氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素。隨著全球人口的日益增長(zhǎng)，農(nóng)田持續(xù)增產(chǎn)的需求越來(lái)越大，氮肥的使用量也是逐年攀升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球農(nóng)田每年施用的氮肥量高達(dá)1.2億噸，再加上有機(jī)肥和生物固氮等，農(nóng)田氮輸入總量約2億噸。
然而，目前氮素利用效率還不足50%，也就是說(shuō)有一半以上施用的氮素沒(méi)有被農(nóng)田“消化吸收”，而是流失到了環(huán)境中，不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，威脅糧食安全，而且?guī)?lái)了嚴(yán)重的環(huán)境和健康效應(yīng)，如大氣污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤酸化、生物多樣性減少、溫室效應(yīng)等。因此，如何提高氮素利用效率，在保障糧食產(chǎn)量的前提下控制氮素污染，一直是全球農(nóng)田管理的重要任務(wù)之一。
浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院徐建明教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)聘教授谷保靜、張秀明博士等與澳大利亞墨爾本大學(xué)、江蘇農(nóng)科院、荷蘭環(huán)境評(píng)估署、北京航空航天大學(xué)、國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)、德國(guó)波茨坦氣候研究所、荷蘭瓦赫寧根大學(xué)、英國(guó)生態(tài)水文中心等國(guó)內(nèi)外高校院所合作開展研究，提出建立氮素信用系統(tǒng)來(lái)解決農(nóng)民支付氮素減排成本而全社會(huì)享受減排收益的錯(cuò)配問(wèn)題，從而幫助農(nóng)民有效實(shí)施氮素減排措施。
北京時(shí)間1月5日，這項(xiàng)成果在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》(Nature)上刊登，論文第一兼通訊作者為谷保靜，共同通訊作者為徐建明。
篩選“藥方”
氮肥是農(nóng)田的主要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源之一，但就如人的腸胃功能不佳一樣，農(nóng)田對(duì)氮肥的消化吸收也存在“補(bǔ)不進(jìn)去”的問(wèn)題。這些流失到環(huán)境中的氮素導(dǎo)致嚴(yán)重的氮素污染，引發(fā)了全球?qū)W者的關(guān)注。
相對(duì)于工業(yè)和生活污染的點(diǎn)源排放，農(nóng)田污染屬于面源排放，同時(shí)涉及到全球數(shù)億個(gè)農(nóng)戶，治理難度大，污染治理措施落地實(shí)施極其困難。
那么，全球是否有農(nóng)田管理措施可以控制氮素污染，這些措施的減排潛力和實(shí)施成本是多少，減排后的收益是多少，農(nóng)民是否有足夠的動(dòng)力來(lái)實(shí)施這些減排呢？
研究團(tuán)隊(duì)首先篩選了全球現(xiàn)有可行的減排措施庫(kù)，并量化了它們?cè)?/span>2015年的全球農(nóng)田中實(shí)施而減少氮素污染的潛力。
通過(guò)對(duì)過(guò)去20年的1521個(gè)田間觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，研究確定了一組氮素減排“藥方”，主要包括增效肥料(EEFs)、4R養(yǎng)分管理、灌溉優(yōu)化和豆類輪作等11項(xiàng)氮素管理措施。
根據(jù)不同減排措施在全球各地的實(shí)施障礙和費(fèi)用的差別，研究團(tuán)隊(duì)將減排措施劃分為三個(gè)層級(jí)：第一層級(jí)主要是肥料改良(增效肥料、有機(jī)肥、作物秸稈等)、豆類作物輪作和建立農(nóng)田緩沖帶；第二層級(jí)是4R養(yǎng)分管理，即正確的施肥率、施肥類型、施肥時(shí)間和方式；第三層級(jí)是作物新品種的引進(jìn)、最佳灌溉和優(yōu)化耕作方式。
“通常來(lái)講，措施的層級(jí)越高，所需要的知識(shí)和額外投入也較多，實(shí)施成本因此也高，農(nóng)民就越難采取該項(xiàng)措施?！惫缺ｌo說(shuō)?？傮w而言，這些措施能有效減少總氮損失30-70%，同時(shí)分別提高作物產(chǎn)量10-30%和氮素利用效率10-80%。
全球農(nóng)田氮素管理實(shí)驗(yàn)的空間分布以及管理措施對(duì)農(nóng)田氮素利用和損失的影響
權(quán)衡利弊
那么這組氮素減排“藥方”的治療效果如何？成本高嗎？
經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，以2015年為基準(zhǔn)，如果在全球農(nóng)田實(shí)施這些措施，每年可以多收獲1700萬(wàn)噸作物氮，增長(zhǎng)20%左右，同時(shí)，減少2200萬(wàn)噸氮肥使用量，即減少21%左右，減少2600萬(wàn)噸氮素污染，降幅達(dá)32%。這些變化可以帶來(lái)總社會(huì)收益高達(dá)4760±1230億美元。
2015年實(shí)施11項(xiàng)措施的成本和效益。(a) 2015年分區(qū)域的實(shí)施成本和社會(huì)收益；(b)總減排成本；(c)總收益；(d)生態(tài)系統(tǒng)收益；(e)健康收益；(f)產(chǎn)量收益；(g)氣候效應(yīng)。
當(dāng)然，“藥方”是需要花錢的。
這些減排措施的實(shí)施需要額外的設(shè)備、人工、材料和服務(wù)投入，估算下來(lái)，總實(shí)施成本約為340±90億美元。不過(guò)，由于氮素管理措施可以節(jié)約農(nóng)田氮肥的施用而減少150±40億美元的化肥成本，抵消了44%的總減排成本，所以最終的凈實(shí)施成本約為190±50億美元，約占總社會(huì)收益的4%。
結(jié)果表明優(yōu)化農(nóng)田氮素管理帶來(lái)的社會(huì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其實(shí)施成本。看來(lái)，這個(gè)“藥方”性價(jià)比很高！
且慢，這是理論估算，現(xiàn)實(shí)情況如何呢？
為了給政策制定提供參考，研究團(tuán)隊(duì)又探討了2020-2050年不同層級(jí)措施組合下的農(nóng)田氮素投入、利用和流失情況。
“根據(jù)我們的估計(jì)，第一層級(jí)措施在全球范圍內(nèi)具有最大的應(yīng)用潛力，可以貢獻(xiàn)一半的農(nóng)田氮素減排潛力。由于節(jié)約肥料和豆類輪作可以節(jié)約施肥成本，加上作物增產(chǎn)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益可以抵消措施的實(shí)施成本，為農(nóng)民提供凈經(jīng)濟(jì)效益?！毙旖髡f(shuō)。不過(guò)，盡管實(shí)施第二層級(jí)和第三層級(jí)的措施對(duì)整個(gè)社會(huì)具有巨大的收益，但對(duì)農(nóng)民而言，則要付出高額的實(shí)施成本，嚴(yán)重阻礙了減排措施的落地。
2050年不同層級(jí)措施組合下的成本收益情況。(a)全球尺度的減排成本和收益；(b)分區(qū)域的化肥節(jié)約量；(c)分區(qū)域的NUE變化。
推進(jìn)實(shí)施
通過(guò)成本效益分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了采取這些措施的潛在社會(huì)效益，但如何通過(guò)政策來(lái)支持這些措施的實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)多贏，是一個(gè)開放的研究問(wèn)題。
研究團(tuán)隊(duì)的對(duì)策是將減排成本社會(huì)化，并提供農(nóng)民獲得資金支持的途徑，即農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)(NCS)，從氮素優(yōu)化管理中受益的全社會(huì)各方來(lái)籌集財(cái)政預(yù)算，用來(lái)激勵(lì)和補(bǔ)貼那些實(shí)行最佳管理措施以減少污染和提高產(chǎn)量的農(nóng)民，從而減少氮素污染。
農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)
谷保靜解釋說(shuō)，許多國(guó)家都普遍使用農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼來(lái)維持間接有利于糧食安全和環(huán)境的農(nóng)業(yè)實(shí)踐，而農(nóng)業(yè)氮素信用系統(tǒng)(NCS)可以被視為更好地將整個(gè)社會(huì)的成本和效益聯(lián)系起來(lái)的強(qiáng)化方法，如果能夠明確界定實(shí)施成本和效益，就可以在國(guó)家、省或地方范圍內(nèi)實(shí)施這種制度。
在高收入國(guó)家，由于現(xiàn)有資本資產(chǎn)和運(yùn)作良好的金融市場(chǎng)，更容易獲得金融資源，環(huán)境污染也可以通過(guò)對(duì)氮盈余征稅實(shí)現(xiàn)內(nèi)部化。這種方法符合污染者自付原則，可以避免反彈效應(yīng)，并為創(chuàng)新提供激勵(lì)。另一種推進(jìn)氮素管理的方法是引入多參與者政策方案，將成本和收益的相關(guān)方聚集在一起共同解決。
評(píng)審專家認(rèn)為本研究將全球田間實(shí)驗(yàn)與多模型模擬結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了跨尺度整合分析，同時(shí)強(qiáng)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的激勵(lì)機(jī)制，具有典型的交叉學(xué)科特征和價(jià)值，對(duì)推動(dòng)全球農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
減少氮污染是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)轉(zhuǎn)型的一個(gè)重要組成部分，需要全社會(huì)的共同努力，“我們已經(jīng)證明改善農(nóng)業(yè)氮素管理的氮素信用系統(tǒng)具有很大的潛力，但政策落地依然道阻且長(zhǎng)，希望能夠通過(guò)耦合更多的環(huán)境目標(biāo)和政策工具，來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田管理措施的落實(shí)。”谷保靜說(shuō)。
本項(xiàng)目受到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和國(guó)際合作項(xiàng)目、聯(lián)合國(guó)環(huán)境署基金(國(guó)際氮素管理系統(tǒng)、INMS)等資助。
（文 吳雅蘭/圖片由課題組提供)
