氮素对于海洋生态系统的物质循环意义重大。全球人口增长和消费水平提高给农业食物生产带来了巨大压力，然而农业食物生产（种植业和畜牧业）会产生大量氨排放，在大气环流影响下沉降在近海海域，进而造成海域水体富营养化，降低水质、氧气流失和有害藻类的生长。许多陆源排放区靠近海岸，但农业食物生产过程氨排放如何影响海域氮沉降的时空格局仍不清楚。为此，我校资环学院刘学军教授联合兰州大学刘磊研究员等在《美国科学院院刊(PNAS)》发文，针对这一问题进行了系统回答。

研究团队建立了一个从农业系统氨排放经过大气环流进入海洋系统的分析框架，构建了长时序（1970-2018）氨排放（Agricultural Crop- and Animal-Specific NH3 emissions，ACAS-NH3）和海洋氮沉降数据集，系统评估了农业生产过程氨排放对海域氮沉降时空格局的影响。

1970-2018年全球谷物和肉类产量分别增加了一倍和两倍多，农业生产导致的氨排放在活性氮（NOx+NH3）排放总量中占有越来越大的比重，从1970年35%增加到2018年53%。由于食物系统氨排放还未得到有效管控，全球氨硝排放比值（NH3/NOx）正在发生快速变化，1970-2018年间全球氨硝排放量比值从0.73增加到1.22，以农业为主的全球氨排放量超过了工业主导的氧化氮排放。种植业和畜牧业是全球氨排放量增加的两个主要方面，1970-2018年畜牧业氨排放量增加了69%（19-32 Tg N yr-1），农田氨排放增加了4倍多（7-31 Tg N yr-1）（图1）。

图1全球氨氮和硝氮排放。A, B分别为1970-2018年肉类和谷物产量；C,D分别为畜牧系统和种植系统的氨排放；E为全球氨排放、海洋和陆地的氨氮沉降总量统计结果；F为全球硝氮排放、海洋和陆地的硝氮沉降总量统计结果；G,H分别为国家尺度氨氮和硝氮排放的空间分布。

2018年，氨氮和硝氮分别占总无机氮排放量的55%（65 Tg N yr-1）和45%（52 Tg N yr-1），其中，中国氨氮和硝氮排放量最高，总排放为24.6 Tg N yr-1（氨氮、硝氮分别为14.8和9.8 Tg N yr-1），其次是印度（氨氮、硝氮分别为12.2 和6.0 Tg N yr-1）、欧盟（氨氮、硝氮分别为6.4和6.5 Tg N yr-1）、美国（氨氮、硝氮分别为4.5和5.0 Tg N yr-1）和巴西（氨氮、硝氮分别为4.6和3.1 Tg N yr-1）。

根据大气化学传输模式（GEOS-Chem）模拟结果，全球约30-38%陆地氮排放沉降在海洋系统，其他沉降在陆地系统。1970-2018年全球海洋氨氮沉降增加了89%，2018年中国沿海、印度沿海氨氮沉降最高（>10 kg N ha-1 yr-1，比硝氮沉降高30%以上），其次是巴西东部沿海、黑海和美国东部沿海（西北大西洋陆架）。中国东部海域、印度东部海域氨氮沉降1970-2018年分别增加了2.2倍和1.9倍；美国东部海域和西欧沿海1970-2018年氨氮沉降维持在一个较低水平，约为中国东部海域、印度东部海域氨氮沉降1/5（1-2 kg N ha-1 yr-1）（图2）。

图2 1970-2018年海域氮沉降变化趋势。A, B 分别为1970-2018年海域氨氮和硝氮沉降空间变化；C, D 分别为2018海域氨氮和硝氮沉降空间特征；E为1970-2018年沿海海域氨氮和硝氮沉降时间变化（包括中国海沿岸、印度东部沿海、东北大西洋大陆架和西北大西洋大陆架）。

由于欧盟和美国成功控制了氮氧化物排放，2000-2018年间，欧洲西部海域（东北大西洋大陆架）和美国东部沿海（西北大西洋大陆架）硝氮沉降显著降低，分别下降35%和42%；我国东部海域2010-2018年硝氮沉降下降15%。全球海域硝氮沉降2010-2018年下降了6%。

全球农业生产氨排放占海域氨氮沉降量94%，且多数海域农业氨对氨氮沉降占比超过90%（图3）。鉴于全球海域氨氮沉降快速增加，迫切需要减少农业肥料的过度使用。根据推算，在不影响当前产量的情况下，可以降低38%氮肥用量。如果可以避免氮肥的过度使用，全球海洋氨氮沉降量将减少15%，中国东部沿海、印度东部沿海氨氮沉降将减少21-25%，欧洲西部海域（东北大西洋大陆架）和美国东部海域（西北大西洋大陆架）将减少12-17%。对于不同的地区，氮肥的过度使用因作物而异。在美国中东部农业区，玉米氮肥过量施用相当普遍，氮肥过量可超过50 kg N ha-1 yr-1。在中国和印度，水稻种植氮肥过量问题严重，其次是小麦和玉米，部分地区氮肥过量可超过100 kg N ha-1 yr-1。

图3 农田氮肥过量使用对海域氨氮沉降的影响. A 农业食物生产导致的海域氨氮沉降时空分布; B 农业氨占海域氨氮沉降的百分比贡献；C 由氮肥过度使用导致的农田氨排放的空间分布; D 国家尺度氮肥过度使用对农业氨排放的百分比贡献; E 氮肥过度使用导致的海域氨氮沉降时空分布; F氮肥过度使用对海域氨氮沉降的百分比贡献。

上述研究以“Modeling global oceanic nitrogen deposition from food systems and its mitigation potential by reducing overuse of fertilizers”为题，于2023年4月17日在线发表在《美国科学院院刊(PNAS)》。该论文是陆地氮沉降论文（Liu et al., 2022, PNAS）姊妹篇，本研究重在探究海域氮沉降时空格局及变化规律。兰州大学刘磊研究员为论文第一作者和通讯作者，中国农业大学刘学军教授为共同通讯作者，中国农业大学许稳副教授、温章博士后、中科院华南热带植物园鲁显楷研究员、钟步青博士、北京大学郭怡鑫博士、中山大学卢晓教授、中国海洋大学赵园红博士、南京大学张秀英教授、南京农业大学王松翰博士以及美国斯坦福大学Peter Vitousek院士等是论文的共同作者。本项研究是地理学、大气科学、农业科学、生态学等多学科交叉合作的成功尝试，对认识海域氮沉降的时空格局和农业氨排放的相互关联具有重要的学术价值。研究工作得到国家重点研发计划（2017YFC0210100和2017YFD0200101）、国家自然科学基金项目（42001347、41471343、41425007、41705130和41922037）、兰州大学中央高校自由探索项目和中国农业大学高水平团队建设项目的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2221459120