1. 引言

随着人类活动对粮食和能源需求的不断增长，越来越多的氮氧化物(NO_x)和氨气(NH₃)等活性氮化合物被排放到大气中[1]。这些活性氮(Nr)化合物通过大气传输和复杂的化学反应以干、湿沉降的方式沉降到地面和海洋表面[2]。在生态系统中，活性氮的输入会扰动其碳循环进程，并通过调控二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)等温室气体的收支情况，显著影响全球气候变化[3]-[5]。同时过量的活性氮沉降也会引发土壤酸化、水体富营养化以及生物多样性减少等，对自然环境产生严重的负面影响[6]-[9]，并危害人类健康[10]。中国由于存在较强的人为排放，是活性氮研究的热点区域之一[11] [12]。活性氮排放和沉降的高值主要集中在中国东部华北平原地区[13] [14]，密集工农业活动导致其活性氮排放和沉降分别达90 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹和40 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹ [15]。

为提高空气质量并保护生态环境，中国政府出台了一系列关于NH₃和NO_x的减排政策，例如“十一五”规划(2016~2010年)、“十二五”规划(2011~2015年)、“十三五”规划(2016~2020年)以及2018~2020年蓝天保卫战三年行动计划[16] [17]。研究表明近年来中国活性氮排放总量有所下降，其中NH₃排放依旧持续上升，但NO_x排放显著下降[18] [19]。然而中国活性氮沉降总量仍在增长，目前约21%的地区活性氮沉降超过生态系统临界负荷[20]。中国仍需进一步优化活性氮排放政策，以减轻活性氮排放和过量活性氮沉降对人类健康和生态环境的负面影响。

研究表明活性氮人为源排放的变化与大气活性氮沉降的变化之间存在直接联系。同时，活性氮排放还可通过一系列复杂的大气化学过程，参与硝酸盐、硫酸盐和铵盐等二次无机气溶胶的生成过程，进一步对活性氮的沉降产生影响[21]。然而活性氮的沉降过程不仅受排放的调控，气象场亦对其有重要影响[22]。这种影响在降水变化显著的季风区则更为突出，因降水的变化会显著影响活性氮湿沉降的变化[23]。例如，Zhang等[24]通过采集黄海和东海沿海城市、偏远岛屿及巡航轨迹的雨水与气溶胶样本，分析其中活性氮浓度，探讨了东亚季风、人为排放对其时空变化的影响。而Cui等[25]通过对中国东南部典型红壤农业生态系统季风季节的长期监测实验，发现猪粪施用等人为活动显著影响了大气活性氮湿沉降通量和趋势。但现有研究对于氮沉降与季风之间关系的认识还非常有限，大部分研究主要以生态环境的视角来侧重分析局部地区活性氮沉降与季风之间季节变化的响应。

因此，本研究将进一步应用大气化学模式GEOS-Chem (Goddard Earth Observing System-Chemistry)，在更大的空间尺度上对比分析2016~2018年东亚地区活性氮沉降与排放和季风之间的空间分布和季节变化的响应特征。

2. 数据和方法

本研究采用GEOS-Chem (v12.1.1) [26]的东亚区域嵌套模式，对东亚地区2016~2018年大气活性氮的干湿沉降过程进行了模拟。GEOS-Chem是三维全球大气化学传输模式，因其全面性以及先进的化学机制，已广泛应用于中国[27]、北美洲[28]以及全球[29]的大气活性氮沉降的研究中。本研究将GEOS-Chem模式全球粗网格2.5˚ × 2.5˚ (经度 × 纬度)的模拟结果作为边界条件，以单向嵌套的方式输入到东亚区域细网格0.625˚ × 0.5˚ (经度 × 纬度)的活性氮沉降模拟中。

GEOS-Chem由MERRA-2 (The Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2)同化气象场数据驱动，这些数据来源于美国国家航空航天管理局(NASA)所属的全球模式与资料同化办公室GMAO (Global Modeling and Assimilation Office)。MERRA-2包含了总降水量、10米和850 hPa的风矢量和比湿、地表气压以及行星边界层高度等气象场数据[30]。其原始水平分辨率为0.625˚ × 0.5˚ (经度 × 纬度)，与GEOS-Chem模式的分辨率一致。在垂直方向上，MERRA-2气象场数据采用σ-p混合坐标，一共72层。其中，三维的温度、湿度和风场等数据的时间分辨率为3小时，而地面温度、海平面气压等二维数据的时间分辨率为1小时。

GEOS-Chem采用全化学模拟机制，其中包含了对流层臭氧—氮氧化物—碳氢化合物—气溶胶—卤素化学机制[31] [32]。模式中的气态硫酸(H₂SO₄)、硝酸(HNO₃)和氨气形成的硝酸盐、硫酸盐和铵盐气溶胶则通过Fountoukis和Nenes的ISORROPIA-II热力学模型进行计算的[33]。在气溶胶湿沉降的模拟方面，GEOS-Chem采用的是Liu等[34]提出的方案。而气态物质的湿沉降，则使用Mari等[35]以及Amos等[36]的参数化方案进行计算。该方案涵盖了次网格尺度下对流降水和大尺度降水的雨除及冲刷过程，且针对不同情况采用不同的计算方法。干沉降通量通过模式最低层的浓度与干沉降速率相乘得到，其中干沉降速率通过Wesely等[37]和Zhang等[38]的标准电阻串联模型计算得出。

本研究所用GEOS-Chem模式的人为源排放清单来自CEDS (Community Emissions Data System) [39]，并且在中国区域使用中国多分辨率排放清单MEIC (Multi-resolution Emission Inventory for China) [40]进行覆盖。CEDS是开源的全球人为源排放清单，MEIC则由清华大学联合生态环境部中国国家自然科学基金等多个机构和项目支持开发，二者均具有较高时空分辨率，能准确反映全球以及中国多种大气污染物的排放情况，精准定位各类排放源[41] [42]。

3. 东亚地区活性氮排放时空分布特征

3.1. 活性氮排放的空间分布

GEOS-Chem模式模拟的2016~2018年东亚地区大气活性氮排放(NH₃和NO_x)空间分布情况如图1所示。在模拟时段内，东亚地区陆地NH₃排放平均为9.24 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹，相较而言，NO_x排放强度略低，为6.12 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹。NH₃排放中人为源占主导，可达89%，自然源较少。

单位：kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹。

Figure 1. The spatial distribution of the annual total nitrogen emission averaged in East Asia from 2016 to 2018

图1. 2016~2018年东亚地区氮排放空间分布图

从地理分布来看，NH₃排放主要集中于农业和畜牧业较为发达的中国华北平原、四川盆地以及印度地区，最高值出现在中国河南省，高达41.9 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹。NO_x排放的高值则主要集中于工业与能源消费密集的中国华北平原、长三角地区，分别为27.0 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹和25.0 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹。

从国家尺度分析，印度以34.2 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹的全国平均排放强度和51.3 Tg N∙yr⁻¹的排放总量成为区域最大排放源，且NH₃排放和NO_x排放的总量也均为最高，分别为36.1 Tg N∙yr⁻¹和15.2 Tg N∙yr⁻¹。中国活性氮排放总量为20.4 Tg N∙yr⁻¹，全国平均排放量为15.3 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹。其中NH₃排放为 11.0 Tg N∙yr⁻¹，占总活性氮排放的54%，略高于9.4 Tg N∙yr⁻¹的NO_x排放。东南亚地区活性氮排放总量为13.9 Tg N∙yr⁻¹，其中NH₃排放为8.1 Tg N∙yr⁻¹，NO_x排放为5.9 Tg N∙yr⁻¹。数据表明，不同国家和地区由于产业结构、经济发展水平以及人口密度等因素的差异，活性氮排放存在明显的空间分布不均。

3.2. 活性氮排放的季节变化

东亚地区活性氮排放季节变化如图2所示，活性氮排放总量的月平均变化范围介于1.0~2.0 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹之间，其中1月排放量最低，5月达最高值。春夏季月均排放量为2.9 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹，是秋冬季(2.2 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)的1.3倍，整体呈现春夏季排放多、秋冬季排放少的特征。研究区域内NH₃排放的季节性显著强于NO_x排放，前者呈现由春季至冬季递减的趋势。而NO_x排放主要来自人为活动所产生的化石燃料燃烧过程，由于人类生产生活对化石燃料的需求相对稳定，故研究区域内其季节变化不显著[43] [44]。中国NH₃排放量在夏季最高，可达2.9 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹，冬季最低，为1.7 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹。印度地区NH₃排放春季达峰值3.2 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹，如图5(d)，在5月和9月雨季前后呈双峰特征，其峰值分别为4.9 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹和2.7 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹。东南亚地区NH₃排放季节变化和逐月变化趋势与印度地区相似，但峰值相对较低，分别为0.8 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹和0.5 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹。

4. 东亚地区活性氮沉降分布及其影响因素

4.1. 活性氮沉降空间分布

2016~2018年东亚地区陆地年均活性氮沉降总量为29.8 Tg N∙yr⁻¹，其中湿沉降为17.1 Tg N∙yr⁻¹，

单位：kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹。

Figure 2. The seasonal variations of emissions in East Asia from 2016 to 2018

图2. 2016~2018年东亚地区氮排放季节变化图

高于干沉降的12.7 Tg N∙yr⁻¹，还原氮沉降为20.1 Tg N∙yr⁻¹，高于氧化氮沉降的9.7 Tg N∙yr⁻¹。如图3所示，还原氮和氧化氮的湿沉降在空间上的分布，与区域降水分布密切相关。其高值区域集中分布在降水较为充沛的中国东部、印度北部以及印度尼西亚东部地区。最高值出现在四川盆地和喜马拉雅山脉地区，分别为29.2 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹和47.2 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹ (图3(a)、图3(c))。而干沉降的空间分布，则主要取决于对应的排放，其高值主要集中在排放量较高的中国华北平原和印度北部地区，平均沉降量分别为14.0 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹和 9.8 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹(图3(b)、图3(d))。活性氮沉降的低值区域主要集中于人口和降水均较少的中国青藏高原、新疆南疆地区，以及蒙古国境内(<0.5 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹)。研究区域内各国家中印度活性氮沉降总量最高，为8.8 Tg N∙yr⁻¹。其次是中国，活性氮沉降总量为12.8 Tg N∙yr⁻¹，全国平均沉降量为12.0 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹，其中还原氮湿沉降、还原氮干沉降、氧化氮湿沉降和氧化氮干沉降分别为5.3 Tg N∙yr⁻¹、2.8 Tg N∙yr⁻¹、2.7 Tg N∙yr⁻¹和2.0 Tg N∙yr⁻¹。东南亚地区活性氮沉降总量为5.9 Tg N∙yr⁻¹。

单位：kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹。

Figure 3. Simulated annual nitrogen deposition in East Asia from 2016 to 2018

图3. 2016~2018年东亚地区氮沉降空间分布图

4.2. 影响东亚地区活性氮沉降的要素

为了更好地理解东亚地区氮沉降的空间分布和季节变化，本研究聚焦于活性氮排放、季风等要素对东亚地区活性氮沉降的影响。沉降排放比(D/E, deposition to emissions)用于分析活性氮排放与沉降之间的相互作用，其分布特征如图4所示。图4(a)中，总D/E较低的国家为中国、印度、泰国和柬埔寨等国，分别为0.79、0.69、0.65和0.62。低D/E表明这些地区排放强度相对周边区域较高，对周边区域空气污染水平影响较大。结合图1的排放强度分布可知，印度和中国是东亚地区主要的活性氮排放源。相比之下，不丹、尼泊尔、蒙古和朝鲜等国的总D/E较高，分别为4.94、1.76、1.34和1.42。高D/E表明这些地区活性氮沉降受区域污染传输的影响较为突出。以不丹和尼泊尔为例，其南边紧邻印度这一东亚最大的活性氮排放源，来自印度的污染物通过西南季风传输，使得这两个国家的活性氮排放境外输入相对周边国家偏高。此外，不丹和尼泊尔的地理位置特殊，地处喜马拉雅山脉南侧迎风坡，暖湿气流在爬坡过程中被迫抬升，导致地形雨较为丰富，促进了湿沉降过程。在上述两种因素的协同作用下，不丹和尼泊尔的D/E显著偏高。图4(b)中，中国、印度和东南亚中还原氮D/E均高于氧化氮。这是由于NH₃的生命时间相对较短，大部分NH₃会在源区附近沉降，而对于生命时间较长的NO_x，其沉降更容易受传输过程和化学反应的影响。综合来看，东亚地区的氮沉降受活性氮排放的影响较大，印度和中国是东亚地区活性氮的主要源汇。

(a)中冷色调对应较低的D/E值，暖色调区域则对应较高的D/E值。

Figure 4. The ratio of Nr deposition to emission in East Asia from 2016 to 2018

图4. 2016~2018年东亚地区活性氮沉降排放比

2016~2018年东亚地区活性氮沉降总量的月平均变化范围介于0.7~1.27 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹之间，12月沉降量最低，7月达最高值，且存在显著的季节差异，夏季平均沉降量(3.8 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)是冬季(2.1 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)的1.8倍。中国、印度和东南亚地区活性氮沉降月平均变化情况如图5所示。中国受东亚夏季风的影响，5~9月平均降水量超过100 mm month⁻¹，占全年降水总量的70% (图5(b))。由于中国总活性氮排放量也呈“夏高冬低”的特征，在降水和排放同位相的季节变化驱动下，中国活性氮湿沉降的季节分布特征最为明显，其中还原氮湿沉降夏季年均沉降量达1.8 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹，是冬季(0.6 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)的3倍；氧化氮湿沉降(0.9 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)夏季年均沉降亦为冬季(0.4 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)的2.6倍。但对于干沉降而言降水影响较小，故其变化趋势与对应排放基本一致。尤其是还原氮干沉降，其与NH₃排放均在6月、8月和11月出现峰值(图5(a))。印度地区总氮沉降虽也呈现“夏高冬低”的特征，但其中还原氮沉降季节变化的成因与中国不同：印度地区夏季NH₃排放减少，且在南亚夏季风(6~9月)强降水(>160 mm month⁻¹)的影响下(图5(d))，NH₃因其高水溶性被湿沉降大量清除(夏季平均浓度为1.8 × 10¹¹ molecules∙cm⁻³)，在上述两种因素的作用下地表NH₃浓度降低，夏季还原氮湿沉降升至全年最高的1.5 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹，还原氮干沉降降至全年最低的0.2 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹；而南亚夏季风消退后，农业NH₃排放增加且降水减少，导致地表NH₃浓度增加(冬季平均浓度为4.2 × 10¹¹ molecules∙cm⁻³)，干沉降成为还原氮沉降的主导途径，其冬季平均沉降量高达1.4 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹，还原氮湿沉降降至全年最低(0.2 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)。氧化氮湿沉降则与季风降水同步，7月达峰值0.4 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹，干沉降则响应NO_x的排放周期，在5月达峰值0.4 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹ (图5(c))。东南亚地区除中南半岛和菲律宾以外，其余国家位于赤道附近，总体受季风影响较弱，逐月平均降水量季节变化不显著，基本大于200 mm∙month⁻¹ (图5(f))。除还原氮干沉降外，其余沉降月平均变化情况与对应排放相符(图5(e))。

沉降和排放单位：kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹；降水单位：mm∙month⁻¹。

Figure 5. Monthly variations of reactive nitrogen deposition and its influencing factors in China, India and Southeast Asia

图5. 中国、印度和东南亚活性氮沉降及其影响因素月平均变化情况

综上所述，活性氮排放和季风降水对东亚地区活性氮沉降的空间分布和季节变化有较大影响。中国和印度作为大气活性氮主要排放源呈现低D/E特征，而不丹和尼泊尔等高D/E区域的沉降则主要受大气传输与地形影响。不同国家和地区活性氮排放和季风降水不同位相的季节变化，导致其活性氮沉降的季节变化也不同。中国总活性氮排放、NH₃排放和NO_x排放与东亚季风降水的季节变化基本同位相，总活性氮沉降、干沉降和湿沉降以及还原氮和氧化氮沉降均呈“夏高冬低”的特征。印度地区因活性氮排放和南亚季风降水的季节变化位相不同，导致除氧化氮干沉降外，其他种类的氮沉降季节变化与对应排放季节变化均存在较大差异。经研究分析，这些氮沉降的季节变化主要取决于南亚季风强降水的季节变化。相对中国而言，南亚季风强度大于东亚季风，其对大气活性氮化合物的传输和清除机制在整个沉降过程中影响更大。不同于中国和印度，东南亚地区总体受季风影响较弱，降水较多且稳定，其沉降的季节变化主要取决于对应排放的季节变化。

5. 结论与讨论

本研究基于GEOS-Chem模型模拟了2016~2018年东亚地区活性氮的排放与沉降的时空分布特征，并探究了不同国家和地区活性氮排放和季风降水对活性氮沉降空间分布和季节变化的影响。

东亚地区活性氮排放与沉降具有显著的区域和季节差异。NH₃排放主要集中于农业发达的中国华北平原和印度北部，最高可达41.9 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹，NO_x排放则集中在工业密集的中国长三角(25.0 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹)和华北平原(27.0 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹)。NH₃排放在春夏季出现高峰，而NO_x排放因化石燃料需求稳定，季节波动较小。东亚地区年均活性氮沉降总量为29.8 Tg N∙yr⁻¹，其中湿沉降(17.1 Tg N∙yr⁻¹)和还原氮沉降(20.1 Tg N∙yr⁻¹)占主导。印度是东亚地区最大的大气活性氮排放源，总量可达51.3 Tg N∙yr⁻¹，远超中国(20.4 Tg N∙yr⁻¹)和东南亚(13.9 Tg N∙yr⁻¹)。东亚地区活性氮沉降总量为29.8 Tg N∙yr⁻¹，其中湿沉降(17.1 Tg N∙yr⁻¹)和还原氮沉降(20.1 Tg N∙yr⁻¹)占主导地位。沉降排放比(D/E)分析表明，中国(0.79)和印度(0.69)作为主要排放源呈现低D/E值，其活性氮沉降主要由本地排放主导；不丹(4.94)、尼泊尔(1.76)等高D/E区域的活性氮沉降则受大气传输与地形的影响。东亚地区活性氮沉降季节变化受季风降水影响较大，高值区与降水和排放密集区高度重合，如中国四川盆地(29.2 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹)和印度北部(47.2 kg N∙ha⁻¹∙yr⁻¹)，低值区则分布于中国青藏高原及蒙古国。季节变化显示，东亚地区沉降量夏季(3.8 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)为冬季(2.1 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)的1.8倍。在东亚季风降水的驱动下，中国夏季湿沉降(1.8 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)达冬季3倍。印度则因南亚季风强降水导致夏季湿沉降最高(1.9 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)，干沉降最低(0.6 kg N∙ha⁻¹∙month⁻¹)。东南亚地区逐月降水较为稳定，活性氮沉降的季节变化受降水的影响较小，其与本地排放变化基本一致。

本研究通过对东亚地区活性氮排放与沉降以及季风的空间分布和季节变化特征及其影响因素的系统研究，深入解析了区域氮循环过程、评估了季风的影响下活性氮排放对其沉降季节变化的影响，有助于制定更为科学有效的区域环境政策和减排策略，以应对日益严峻的环境挑战，促进东亚各国家和地区生态环境的可持续发展。

基金项目

本研究得到了山东省自然科学基金项目(ZR2021QD117)的资助。

NOTES

^*通讯作者&第一作者。

参考文献