文献阅读 | 通过成本有效的农业氮管理提高空气质量、氮使用效率和粮食安全

题目

Air quality, nitrogen use efficiency and food security in China are improved by cost-effective agricultural nitrogen management

作者

Yixin Guo, Youfan Chen, Timothy D. Searchinger, Mi Zhou, Da Pan, Junnan Yang, Liang Wu, Zhenling Cui, Weifeng Zhang, Fusuo Zhang, Lin Ma, Yele Sun, Mark A. Zondlo, Lin Zhang and Denise L. Mauzerall

期刊

Nature food

时间

14 October 2020

一作

单位

Princeton School of Public and International Affairs, Princeton University, Princeton, NJ, USA

链接

https://doi.org/10.1038/s43016-020-00162-z

研究内容

       使用氮能够增加中国粮食安全但同时也会威胁公共健康、损害生态系统和增加温室气体排放。中国农作物平均氮使用效率（NUE）约为0.25，表明大量的活性氮流失到环境中。流失的氮主要包括NH₃和N₂O排放，这会分别导致有害健康的PM_2.5空气污染和全球变暖，导致NO₃⁻和有机氮的淋洗与径流，污染饮用水引起富营养化。中国还贡献25%的全球粪肥N生产，中国每年生产的粪肥N仅有三分之一用于生产农作物或者存储在土壤中，三分之二释放为环境污染物。

       本文设计五种情景，分析农业氮管理对NH₃排放和PM_2.5形成、NUE、作物产量、GHG排放、水污染、N沉降和酸雨的影响，并且对比成本和效益。五种情景分别为：改善管理活动、使用机器、增强肥料效率、粪肥管理和综合措施。

研究发现

一

改善农业管理对空气质量的影响

NH₃减排。在综合情景下，NH₃年减排量高达34%，在中国大部分地区1月份和7月份的减排量分别高达30%和50%（表1）。NH₃冬季减排主要依赖于改善粪肥管理，这在局部地区能够减排15%。在所有情景下夏季NH₃均有所减少，中国东北、华南和华北平原减排量最大（图1）。图1  不同氮管理情景下NH₃减排量。与基准NH₃ 排放相比，五种N管理情景下2012年1月（上）和7月（下）NH₃排放的变化。

PM_2.5空气质量效益。NH3 排放主要影响PM_2.5无机部分（SIAs）的形成，因此这里展示地表SIA浓度减少（图2）。综合情景下，1月和7月均可实现高达8 μg m⁻³ (28%) 的SIAs减排量。粪肥管理和使用机器情景下1月份、所有单个管理措施情景下的7月份 SIAs的减排量高达4 μg m⁻³。综合情景下，年人口加权PM2.5的浓度在重庆能够实现高达4.4 μg m⁻³的减排量，在中国的大部分地区能够实现1-3 μg m⁻³的减排量。在其他情景中，中国中部能够实现0.5-2μg m⁻³的减排量。

图2  实施N管理情景的PM_2.5空气质量影响。与基准模拟相比，五种管理情景下2012年1月（上）和7月（下）地面SIAs浓度变化。

PM_2.5减排对死亡率的影响。改善N管理能够通过减少PM_2.5的浓度有利于公共健康。综合情景下中国能够避免约30500例过早死，这约为2012年报告的中国暴露于PM_2.5导致的过早死亡人数（130万）的3%。改善管理活动、增强肥料效率、使用机器和粪肥管理情景分别减少过早死亡人数为5600、8700、5300和8800。

二

改善农业管理对产量和其他环境指标的影响

产量影响。改善管理活动、使用机器、增强肥料效率和综合情景分别增加中国主要谷物（玉米、小麦和大米）的产量分别为5200、4300、3600和5200万吨。在改善管理活动和综合情景下，玉米贡献50%的总谷物产量增加量（2600万吨），小麦和大米分别贡献28%和22%（图3）。在改善管理活动情景下，适当的改善管理活动贡献大部分的产量增加，在这种情景下，适当的减少N使用能够增加一些地区的产量同时减少另外一些地区的产量。

NUE的变化。在改善管理活动情景下，平均农作物系统的NUE能够从当前的38%提高到48%、在使用机器和增强肥料效率情景下提高到41%，在综合情景下提高到48%。

GHG排放。改善管理活动和综合情景下均能适当减少N使用率，从而减少生命周期的GHG排放3800万吨CO₂e，这约为中国总农业直接GHG排放量的6%。使用机器和增强肥料效率情景能够分别减少470和1880万吨CO₂e的N₂O排放，这分别是中国总谷物作物N₂O排放量的9%和36%。

水污染物。在改善管理活动、增强肥料效率和综合情景下，农田NO₃⁻淋洗与径流分别降低28%、16%和40%。粪肥管理和综合情景均能减少20%的N从粪肥流失到水系统中。

图3   实施N管理情景的产量、NUE、GHG排放、水污染物影响。a)中国总谷物产量（小麦、玉米和大米），b)平均谷物NUE，c)谷物N₂O排放，d)谷物NO₃⁻淋洗与径流，e)N肥制造、运输和谷物作物施肥过程中的生命周期的排放。f)家畜N流失到水中。Y轴表示每种情景下变化百分比（情景-基准）/基准。柱状图的数字表示绝对值(Mt(a), %(b), TgN(c,d, and f) and MtCO₂e(e))。

三

总成本-效益分析

表2是农业N管理的经济效益和成本。在各情景中，每年有93-190亿美元的净货币效益，私人效益比公共效益大5-10倍。改善管理活动情景下的净效益最大，其次是增强肥料效率和使用机器情景。

研究结论

本文发现适当的改善管理活动能够实现最大的产量和环境效益同时减少过多的N使用。产量效益贡献主要的总货币效益，主要通过改善管理活动来实现。减少过多的N使用能够显著减少活性N的损失，在一些地区对产量增加的贡献较小、在另外一些地区还会导致产量损失。减少N使用和改善管理活动均可通过农民教育项目同时实现。相对而言，使用机器和增强肥料效率产生的净效益相对较小，但是更容易在短期内实现。本研究强调改善农业N管理解决多重环境挑战，包括空气污染、粮食安全、低农业NUE和气候变化。这些改进对中国实现可持续发展目标是非常重要的。改善农业N管理依然存在挑战，需要新的政策和项目，包括政府教育项目和旨在改善务农管理的财政刺激。此外，来自其他利益相关方（包括公共推广机构、研究者和私营部门）的技术、服务和信息支持非常重要。

编辑：任明

排版：任明 江琴

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