近日，一项关于全球氮沉降动态演变及其社会经济驱动力的重要研究在*Nature Communications*期刊（2025年，第16卷，第46期）上发表。该研究题为“由社会经济发展驱动的全球氮沉降模式变化”（Changing patterns of global nitrogen deposition driven by socio-economic development），由中国科学院的祝建兴、河北农业大学的贾艳龙（共同一作）及于贵瑞研究员（通讯作者）等来自中国科学院地理科学与资源研究所、中国科学院大学、东北林业大学、中国农业大学、天津大学、沈阳农业大学，以及英国洛桑研究所、英国生态与水文中心、美国斯坦福大学等多个机构的科研人员共同完成。
本研究的核心科学领域是全球生物地球化学循环，具体聚焦于人类活动剧烈扰动下的氮循环。人类活动（特别是农业施肥和化石燃料燃烧）向大气排放了大量的活性氮（Reactive Nitrogen, Nr），这些活性氮通过干、湿沉降过程返回地表，深刻影响着生态系统的生产力、生物多样性、土壤和水体化学性质，乃至人类健康。过去几十年，北美、欧洲和东亚因工业化、农业密集化而成为全球氮沉降的热点区域。然而，随着发达国家环境治理措施的加强和产业结构的转型，这些地区的氮沉降已呈下降趋势。与此同时，全球人口增长、粮食与能源需求增加、产业转移和贸易发展，预示着全球氮沉降的格局可能正在发生重大转变。然而，全球氮沉降监测网络分布不均，主要集中于发达国家，而在发展中国家，尤其是拉丁美洲和非洲，数据严重匮乏，这导致了对全球氮沉降总量、时空格局及演变趋势的认识存在显著不确定性。
因此，本研究旨在：（1）构建一个全面、长期、基于观测的全球氮沉降数据库；（2）精准刻画当前全球氮沉降的现状与空间格局；（3）系统解析1980年以来全球及区域氮沉降的动态演变规律；（4）揭示社会经济因素（尤其是人均国内生产总值，GDPpc）在全球氮沉降演变中的驱动作用；（5）评估氮沉降热点区域的转移趋势，并为全球氮管理，特别是发展中国家的氮污染控制提供科学依据和政策启示。这项研究对于实现《科伦坡宣言》中关于“到2030年将氮废物减半”的全球目标至关重要。
本研究是一项基于大数据整合、机器学习模型构建和时空格局分析的综合性研究，其工作流程可分为五个核心步骤：
第一步：构建全球监测氮沉降数据库 研究团队系统地收集并整合了来自全球43个氮沉降观测网络（包括中国的CHINAWD、欧洲的EMEP、美国的CASTNET/AQS/AMON、加拿大的CAPMON/NAPS、东亚的EANET、非洲的INDAAF等）以及来自1390篇已发表学术论文的监测数据。经过严格筛选（要求包含铵态氮、硝态氮等关键指标，且观测期至少一年），最终构建了名为“监测基础的全球氮沉降数据库”（Monitoring-based Global Nitrogen Deposition database, MGND）。该数据库覆盖1977-2021年，共包含52,671个“站点-年”的数据量（其中湿沉降25,808个，干沉降26,863个），详细记录了站点位置、时间、方法、生态系统类型、氮组分浓度与通量等信息，是迄今为止最全面、时间跨度最长的全球氮沉降观测数据集。
第二步：创建高分辨率全球氮沉降网格数据集（2008-2020） 为弥补观测站点空间分布不均的缺陷，并生成连续的全球空间图，研究团队开发了一个创新性的建模框架。首先，基于全球人类足迹数据、NH₃和NO₂的卫星柱浓度数据，将全球陆地划分为“荒野区”和“人类活动改造区”。对于受人为干扰极小的“荒野区”（如西伯利亚、撒哈拉沙漠等），其氮沉降通量被设定为与NH₃和NO₂的卫星柱浓度归一化值成正比，以反映本底水平。
对于“人类活动改造区”，研究采用了机器学习方法进行空间升尺度。团队构建了三种不同的随机森林模型： 1. N6模型：基于“GDPpc → Nr排放 → 卫星柱浓度（CN）→ 气象因子（如年均降水量MAP）→ 氮沉降通量（Fn）”这一因果级联网络，仅使用6个核心驱动变量。该模型继承并验证了作者团队此前在中国区域研究中建立的机制框架。 2. N22最佳模型：从22个候选变量（包括GDPpc、各类排放、卫星数据、气象、土地利用等）中，通过递归特征消除法筛选出最优变量组合，旨在获得更高的解释力。 3. 级联模型：针对排放清单（尤其是NH₃）存在较大不确定性的问题，该模型分两步进行：首先利用卫星NH₃柱浓度、经济活动等数据预测NH₃排放量；然后将预测的排放量作为输入变量之一，结合其他因子来预测最终的氮沉降通量。
在所有模型构建中，均采用70%数据训练、30%数据测试，并利用网格搜索优化超参数。最终，结合“荒野区”的估算结果和“人类活动改造区”三种模型的平均预测结果（通过计算三个模型结果间的标准差来衡量不确定性），生成了空间分辨率为0.125°×0.125°的2008-2020年全球氮沉降网格数据集。
第三步：分析时空动态与趋势 利用生成的网格数据集和原始的站点观测数据，研究团队分析了多个尺度的动态： 1. 全球尺度：计算了1980-2020年全球陆地氮沉降总通量的时间序列，区分了铵态氮沉降和硝态氮沉降。 2. 区域尺度：将全球划分为北美、西欧、中国、南亚等10个关键区域，分析各自的长期变化趋势，并根据变化模式归纳为三种类型：下降型（发达国家）、转型/稳定型（中国等中等收入国家）、上升型（南亚、东南亚等低收入国家）。 3. 热点转移分析：使用泰尔-森中值斜率估计和曼-肯德尔非参数检验，分析了2008-2020年间全球每个网格单元氮沉降的变化趋势，以识别显著增加和减少的区域。 4. 发达国家与发展中国家对比：根据世界银行收入标准对国家进行分组，对比分析了2008-2020年间两类国家氮沉降总量及其铵态、硝态组分的变化趋势。
第四步：探究驱动机制 研究团队运用统计分析和结构方程模型深入探究了氮沉降的驱动因素： 1. 相关性分析：在国家/区域尺度上，分析了氮沉降通量与GDPpc、活性氮排放、卫星柱浓度、年均降水量等因子的相关性。 2. 结构方程建模：正式构建并验证了“GDPpc → Nr排放 → CN → 气象因子 → Fn”这一级联网络的普适性，量化了各路径的贡献，解释了45%-88%的氮沉降时空变异。 3. 环境库兹涅茨曲线检验：整合了东亚、东南亚、非洲、西欧和北美五大区域处于不同发展阶段的数据，探索了氮沉降通量与人均GDP之间的关系。采用了经典的对数三次方程模型来检验二者是否符合环境库兹涅茨曲线形态。
第五步：数据不确定性与对比分析 研究系统评估了估算结果的不确定性： 1. 比较了本研究估算的全球氮沉降总量与其他基于大气化学传输模型或历史排放清单研究的差异。 2. 对比了北美、欧洲、中国等地区的估算结果与以往独立研究的一致性。 3. 通过计算三个随机森林模型结果之间的相对标准差，绘制了全球氮沉降估算不确定性的空间分布图，明确指出数据稀疏地区（非洲、中亚、拉丁美洲、澳大利亚）的不确定性最高。
结果一：2020年全球氮沉降现状 研究估算，2020年全球陆地年均总氮沉降通量为7.0 kg N ha⁻¹ yr⁻¹，其中铵态氮贡献4.3，硝态氮贡献2.7。据此推算，2020年通过沉降输入到全球陆地的氮总量约为92.7 Tg N（万亿克氮），相当于同年全球农业氮肥用量的84%。空间上，沉降热点集中在中低纬度的发展中国家，尤其是南亚（印度北部）、东亚（中国华北、东部），通量高达40-60 kg N ha⁻¹ yr⁻¹。一个重要的新发现是，非洲的铵态氮沉降通量（4.5 kg N ha⁻¹ yr⁻¹）远高于此前模型估计，这与近年来卫星观测到的非洲NH₃柱浓度与北美、东亚、西欧相当的结果一致，表明过去研究可能严重低估了非洲的氮沉降。
结果二：1980-2020年全球氮沉降动态演变 全球陆地总氮沉降通量在1980-2020年间呈现先增后稳并略有下降的趋势，于2015年达到峰值（7.3 kg N ha⁻¹ yr⁻¹）。铵态氮沉降的增长速度和峰值均高于硝态氮沉降。铵态氮与硝态氮的比值从1980年的0.81持续上升至2007年的峰值1.73，此后略微下降并稳定在1.5左右。1980-2020年这40年间，大气沉降累计向陆地生态系统输入了约3117 Tg N，几乎与同期全球氮肥施用量（3549 Tg N）相当。
结果三：区域动态分异与热点转移 区域趋势呈现明显分异，验证了“热点转移”的假设： * 下降型：北美、西欧、日韩等发达国家和地区的氮沉降通量显著下降。在北美，硝态氮下降明显，而铵态氮下降缓慢甚至稳定，导致铵硝比上升。 * 转型/稳定型：中国、俄罗斯等中等收入国家，总氮沉降及铵、硝组分均呈现先增后稳或下降的趋势。中国在达到峰值后，总沉降趋稳，且铵硝比开始下降。 * 上升型：南亚、东南亚、南美洲等低收入国家，所有氮沉降组分均呈现显著上升趋势，铵硝比也在增加。
趋势分析（2008-2020）清晰地显示，全球氮沉降热点正从发达国家（如欧洲、美国东部、日本）向中低纬度的发展中国家（如南亚、东南亚、巴西）转移。发达国家氮沉降的轻微下降主要由硝态氮沉降显著减少驱动；而发展中国家的显著上升则主要由铵态氮沉降大幅增加驱动。这一发现得到了全球连续观测站点湿沉降数据趋势分析的支持。
结果四：社会经济驱动力的核心作用 统计分析表明，氮沉降通量与人为排放、卫星柱浓度、气象因子显著相关。结构方程模型证实，“GDPpc → 排放 → 柱浓度 → 气象因子 → 沉降通量”这一级联网络具有全球普适性。最关键的结果是，全球尺度上，氮沉降通量（总量、铵态、硝态、干、湿）与人均GDP之间的关系完美地符合一条正态分布曲线（即环境库兹涅茨曲线）。拟合的对数三次方程模型均极显著： * 总氮沉降通量的峰值出现在人均GDP约8800美元（2011年不变价）时。 * 铵态氮沉降的峰值出现在约6600美元，早于且高于硝态氮沉降的峰值（约11000美元）。 这一差异具有重要政策含义：铵态氮主要源于农业生产，其排放和沉降更早达到峰值；而硝态氮更多与工业活动相关，峰值来得更晚。
结果五：不确定性评估 本研究估算的全球氮沉降总量（92.7 Tg N yr⁻¹）高于多数大气化学传输模型的模拟结果（63.9–90.4 Tg N yr⁻¹）。通过与全球活性氮排放总量估算范围（125.7–179.5 Tg N yr⁻¹）比较，认为本研究结果处于合理区间。造成模型估值偏低的原因可能在于广泛使用的自下而上排放清单（如CEDS, EDAGR）存在系统性低估，尤其是对于NH₃排放。不确定性空间分析显示，在监测站点稀疏的非洲、中亚、拉丁美洲和澳大利亚，估算结果的不确定性最高。
本研究系统揭示了全球氮沉降格局正在发生根本性转变：沉降热点已从发达国家转移到中低纬度的发展中国家。这一转变的核心驱动力是社会经济发展水平（人均GDP），且氮沉降与人均GDP之间存在类似环境库兹涅茨曲线的非线性关系。具体而言，农业源为主的铵态氮沉降比工业源为主的硝态氮沉降更早达到峰值。
该研究的科学价值在于：首次基于超大规模观测数据，构建了高分辨率的全球氮沉降时空动态图谱，量化了其长期演变趋势，并实证了社会经济因素的核心驱动作用，将全球氮循环变化与人类发展进程紧密联系起来。其应用价值与政策启示十分明确： 1. 对发展中国家的启示：应避免重走发达国家“先污染后治理”的老路。鉴于农业NH₃减排的边际成本远低于工业NOx减排，发展中国家在工业化进程中，应优先推广应用农业减排技术（如提高氮肥利用率、改进施肥方式、改善畜禽粪便管理等），力争使铵态氮沉降的峰值提前到来并降低其峰值，实现农业发展与环境保护的协同。 2. 对发达国家的启示：虽然其总氮沉降下降，但铵态氮沉降下降缓慢。因此，发达国家需要继续加强对NH₃排放热点（如集约化养殖场）的治理措施。 3. 对全球合作与研究的呼吁：需要加强全球合作，特别是向发展中国家提供资金和技术支持，以加速氮管理技术的应用。同时，必须加强在非洲、拉丁美洲等数据空白区的氮沉降监测网络建设，以降低未来评估的不确定性，并更有效地追踪全球氮管理目标的进展。
研究指出，过去40年大气沉降输入的氮量几乎与化肥施氮量相当，这意味着大气氮沉降是一种巨量的、长期的“自然”氮肥输入。这种输入对生态系统碳汇、物种多样性、土壤酸化和温室气体排放的影响需要被重新评估。特别是在磷限制普遍的热带生态系统，氮沉降增加可能加剧磷限制，威胁生态系统结构与功能。此外，不同区域铵硝比的变化趋势不同，而植物对铵态氮和硝态氮的吸收偏好以及这两种形态氮对土壤酸化和温室气体排放的效应存在差异，因此沉降组分变化可能导致自然和半自然生态系统的物种组成发生改变。这些均为未来的生态学研究提出了重要的新课题。