具体描述
Anthropogenic emissions of ammonia cause a host of environmental impacts, including loss of biodiversity, soil acidification and formation of particulate matter in the atmosphere. Under the auspices of the UNECE Convention on Long Range Transboundary Air Pollution, around 80 international experts met to review the state of scientific knowledge. This book reports their analysis. It concludes that threshold levels for ammonia effects have been underestimated and sets new values, it assesses the independent evidence to verify reported reductions in regional ammonia emissions, and it reviews the uncertainties in modelling ammonia, both in 'hot spots' and at the regional scale.
《大气氨：影响、测量与控制》 引言 氨，一个看似简单却又极其复杂的分子，在地球大气系统中扮演着至关重要的角色。它不仅是生命必需的氮元素的重要载体，更是影响大气化学、气候变化、空气质量乃至生态环境的驱动因素之一。本书《大气氨：影响、测量与控制》旨在深入探讨大气中氨的方方面面，从其产生源、在大气中的化学转化过程，到其对环境和人类健康的具体影响，再到目前为止的监测技术以及各种减排和控制策略。本书并非对某一具体著作的内容进行概述，而是以一个独立、详尽的研究报告形式，系统性地梳理和分析当前科学界对于大气氨的认知和研究进展。 第一章：大气氨的来源与排放 大气氨的产生是复杂且多样的，主要可归结为两大类：自然源和人为源。 自然源： 生物过程：这是自然界氨气最主要的来源。土壤和水体中的微生物，如反硝化细菌和硝化细菌，通过对有机物的分解和氮循环过程，不断释放氨气。这些微生物活动受到温度、湿度、土壤pH值等多种环境因素的影响。动植物的腐烂分解也是重要的自然氨源，特别是在森林、湿地等生物活动丰富的区域。 火山活动：火山喷发过程中会释放大量的氮氧化物和氨气，尽管在全球总排放量中所占比例相对较小，但在特定区域和特定时期，其贡献不容忽视。 海洋排放：海水中的微生物分解过程也会产生氨，通过海气交换释放到大气中。 人为源： 农业活动：这是目前人类活动产生氨气的最主要途径。 畜牧业：牲畜粪便和尿液中的尿素在酶的作用下会水解产生氨气。氨气从畜舍、粪便堆积场以及施肥后的农田中大量释放。饲料的氮含量、畜舍的管理方式、粪便的储存和处理方式都会显著影响氨的排放强度。 化肥施用：氮肥，尤其是尿素和碳酸氢铵，在土壤中会发生水解反应释放氨气。施肥方式（如地表撒施、深施、结合灌溉等）、土壤条件（如pH值、湿度）、施肥时间以及肥料类型都会影响氨的挥发损失。 作物残茬分解：农作物收割后留下的残茬，在分解过程中也会释放一定量的氨气。 工业排放： 化肥生产：氨是生产氮肥的主要原料，在化肥生产过程中，从原料输送、反应、分离到产品储存等环节，都可能存在氨气的泄漏和排放。 化学工业：某些化学品的生产过程，如合成氨、硝酸、染料、塑料等，会以氨或含氮化合物作为原料或副产物，可能导致氨的排放。 垃圾填埋：垃圾在厌氧条件下分解时，有机氮化合物会转化为氨气，并随着填埋气一起释放。 交通运输：虽然不像氮氧化物那样是主要的交通尾气污染物，但在燃烧过程中，燃料中的氮元素也会产生少量氨气，尤其是在不完全燃烧的情况下。 城市活动：城市中的污水处理厂、一些烹饪和清洁过程中使用的含氨清洁剂，也会成为城市区域的氨源。 理解这些来源的相对重要性以及其空间和时间分布特征，对于制定有效的控制策略至关重要。全球和区域尺度的排放清单模型是量化这些来源贡献的主要工具。 第二章：大气氨的化学转化与传输 大气氨的化学性质决定了它在大气中的寿命和转化过程。 气态氨的特性：氨（NH₃）在常温常压下是无色、有刺激性气味的碱性气体。它在大气中相对稳定，但易溶于水，并与酸性物质发生反应。 气-粒转化（化学反应）：这是大气氨在大气中经历的最重要的转化过程。 与酸性气体的反应：氨气遇到大气中的酸性气体，如硫酸（H₂SO₄）和硝酸（HNO₃），会发生中和反应，生成铵盐（NH₄⁺）。 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ （硫酸铵） NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ （硝酸铵） NH₃ + HCl → NH₄Cl （氯化铵） 颗粒物形成：这些生成的铵盐通常是固态颗粒物，它们可以成为大气细颗粒物（PM₂.₅）的重要组成部分。这不仅影响空气质量，还对能见度、人体健康和气候产生影响。 硝酸铵的动态平衡：硝酸铵的形成和分解是一个动态平衡过程，受温度、相对湿度和NH₃、HNO₃、NH₄NO₃（颗粒）的浓度影响。在较低温度和较高湿度条件下，硝酸铵更容易形成；而在较高温度下，它则倾向于分解为NH₃和HNO₃。 其他转化途径：在特定条件下，氨气也可以参与一些氧化反应，但相比于其与酸性气体的反应，这些过程在大气中的主导性相对较低。 大气传输： 湿沉降：气态氨易溶于水，可以通过雨、雪、雾等形式被洗出大气，进入地表水体或土壤。 干沉降：气态氨也可以通过扩散和湍流作用直接沉积在植物叶面、土壤表面以及其他地表物体上。铵盐颗粒物则通过重力沉降和湍流输送等方式沉降。 长距离传输：虽然氨在大气中的寿命相对较短（数小时至数天，取决于反应条件），但其形成的铵盐颗粒物可以被风力携带，实现一定距离的传输，影响区域甚至跨区域的空气质量。 了解这些化学转化和传输过程，有助于我们理解氨气如何影响区域甚至全球范围的大气环境。 第三章：大气氨的影响 大气氨的影响是多方面的，涵盖了对空气质量、生态环境、气候以及人类健康等领域。 空气质量与颗粒物形成： PM₂.₅形成：如前所述，氨气是形成二次无机颗粒物（如硫酸铵、硝酸铵）的主要前体物之一。这些颗粒物是PM₂.₅的重要组成部分，对城市和区域空气质量构成严重挑战。 能见度：细颗粒物能够散射和吸收可见光，从而降低大气能见度，影响交通运输和日常生活。 健康影响：PM₂.₅是重要的空气污染物，对人体呼吸系统和心血管系统造成负面影响，增加患病风险。 生态环境影响： 富营养化：大气中氨（或其转化产物如铵盐）通过干湿沉降进入土壤和水体，会增加氮的输入量。 土壤酸化：铵离子在土壤中会发生硝化作用，释放质子（H⁺），导致土壤pH值下降，引发土壤酸化。这会影响土壤微生物的活性，改变养分有效性，并可能释放重金属。 水体富营养化：过量的氮输入会导致湖泊、河流和近海海域的富营养化，引起藻类过度生长（水华），消耗水体中的溶解氧，威胁水生生物生存。 陆地生态系统改变：在高氮沉降地区，一些对高氮敏感的植物物种可能会被抑制，而一些耐受性强的物种则可能过度生长，导致生物多样性降低，生态系统结构改变。 森林健康：过量的氮素可能导致森林营养失衡，增加植物对病虫害和干旱的敏感性，影响森林生长和健康。 对敏感生态系统的影响：对于一些氮素限制型的敏感生态系统，如某些草地、湿地和高山生态系统，即使是较低水平的氨沉降也可能对其生态功能和生物多样性产生显著影响。 气候变化： 对气溶胶辐射强迫的影响：铵盐气溶胶可以散射太阳辐射，起到冷却作用。然而，其具体作用（是冷却还是增温）非常复杂，取决于气溶胶的粒径、化学组成、光学性质以及云的相互作用。 对地表反照率的影响：气溶胶的存在也会影响地表反照率。 对云物理过程的影响：铵盐颗粒可以作为云凝结核，影响云的形成、粒径分布和反射率，进而影响区域和全球的气候。 对材料的腐蚀：氨气，尤其是与水分结合时，对一些金属和建筑材料具有腐蚀性。 第四章：大气氨的测量与监测 准确监测大气中的氨和铵盐是理解其行为、评估其影响和制定减排策略的基础。 气态氨的测量技术： 被动采样法： 酸性滤纸/吸收管：将空气通过浸有酸性溶液（如稀硫酸）的滤纸或吸收管，氨气被吸收并形成铵盐，然后通过后续分析（如凯氏定氮法）测定氨的浓度。 固体吸附管：使用具有吸附能力的固体材料（如沸石、多孔聚合物）吸附氨气，然后通过热解吸或溶剂解吸后进行分析。 主动采样法（仪器测量）： 化学发光法：氨与特定的化学试剂（如臭氧）反应产生发光信号，信号强度与氨浓度成正比。 电化学传感器：利用氨与电化学传感器表面发生的反应，产生可测量的电流信号。 质谱法：通过质谱仪直接测量氨分子的质量数，具有高灵敏度和选择性。 傅立叶变换红外光谱（FTIR）：利用氨分子在红外区域的吸收光谱进行定量分析。 在线监测系统：为实现连续、实时的监测，通常采用自动化的仪器，如自动氨分析仪，可集成到空气质量监测网络中。 采样和预处理：在采样过程中，需要避免氨的损失（如吸附在仪器内壁）和引入干扰，并考虑气-粒转化问题。例如，可能需要对采样口进行加热以保持氨气态，或使用特殊的采样头来区分气态氨和颗粒态铵。 颗粒态铵盐的测量技术： 颗粒物采样：使用大流量采样器，将空气通过精密滤膜，将颗粒物（包括铵盐）收集在滤膜上。 滤膜分析： 离子色谱法（IC）：是最常用的分析方法，用于测定滤膜上铵离子的浓度，同时也可测定其他主要阴阳离子。 湿化学法：如凯氏定氮法，用于测定总氮，其中包含铵态氮。 在线颗粒物成分分析仪： 多组分在线监测系统（MCERTS）：如基于PM₂.₅的化学传感器，能够实时监测颗粒物中铵盐的浓度。 气溶胶质谱仪（AMS）：能够对气溶胶颗粒的化学成分进行实时、高分辨率的定量分析，包括铵盐。 监测网络的建设与数据分析： 监测站点选择：根据研究目的（如区域背景、城市点源、农业区），选择合适的监测站点。 数据质量控制：建立严格的数据质量控制和质量保证（QA/QC）程序，确保监测数据的准确性和可靠性。 数据分析与建模：对监测数据进行统计分析，识别氨污染的时空变化规律，并结合大气化学传输模型，进行污染源解析、影响评估和预测。 第五章：大气氨的控制与减排策略 鉴于大气氨对空气质量、生态环境和人类健康的负面影响，制定有效的控制与减排策略至关重要。 农业源减排：这是目前最关键的减排领域。 畜牧业： 粪便管理： 快速清除和储存：减少粪便在畜舍内停留时间，及时清扫，并采用密闭、厌氧或酸化储存方式，抑制氨的挥发。 堆肥与沼气工程：通过控制好氧堆肥条件或进行厌氧发酵产生沼气，可以有效减少氨的挥发。 沼液/沼渣处理：沼液中的氨氮含量较高，需要进一步处理（如酸化、生物脱氮、膜分离）或安全施用。 饲料优化：调整饲料的蛋白质含量，减少过量摄入的蛋白质在体内代谢产生多余的氮，从而减少粪便中的氮含量。 畜舍通风与排放控制：优化通风系统，并考虑安装氨吸收装置（如洗涤塔），对排放的氨气进行处理。 密闭化与智能化管理：提高畜舍的密闭性，并利用传感器和自动化设备实时监测和调控氨气浓度。 化肥施用： 肥料类型选择：优先使用挥发性较低的肥料，如缓释肥、包膜肥，或硫基肥料。 施肥方式改进： 深施：将尿素或碳酸氢铵深埋于土壤中，减少其与空气接触的机会。 结合灌溉：在施肥后立即灌溉，将肥料溶解并带入土壤深层。 尿素酶抑制剂和硝化抑制剂：添加这些添加剂可以延缓尿素的水解和铵的硝化，从而减少氨的挥发。 施肥时间与剂量优化：根据作物生长需求，精准施肥，避免过量施用，选择在不利于氨挥发的时段（如傍晚、湿度较高时）施肥。 秸秆还田管理：将秸秆粉碎后深埋，并适当控制还田量和还田后的翻耕时间，以减少氨的释放。 工业源减排： 化肥生产企业：优化生产工艺，加强设备密封，改进尾气处理设施（如吸收塔、吸附装置），回收或净化氨气排放。 其他工业企业：对涉及氨或含氮化合物的生产过程，进行工艺改进和末端治理，安装有效的废气处理设施。 垃圾填埋场：加强填埋气收集和处理，或对填埋场的渗滤液进行有效管理，减少氨的排放。 政策与法规： 排放标准制定：制定和完善农业、工业等重点行业的氨排放标准。 环境税/补贴：通过经济手段激励减排，例如对氨排放征收环境税，或对采用减排技术的企业给予补贴。 信息公开与公众参与：提高公众对氨污染的认识，鼓励公众参与监督。 技术研发与创新： 新型减排技术：持续投入研发更高效、更经济的氨减排和控制技术。 监测技术进步：开发更灵敏、更便捷、更经济的氨监测设备和方法。 模型与预测工具：改进大气化学传输模型，提高对氨污染的预测和溯源能力。 结论 大气氨作为一种重要的空气污染物和环境影响因子，其复杂性体现在其多样的来源、快速的大气转化以及广泛的环境生态效应。本书通过系统性地梳理和分析，从源头排放、化学过程、环境影响到监测技术和控制策略，为读者提供了一个全面、深入的认知框架。理解和应对大气氨问题，需要多学科的协作、先进技术的支撑以及政府、企业和公众的共同努力，才能有效改善空气质量，保护生态环境，维护人类健康。
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