“從1980年至2010年，中國人為源活性氮產(chǎn)生量增加了近三倍�！苯眨豁椨芍袊r(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和美國斯坦福大學(xué)合作研究的成果呈現(xiàn)了中國活性氮來源和排放的整體圖景。6月29日，該研究成果以《中國活性氮及其未來趨勢》為題發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》上。
這項整合分析了14個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的研究，提供了國家尺度上中國目前最完整的活性氮來源和排放數(shù)據(jù)。同時，數(shù)據(jù)也清晰地展現(xiàn)了中國活性氮排放的未來趨勢：
如果按照目前的情況任其發(fā)展下去，2050年中國向大氣和水體排放的人為源活性氮將比2010年增加63%——這將超過生態(tài)環(huán)境和人體健康所能承受的極限；但如果在技術(shù)和政策層面對其進行干預(yù)，那么，2050年中國人為源活性氮產(chǎn)生量將會降低至2010年的64%。
活性氮帶來的全球挑戰(zhàn)
氮是空氣中的主導(dǎo)元素，每當(dāng)我們呼吸一口空氣，其中78%是氮氣。不過，若要為生物體所利用，氮還需轉(zhuǎn)化為活性氮�；钚缘漠a(chǎn)生可分為自然源和人為源，自然源主要是生物固氮和閃電，而人為源活性氮的產(chǎn)生則主要有四種方式。
“一是通過合成氨技術(shù)生成化肥和工業(yè)原料，二是種植豆科植物固氮，三是化石能源燃燒，四是農(nóng)產(chǎn)品的進口。這些是人為源活性氮的主要來源�！闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧袊r(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院教授巨曉棠告訴《中國科學(xué)報》記者。
毋庸置疑，活性氮對地球生物有著非常重要的意義，但值得一提的是，過量的活性氮也會制造麻煩。其帶來大氣、水體、土壤的污染，引起生物多樣性減少、溫室氣體增加等環(huán)境問題，對人體健康產(chǎn)生危害。
“當(dāng)下主要的問題在于人為源活性氮產(chǎn)生量的過度增加�！本迺蕴慕忉專斑^量或不合理使用化肥以及工業(yè)氮排放增加的活性氮是其中重要的原因。”
活性氮對環(huán)境和健康帶來的危害逐漸引起各國重視。資料顯示，2006年，歐盟第六研發(fā)框架計劃總投資2700萬歐元囊括中國在內(nèi)24個國家62個科研機構(gòu)共同參與，針對活性氮的各種問題，研究切實可行的解決方案。
“近兩年歐盟和美國都已發(fā)布了活性氮評估報告，作為世界上活性氮產(chǎn)生和排放量最大的國家，中國迫切需要整體的、系統(tǒng)的評估。”巨曉棠表示。
大數(shù)據(jù)揭示中國活性氮變化
“之前在這方面有不少研究，但研究比較分散，從科學(xué)研究的角度來看，是在某一領(lǐng)域鉆研得很深�！本迺蕴恼f，“如果要從國家尺度上提出技術(shù)和政策措施，則需要對中國的活性氮進行全面系統(tǒng)的評估�！�
為了系統(tǒng)全面地呈現(xiàn)中國活性氮數(shù)據(jù)，研究的第一步是建立工業(yè)、農(nóng)田、牲畜養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、草地、森林、城市綠地、人、寵物、污水處理、垃圾處理、大氣、地表水和地下水等14個子系統(tǒng)的氮素流動圖。
針對這14個子系統(tǒng)，研究人員開始搜集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)�！皵�(shù)據(jù)來源主要有兩方面，其一是科學(xué)研究的數(shù)據(jù)，其二是由政府或相關(guān)部門發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。”巨曉棠介紹。
在此基礎(chǔ)上，研究人員建立了基于人類與自然耦合的物質(zhì)流模型，通過大數(shù)據(jù)整合，分析了我國1980~2010年間活性氮來源、流動和去向的變化趨勢，評估了各個子系統(tǒng)向大氣和水體中遷移的活性氮數(shù)量和形態(tài)。
數(shù)據(jù)顯示，1980年，中國人為源活性氮產(chǎn)生量為1680萬噸，2010年，這一數(shù)字達到4820萬噸，增加了3倍左右，而其中主要的增長來自于工業(yè)子系統(tǒng)，即化肥和工業(yè)用氮。對農(nóng)田子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析顯示，農(nóng)田子系統(tǒng)氮素增加的主要來源則是化肥。
另一氮素顯著增加的是牲畜養(yǎng)殖子系統(tǒng)。相比于1980年，2010年牲畜養(yǎng)殖子系統(tǒng)的氮素增加量超過了2倍，而該系統(tǒng)的氮素以有機肥形態(tài)回到農(nóng)田的比例保持在40%左右。
打斷的鏈條
除了對中國30年間活性氮變化趨勢進行評估之外，研究人員還將中國的數(shù)據(jù)與美國、歐盟的氮數(shù)據(jù)進行了比照。
對比研究發(fā)現(xiàn)，從單位播種面積施氮量來看，西歐自上世紀80年代以來顯著下降，美國基本平穩(wěn)或略有增加，而中國迅速增加；從糧食單產(chǎn)來看，西歐最高，中國和美國在持續(xù)上升。但1995年后，美國持續(xù)上升而中國增長緩慢，特別是2005年以后，中國單位農(nóng)田面積的糧食產(chǎn)量低于美國，且差距有拉大趨勢。
“這說明我國氮肥投入的效率在持續(xù)下降�！本迺蕴慕忉尩�。
化肥被稱為糧食的“糧食”。從上世紀80年代以來，中國的氮肥使用量一直在快速上升，并直接拉動了全球氮肥的增長。
“如果氮肥投入量低于經(jīng)濟最佳施氮量或最高產(chǎn)量施氮量，產(chǎn)量會比較低。但是，氮肥投入量一旦超過，則會導(dǎo)致產(chǎn)量不再增加或有所下降�！本迺蕴恼J為，目前中國增加氮肥使用的回報率已經(jīng)逐漸減少，繼續(xù)增加氮肥使用量只會使得殘留或流失的量增加，造成環(huán)境的破壞。
而對各個子系統(tǒng)間活性氮數(shù)量變化和遷移的研究也揭示了中國氮循環(huán)利用率的低下。“我國用比較高的氮肥投入，獲得了糧食、蔬菜、水果和肉蛋奶的基本自給，但氮肥的損失量非常高。”巨曉棠說。
以工業(yè)、農(nóng)田、牲畜養(yǎng)殖等幾個子系統(tǒng)間的氮循環(huán)為例，從工業(yè)、農(nóng)田以及進口農(nóng)產(chǎn)品向牲畜養(yǎng)殖遷移的氮數(shù)量遠遠高于從后者遷移至農(nóng)田系統(tǒng)的氮數(shù)量，這意味著牲畜養(yǎng)殖子系統(tǒng)產(chǎn)生的大多數(shù)的氮，沒有加以循環(huán)利用，直接在環(huán)境中排放。以牲畜糞便的循環(huán)利用率來說，2010年，這一數(shù)據(jù)中國只有43%，而歐美國家的循環(huán)利用率幾乎高了一倍。
“系統(tǒng)之間的氮循環(huán)鏈條是打斷的�！本迺蕴恼f，“牲畜養(yǎng)殖子系統(tǒng)的氮大多排放到了環(huán)境中，而不是回到農(nóng)田里。在這種情況下，為保證糧食的生產(chǎn)，還需要從工業(yè)系統(tǒng)不斷地增加氮的投入�！�
零增長或負增長有可能嗎？
大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的中國活性氮來源、流動和去向的變化，揭示了中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的困境�！白畲蟮奶魬�(zhàn)是，中國必須保持糧食增產(chǎn)，同時還要減少過量活性氮對環(huán)境和健康造成的危害�！本迺蕴谋硎�。
現(xiàn)實的嚴峻迫切需要解決方案，今年年初，中國政府給出了應(yīng)對方案并明確了時間表——農(nóng)業(yè)部制訂了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，提出了“到2020年，主要農(nóng)作物化肥使用量實現(xiàn)零增長”的目標。
巨曉棠及其合作團隊也對如何減少中國活性氮產(chǎn)生量進行了進一步的研究，并用數(shù)據(jù)和分析給出了答案。
他們發(fā)現(xiàn)，如果不作任何改變，2050年中國向大氣和水體排放的人為源活性氮將比2010年增加63%。
而如果采用合理的膳食結(jié)構(gòu)（動物蛋白攝入量遵循中國營養(yǎng)協(xié)會推薦標準），作物生產(chǎn)和動物生產(chǎn)氮素利用率達到歐美現(xiàn)有水平，人畜糞尿和秸稈的循環(huán)利用率接近歐美目前水平，人均工業(yè)氮利用和化石能排放得到實質(zhì)改善，中國2050年的人為源活性氮產(chǎn)生量將會降低到3100萬噸，相當(dāng)于2010年的64%，向大氣和水體排放的活性氮將會降低到2010年的52%。
這意味著，不僅可以實現(xiàn)活性氮產(chǎn)生和氮肥的零增長，還可以逐漸實現(xiàn)負增長。
但實現(xiàn)零增長甚至負增長的前提是不走老路，否則“不僅氮投入的效益會日漸減少并消失，也會帶來難以承受的環(huán)境和健康問題”。同時，應(yīng)該立即多措并舉減少活性氮的產(chǎn)生量。
“這代表了科學(xué)上的可能性，但仍需要社會、經(jīng)濟和政策方面的共同協(xié)調(diào)�！辈稍L中，巨曉棠向記者強調(diào)，如何將科學(xué)技術(shù)真正應(yīng)用到生產(chǎn)實際中，仍需要付出艱辛的努力。
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