北京大学物理学院大气与海洋科学系张霖长聘副教授课题组与国际应用系统分析研究所Wilfried Winiwarter教授、维也纳自然资源与生命科学大学Harald Rieder教授等合作，结合减排效率和化学状态两种指标，指出欧洲因排放差异和大气化学的复杂性，其东西部区域存在不同的通过活性氮排放控制减缓大气PM_2.5污染的减排路径，在综合考虑氮排放控制成本后，其最优减排策略均更加强调氨的排放控制。相关研究成果以《为经济有效地减缓欧洲PM_2.5污染识别最优活性氮控制路径》（“Optimal reactive nitrogen control pathways identified for cost-effective PM_2.5mitigation in Europe”）为题，2023年7月17日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
PM_2.5空气污染是全世界过早死亡的主要风险因素之一，每年造成数百万的死亡和健康寿命损失。许多国家已经实施了缓解PM_2.5污染的长期政策，有效地降低了PM_2.5浓度。然而，即使在欧洲等环境空气相对清洁的地方，大量的人群仍然暴露在有害的PM_2.5浓度水平下。活性氮（Reactive nitrogen; Nr）排放，包括氨氮（NH₃）和氮氧化物（NO_x），是PM_2.5中二次无机气溶胶（SIAs，包括硫酸盐、硝酸盐和铵盐）组分的重要前体物，对欧洲的PM_2.5质量浓度有很大贡献。由于NH₃来源的不确定性以及对其在缓解PM_2.5成效上的担忧，大多数国家都没有优先实施NH₃减排。当前，欧洲国家Nr减排策略均显示对NO_x排放的控制力度比对NH₃更大。为了达到最新的世界卫生组织指导值和实现零污染行动计划，欧洲在未来的活性氮排放控制方面还需要进行大气化学的系统评估。
张霖课题组与Wilfried Winiwarter、Harald Rieder等合作研究，集成WRF-Chem区域空气质量模式，最新欧洲人为排放清单估计、人体健康暴露模型和活性氮排放控制成本数据，系统地分析了不同程度的Nr（NH₃和NO_x）排放控制对PM_2.5空气质量的影响。研究发现，完全控制Nr排放将使欧洲PM_2.5空气污染减少12%—29%，与PM_2.5相关的死亡率减少6%—29%，并有助于在欧洲部分区域实现世界卫生组织的最新PM_2.5浓度指导值。
研究团队采用了减排效率（β）和化学状态（G比值）两种指标，分别表征PM_2.5空气质量对Nr减排的瞬时响应和SIAs组分形成的化学限制条件，进而评估Nr减排对欧洲PM_2.5污染缓解的有效性。结果表明，东欧G比值接近1，SIAs生成受限于大气氨浓度，低水平的NH₃或NO_x减排有类似的PM_2.5浓度缓解效果。相反，西欧G比值大于1，SIAs生成受限于大气硝酸浓度，但当减排水平超过40%时，NH₃减排才开始有效（图1）。并且随着欧洲排放控制水平的提高，NH₃减排效率增加，而NO_x减排效率则略有下降。研究显示，过去常用基于平均大气化学状态的G比值虽然能提供粗略的Nr排放控制方向，但受限于瞬时均匀空气块的假设，精准地识别Nr排放控制临界点还需借助减排效率指标。

图1 2015年欧洲逐步减排Nr对缓解区域平均PM_2.5空气污染的有效性。(a, b) 西欧和东欧年均PM_2.5浓度及与PM_2.5相关的过早死亡随欧洲Nr、NO_x和NH₃减排的变化。（c, d）西欧和东欧与Nr、NO_x和NH₃排放控制相关的年平均瞬时效率（β）的变化
欧洲区域进一步设计具有成本效益的Nr减排路径以实现零污染行动则需同时考虑PM_2.5污染缓解有效性和实施成本。研究团队提出了Nr减排对PM_2.5污染减缓效果的诊断方法（图2），以鉴别欧洲Nr排放控制的最优路径。当前，欧洲人为污染排放控制方案的实施成本显示，控制NH₃排放的花费要比NO_x排放低很多。该研究通过诊断降低单位PM_2.5所需的Nr减排成本发现，减排0—50%的NH₃比NO_x的成本效益高5—11倍，东欧和西欧的最优减排途径均转向NH₃排放控制。研究结果指出，尽管欧洲东西部存在明显的污染排放和大气化学的差异性，Nr排放控制路径在考虑排放控制成本因素后均需要更加重视农业氨排放控制。

图2 Nr减排对PM_2.5污染改善效果的诊断图。(a, d)西欧和东欧区域平均PM_2.5年均浓度缓解效果诊断图，紫线为诊断图中识别的Nr排放控制最优路径。(b, e)西欧和东欧0%–50%NH₃/NO_x排放控制的成本变化。(c, f)西欧和东欧Nr排放控制成本与PM_2.5年均浓度下降比值的诊断图，红线为诊断图中识别的Nr排放控制的最佳途径
该研究由国家自然科学基金委中欧合作项目“城市氮循环”（Urban Nitrogen Cycles）资助（张霖为项目中方负责人，Wilfried Winiwarter为欧方负责人）。该成果是张霖课题组继我国华北地区及全国农业氨减排的大气环境效应研究（Liu et al., Environ. Res. Lett., 2019；Guo et al., Nature Food 2020）、全球Nr的PM_2.5健康效应研究（Gu, Zhang, et al., Science, 2021）之后的又一拓展。除了欧洲区域以外，结合PM_2.5空气污染减缓效果和实施成本的Nr排放控制路径对全球其他高Nr排放地区（例如我国华北和印度等）也很重要。对减排最优路径的探讨将有助于空气质量的持续改善。
发表文章中，物理学院2023届博士毕业生刘泽慧为第一作者，张霖和Wilfried Winiwarter为共同通讯作者，物理学院博士后郭怡鑫也参与了主要研究工作。其他合作者包括维也纳自然资源与生命科学大学Harald Rieder及其课题组的Monika Mayer和Christian Schmidt。
其他论文链接：
1) The nonlinear response of fine particulate matter pollution to ammonia emission reductions in North China, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abdf86
2) Air quality, nitrogen use efficiency and food security in China are improved by cost-effective agricultural nitrogen management, https://www.nature.com/articles/s43016-020-00162-z
3) Abating ammonia is more cost-effective than nitrogen oxides for mitigating PM_2.5 air pollution, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf8623