浙大方案登《自然》！专治氮素“吸收不良”
氮素是植物生长发育所必需的营养元素。随着全球人口的日益增长，农田持续增产的需求越来越大，氮肥的使用量也是逐年攀升。据统计，全球农田每年施用的氮肥量高达1.2亿吨，再加上有机肥和生物固氮等，农田氮输入总量约2亿吨。
然而，目前氮素利用效率还不足50%，也就是说有一半以上施用的氮素没有被农田“消化吸收”，而是流失到了环境中，不仅导致经济损失，威胁粮食安全，而且带来了严重的环境和健康效应，如大气污染、水体富营养化、土壤酸化、生物多样性减少、温室效应等。因此，如何提高氮素利用效率，在保障粮食产量的前提下控制氮素污染，一直是全球农田管理的重要任务之一。
浙江大学环境与资源学院徐建明教授团队长聘教授谷保静、张秀明博士等与澳大利亚墨尔本大学、江苏农科院、荷兰环境评估署、北京航空航天大学、国际应用系统分析研究所(IIASA)、德国波茨坦气候研究所、荷兰瓦赫宁根大学、英国生态水文中心等国内外高校院所合作开展研究，提出建立氮素信用系统来解决农民支付氮素减排成本而全社会享受减排收益的错配问题，从而帮助农民有效实施氮素减排措施。
北京时间1月5日，这项成果在国际顶级期刊《自然》(Nature)上刊登，论文第一兼通讯作者为谷保静，共同通讯作者为徐建明。
筛选“药方”
氮肥是农田的主要营养来源之一，但就如人的肠胃功能不佳一样，农田对氮肥的消化吸收也存在“补不进去”的问题。这些流失到环境中的氮素导致严重的氮素污染，引发了全球学者的关注。
相对于工业和生活污染的点源排放，农田污染属于面源排放，同时涉及到全球数亿个农户，治理难度大，污染治理措施落地实施极其困难。
那么，全球是否有农田管理措施可以控制氮素污染，这些措施的减排潜力和实施成本是多少，减排后的收益是多少，农民是否有足够的动力来实施这些减排呢？
研究团队首先筛选了全球现有可行的减排措施库，并量化了它们在2015年的全球农田中实施而减少氮素污染的潜力。
通过对过去20年的1521个田间观测数据进行综合分析，研究确定了一组氮素减排“药方”，主要包括增效肥料(EEFs)、4R养分管理、灌溉优化和豆类轮作等11项氮素管理措施。
根据不同减排措施在全球各地的实施障碍和费用的差别，研究团队将减排措施划分为三个层级：第一层级主要是肥料改良(增效肥料、有机肥、作物秸秆等)、豆类作物轮作和建立农田缓冲带；第二层级是4R养分管理，即正确的施肥率、施肥类型、施肥时间和方式；第三层级是作物新品种的引进、最佳灌溉和优化耕作方式。
“通常来讲，措施的层级越高，所需要的知识和额外投入也较多，实施成本因此也高，农民就越难采取该项措施。”谷保静说。总体而言，这些措施能有效减少总氮损失30-70%，同时分别提高作物产量10-30%和氮素利用效率10-80%。
全球农田氮素管理实验的空间分布以及管理措施对农田氮素利用和损失的影响
权衡利弊
那么这组氮素减排“药方”的治疗效果如何？成本高吗？
经过模拟计算，研究团队发现，以2015年为基准，如果在全球农田实施这些措施，每年可以多收获1700万吨作物氮，增长20%左右，同时，减少2200万吨氮肥使用量，即减少21%左右，减少2600万吨氮素污染，降幅达32%。这些变化可以带来总社会收益高达4760±1230亿美元。
2015年实施11项措施的成本和效益。(a) 2015年分区域的实施成本和社会收益；(b) 总减排成本；(c) 总收益；(d) 生态系统收益；(e) 健康收益；(f) 产量收益；(g) 气候效应。
当然，“药方”是需要花钱的。
这些减排措施的实施需要额外的设备、人工、材料和服务投入，估算下来，总实施成本约为340±90亿美元。不过，由于氮素管理措施可以节约农田氮肥的施用而减少150±40亿美元的化肥成本，抵消了44%的总减排成本，所以最终的净实施成本约为190±50亿美元，约占总社会收益的4%。
结果表明优化农田氮素管理带来的社会效益远远大于其实施成本。看来，这个“药方”性价比很高！
且慢，这是理论估算，现实情况如何呢？
为了给政策制定提供参考，研究团队又探讨了2020-2050年不同层级措施组合下的农田氮素投入、利用和流失情况。
“根据我们的估计，第一层级措施在全球范围内具有最大的应用潜力，可以贡献一半的农田氮素减排潜力。由于节约肥料和豆类轮作可以节约施肥成本，加上作物增产带来经济效益可以抵消措施的实施成本，为农民提供净经济效益。”徐建明说。不过，尽管实施第二层级和第三层级的措施对整个社会具有巨大的收益，但对农民而言，则要付出高额的实施成本，严重阻碍了减排措施的落地。
2050年不同层级措施组合下的成本收益情况。(a) 全球尺度的减排成本和收益；(b) 分区域的化肥节约量；(c) 分区域的NUE变化。
推进实施
通过成本效益分析，研究团队揭示了采取这些措施的潜在社会效益，但如何通过政策来支持这些措施的实施，以实现多赢，是一个开放的研究问题。
研究团队的对策是将减排成本社会化，并提供农民获得资金支持的途径，即农业氮素信用系统(NCS)，从氮素优化管理中受益的全社会各方来筹集财政预算，用来激励和补贴那些实行最佳管理措施以减少污染和提高产量的农民，从而减少氮素污染。
农业氮素信用系统
谷保静解释说，许多国家都普遍使用农业补贴来维持间接有利于粮食安全和环境的农业实践，而农业氮素信用系统(NCS)可以被视为更好地将整个社会的成本和效益联系起来的强化方法，如果能够明确界定实施成本和效益，就可以在国家、省或地方范围内实施这种制度。
在高收入国家，由于现有资本资产和运作良好的金融市场，更容易获得金融资源，环境污染也可以通过对氮盈余征税实现内部化。这种方法符合污染者自付原则，可以避免反弹效应，并为创新提供激励。另一种推进氮素管理的方法是引入多参与者政策方案，将成本和收益的相关方聚集在一起共同解决。
评审专家认为本研究将全球田间实验与多模型模拟结合起来，实现了跨尺度整合分析，同时强调社会经济方面的激励机制，具有典型的交叉学科特征和价值，对推动全球农业的可持续发展具有重要意义。
减少氮污染是农业系统可持续转型的一个重要组成部分，需要全社会的共同努力，“我们已经证明改善农业氮素管理的氮素信用系统具有很大的潜力，但政策落地依然道阻且长，希望能够通过耦合更多的环境目标和政策工具，来实现农田管理措施的落实。”谷保静说。
本项目受到国家自然科学基金创新研究群体和国际合作项目、联合国环境署基金(国际氮素管理系统、INMS)等资助。
文字记者：吴雅兰
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 傅航颖
责任编辑：周亦颖
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