当农田"呼出"氨气遇上天上的"回礼"——WRF-CN-Chem实现氨排放与氮沉降的双向动态模拟

🌾 你知道吗？施在农田里的的肥料，有一部分并没有乖乖留在土里滋养作物，而是以氨气（NH₃）的形式"挥发"到了大气中。而更有意思的是，这些跑到天上的氮，最终又会以沉降的方式"回赠"给大地——这一来一回，深刻地影响着区域的空气质量与生态系统生产力。

然而，传统的大气化学模型对这"呼一吸"的过程，却几乎是"睁一只眼闭一只眼"的：排放靠静态清单，沉降不反馈土壤，陆地与大气之间氮的"对话"被硬生生切断了。

近日，中山大学蔡锡填副教授课题组联合南京大学、香港科技大学（广州）等研究人员，在地球科学权威期刊《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》上发表最新研究成果。研究团队通过将 Noah-MP-CN 陆面碳氮循环模型与 WRF-Chem 大气化学模式实现在线耦合，构建了全新的 WRF-CN-Chem 模型，首次在区域尺度上实现了氨排放与氮沉降的双向动态模拟。

🔬 为什么做这项研究？

氨气（NH₃）是大气中最重要的碱性气体，主要来源于农业施肥活动。它与大气中的酸性气体（如SO₂、HNO₃）反应生成二次无机气溶胶，是直接推高PM2.5浓度的关键“推手”。更关键的是，随着近年来中国对SO₂和NOₓ排放的大幅削减，大气中和氨的能力有所下降，导致气态NH₃浓度反而面临上升风险——这使得对氨排放的精准动态模拟比以往任何时候都更加迫切。

传统空气质量模型高度依赖静态排放清单（如MEIC），将NH₃排放视为单向、固定的输入，这不仅无法反映施肥时间、土壤温度、湿度等环境因子对排放通量的动态调控，更无法捕捉沉降氮回到土壤后"再次挥发"这一关键反馈回路。

简单来说：过去的模型只知道农田"呼出"了多少氨，却不知道天上的氮"落回来"后会引发什么连锁反应——这是一个巨大的"盲区"。

🛠️ 怎么做的？

研究团队构建了 WRF-CN-Chem模型，其核心创新在于打通了两个"在线"耦合：

1️⃣ 动态氨排放：Noah-MP-CN ➔ WRF-Chem

Noah-MP-CN 陆面模型中的碳氮循环模块，能够根据土壤温度、深度、阳离子交换容量等动态因子，实时计算每一层土壤的 NH₃ 挥发通量，并在线传递给 WRF-Chem 的大气化学模块作为排放输入。同时，团队引入了包含5大类作物、13种肥料类型的中国施肥数据集，结合作物日历驱动施肥过程，大幅提升了排放模拟的时空精度。

2️⃣ 氮沉降反馈：WRF-Chem ➔ Noah-MP-CN

WRF-Chem 实时模拟出的大气 NH₃、NH₄⁺ 和NO₃⁻干湿沉降通量，会被在线回馈到 Noah-MP-CN 的土壤铵根库和硝态氮库中。这意味着：沉降到地面的氮不再是单向输送的"终点"，而是重新进入土壤氮循环，成为影响后续氨排放和植物生长的"新起点"。

Noah-MP-CN 陆面碳氮循环模型与WRF-Chem 大气化学模式在线耦合示意图

🎯 核心发现

📊 发现一：动态排放比静态清单更"懂"自然规律

与 MEIC 静态排放清单驱动的模拟相比，WRF-CN-Chem 的动态排放模拟与 IASI 卫星观测的 NH₃ 柱浓度在时间变化上吻合度显著更高。在华北平原（NCP）区域，模型与观测的相关系数从离线模拟的 0.80 显著提升至 0.92。动态模型精准捕捉到了由气温变化和施肥活动引发的短时间尺度排放峰值，而静态清单由于仅有月度分辨率，完全"抹平"了这些真实的波动。

模型模拟和卫星观测的2020年区域平均氨气柱浓度

📊 发现二：总排放中有41%是氮沉降的“二次回流”

WRF-CN-Chem 模型估算，2020年中国东部地区 NH₃ 排放总量为 7.88 Tg N。令人惊讶的是，敏感性实验表明，高达 41% 的氨排放可归因于大气沉降氮的再挥发。这意味着，大气沉降回土壤的铵态氮，经过土壤氮循环后又被"呼"回了大气——这一巨大的排放潜力在传统静态清单中是被忽略的。

📊 发现三：天上掉下的不仅是氮，还是植物的“营养餐”

如果切断大气氮沉降的反馈，会发生什么？研究团队通过对比实验发现：若没有大气氮沉降，中国东部陆地净初级生产力（NPP）将大幅减少 2.25 Tg C/年。以华北平原为例，关闭氮沉降不仅导致 NH₃ 排放减少 41%，土壤 NH₄⁺ 和 NO₃⁻ 营养库也显著缩水，植物的 NPP、总初级生产力（GPP）和叶面积指数（LAI）均明显降低。这直观揭示了大气氮沉降对于维持农业与生态系统活力的关键“隐形施肥”作用。

💡 意义与展望

这项工作在方法学上的突破在于：将陆面氮循环与大气化学真正"在线"打通，在区域尺度实现了"排放-传输-沉降-再排放"的闭环模拟。相比于以往需要外部离线预处理工具的模型框架（如 CMAQ-EPIC），WRF-CN-Chem 在 WRF 框架内实现了完全无缝的集成，计算效率更高，应用也更灵活。

这项研究也为以下问题提供了新的科学视角：

• 减污与降碳的协同：大气化学过程与陆地碳汇并非"各管各的"，氮沉降反馈直接影响着植被的固碳能力（NPP）。
• 不可忽视的“双向”代价：施肥 ➔ 氨挥发 ➔ 气溶胶污染 ➔ 氮沉降 ➔ 再次挥发，这一复杂的因果链条此刻得以被动态量化。
• 农业政策的科学支撑：为未来评估不同施肥策略（如深层施肥、改变化肥配比）的生态与环境效应，提供了强大的地球系统模型工具。

研究团队表示，未来将进一步融合 Noah-MP-Crop 作物生长模型，实现作物种类特异性和轮作制度的动态模拟，并引入土壤湿度、pH值等更多理化驱动因子，持续提升模型的精细度与可靠性。

📝 论文信息

论文题目：Dynamic Modeling of Ammonia Emissions and Nitrogen Deposition via Online Coupling of WRF-Chem and Noah-MP-CN 论文作者：曹耶尔，任传华，张焓，魏忠旺，郭怡鑫，蔡锡填* 发表期刊：Journal of Geophysical Research: Atmospheres DOI 链接：https://doi.org/10.1029/2025JD044260 基金资助：国家重点研发计划（2023YFF0805501）、国家自然科学基金（42375165）

农田与天空之间的氮，从来不是单向的旅程。WRF-CN-Chem让这段"对话"第一次被完整听见。

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