的风险，大大影响生态平衡及粮食作物的生产，更会减低植被吸收二氧化碳的能力，令温室效应进一步加剧。

团队分析，土壤亚硝酸排放受含氮化肥的使用及土壤温度、土壤水分含量等气候因素影响，排放量因而有明显的季候性及地域性差异。全球土壤亚硝酸排放量的高峰期集中在夏季，是土壤温度较高及农作物生长蓬勃的时期。其中，北半球佔全球土壤亚硝酸排放量的三分之二，并以亚洲最高，佔总排放量37.2%，排放热点主要集中在印度、中国东部、北美中部、欧洲、非洲大草原及南美洲的农业区域。

低污染地区更受影响

值得注意的是，土壤亚硝酸排放导致臭氧浓度上升的情况，在人为排放量较低的地区尤其明显。这是由于臭氧的形成与其前体氮氧化物和挥发性有机化合物（VOCs）浓度之间存在密切关係。人为排放量低的地区通常有较低氮氧化物浓度、较高挥发性有机化合物浓度，处于氮氧化物受限狀态，臭氧对氮氧化物的敏感度会增加，以致氮氧化物浓度一旦上升，臭氧水平就会更显着地提高。

近年，全球积极减低人为排放量，或导致更多地区转变为氮氧化物受限狀态，加剧土壤排放对空气污染及臭氧形成的影响。王韬教授表示：「随着全球暖化恶化及化肥用量增加，土壤亚硝酸排放量料会持续上升，可能会令减少人为排放所带来的部分预期效益遭抵消。因此，要有效推动可持续发展，必須深入了解及妥善管理土壤排放量。我们建议在制定全球空气污染缓解策略时，将土壤亚硝酸排放纳入整体考量。」

先进建模技术及多样化资料集

研究团队在开发出这套强大的参数化方案时，利用先进建模技术及多样化资料集，包括来自过往研究的110组实验室测量数据，以及Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications Version 2（MERRA2）的再分析数据等。研究亦引入美国国家大气研究中心的「社群大气化学模型」（CAM-Chem），以模拟土壤亚硝酸排放带来的大气化学影响及植物暴露风险。

王教授指：「我们未来的研究将着重两大方向，分别是扩展全球土壤亚硝酸排放观测网络，以及探究微生物对土壤亚硝酸排放的作用，以助更准确地估算土壤亚硝酸排放所产生的臭氧和其他二次空气污染物，并分析其对植物的影响。进一步的研究亦应探索高效的肥料使用策略，例如深施肥料、使用氮肥增效剂等，在减少土壤亚硝酸排放的同时，维持农业生产力。 」

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