北京大学物理学院大气与海洋科学系张霖长聘副教授课题组与国际应用系统中心研究所(IIASA) Wilfried Winiwarter资深研究员等合作，结合大气化学模型与未来排放情景，量化了2050年气候变化治理情景下活性氮减排在减缓PM2.5达标世界卫生组织（WHO）空气质量目标（AQG）的潜力。通过比较多种减排比例下氮氧化物和氨减排的成效，揭示了未来达标PM2.5 AQG中氨减排发挥的重要作用，指出在气候政策协同减排NOx和SO2的背景下，有效减缓PM2.5所需氨减排比例会日益增高，使得空气污染治理锁定在氮氧化物减排。研究揭示了二次无机气溶胶非线性化学生成对于含氮前体物敏感性随未来排放变化的演变趋势，也给出了全球各地区有效氨减排比例的空间分布，有助于更有效的制定PM2.5治理政策。相关研究成果以“活性氮减排措施对于持续减缓全球PM2.5空气污染直至达标世卫组织空气质量目标至关重要”（Ambitious nitrogen abatement is required to mitigate future global PM2.5 air pollution toward the WHO air quality targets）为题，于2024年9月11日发表在Cell姊妹刊One Earth （影响因子15.1）.
全球正面临包括活性氮污染、空气污染和气候变化在内的多重互相关联的环境挑战。化石燃料燃烧和食品生产过程中排放的活性氮（如氨气 NH₃、氮氧化物 NOₓ、硝态氮 NO₃⁻等）对空气质量、气候和生态系统产生了严重影响，导致PM₂.₅污染加剧。世界卫生组织（WHO）为应对PM₂.₅污染的健康影响，于2021年将空气质量目标（AQG）进一步从10微克每立方米下调至5微克每立方米。
目前，气候变化治理政策驱动下的能源转型能够有效协同降低SO2和NOx等PM2.5前体物的排放，然而，同为PM2.5前体物的氨（NH₃）排放在欧洲以外的大部分地区则缺乏管控。前人研究指出氨和氮氧化物排放对于当前PM2.5有关的疾病负担贡献高达39%且氨排放贡献高于氮氧化物排放。然而，上述结论在未来是否仍然成立尚不清楚。含氮前体物与大气中其他组分之间存在复杂的相互作用，在人为源排放变化的背景下，氨和氮氧化物减排成效的空间分布或与目前有显著不同，而这也将影响到能够有效治理PM2.5的具体减排路径。
为回答这一问题，张霖课题组联合国际应用系统分析研究所（IIASA）的Wilfried Winiwarter资深研究员等开展合作研究，集成表征了多个活性氮排放扰动情景、GEOS-Chem大气化学模型、CMIP6未来人为源排放情景、氨富余程度指标等，系统评估了不同活性氮减排比例的成效的时空特征，揭示了未来全球二次无机气溶胶（SIAs）化学生成控制区的演变规律。
研究发现，到2050年，即使是在最清洁的情景下（SSP1-RCP2.6）,全球许多地区仍距离达标WHO限值有显著差距（图1）。如果完全消减人为NH3排放，将带来全球各地PM2.5 20%–60%的减少，能帮助多个地区实现WHO中期目标，成效也比完全减排NOx更为有效（图2）。然而在25%小幅减排比例下，NH3减排有效性则在很多地区低于NOx减排。因此，PM2.5对于NOx控制的响应是更接近线性，而对于NH3减排响应则呈现较强非线性，当减排比例增加，氨减排的有效性存在一个转折点，即氨减排成效开始超过氮氧化物减排成效。
研究进一步通过分析大气氨富余程度并构建有效氨减排幅度预测模型，预测了在当前排放情形下，有效控制PM2.5的所需的氨减排幅度“门槛”，发现对于不少地区来说，仍在技术可行范围之内。然而，随着气候变化治理带来NOx和SO2协同减排，二次无机气溶胶（SIAs）非线性化学控制区向NH3富余转移，未来只有更深度的氨减排才能有效，因而，如果需要深度控制PM2.5，NH3减排须尽早。已有研究指出美国过去十年的NOx&SO2减排已经使得其大气呈现高度氨富余，总体上已经错过了控制氨来治理PM2.5的最佳时机，本文则指出目前我国、欧洲和美国部分地区仍拥有通过氨减排来控制PM2.5的机遇（图3），强调了宜早不宜迟的氨减排对于持续深度减缓PM2.5的重要作用，具有重要的环境政策意义。
图1. 2015年和2050年SSP1-RCP2.6、SSP3-RCP7.0和SSP4-RCP3.4情景下全球年均区域人口加权PM2.5浓度的分布（单位：微克每立方米）。只有蓝色部分达标WHO AQG。
图2. 2015年与2050年SSP1-RCP2.6情景下，氨和氮氧化物分别对于PM2.5贡献率（单位：%）的时空分布，以及100%控制氨和氮氧化物减缓PM2.5的成效大小对比（单位：微克每立方米）。
图3 氨富余程度随活性氮减排比例变化的演变规律及有效减缓PM2.5所需的氨减排 “门槛”。
该研究受到国家自然科学基金委、UNCNET、PKU-IIASA联培博士后奖学金、中国博士后基金会和香港科技大学（广州）共同资助。发表文章中，物理学院博士后郭怡鑫（PKU-IIASA联培博士后；现任香港科技大学（广州）助理教授、副研究员）为第一作者，张霖和Wilfried Winiwarter为共同通讯作者，物理学院2023年博士毕业生王晓琳和刘泽慧等人也参与了主要研究工作。其它合作者包括荷兰环境评估局Hans van Grinsven研究员、南京信息工程大学李柯教授、佐治亚理工学院潘达助理教授和浙江大学谷保静教授。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.oneear.2024.08.007
