报告提纲 1 研究背景 2 我国大气活性氮排放 3 我国氮素干湿沉降通量 4 氮沉降的生态环境效应 5 结论与展望

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1 中国大气活性氮排放 沉降及环境效应 刘学军 中国农业大学资源与环境学院 南京

2 报告提纲 1 研究背景 2 我国大气活性氮排放 3 我国氮素干湿沉降通量 4 氮沉降的生态环境效应 5 结论与展望

3 氮素循环 生物多样性下降和气候变化已成为九大系统超出地球环境边界 (planetary boundaries) 的三个方面 氮沉降则是氮循环研究中的相对薄弱环节 Modified from Keith Goulding (2002) (Rockstroem et al., Science 461: ) 8

4 Reactive N emission and deposition Natural emission: volcanoes, thunderstorms, fires SO 2 NO 2 NO 3 -, NH 4 + Org.N NO x NH 3 Anthropogenic emission: industry and agriculture NH 3 NO x NO x, NH 3, HNO 3 particulates aerosols Modified from Fowler and Goulding (2002) 8

5 Global hotspots of atmospheric NO x pollution East central China and Hong Kong were the only two regions to show continuous increase in NO 2 conc.! (Richater et al., Nature 437, )

6 Air pollution map (NO 2 ) worldwide (2005 vs 2014) (

7 High resolution (1*1 km) inventory of NH 3 emission in 2006 over China Emissions of both NH 3 and NOx are very large in the North China Plain! (Huang et al., GBC)

8 Trends of fertilizer N consumption in China, North America and West Europe since 1960s Start of China s economic reform Mr. Brown s question: Who will feed China? ( and /4/5 8

9 Questions concerned What are the scale and magnitude of atmospheric N deposition in China in relation to Nr emissions? How does atmospheric N deposition affect agro- and semi-natural ecosystems? Are there any solutions for lowering reactive N pollution and deposition?

10 报告提纲 1 研究背景 2 我国大气活性氮排放 3 我国氮素干湿沉降通量 4 氮沉降的生态环境效应 5 结论与展望

11 Trends of reactive N emissions in China since 1980 (summarized from various references) (Liu et al., Env. Pollut. 159: ) 2017/4/5 11

12 我国大气活性氮排放和铵硝比动态及相关排放源动态 总排放 氨排放线性增长 - 农业源排放线性增加 ; 氮氧化物非线性增长 - 非农业源排放加速增长! 农业源 非农业源 (Liu et al., Nature) 2017/4/5 12

13 NH 3 gap? Unpublished work 2017/4/5 13

14 中国氨排放动态比较 (A. 北大宋宇小组 ;B. ) A B Unpublished work (Kang et al., ACP) 2017/4/5 14

15 城市源 NH 3 排放不容忽视? Unpublished work

16 北京五环多点采样结果 :NH 3 vs NO 2 (Xu et al., ACP, 17: 31-46) 2017/4/5 16

17 报告提纲 1 研究背景 2 我国大气活性氮排放 3 我国氮素干湿沉降通量 4 氮沉降的生态环境效应 5 结论与展望

18 An overview on N deposition monitoring (network) in China CAS-Yantai Inst. based Coasal atmos. depos. Monitoring network around Bohai Sea CAU based wet and dry N deposition network (NNDMN) CAS based bulk N deposition and Acid deposition Network of East Asia (China) Acid deposition Networks run by MOEP and NBM Increased studies on acid rain and precip. chemistry Bulk N deposition monitoring at crop lands by Zhu et al. Bulk N deposition monitoring at GZ by Peng JR (1937) 1930s 1970s 1980s 1990s ~ ( 鲁如坤等, 1979; 朱兆良等,1992; Zhao et al., 1986; Liu et al., 2011; 陈颖军, 2014; Xu et al., 2015) 18

19 Nationwide Nitrogen Deposition Monitoring Network in China (NNDMN) 中国氮沉降监测网 (NNDMN) 点分布 2017/4/5 19

20 Wet-only sampler Rain gauge Weather station Instruments 直接定量方法 on quantification of N wet and dry deposition Passive sampler (NH 3 /NO 2 /SO 2 ) Particulate sampler (pnh 4+ /NO 3- /Org.N) DELTA system (NH 3 /HNO 3 /pnh 4+ /pno 3- ) 2017/4/5 20

21 1) Historical N deposition 2017/4/5 21

22 Distribution of sites reported bulk N deposition (red dots) and foliar N (green dots) in China during 1980 and /4/5 22

23 Nature Trends in bulk N deposition (a), N concentration (b), and ratio of NH 4 -N to NO 3 -N (c) in precipitation since 1980 N deposition 1980s: 13.2 kg N/ha/yr 2000s: 21.1 kg N/ha/yr NH 4 -N/NO 3 -N 1980s: ~ s: ~2.0 Recent studies by Lu & Tian (2014) and Jia et al. (2014) reported similar increasing trend of N deposition in China. (Liu et al., Nature, 494: )

24 Increased bulk N deposition in different regions of China (2000s vs 1980s) Rate and increase of N deposition were higher in highly-developed NC, SE and SW regions compared with less developed TP, NE and NW regions. (Liu et al., Nature, 494: )

25 Trends in foliar N in non-agricultural systems (a) and N uptake by rice, wheat and maize in long-term unfertilized croplands (b) during the 1980s and 2000s. *** *** *** Foliar N concentration 1980s: 18.1±7.2 mg/g 2000s: 24.0±9.2 mg/g Increase: 5.9 mg/g (+30%) Crop N from zero-n plots 1980s: 71.1 kg N ha s: 82.4 kg N ha -1 Increase: 11.3 kg N ha -1 (+15%) * * * All the evidence clearly shows that N deposition has significantly increased over China since *, *** denote significant difference at 0.05, level. (Liu et al., Nature, 494: )

26 Progress on relationship between N r emission and N deposition A NH 3 /NO x Emission? Atmospheric transformation /transport? NH 4 -N /NO 3 -N Deposition? China A. Unknown questions for N r emission, deposition and their interactions Agricultural & Nonagricultural Sources? Amount & Impact of N r deposition? B NH 3 / NO x Emission NH 3 NO x Atmospheric transformation/transport Highly correlated Foliar N NH 4 -N / NO 3 -N Deposition China Crop N 6.3 Tg N yr Tg N yr Tg N yr Tg N yr s 2000s 18.1mg g kg ha mg g kg ha kg ha kg ha -1 Agricultural & non-agricultural source emissions all increased significantly Enhanced deposition rate and its impact on agro and non-agro ecosystems B. Progress in N r emission, deposition and their impacts on foliar N and crop N uptake from unfertilized soils.

27 China USA Li et al. (2016) PNAS 113, /4/5 27

28 2) Quantification of wet/bulk and dry N deposition 2017/4/5 28

29 Monitoring N r concentration and deposition at 43-sites in China during Xu et al., ACP 15:

30 Annual mean concentrations of N r at 43-sites Xu et al., ACP 15:

31 Annual mean conc. of N r based on landuse types and regions

32 Dry and wet deposition of N r at 43-sites in China Average: Dry: 20.0 kg N/ha Wet: 19.9 kg N/ha Total: 39.9 kg N/ha (Xu et al., ACP 15: )

33 Total N deposition in different regions of China 11.4 kg N ha -1 yr kg N ha -1 yr -1 沉降模型结果表明中国氮素干湿沉降总量为 16.4 Tg N yr -1 (Zhao et al., AE) (Based on Xu et al., ACP, 15: )

34 报告提纲 1 研究背景 2 我国大气活性氮排放 3 我国氮素干湿沉降通量 4 氮沉降的生态环境效应 5 结论与展望

35

36 1. Environmental nutrient to croplands

37 Atmospheric N deposition is a major environmental nutrient source to croplands Unpublished work Historic change of environmental nutrient to croplands

38 20:20 for 2020 program 20% better NUE: saving 20 Mt N per yr by 2020 N saving as kg N per ha per yr Benefits expressed here as equivalent N saving / ha per year from the Full-chain NutUE target China (and India) can make larger contribution! (Sutton et al., 2013)

39 2. Soil acidification

40 Soil ph was decreased by 0.5 units due to overuse of N fertilizers and elevated N deposition units

41 Overall ph decrease: 0.63 units (Yang et al., GCB)

42 Continuous N addition led to significant soil acidification and substantial changes in microorganism communities (Duolun, Inner Mongolia) (Zeng et al., SBB)

43 S dep. N dep.

44 Forest soil acidification in China Soil ph decrease: 0.36 units! Atmospheric deposition contributes to 84% of H + production 1980s 2000s Number of data: (Zhu et al., AE)

45 3. Eutrophication

46 China s eutrophied lake area has increased from 135 (1970) to 8700 km 2 (2007). (the State Oceanic Administration, 2009) (Science 2009, ) (Jin, 2009)

47 N deposition to coastal seas of China Total N deposition to Bohai Sea: Annual N deposition in coastal 22 kg N ha -1 yr -1 zone: 34 kg N ha -1 * * * * * * 47 Assuming half of coastal N deposition rate (~17 kg N/ha) into Bohai, Yellow, East China and South China Seas ( km 2 ), total N deposition input can amount to 5.1 Tg N per year to the 4 marine ecosystems surrounding China. 2017/4/5 (Zhang et al., 2013; Luo et al., 2014)

48 4. Air pollution control effects

49 A successful example in UK Wet deposition at Rothamsted UK, 由于硫沉降的大幅下降, 目前英国多数农田小麦需要施用硫肥来保持产量 (From Goulding et al., 2005)

50 Beijing Smog CAU west campus, Feb. 26 th, µg/m µg/m 3 Oct. 19 th, 2014

51 Ammonium, nitrate and sulphate are major contributors to secondary aerosols! N r contribution to PM 2.5 : Beijing/SH/GZ: 22-23% Xi An: 12% N r +sulfate contribution: Beijing/SH/GZ: 34-41% Xi An: 19.4%

52 华北农田区域大气氨浓度动态及其与氮肥使用关系 ( ) QZ: 河北曲周 ( 典型农田 );SZ: 北京上庄 ( 郊区, 局部农田 ) ( 刘学军, 国家基金结题报告 )

53 北京 年 8 月大气中 NH 3, NO 2, SO 2, 颗粒态铵离子及 PM 2.5 和 PM 10 浓度动态变化 ( 注 : 2008 年 8 月为北京奥运期间 ) ( 刘学军, 国家基金结题报告 )

54 APEC blue effects Combined air pollutant reducing actions in north China: 1. Restricted vehicle Nos. on road 2. Strict dust control 3. Close of heavy polluted factories Before APEC summit During APEC summit (Hao Jimin,2014) 2017/4/5 54

55 Change of PM 2.5 levels and parts of components in PM 2.5 at CAU, Beijing Unpublished work Sustainable pollution control measures are key to improved air quality and lower N and S deposition!

56 Source apportionment of atmospheric NH 3 before, during, and after the 2014 APEC summit in Beijing (Chang et al., ACP 16: )

57 Air quality greatly improved in Beijing and surrounding areas during the Parade blue period (21 Aug.-3 Sep. 2015) PM 2.5 PM 10 NO 2 北京阅兵蓝 SO 2 CO (Xu et al., ACP, 17: 31-46)

58 A successful example at Urumqi: Shift of coal to natural gas for heating N dry deposition decreased from 26 kg N ha -1 (2012) to 16 kg N ha -1 (2015). (Song et al., EST 49: )

59 Potential to reduce NH 3 loss in croplands: Effects of urease inhibitor Limus in maize (Quzhou, Hebei, ) QZ 2012 QZ 2013 Treatment Grain yield (t DM /ha) NH 3 loss (kg N/ha) RE N (%) Grain yield (t DM /ha) NH 3 loss (kg N/ha) RE N (%) N0 4.5a a n.d. -- Ncon 10.1b 55 c 40a 9.9b 108 d 31a Nopt 9.0b 42 b 53ab 10.0b 85 c 50ab Nopt/L-2 9.6b 4 a 70cd 10.1b 30 b 61b N 80% opt/l b 4 a 76d 9.8b 31 b 58b N 80% opt/l-1 9.5b 5 a 60bc 9.8b 17 a 49ab 尿素 NH 3 挥发占总施氮量 20-57%, 添加 LIMUS 可减少 65-90% 氨挥发损失 (Li et al., FCR; Li et al., Sci. Rep.)

60 脲酶抑制剂 Limus 可以通过抑制尿素水解显著降低农田 NH 3 挥发损失! (Li et al., FCR)

61 中国养分利用, 粮食安全与环境保护已处于一个历史性转折点! (Liu et al., EST)

62 结论与展望 1. 我国大气氮沉降自上世纪 80 年代以来显著增加, 尤其以华北平原等中东部地区增长显著, 已成为我国农田和自然生态系统环境养分的重要来源 ; 2. 有证据表明氮沉降等环境养分增加已对土壤酸化 农业面源污染和大气污染等环境问题产生重要影响 ; 3. 将来需要进一步加强氮沉降等环境养分对陆地和水生生态系统等影响的综合研究 2017/4/5 62

63 致 谢 科研项目 : 国家自然基金 国家 973 项目 中科院百人计划 教育部新世纪人才项目 中德合作项目等的支持 合作伙伴 : Fangmeier, Vitousek, Goulding, Fowler, Collett, Erisman 及许多国内同行研究生 : 张颖, 何春娥, 沈健林, 宋玲, 李凯辉, 骆晓声, 许稳, 常运华, 李欠欠, 温章, 鲁丽, 朱齐超, 张洋洋等 2017/4/5 63

64 Thank you for your attention! Questions / Comments?

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