氨气（NH₃）是大气中最重要的碱性气体之一，能与硫酸、硝酸、盐酸等酸性物质反应生成颗粒态铵盐（NH₄^⁺），进而对细颗粒物形成、大气沉降过程及生态系统氮输入产生重要影响。准确识别大气 NH₄^⁺ 的来源，对于理解区域氮循环过程、制定氨减排策略和改善大气环境质量具有重要意义。

近年来，稳定氮同位素技术已被广泛应用于大气 NH₄^⁺来源解析。然而，传统方法通常主要考虑 NH₃向 NH₄^⁺转化过程中的同位素分馏，而忽略了NH₃和NH₄^⁺在大气输送过程中因干湿沉降不断离开大气系统所带来的影响。由于 NH₃与 NH₄^⁺的沉降速率存在显著差异，这一过程会持续改变大气中NH_x （NH₃ +NH₄^⁺）的氮同位素组成，进而导致观测到的 NH₄^⁺氮同位素值与源排放NH₃的氮同位素值之间产生偏差，最终影响源解析结果的准确性。

图1 大气铵盐氮同位素源解析模型示意图

针对这一关键方法学问题，中国科学院烟台海岸带研究所海岸带环境过程研究组开展了专项研究，开发出同时考虑大气沉降和同位素分馏过程的定量模型。该团队构建了开放大气系统迭代模型，用于量化大气NH₄^⁺与源排放NH₃之间的氮同位素差异（δ¹⁵N_4a-3s）。模型综合考虑 NH₃向 NH₄⁺的转化、NH₃沉降、NH₄⁺ 沉降，以及温度对同位素分馏因子的影响，并设置六种典型情景，分别对应低酸性气体平坦区域、山区背景区、城市平原区和山区城市等不同大气环境。

研究结果表明，δ¹⁵N_4a-3s对大气中 NH₄^⁺占 NH_x的摩尔分数 f最为敏感；当 f值较高时，传统简化方法与模型计算结果的差异会显著增大。在 20 ℃、f = 0.9条件下，两种方法得到的最大差异可达 10.7‰。这一数据充分表明，忽略大气沉降影响会严重影响源解析的准确性。

图2 六种模型情景及简化方法模拟的-10°C、0°C、10°C、20°C和30°C下δ¹⁵N_4a-3s随f的变化

图3 六个模拟场景下20°C时δ¹⁵N_4a-3s值对输入参数敏感系数的变化范围

基于模型结果，研究团队进一步建立了 δ¹⁵N_4a-3s的非线性预测方程，并将其应用于黄河三角洲和长沙两个典型案例的大气 NH₄^⁺来源解析。应用结果表明，与传统简化方法相比，该拟合方程能够更合理地约束 NH₄^⁺ 与源排放NH₃之间的同位素差异，有效避免对非农业源贡献的过高估计。在黄河三角洲案例中，考虑大气沉降影响后，肥料施用源对大气 NH₄^⁺的贡献明显提升；在长沙城市案例中，优化后的源贡献结构与区域排放清单特征更为契合，进一步验证了模型的科学性与实用性。

图4 简化方法和拟合方程法对2013年夏季（左）和2021年夏季（右）黄河三角洲大气中铵离子的四种氨排放源贡献率（上）和贡献浓度（下）的对比

图5 简化方法和拟合方程法对长沙四种氨排放源贡献率的对比

该研究明确指出，基于氮同位素开展大气 NH₄^⁺ 来源解析时，不能仅考虑NH₃–NH₄^⁺转化过程中的同位素分馏，还需充分考虑大气沉降对 NH_x同位素组成的调节作用。研究构建的模型为提高大气铵盐来源解析精度提供了新的方法工具，也可为区域氨排放识别和大气氮污染控制提供科学支撑。

相关研究成果以 “Technical note: Quantifying the nitrogen isotope difference between ammonium in the atmosphere and ammonia emitted from sources” 为题发表在国际期刊Atmospheric Chemistry and Physics，第一作者和通讯作者为烟台海岸带所田崇国研究员。该研究得到开放研究基金和国家自然科学基金等项目资助。

文章信息：

Chongguo Tian, Xuehua Yin, Xuena Yang, Xiaoxia Yu, Zhengjie Li, Zheng Zong, Xinpeng Tian, Yuchen Li, Roland Kallenborn, Yi-Fan Li. 2026. Technical note: Quantifying the nitrogen isotope difference between ammonium in the atmosphere and ammonia emitted from sources. Atmospheric Chemistry and Physics, 26, 5799–5811. https://doi.org/10.5194/acp-26-5799-2026