少用化肥，治理霧霾的 “潛力股”？
全球細(xì)顆粒物污染治理中，農(nóng)業(yè)氮減排是一種經(jīng)濟高效的手段 | 圖源：pexels.com
氨會導(dǎo)致空氣中細(xì)顆粒物的形成，但控制它的排放目前并未得到許多國家的重視。發(fā)表在最新一期《科學(xué)》上的一項研究指出，如果能減少粗放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中過量施用的氮肥，可以經(jīng)濟有效地減少氨的產(chǎn)生，幫助削減霧霾。不過，有學(xué)者在評論該研究時指出，模型輸入的氨排放清單可能不準(zhǔn)確，在實際應(yīng)用本研究結(jié)論時，還需要結(jié)合目標(biāo)區(qū)域的現(xiàn)狀具體分析。
撰文 | 夏志堅
責(zé)編 | 馮灝
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自1909年德國化學(xué)家弗里茨·哈伯找到利用氮氣和氫氣合成氨（NH3）的方法、并推向工業(yè)化生產(chǎn)之后 [1]，人類的農(nóng)業(yè)模式發(fā)生了天翻地覆的變化。此后的數(shù)十年里，隨著合成氮肥的大規(guī)模生產(chǎn)和使用，全氮含量這個土壤肥力的重要指標(biāo)變得可以 “人工調(diào)節(jié)”。原本缺乏氮素的土地也能生產(chǎn)糧食，限制作物產(chǎn)出最為重要的因素便不再是問題。人類的營養(yǎng)水平得到前所未有的提高，人口數(shù)量也急劇膨脹。
但和許多發(fā)明一樣，合成氮肥在促進人類文明空前繁榮的同時，也帶來了不少新問題。氮肥的過量使用，除了造成水體富營養(yǎng)化、地下水污染、土壤酸化、土壤次生鹽漬化外 [2]，還促成了霧霾 “元兇” 細(xì)顆粒物（直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，即PM2.5）的生成 [3]。
不同于化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定的氮氣，由氮肥揮發(fā)而成的氨氣因化學(xué)性質(zhì)活潑而被稱為 “活性氮（reactive nitrogen，Nr）”，此外，“活性氮” 還包括來自工業(yè)排放和化石燃料燃燒的氮氧化物（NOx），它們是細(xì)顆粒物形成的重要前體物。
每年，全球都有數(shù)百萬人因為吸入過量的細(xì)顆粒物過早死亡，其中發(fā)展中國家受到的影響尤甚。去年年底發(fā)表在《世衛(wèi)組織簡報》（Bulletin of the World Health Organization）上的一項研究 [4] 指出，僅在2010年，中國就有130萬人由于暴露于細(xì)顆粒物而過早死亡，在印度和巴基斯坦，這一數(shù)據(jù)分別為57.5萬和10.5萬。如何科學(xué)而經(jīng)濟地減少空氣中的細(xì)顆粒物，已經(jīng)成為一個全球范圍內(nèi)亟待解決的問題。
11月5日，由浙江大學(xué)、北京大學(xué)、歐洲委員會（European Commission）、英國生態(tài)水文中心（UK Centre for Ecology & Hydrology）等機構(gòu)組成的研究團隊在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表的一篇論文 [5] 指出，全球細(xì)顆粒物污染治理中，農(nóng)業(yè)氮減排是一種經(jīng)濟高效的手段。
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堿性的氨，霧霾“元兇”之一
為了確定活性氮對細(xì)顆粒物濃度的貢獻，研究人員首先引入了一項名為 “氮貢獻率（N-share）” 的新指標(biāo)。該指標(biāo)與氮元素在細(xì)顆粒物中的質(zhì)量占比不同，還涉及到對細(xì)顆粒物二次形成過程的貢獻，通過在模型數(shù)值模擬中關(guān)閉氨和氮氧化物排放，保留其他污染物如二氧化硫和揮發(fā)性有機污染物計算得到。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從1990年-2013年，全球的氮貢獻率從30%增加到了39%，其中氨排放對細(xì)顆粒物濃度的貢獻率由1990年的25%增加到了2013年的32%，而氮氧化物的貢獻率則從17%增加到了28%。有意思的是，當(dāng)把氨和氮氧化物的貢獻率加在一起，兩者之和大于同期的氮貢獻率。
“這是因為氨是堿性氣體，可以和酸性的氮氧化物反應(yīng)生成細(xì)顆粒物，因此不能將兩者的貢獻簡單加總，當(dāng)我們單獨計算氨和氮氧化物對細(xì)顆粒物濃度的貢獻時，兩者的貢獻實際上存在部分重合。要關(guān)注摩爾量、不是絕對質(zhì)量，因為一個氮如果形成氨比形成氮氧化物輕很多。”論文第一作者、浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院研究員谷保靜告訴《知識分子》。
堿性的氨不僅可以與酸性的氮氧化物反應(yīng)，也可以與另一種重要的細(xì)顆粒物前體物二氧化硫反應(yīng)，這解釋了研究中的另一項重要發(fā)現(xiàn)，即氨的細(xì)顆粒物貢獻率比氮氧化物更大。
圖1 1990-2013年氮排放對全球PM2.5污染的貢獻率變化 | 圖源[5]
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治理霧霾的 “潛力股”：削減氨排放
在確定活性氮對細(xì)顆粒物濃度的貢獻之后，研究人員結(jié)合全球疾病負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)，評估了全球范圍內(nèi)與活性氮排放相關(guān)的福利損失。1990年到2013年，由活性氮排放產(chǎn)生的細(xì)顆粒物造成的生命損失年從1950萬年增加到了2330萬年，其中氨的貢獻從1630萬年增加到了1930萬年，氮氧化物的貢獻則從1140萬年增加到了1620萬年。
空氣污染造成的疾病負(fù)擔(dān)和生命損失的情況在亞洲、東歐和一些非洲國家尤為嚴(yán)重，這不僅由于這些地區(qū)空氣質(zhì)量更為糟糕，也與經(jīng)濟相對落后、醫(yī)療條件更差等因素有關(guān)。
另一個值得關(guān)注的現(xiàn)象是，隨著過去二十多年全球經(jīng)濟的持續(xù)增長，活性氮生成的細(xì)顆粒物在損害人們健康的同時，其所造成的早逝的經(jīng)濟代價也在不斷增加：平均邊際成本已從1990年的3.6美元/kg Nr增加到了2013年的4.8美元/kg Nr，漲幅達(dá)31%。與之對應(yīng)，人們的支付意愿也持續(xù)提升，為減少活性氮排放造成的生命損失，年支付意愿從1990年的2610億美元增加到了2013年的4200億美元。
圖2 1990-2013年氮排放導(dǎo)致的PM2.5污染健康效應(yīng)變化 | 圖源[5]
利用GAINS模型（溫室氣體-空氣污染相互作用和協(xié)同效應(yīng)綜合評估模型），研究人員對各國削減活性氮排放的措施成本及收益進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過削減氨排放帶來的社會收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所付出的成本：全球削減氨排放的平均成本為1.5美元/kg NH3-N，而帶來的社會收益則可達(dá)6.9美元/kg NH3-N—— 收益是成本的4.6倍。不過，削減氮氧化物的情況卻剛好相反：成本和收益分別為16美元/kg NOX-N和7.3美元/kg NOX-N，成本是收益的2.2倍。
論文作者之一、北京航空航天大學(xué)副教授張少輝說，“削減氨排放的全球邊際成本僅為氮氧化物削減成本的10%，簡言之，減少氨排放更便宜、更有效”。
“全球氮氧化物的削減已經(jīng)做了很久了，像我國的氮氧化物排放在2012年就已經(jīng)達(dá)峰了，所以在削減很久之后，前面容易操作的低成本措施都已經(jīng)做得差不多了，這時候再繼續(xù)削減的話，成本就變得很高，因為氨和氮氧化物的削減成本都與削減量呈指數(shù)曲線的關(guān)系，也就是越到后面成本越高。那么氨的削減還做得很少，像排放大戶中國、美國基本就沒動過，所以削減氨和氮氧化物的成本收益出現(xiàn)了不一樣的情況?！?谷保靜解釋說。
分地區(qū)來看，除大洋洲外，削減氨排放在其他各大洲也能帶來正收益。對于這個例外，谷保靜表示，“大洋洲的空氣質(zhì)量已經(jīng)很好，所以削減氨排放帶來的空氣質(zhì)量提升相對于付出的代價并不劃算，簡單來說就是得不償失?！?/span>
減少氨的機會主要來自農(nóng)業(yè)（有研究指出，工業(yè)化地區(qū)大氣中的氨有80-90%來自農(nóng)業(yè)部門 [3]），減排措施也相對容易，成本低廉。例如，優(yōu)化氮肥施用不僅可以減少氨的排放，還可以在同等條件下減少化肥施用總量，從而節(jié)約減排成本。據(jù)研究人員估計，全球減少一半氨排放量的實施成本約為380億美元，而氨減排帶來的健康收益則高達(dá)1720億美元。不僅如此，氨減排可節(jié)約全球約20%的氮肥使用量，凈值約280億美元。
圖3 降低50%全球NH3和NOX排放的成本和收益 | 圖源[5]
(A)減排成本、PM2.5污染減輕帶來的健康收益、肥料節(jié)約 (Fert) 和地面臭氧污染減輕(O3)；(B) PM2.5污染減輕帶來的健康收益與成本比，包括有和沒有因肥料節(jié)省和O3協(xié)同減排帶來的收益。
這是一個復(fù)雜的系統(tǒng)分析，同時存在協(xié)同減排的效益。張少輝舉例說，減少化肥施用還能在一定程度上避免因化肥生產(chǎn)而排放的污染，包括化石燃料燃燒形成的二氧化硫等。
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應(yīng)用結(jié)論需 “因地制宜”
對于這一研究的結(jié)論，華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院教授袁自冰認(rèn)為需要結(jié)合目標(biāo)區(qū)域的現(xiàn)狀進行具體分析。“我國部分地區(qū)存在較多的非農(nóng)業(yè)源氨排放，其排放控制的成本效益與農(nóng)業(yè)源是存在顯著差異的。此外，本研究結(jié)論很大程度上受模型輸入氨排放清單不準(zhǔn)確度的影響，而降低氨排放因子和活動水平數(shù)據(jù)的不確定度是科學(xué)界面臨的難題之一。”
事實上，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式粗放，我國的氨排放強度一直高居不下，年排放量在1000萬噸左右，比北美和歐洲加總還高 [6]。亞洲清潔空氣中心項目主任萬薇告訴《知識分子》，“盡管2017年以后排放量略有下降，但是整體來說，過去十余年大氣氨減排力度非常不足?！?/span>
中國的 “十三五” 規(guī)劃（2016-2020年）已經(jīng)開始關(guān)注農(nóng)業(yè)氨的減排問題，預(yù)計通過補貼增效肥和施肥機械等政策，可以減少1/3的農(nóng)業(yè)氨排放。研究人員認(rèn)為，將氨減排納入細(xì)顆粒物污染防治政策非常迫切，未來立法應(yīng)著重考慮。
其他國家已經(jīng)有成功先例。根據(jù)該研究，荷蘭和丹麥在實施減排氨的政策之后，2011年的氨排放量比1990年減少了35-66%。
“根據(jù)我看的資料，這兩個國家包括歐盟采取的政策一方面是通過農(nóng)業(yè)的有效施肥，控制過量施用氮肥帶來的氨排放，另一方面是對養(yǎng)殖業(yè)進行封閉化管理。與我們國家養(yǎng)殖廠在開放環(huán)境中處理廢棄物不同的是，歐盟國家是利用密封的罐子對廢棄物進行處理，這樣就能避免氨揮發(fā)到大氣中?！?nbsp;谷保靜表示。
但萬薇也提醒說，我國仍處于多種污染復(fù)合階段，以單一控制目標(biāo)進行減排路徑優(yōu)化，可能會存在 “顧此失彼” 的風(fēng)險?！贝饲?，《美國國家科學(xué)院刊》就有研究 [7] 指出，氨減排利好霧霾治理的同時可能會加劇酸雨。
袁自冰也提到了同樣的問題。他提醒說，具體到我國，上述結(jié)論的時空適用性都需要進一步分析，“從空間上來說，我國北方氨排放顯著高于南方，氨排放控制對于北方細(xì)顆粒物濃度降低的效應(yīng)更為顯著，在南方則可能會衍生酸雨等其它環(huán)境問題。從不同季節(jié)的角度，由于硝酸銨隨溫度變化存在顯著氣粒平衡現(xiàn)象，氨排放控制對于降低冬季細(xì)顆粒物濃度更為有效，在夏季作用則明顯減弱。”
制版編輯 | 盧卡斯
