灰化肥发黑会挥发？关于化肥、猪和绿水青山的故事
导 读
小时候有句绕口令：灰化肥发黑会挥发。农田里的氮肥确实容易挥发，当大量的氨气释放到环境中，会引发雾霾等一连串环境甚至健康问题。实际上，养猪也是氨气的一大来源。氨气在化肥、猪和绿水青山之间串起了一个错综复杂的故事。
8月31日，浙江大学、农业农村部农村经济研究中心、澳大利亚墨尔本大学等国内外科研院所的学者通过联合研究，在Nature communications（《自然·通讯》）和Nature Sustainability（《自然·可持续发展》）上发文，绘制出首条中国氨减排效应评估曲线，系统地评估各项氨减排措施的成本与收益，并分析了养殖业和农田化肥之间关系的演变，发现了种植业和养殖业之间耦合关系的分离。
文|周炜
图|课题组
编辑|周炜
来源|浙江大学学术委员会，转载自求是风采公号（2020年9月9日）
本期分享：环境与资源学院 谷保静研究员
本期推荐：校学术委员会委员，生命科学学院 方卫国教授
氨：雾霾的幕后推手
2018年，“氨减排”被写入我国《大气污染防治行动计划》（“空气十条”）二期。背后的科学依据在于越来越多的研究证实：氨气是空气中PM2.5形成的幕后推手，对雾霾起着推波助澜的作用。PM2.5的形成有赖于二氧化硫和氮氧化物的成核效应。而氨是空气中唯一大量存在的碱性气体，氨气的存在能使PM2.5成核的进程加快，也就是说，氨不仅可以直接形成PM2.5，而且还加速了雾霾的形成。
图片来源：Science
超过八成的氨来自于农业的排放，其中三分之一来自化肥的挥发，三分之二来自养殖场中动物的排泄物。人和动物的排泄物为什么臭？这就是氨的“贡献”。
两篇论文的共同通讯作者浙江大学谷保静研究员介绍，欧洲国家最早关注氨气对环境的破坏，在2000年左右就提出17%的控氨目标并推行一系列氨减排措施。美国则至今没有行动，去年发表在Science杂志的一篇评论指出，美国盐湖城严重的空气污染来自于不加节制的氨排放。
我国的控氨行动
我国“空气十条”将氨减排在重点区域设定为40%的目标，这将对我国下一步的空气污染治理做出重要贡献。当前，大部分农田特别是小规模农田施肥方式以撒施为主。“撒施的化肥很容易流失，这导致15%的化肥并没有被作物利用，而是直接挥发后变成了氨气。”谷保静说，“撒施同时很容易过量，我国当前过施量大概在10%-30%左右。”改撒施为深施，或改用精准喷施，都是直接控氨的方法。
另一方面，如何控制养殖业的氨排放始终是个难题。由于我国养殖业飞速发展过程中，控氨并没有作为核心的环境管控目标，致使养殖业的氨气排放日益增加。目前，常见的废弃物处理方式是直接丢弃在路边风干，废弃物中的40%左右的氮素会快速变成氨进入大气，加剧空气污染。如果可以有效地控制养殖业的废弃物中的氨挥发，并将废弃物作为有机肥回田，一方面化肥的使用量就会相应减少，另一方面养殖业废弃物中的氨挥发也会下降。
少吃肉也在为控氨做贡献
需要强调的是，饮食结构的调整也能减少氨的排放，少吃一块肉，就在为氨减排做贡献。
我们吃的肉蛋奶是通过农田施肥生产农作物为禽畜供给饲料得到的。科学上有一个换算公式：平均5公斤饲料蛋白可以生产1公斤动物蛋白，所以我们吃1公斤动物蛋白所排放的氨气将比吃一公斤植物蛋白（谷物等）高出4倍多。
中华营养学会推荐的适合中国人体质的动物性产品占比约为40%。然而，我国的发达地区城市人口吃肉量已超标，甚至超过60%。谷保静指出，由于冬天雾霾严重时氨气的排放主要来自于养殖业，过多的肉类消费将会带来了严重的环境负担。“每一个环境污染事件背后可能都存在一块多吃的红烧肉。节约粮食、合理膳食就是最大程度地保护我们的环境。因为，食物是这一切农业环境问题的最终驱动者。”谷保静说。
控氨的中国曲线
控氨方面，欧盟率先在欧洲构建了一套边际减排成本曲线（MCC），系统评估各项减排措施的成本与效应。“这是一条指数上升的曲线。”墨尔本大学的Deli Chen教授说，X轴代表氨减排的量，y轴代表减排成本。“越到后面，曲线越来越陡，意味着减排成本越来越高。”
由于每个国家的劳动力价格、原材料价格、措施的可行性以及农地规模等因素存在较大差异，不能直接套用别国的减排曲线。对此，浙江大学、墨尔本大学等科学家联合开展了研究，绘制出首条适合中国氨减排效应评估曲线，相关论文近日发表在《自然·通讯》杂志。
图片说明：中国首条农业氨气减排的边际成本曲线
研究发现，相比其他国家，我国可以以极低的成本获得1/3左右的氨减排。“极低成本或者零成本，不意味着不需要投入，投入进去之后的收益将超过投入成本。”谷保静说。
“收益包括环境和健康收益。其中健康收益是被人们长期忽视的。”Deli Chen介绍，研究中调用了PM2.5污染与人类健康之间的响应方程。另外，该项研究还评估了氨减排对于水体质量、生物多样性以及气候变化的影响。
“把所有的这些东西加起来，你就会发现社会收益会远远高于农民减排氨投入的那点成本。这个社会收益是对象所有人的，即便是居住在城市地区的人，你也会由于农民减氨而获益，我们的天会更蓝，水会更清。这也就意味着我们整个社会实际上需要为农民减氨来买单，否则这些收益将不会到来。
如果猪会“飞”
猪（代指整个养殖业）在氨的排放中占有重要角色，因此研究猪的养殖规模与流动至关重要。我国早在前几年实行过“南猪北养”政策（南方水网地区由于水体污染将养殖场搬迁到北方），并划定了大面积的禁养区，这或许不能从根本上解决养殖业带来的环境及健康问题。
那么关键问题是猪应该怎么“飞”？浙江大学和农业部农村经济研究中心等单位合作同一天发表在《自然·可持续发展》杂志上的一项研究指出，根据我国的农村固定观察点1986-2017年来的数据，我国农村种植业和养殖业结合的家庭比例从71%大幅下降至12%，仅耕种家庭从26%增加到57%，饲养耕畜的家庭仅占到5%。这表明，猪与土地的距离越来越远了。
图片说明：从“种养结合”到“种养分离”
统计发现，种养结合的农户施用更少的化肥、更多的有机肥，这种方式有利于维持土壤肥力，提高粮食产量，同时极大地降低化肥和养殖废弃物的双重流失，提高农业资源的利用效率。
研究者认为，从环境的可持续发展考虑，急需恢复种养结合，让猪“飞”回土地。但这并不意味着我们要恢复之前的小规模农户层面的种养结合。研究指出：在区域层面上实现种养结合将变得极其重要。
一种理想的方式是：未来任何一个养殖场不管大小，必须有配套的农田面积来吸纳其废弃物的产生，同时还有可能通过有机肥和灌溉的结合实现水肥一体化的管理。那么未来有机肥将不再排放氨气，而是储存在罐子里，需要施肥的时候通过手机APP可以直接控制喷灌来实现液体有机肥回田。
“理论上讲这是一种高效的管理方式但随着技术进步，未来是否存在可以极低成本处理养殖业废弃物，提炼里面的有效养分，实现长距离运输，从而打破以地定养的空间安排，仍有待我们进一步的创新和探索。” 农业农村部农村经济研究中心的金书秦研究员说。
相关论文信息：
1. Zhang Xiuming, Gu Baojing*, van Grinsven Hans, Lam Shu Kee, Liang Xia, Bai Mei, Chen Deli*. Societal benefits of halving agricultural ammonia emissions in China far exceed the abatement costs. Nature Communications, 2020, 11:4357.
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18196-z
2. Jin Shuqin, Zhang Bin, Wu Bi, Han Dongmei, Hu Yu, Ren Chenchen, Zhang Chuanzhen, Wei Xun, Wu Yan, Mol Arthur P. J., Reis Stefan, Gu Baojing*, Chen Jie*. Decoupling livestock and crop production at the household level in China. Nature Sustainability, 2020, doi:10.1038/s41893-020-00596-0.
https://www.nature.com/articles/s41893-020-00596-0
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