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浙大学者联合研究成果登上《科学》!

请收藏 浙江大学 2022-05-14



眼见着天气日渐转冷,PM2.5导致的污染再次进入公众视野。全球许多国家和地区都把PM2.5污染防治列为环境保护的优先事项。以往大家谈论较多的是其中的硫元素,随着环保研究的不断深入,作为PM2.5来源的另一重要“元凶”的氮素也引起了越来越多的关注。


在长达四年多的研究中,浙江大学环境与资源学院百人计划研究员谷保静联合国际团队,首次分析了氨气(NH3)和氮氧化物(NOx)在全球PM2.5污染形成中的贡献(N-share)及其健康效应,并结合模型分析控制氮排放来减缓PM2.5污染健康效应的路径和成本,研究发现,全球PM2.5污染治理中氨气减排比氮氧化物减排更有效


这一研究成果于北京时间11月5日,刊登在国际顶级期刊《科学》上。论文第一和通讯作者为浙江大学谷保静研究员,北京大学张霖研究员和英国生态水文中心Mark Sutton教授为论文的共同通讯作者。



一把让人又爱又恨的双刃剑




氮元素跟我们的生活密切相关,大气中的活性氮主要包括氨气(NH3)和氮氧化物(NOx)两类,而这两者恰恰就是形成PM2.5的重要前体物。氮氧化物主要来自城市生产活动,氨则主要来自农业生产活动。


自从上世纪20年代有了工业合成氨,化肥就应运而生,农民们得以彻底摆脱了“靠天吃饭”。氮肥在农业生产中贡献很大,有数据显示贡献率可以达到50%左右,对全球粮食生产发挥着重要作用。


“之前普遍认为PM2.5污染主要来自城市。其实,虽然氨主要来自于农村,但是也会传输到城市,与氮氧化物、硫等元素反应产生PM2.5,造成空气污染。”


图:氨气与氮氧化物、硫等元素反应产生PM2.5


氮元素就是这样一把让人又爱又恨的双刃剑。有数据显示,全球因为氮排放带来的PM2.5污染导致人类总生命年损失(因病早亡与预期寿命之间的差值)从1990年的1950万增加到2013年的2330万生命年。怎样在合理范围内对氮排放进行有效控制呢?第一步就是需要能准确评估出氮素对空气污染的影响。


然而,氮素不像碳素对气候变化影响那样全球“通行”,相对来说受各国气候条件、人口密度等影响大而显示出较强的区域性,目前还没有一套全球统一的评估体系,亟需一种通用的方法来比较不同国家地区氮排放带来的健康影响,为在全球范围内通过氮素管理控制PM2.5污染提供科学依据。



氨减排性价比更高





谷保静等研究人员利用GEOS-Chem、EMEP-WRF和TM5-FASST大气化学传输与健康效应估算模型,分析氨和氮氧化物在全球PM2.5污染形成中的贡献(N-share)及其健康效应,并结合GAINS模型分析控制氮排放来减缓PM2.5污染健康效应的路径和成本。


谷保静团队的研究表明,氨在PM2.5的影响力是被低估的:“过去在计算污染物的重要性时常常使用质量占比的角度去分析,这让质量只占PM2.5总质量不足10%的氨被严重忽视。为此,我们以化学反应的摩尔占比来重新考虑问题。通过数据模型,我们发现当氮素排放为0不参加所有化学反应时,PM2.5会下降约40%。”


图:全球N-share的变化


同时通过计算,联合研究团队还做出了健康效率模型和生命损失金钱估算,首次构建了N-share指标量化全球不同国家氮排放对PM2.5健康效应的贡献,发现全球PM2.5污染治理中氨减排比氮氧化物减排更有效而且成本更低。


图:全球减排50%氮排放的成本收益


“传统的研究是被割裂在各自的学科领域,这样很难从策略上看清,我们团队成员学科背景各不相同,可以通过交叉研究的方式把几个方面结合起来一起考虑,从而找到更恰当的分析方法。”


对于下一阶段的控氮,谷保静认为,在现有控制氮氧化物排放的基础上,加大对氨排放的控制,对缓解PM2.5空气污染具有重要意义。“要引导空气治理从城市为主转为城乡协同。具体来说,可以通过推动种植业的规模化以促进优化施肥,这样估计能够减少三分之一的化肥使用量和一半左右的氨排放;另一方面要在养殖场周边配套农田,以便有机肥能直接使用于农田,避免堆积后氨排放到空气中。”



《科学》杂志社同期还邀请了国际氮素研究领域知名教授Jan Willem Erisman,以“氨如何供养以及污染这个世界”为题进行专题评论,指出现在减排氨比随后再去解决其后果更加便宜。


《科学》资深编辑Jesse Smith教授,评论该研究“小东西更重要”(Little things matter),意指氨气分子虽小,但是作用却很大。


研究工作受到国家自然科学基金项目(41822701, 42061124001, 41773068, 41922037, 41721001)等的资助,联合国环境署氮素管理系统(International Nitrogen Management System,INMS)工作组给与了本研究技术支持。


论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf8623




文字记者:吴雅兰 柯溢能 

摄影记者:卢绍庆

部分图片由受访者提供

今日编辑:浙江大学融媒体中心学生记者团  孙正清

责任编辑:周亦颖


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