作者:巨晓棠等 来源:PNAS 发布时间:2015/8/20 11:24:10
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提供科学大数据 实现氮肥零增长

 

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■本报见习记者 胡璇子

“从1980年至2010年,中国人为源活性氮产生量增加了近三倍。”近日,一项由中国农业大学、浙江大学和美国斯坦福大学合作研究的成果呈现了中国活性氮来源和排放的整体图景。6月29日,该研究成果以《中国活性氮及其未来趋势》为题发表在《美国科学院院刊》上。

这项整合分析了14个子系统数据的研究,提供了国家尺度上中国目前最完整的活性氮来源和排放数据。同时,数据也清晰地展现了中国活性氮排放的未来趋势:

如果按照目前的情况任其发展下去,2050年中国向大气和水体排放的人为源活性氮将比2010年增加63%——这将超过生态环境和人体健康所能承受的极限;但如果在技术和政策层面对其进行干预,那么,2050年中国人为源活性氮产生量将会降低至2010年的64%。

活性氮带来的全球挑战

氮是空气中的主导元素,每当我们呼吸一口空气,其中78%是氮气。不过,若要为生物体所利用,氮还需转化为活性氮。活性氮的产生可分为自然源和人为源,自然源主要是生物固氮和闪电,而人为源活性氮的产生则主要有四种方式。

“一是通过合成氨技术生成化肥和工业原料,二是种植豆科植物固氮,三是化石能源燃烧,四是农产品的进口。这些是人为源活性氮的主要来源。”论文通讯作者之一——中国农业大学资源与环境学院教授巨晓棠告诉《中国科学报》记者。

毋庸置疑,活性氮对地球生物有着非常重要的意义,但值得一提的是,过量的活性氮也会制造麻烦。其带来大气、水体、土壤的污染,引起生物多样性减少、温室气体增加等环境问题,对人体健康产生危害。

“当下主要的问题在于人为源活性氮产生量的过度增加。”巨晓棠解释,“过量或不合理使用化肥以及工业氮排放增加的活性氮是其中重要的原因。”

活性氮对环境和健康带来的危害逐渐引起各国重视。资料显示,2006年,欧盟第六研发框架计划总投资2700万欧元囊括中国在内24个国家62个科研机构共同参与,针对活性氮的各种问题,研究切实可行的解决方案。

“近两年欧盟和美国都已发布了活性氮评估报告,作为世界上活性氮产生和排放量最大的国家,中国迫切需要整体的、系统的评估。”巨晓棠表示。

大数据揭示中国活性氮变化

“之前在这方面有不少研究,但研究比较分散,从科学研究的角度来看,是在某一领域钻研得很深。”巨晓棠说,“如果要从国家尺度上提出技术和政策措施,则需要对中国的活性氮进行全面系统的评估。”

为了系统全面地呈现中国活性氮数据,研究的第一步是建立工业、农田、牲畜养殖、水产养殖、草地、森林、城市绿地、人、宠物、污水处理、垃圾处理、大气、地表水和地下水等14个子系统的氮素流动图。

针对这14个子系统,研究人员开始搜集基础数据。“数据来源主要有两方面,其一是科学研究的数据,其二是由政府或相关部门发布的统计数据。”巨晓棠介绍。

在此基础上,研究人员建立了基于人类与自然耦合的物质流模型,通过大数据整合,分析了我国1980~2010年间活性氮来源、流动和去向的变化趋势,评估了各个子系统向大气和水体中迁移的活性氮数量和形态。

数据显示,1980年,中国人为源活性氮产生量为1680万吨,2010年,这一数字达到4820万吨,增加了3倍左右,而其中主要的增长来自于工业子系统,即化肥和工业用氮。对农田子系统数据分析显示,农田子系统氮素增加的主要来源则是化肥。

另一氮素显著增加的是牲畜养殖子系统。相比于1980年,2010年牲畜养殖子系统的氮素增加量超过了2倍,而该系统的氮素以有机肥形态回到农田的比例保持在40%左右。

打断的链条

除了对中国30年间活性氮变化趋势进行评估之外,研究人员还将中国的数据与美国、欧盟的氮数据进行了比照。

对比研究发现,从单位播种面积施氮量来看,西欧自上世纪80年代以来显著下降,美国基本平稳或略有增加,而中国迅速增加;从粮食单产来看,西欧最高,中国和美国在持续上升。但1995年后,美国持续上升而中国增长缓慢,特别是2005年以后,中国单位农田面积的粮食产量低于美国,且差距有拉大趋势。

“这说明我国氮肥投入的效率在持续下降。”巨晓棠解释道。

化肥被称为粮食的“粮食”。从上世纪80年代以来,中国的氮肥使用量一直在快速上升,并直接拉动了全球氮肥的增长。

“如果氮肥投入量低于经济最佳施氮量或最高产量施氮量,产量会比较低。但是,氮肥投入量一旦超过,则会导致产量不再增加或有所下降。”巨晓棠认为,目前中国增加氮肥使用的回报率已经逐渐减少,继续增加氮肥使用量只会使得残留或流失的量增加,造成环境的破坏。

而对各个子系统间活性氮数量变化和迁移的研究也揭示了中国氮循环利用率的低下。“我国用比较高的氮肥投入,获得了粮食、蔬菜、水果和肉蛋奶的基本自给,但氮肥的损失量非常高。”巨晓棠说。

以工业、农田、牲畜养殖等几个子系统间的氮循环为例,从工业、农田以及进口农产品向牲畜养殖迁移的氮数量远远高于从后者迁移至农田系统的氮数量,这意味着牲畜养殖子系统产生的大多数的氮,没有加以循环利用,直接在环境中排放。以牲畜粪便的循环利用率来说,2010年,这一数据中国只有43%,而欧美国家的循环利用率几乎高了一倍。

“系统之间的氮循环链条是打断的。”巨晓棠说,“牲畜养殖子系统的氮大多排放到了环境中,而不是回到农田里。在这种情况下,为保证粮食的生产,还需要从工业系统不断地增加氮的投入。”

零增长或负增长有可能吗?

大数据呈现的中国活性氮来源、流动和去向的变化,揭示了中国农业生产所面临的困境。“最大的挑战是,中国必须保持粮食增产,同时还要减少过量活性氮对环境和健康造成的危害。”巨晓棠表示。

现实的严峻迫切需要解决方案,今年年初,中国政府给出了应对方案并明确了时间表——农业部制订了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,提出了“到2020年,主要农作物化肥使用量实现零增长”的目标。

巨晓棠及其合作团队也对如何减少中国活性氮产生量进行了进一步的研究,并用数据和分析给出了答案。

他们发现,如果不作任何改变,2050年中国向大气和水体排放的人为源活性氮将比2010年增加63%。

而如果采用合理的膳食结构(动物蛋白摄入量遵循中国营养协会推荐标准),作物生产和动物生产氮素利用率达到欧美现有水平,人畜粪尿和秸秆的循环利用率接近欧美目前水平,人均工业氮利用和化石能排放得到实质改善,中国2050年的人为源活性氮产生量将会降低到3100万吨,相当于2010年的64%,向大气和水体排放的活性氮将会降低到2010年的52%。

这意味着,不仅可以实现活性氮产生和氮肥的零增长,还可以逐渐实现负增长。

但实现零增长甚至负增长的前提是不走老路,否则“不仅氮投入的效益会日渐减少并消失,也会带来难以承受的环境和健康问题”。同时,应该立即多措并举减少活性氮的产生量。

“这代表了科学上的可能性,但仍需要社会、经济和政策方面的共同协调。”采访中,巨晓棠向记者强调,如何将科学技术真正应用到生产实际中,仍需要付出艰辛的努力。(来源:中国科学报 胡璇子)

 
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