Nature|全球氢收支

过去30年以来不断上升的全球氢气排放正在间接推升地球变暖，加剧甲烷这一强效温室气体的增温效应。这项由美国斯坦福/奥本大学助理教授欧阳祖涛与斯坦福大学Robert Jackson教授，英、法、澳、中、日、荷、加、瑞、奥、德等11国大学以及美国国家海洋与大气管理局，Aerodyne Research Inc，Spark Climate Solutions等研究机构支持，携由国际科学家组成的 Global Carbon Project，提供了首份关于全球氢气源与汇的全面核算。这项于2025年12月发表在Nature的研究The Global Hydrogen Budget通过结合观测、排放清单和排放指数、以及自下而上的模型推演发现：长期被视为替代燃料的氢气（H2），在排放后的前 20 年里对大气的间接增温效应约是二氧化碳（CO2）的 37 倍。自 1990 年以来，尽管土壤吸收了约 70% 的氢气排放，但大气中氢气浓度上升所造成的气候影响已接近法国等工业化国家的累积排放。

全球氢气的源汇及分布差异

自 1990 年以来，地球上氢气的主要来源包括前体化合物在大气中的光氧化和分解，工业氢气生产过程中的泄漏和燃烧，以及农业种植豆科作物（如大豆、花生等）固氮过程的副产物。而通过光氧化和分解产生氢气的化合物中就包括甲烷。由于化石燃料、农业活动和垃圾填埋场排放的增加，甲烷在大气中的浓度迅速上升，形成了一个恶性循环：甲烷在大气中氧化分解出氢气，因此甲烷越多，产生的氢气也越多。而氢气增多又会延长甲烷在大气中的存在时间，从而造成更大破坏。该研究表明，近30年大气中氢气增加的最大驱动因素是甲烷在大气中的氧化分解：这一来源的氢气年排放量约增加了400万吨，于2020年达到每年2700万吨。其他自然来源，如野火、火山活动等则随年份波动，在 1990 至 2020 年间没有出现明显、持续的趋势。而地球上主要氢汇包括被羟基自由基（OH）氧化以及土壤微生物对氢气的吸收。在近十年，全球氢源据计算约为每年69.9 ± 9.4 万亿克，而氢汇则为每年68.4 ± 18.1 万亿克。

在空间分布上，全球尺度的氢源相较氢汇而言分布的更不均衡。最高的氢气排放密度位于东南亚和东亚，而热带地区则在氢源总量上占据约60%。这与更高的温度和更强的光照加速前体化合物的产生与氧化分解等有关。全球尺度的氢汇则相对分布更均衡，热带地区同时也是最大的氢汇地区，占据总量约50%。

氢气加剧甲烷的温室效应

与包括二氧化碳和甲烷在内的温室气体不同，氢气本身不会在地球的大气层中吸收热量。然而通过与其他分子的相互作用，氢气在释放后的前 100 年中间接加热大气层的速度可以达到二氧化碳的 11 倍，在前 20 年内则约为 37 倍。其中，氢气最主要的作用方式是消耗大气中的天然“清洁剂”，比如羟基自由基（OH）。这些OH本可消耗大气中的甲烷。因此，氢气排放越多，大气中的清洁剂就越少，甲烷的存留时间就会更长，从而加剧了温室效应。除了延长甲烷的存留时间外，氢气与OH的反应还会产生臭氧、平流层水汽等温室气体，并影响云和颗粒物的形成。自工业化前至 2003 年，大气中氢气浓度增加了约 70%，随后短暂稳定，但在约2010 年后再次上升。其中，1990至2020年间氢气排放的增加主要源于人类活动。

在该研究中，根据地球系统模型OSCAR演算得出的全球地表空气温度（GSAT）表明：在2010-2020年间，大气中氢气的增加提升了约0.02摄氏度的全球地表空气温度。而对未来的气候影响则取决于人类对氢气作为一种新型能源的使用规模、泄露情况、以及对其前提化合物特别是甲烷的排放监管等。

局限和展望

关于氢气源与汇的全面核算，该研究指出当下对于氢收支计算不确定性在于土壤对大气中氢气的作用和相互关系。其中土壤对氢气的吸收和分解定量最易受该研究中的模型参数所影响。而大气中甲烷氧化分解生成氢气的机制和模拟定量则较为成熟、确定性较高。总体而言，高精度、高时空分辨率的氢气实地观测以及广泛认可的排放清单依然稀缺，特别是对于工业泄露、农业活动、土壤与植物源汇的观测有待开展并用于模型的提升和模拟结果的优化与复核。该研究的Discussion部分明确指出，相较精准、成熟、系统的甲烷浓度及通量观测技术，能满足当下先进氢气观测需求的仪器仅有美国Aerodyne于2024年研发生产的H2-TILDAS光谱仪，而适用于高空、卫星遥感和通量的氢气观测条件尚未出现。

该研究的通讯作者，斯坦福大学Robert Jackson教授组将在未来几年依托Aerodyne H2-TILDAS进行一系列氢气在生产、使用、和泄露方面的观测；而Aerodyne的高级科学家、该研究的合作者郭方舟博士和作者奥本大学的欧阳祖涛教授也将在近年展开土壤中氢气的源与汇的一系列分析实验和外场观测。

作者介绍

斯坦福大学博士后、奥本大学助理教授欧阳祖涛博士为论文作者，斯坦福大学Michelle and Kevin Douglas教务长讲席教授、Global Carbon Project主席Robert Jackson博士为论文通讯作者，论文合作者包括Global Carbon Project及其合作机构的30多位教授和研究人员等，具体见文章作者所属单位列表。

大气化学：2025年12月31日