自工业革命以来，农业化肥的使用和化石燃料的燃烧极大地增加了环境中活性氮的含量，并造成了许多如空气污染、水体富营养化等的环境挑战。然而，人为活性氮对于地球气候系统的影响却鲜为人知。最近，一项由德国马克斯普朗克生物地球化学研究所研究人员领衔的国际研究，综合了多个陆面生态模型和大气化学传输模型，发现历史人为活性氮排放对气候造成了净冷却效应，从而部分抵消了化石燃料二氧化碳排放引起的全球增暖。这项研究于2024年7月24日以“Global net climate effects of anthropogenic reactive nitrogen”为题发表在国际著名学术期刊《Nature》上。
氮元素以多种形式存在于土壤、水和空气中，因此会通过各种途径影响气候。氮气占空气的78%左右，但因其较强的惰性对气候不造成影响。但所有其他氮化合物（科学上称为活性氮）都会对全球气候产生直接或间接的影响，并引发增暖或冷却效应：例如，一氧化二氮，俗称笑气，主要由富氮土壤和化石燃料燃烧排放，其温室效应几乎是二氧化碳的 300 倍。相比之下，化石燃料燃烧产生的短寿命氮氧化物以及化肥生产施用而排放的氨气在大气中形成细小悬浮颗粒。它们遮挡阳光，从而使气候变冷。同时，大气中的活性氮沉降到陆地上，使植物生长得更茂盛，从而从大气中吸收更多的二氧化碳，这也具有冷却效果。此外, 氮氧化物还会通过增加大气氧化性，降低大气甲烷浓度并因此冷却大气。然而，氮氧化物也会刺激对流层中另一种温室气体臭氧的形成，并加剧全球变暖。
图1. 人为活性氮影响气候的过程示意图
在这项由马克斯普朗克生物地球化学研究所的宫成博士和 Sönke Zaehle教授领衔的研究中，总结了人为活性氮的各种增暖和冷却效应。他们发现，通过人类活动进入地球系统的活性氮使气候每平方米冷却 -0.34 瓦 - 在气候研究中，这被称为净负辐射强迫。相比之下，根据政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 在其最新评估报告中指出的，人为活动使2011-2020年大气平均每平方米额外加热 2.7 瓦，其中化石燃料产生温室气体占主要贡献，与此同时，与工业化前相比，地球在此期间升温了 1.1 摄氏度。“人为氮输入造成的负辐射强迫不能简单地转化为全球平均温度的变化，因为有些影响发生在局部地区，气候系统对辐射强迫的这种变化的反应很复杂，”这项研究的共同作者、马克斯普朗克生物地球化学研究所所长 Sönke Zaehle 说。
图2. 全球人为活性氮的净辐射强迫
尽管一氧化二氮具有变暖效应，但这项新研究表明，如果没有人为的氮输入，气候会进一步升温。然而，这项研究的作者强调，“这听起来可能是个好消息，但氮排放同时也有许多有害影响，例如对健康、生物多样性和臭氧层，因此，目前的发现并不是掩盖有害影响的理由，更不用说将额外的氮输入视为对抗全球变暖的一种手段“
在这项跨学科的研究中，研究团队首先分析了最终进入土壤、水或空气的各种活性氮的强度，然后确定了人类活动产生的活性氮的总气候影响。通过整合 NMIP2 项目的陆地生态模型结果，并结合使用大气化学传输模型GEOS-Chem，研究团队计算了人为氮排放对辐射强迫的影响，即单位时间内照射到地球表面一平方米的辐射能量。“以前基于文献研究的估计通常是零散的，因此忽略了全球氮循环过程在空间上的强异质性和高度非线性，”马克斯普朗克生物地球化学研究所博士后、这项研究的第一作者宫成说。“我们的研究结果强调了考虑生物地球化学、大气化学和气候之间的相互作用对于了解人为活性氮对气候的影响的重要性，并因此呼吁更多的学科交叉合作，从而能更加系统地提高对于人类活动影响全球碳氮循环和气候影响的理解水平。”
图3. 整合NMIP2的多个陆地生态模型和CEDS人为排放清单得到的全球人为活性氮的历史排放趋势
“应该减少氮排放，”Sönke Zaehle 说。“改进农业实践有助于更有效地利用氮作为肥料。例如，通过这种方式，可以减少导致全球变暖和破坏臭氧层的一氧化二氮排放，”Sönke Zaehle 继续说道。“然而，重要的是要认识到，虽然减少人为氮投入有利于人类健康和生态系统，但也会对气候产生影响。因此，除了减少活性氮之外，温室气体的排放，尤其是化石燃料产生的二氧化碳和甲烷，也必须更大程度地减少。只有这样，我们才能更好地保护健康和自然，并缓解气候变化。”
