破解农田氮污染难题
全球日益增长的人口给粮食和动物饲料生产带来了巨大压力。为了增加粮食和饲料供应，集约化的农业使用了越来越多的氮肥和粪便。然而，这些投入到农田的氮素有一半以上流失到空气和水中，接近全球每年使用的化学氮肥总量1.2亿吨，导致严重的空气污染、水污染、土壤酸化、气候变化、平流层臭氧耗竭和生物多样性丧失。缓解耕地的氮污染已引起全球关注。因此，减少农田的氮损失不仅可以通过降低对肥料的需求来增加直接的经济回报，还可以改善人类健康和生态系统服务，减少气候变化。
基于此，浙江大学谷保静教授和徐建明教授确定了一揽子最有效的农田缓解措施，以减少氮污染，并估计成本和效益，以促进这些措施的实施。作者首先通过全球元分析筛选了现有措施的性能，并量化了它们在全球农田中减少氮污染的潜力。然后计算了这些措施的实施成本及其社会效益。最后量化了这些措施在全球各地区应用的后果，将这些措施分为三个层次，在实施方面的挑战不同，从而影响了其估计的区域适用性。相关成果以“Cost-effective mitigation of nitrogen pollution from global croplands”为题发表在最新一期《Nature》上，第一作者为谷保静教授。通过对过去20年的1521次田间观察进行分析，作者确定了一组11项关键措施用来减轻全球各地区的耕地氮损失（图1）。这些措施被分为三个等级，(1)第一级，包括加氮方法、作物豆科轮作和应用缓冲区；(2)第二级是4R营养管理，即正确的施肥速度、类型、时间和地点；以及(3)第三级是引进新品种、优化灌溉和耕种。根据三个层次对缓解措施进行分类，使我们能够认识到从低级到高级的实施挑战不断增加。层级越低，成本就越低，农民采用该措施就越容易。饲养场的粪便管理没有包括在内，一旦粪便被投入到农田中，它就会被视为可以改变农田氮循环的有机添加剂。这些措施的实施将减少一些氮的损失：氨、氮氧化物和氧化亚氮的排放，活性氮的浸出和径流。原则上，一些措施可能会减少一种氮的损失，而增加其他氮的损失（图1），特别是因为减少氮的损失会增加土壤中可利用的氮的数量，表明需要采取补偿行动，如减少氮的投入或增加收成。总的来说，所列举的大多数措施可以有效减少30-70%的氮损失，同时增加10-30%的产量和10-80%的NUE（收获的氮除以总氮投入）。根据作者的分析，与其他措施相比，EEF、4R营养管理、灌溉和豆科植物轮作在减少氮污染方面有更好的整体表现。在减少氮损失的同时，提高产量和氮利用率，缓解措施节省了用于作物的化肥氮，部分也是通过增加粪便氮的投入。图1：全球分析样本点的地理分布及管理实践对农田氮素利用和损失的影响将11种不同措施的减排潜力纳入人类与自然系统耦合模型（CHANS）、农业生产及其对环境影响模型（MAgPIE）和全球环境评估综合模型（IMAGE），作者估计了2015年全球耕地预算的变化。模型结果表明，这些缓解措施在2015年减少了32%的Nr排放到空气和水（图2）。这些变化将使2015年全球农田的总氮投入减少18 Tg氮，氮收获量增加17 Tg氮，使全球氮利用率从42%增加到55%。作者计算出，这些措施使农田的粪便和秸秆回收量增加了11Tg N，由于农田中挥发的Nr和投入的化肥减少了5和22Tg N，从而减少了大气沉积。氮投入和损失的减少在全球范围内有所不同（图2）。在东亚、南亚和东南亚，计算出的Nr投入和损失的减少量最大，表明在这些全球地区过度使用N肥。作者在欧盟、澳大利亚和北美等高收入地区计算出较低的减少量，这些地区的农田Nr使用更接近估计的经济最佳水平。由于非洲、拉丁美洲、东欧和中亚部分地区的Nr投入较低，有可能增加Nr投入以提高粮食产量。图2：11项选定措施中采用最佳农田全球氮预算的变化作者估计，2015年，来自劳动力成本、材料成本和服务变化的措施的全球净减排成本为190亿美元，相当于约14美元/公顷（图3）。这些成本包括化肥节约的净收益，估计为150亿美元。因此，化肥节约补偿了这些措施总实施成本的44%。根据作者的估计，仅中国就需要50±10亿美元来实施减排措施，其次是印度，需要30亿美元（16美元/公顷）（图3a）；这两个国家是合成氮肥的最大消费者和向环境排放氮的国家。其他国家的净减排成本通常低于10亿美元，主要是由于少量的Nr损失和/或更先进的农业机械和训练有素的农民，使得实施这些措施的交易成本较低。为了实施这里包括的Nr减排措施，如4R营养管理，农民可能需要改变他们土地上的管理方法。考虑到对作物产量、人类健康、生态系统和气候变化的好处，作者估计减少耕地氮损失给整个社会带来的净经济效益大约是实施成本的25倍（图3a）。氮肥使用不足和过度使用都会降低作物产量，而优化肥料使用的措施可以提高作物产量，并节省全球的总体肥料使用量。这些减排效益是针对整个全球社会的，高收益-成本比为实施这些措施提供了强大的动力。如果不考虑社会效益，在过度使用氮肥的地区，减产的货币化成本接近总实施成本，这说明缺乏减少肥料使用的财政激励（图3）。相比之下，在氮肥使用不足的 "太少 "地区，尽管产量效益成本比高得多，但肥料的可及性低，强烈制约了氮肥使用的增加。图 3：2015 年实施 11 项选定措施的成本和效益为了给未来的决策提供信息，作者探讨了在不同的情景下，使用三种 "层级 "类型的减排措施对2050年的耕地氮投入和流量。根据作者的估计，第1级措施为农民提供了净经济效益，而第2级和第3级措施对整个社会具有成本效益，但其中涉及农民的大量实施成本（图4）。因此，第1级措施在全球范围内具有最大的应用潜力，对环境的氮投入和损失的估计缓解潜力的一半左右（图5）。除了为人类健康、生态系统和气候带来收益外，实施第1级措施还可以通过增加农作物收成带来1200亿美元的利益。作者估计在全球范围内实施第2级措施的额外成本为180亿美元。第2级措施的减缓潜力小于第1级措施（图5e）。第3级措施的实施将进一步提高耕地净利用率，减少氮氧化物的损失（图5）。但第3级措施需要更先进的知识和设施。例如，现代灌溉系统是自走式的，配备了无线传感器和GPS技术，以提高具体地点和体积的施水精度，满足土壤和作物的需要。改善这些措施的信息获取，例如通过农民教育计划，可以帮助建立激励机制，并影响农民的行为，使其更加注重氮效率管理。图 4：按区域划分的 2050 年分层方法的成本和效益图 5：到 2050 年全球农田氮投入量及其在分层方法下的吸收量和盈余量由于各种社会经济障碍，如缺乏激励措施、财政资产和知识不足、政策限制，甚至社会动态和文化关切，许多国家尚未广泛采用非点源污染的缓解措施。农民必须投入资金、劳动力、知识和其他基本投入来实现这些变化。要改变农民的做法并不容易，特别是对大量的小农户来说，即使有强有力的证据表明做法的改变会带来经济收益。尽管作者的成本效益分析显示了采取这些措施的潜在社会效益，但如何通过政策支持这些措施的实施以实现多赢，这是一个开放的研究问题。一个建议的政策方法包括污染成本的内部化和提供获得金融资本的机会，即国家统计局，它从整个社会中收集财政预算，这些人受益于Nr减排和粮食供应。然后，这些财政预算可以用来补贴那些实施最佳管理方法以降低污染和提高产量的农民。另一种加速更好地管理氮的方法是引入多部门政策计划，将成本和收益的承担者结合起来。无论如何，作者的研究表明，社会从改进的农业N管理政策解决方案中获益的潜力很大，但尚未得到开发，还需要更多的手段来治理。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！