氮素是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。隨著全球人口的日益增長，農(nóng)田持續(xù)增產(chǎn)的需求越來越大，氮肥的使用量也是逐年攀升。據(jù)統(tǒng)計，全球農(nóng)田每年施用的氮肥量高達(dá)1.2億噸，再加上有機肥和生物固氮等，農(nóng)田氮輸入總量約2億噸。
然而，目前氮素利用效率還不足50%，也就是說有一半以上施用的氮素沒有被農(nóng)田“消化吸收”，而是流失到了環(huán)境中，不僅導(dǎo)致經(jīng)濟損失，威脅糧食安全，而且?guī)砹藝?yán)重的環(huán)境和健康效應(yīng)，如大氣污染、水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、生物多樣性減少、溫室效應(yīng)等。因此，如何提高氮素利用效率，在保障糧食產(chǎn)量的前提下控制氮素污染，一直是全球農(nóng)田管理的重要任務(wù)之一。
浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院徐建明教授團隊長聘教授谷保靜、張秀明博士等與澳大利亞墨爾本大學(xué)、江蘇農(nóng)科院、荷蘭環(huán)境評估署、北京航空航天大學(xué)、國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)、德國波茨坦氣候研究所、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)、英國生態(tài)水文中心等國內(nèi)外高校院所合作開展研究，提出建立氮素信用系統(tǒng)來解決農(nóng)民支付氮素減排成本而全社會享受減排收益的錯配問題，從而幫助農(nóng)民有效實施氮素減排措施。
北京時間1月5日，這項成果在國際頂級期刊《自然》(Nature)上刊登，論文第一兼通訊作者為谷保靜，共同通訊作者為徐建明。
篩選“藥方”
氮肥是農(nóng)田的主要營養(yǎng)來源之一，但就如人的腸胃功能不佳一樣，農(nóng)田對氮肥的消化吸收也存在“補不進去”的問題。這些流失到環(huán)境中的氮素導(dǎo)致嚴(yán)重的氮素污染，引發(fā)了全球?qū)W者的關(guān)注。
相對于工業(yè)和生活污染的點源排放，農(nóng)田污染屬于面源排放，同時涉及到全球數(shù)億個農(nóng)戶，治理難度大，污染治理措施落地實施極其困難。
那么，全球是否有農(nóng)田管理措施可以控制氮素污染，這些措施的減排潛力和實施成本是多少，減排后的收益是多少，農(nóng)民是否有足夠的動力來實施這些減排呢？
研究團隊首先篩選了全球現(xiàn)有可行的減排措施庫，并量化了它們在2015年的全球農(nóng)田中實施而減少氮素污染的潛力。
通過對過去20年的1521個田間觀測數(shù)據(jù)進行綜合分析，研究確定了一組氮素減排“藥方”，主要包括增效肥料(EEFs)、4R養(yǎng)分管理、灌溉優(yōu)化和豆類輪作等11項氮素管理措施。
根據(jù)不同減排措施在全球各地的實施障礙和費用的差別，研究團隊將減排措施劃分為三個層級：第一層級主要是肥料改良(增效肥料、有機肥、作物秸稈等)、豆類作物輪作和建立農(nóng)田緩沖帶；第二層級是4R養(yǎng)分管理，即正確的施肥率、施肥類型、施肥時間和方式；第三層級是作物新品種的引進、最佳灌溉和優(yōu)化耕作方式。
“通常來講，措施的層級越高，所需要的知識和額外投入也較多，實施成本因此也高，農(nóng)民就越難采取該項措施?！惫缺ｌo說。總體而言，這些措施能有效減少總氮損失30-70%，同時分別提高作物產(chǎn)量10-30%和氮素利用效率10-80%。
全球農(nóng)田氮素管理實驗的空間分布以及管理措施對農(nóng)田氮素利用和損失的影響
權(quán)衡利弊
那么這組氮素減排“藥方”的治療效果如何？成本高嗎？
經(jīng)過模擬計算，研究團隊發(fā)現(xiàn)，以2015年為基準(zhǔn)，如果在全球農(nóng)田實施這些措施，每年可以多收獲1700萬噸作物氮，增長20%左右，同時，減少2200萬噸氮肥使用量，即減少21%左右，減少2600萬噸氮素污染，降幅達(dá)32%。這些變化可以帶來總社會收益高達(dá)4760±1230億美元。
2015年實施11項措施的成本和效益。(a) 2015年分區(qū)域的實施成本和社會收益；(b)總減排成本；(c)總收益；(d)生態(tài)系統(tǒng)收益；(e)健康收益；(f)產(chǎn)量收益；(g)氣候效應(yīng)。
當(dāng)然，“藥方”是需要花錢的。
這些減排措施的實施需要額外的設(shè)備、人工、材料和服務(wù)投入，估算下來，總實施成本約為340±90億美元。不過，由于氮素管理措施可以節(jié)約農(nóng)田氮肥的施用而減少150±40億美元的化肥成本，抵消了44%的總減排成本，所以最終的凈實施成本約為190±50億美元，約占總社會收益的4%。
結(jié)果表明優(yōu)化農(nóng)田氮素管理帶來的社會效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其實施成本?？磥恚@個“藥方”性價比很高！
且慢，這是理論估算，現(xiàn)實情況如何呢？
為了給政策制定提供參考，研究團隊又探討了2020-2050年不同層級措施組合下的農(nóng)田氮素投入、利用和流失情況。
“根據(jù)我們的估計，第一層級措施在全球范圍內(nèi)具有最大的應(yīng)用潛力，可以貢獻一半的農(nóng)田氮素減排潛力。由于節(jié)約肥料和豆類輪作可以節(jié)約施肥成本，加上作物增產(chǎn)帶來經(jīng)濟效益可以抵消措施的實施成本，為農(nóng)民提供凈經(jīng)濟效益?！毙旖髡f。不過，盡管實施第二層級和第三層級的措施對整個社會具有巨大的收益，但對農(nóng)民而言，則要付出高額的實施成本，嚴(yán)重阻礙了減排措施的落地。
2050年不同層級措施組合下的成本收益情況。(a)全球尺度的減排成本和收益；(b)分區(qū)域的化肥節(jié)約量；(c)分區(qū)域的NUE變化。
推進實施
通過成本效益分析，研究團隊揭示了采取這些措施的潛在社會效益，但如何通過政策來支持這些措施的實施，以實現(xiàn)多贏，是一個開放的研究問題。
研究團隊的對策是將減排成本社會化，并提供農(nóng)民獲得資金支持的途徑，即農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)(NCS)，從氮素優(yōu)化管理中受益的全社會各方來籌集財政預(yù)算，用來激勵和補貼那些實行最佳管理措施以減少污染和提高產(chǎn)量的農(nóng)民，從而減少氮素污染。
農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)
谷保靜解釋說，許多國家都普遍使用農(nóng)業(yè)補貼來維持間接有利于糧食安全和環(huán)境的農(nóng)業(yè)實踐，而農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)(NCS)可以被視為更好地將整個社會的成本和效益聯(lián)系起來的強化方法，如果能夠明確界定實施成本和效益，就可以在國家、省或地方范圍內(nèi)實施這種制度。
在高收入國家，由于現(xiàn)有資本資產(chǎn)和運作良好的金融市場，更容易獲得金融資源，環(huán)境污染也可以通過對氮盈余征稅實現(xiàn)內(nèi)部化。這種方法符合污染者自付原則，可以避免反彈效應(yīng)，并為創(chuàng)新提供激勵。另一種推進氮素管理的方法是引入多參與者政策方案，將成本和收益的相關(guān)方聚集在一起共同解決。
評審專家認(rèn)為本研究將全球田間實驗與多模型模擬結(jié)合起來，實現(xiàn)了跨尺度整合分析，同時強調(diào)社會經(jīng)濟方面的激勵機制，具有典型的交叉學(xué)科特征和價值，對推動全球農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
減少氮污染是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)轉(zhuǎn)型的一個重要組成部分，需要全社會的共同努力，“我們已經(jīng)證明改善農(nóng)業(yè)氮素管理的氮素信用系統(tǒng)具有很大的潛力，但政策落地依然道阻且長，希望能夠通過耦合更多的環(huán)境目標(biāo)和政策工具，來實現(xiàn)農(nóng)田管理措施的落實?！惫缺ｌo說。
本項目受到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和國際合作項目、聯(lián)合國環(huán)境署基金(國際氮素管理系統(tǒng)、INMS)等資助。
（文 吳雅蘭/圖片由課題組提供)
