氢和氮稳定同位素联用技术解析大气氨人为排放源的研究

The increasing growth of anthropogenic ammonia emission brings immeasurable impact on environment. Ammonia mitigation relies on the source apportionment of atmospheric ammonia and the accumulation of data from in-situ monitoring. The present project aims to characterize the contribution of anthropogenic sources to atmospheric ammonia of urban and rural areas in China. Ammonia samples will be collected from various sources of three categories. The source apportionment will be based on stable hydrogen and nitrogen isotopic composition of ammonia (δD-NH3和δ15N-NH3) and stable isotopes mixing model (IsoSource). The ammonia emissions and the climatic factors will be investigated by in-situ monitoring to calibrate the model. The result will provide valuable information to the prediction of atmospheric ammonia concentration. It will contribute to improve the ammonia emission inventory and formulate an ammonia mitigation plan.

持续增长的人为源氨排放量已经对生态环境造成不可估量的影响。我国各人为氨排放源的贡献率尚未完全明确，氨排放量也缺乏实测数据，难以制定切实可行的减排计划。本项目以城市与农村地区的大气氨为研究对象，以3大类人为氨排放源的氢和氮稳定同位素比值（δD-NH3和δ15N-NH3）为分析工具，研究各个排放源对城市与农村地区大气氨贡献率的变化规律。分析指标包括氢和氮同位素组成、氨排放量、气候环境条件以及工况条件。根据排放源与大气氨的δD-NH3和δ15N-NH3数值，结合排放源氨排放在线监测数据，使用同位素混合模型推算各个排放源不同时间段对大气氨的贡献率。研究结果将为预测氨污染提供理论依据，在完善我国氨排放清单，制定氨减排计划方面具有实际意义。

氨气是大气中最重要的碱性气体，也是重要的大气污染前体物之一。本项目旨在建立1套氨气氢稳定同位素采样-预处理-测定方法，联用氮和氢稳定同位素对大气氨的来源进行精确解析，明确不同排放源对大气氨贡献率的时空变化。经过对比和吸收效率实验，本项目建立了球磨氯化镁（MgCl2）颗粒吸收氨气的采样方法，并分别使用氢氧化钠（NaOH）干燥采样、冷冻干燥预处理和红外辐射干燥制样的方法去除样品中的水气（H2O）。比对结果发现，该采样和分析方法氨气吸收率高达99%以上，样品重现性好，能够有效避免采样过程中人为造成的同位素分馏和H2O氢同位素的影响。将该方法与成熟的蜂窝溶蚀器主动采样氮稳定同位素测定方法联用，在10种典型氨气排放源进行采样，建立了排放源氨气氮和氢稳定同位素特征图谱。其中，排放源的氮同位素数据覆盖了前人工作的大部分数值，且每种源的氮和氢同位素特征值数值均近似正态分布，这表明特征值数据较为可靠。随后，在相距40千米的城市和农村采样点进行了为期1年的大气氨气跟踪分析。结果显示，两地大气氨浓度接近，随着气温的升高，大气氨浓度逐渐升高。但是，两地大气氨的稳定同位素组成有显著差异。将排放源稳定同位素特征图谱与贝叶斯MixSIAR模型结合解析大气氨的来源发现，居民燃炉是农村地区寒冷季节大气氨的最重要来源，进入温暖季节后畜禽养殖和农田排放才占据主要贡献源地位。城市地区汽车尾气和工业锅炉氨逃逸是最重要的来源，其在寒冷季节对大气氨的贡献率达到39%。此外，居民生活污水也是城市地区重要的氨气排放源。将氮和氢稳定同位素解析结果与当地氨气排放清单对比发现，排放清单法极大地高估了养殖和农田两种农业源的贡献率，而交通和工业氨逃逸、农村家用燃炉、居民生活污水、水体对大气氨的贡献则被低估。本项目成果可用于各地解析当地大气氨排放源贡献率的时空变化特征，对地方氨气排放源的精准控制有指导意义。