为实现化肥“零增长”提供科学依据 巨晓棠教授等科研成果在PNAS发表

      6月29日，我校巨晓棠教授作为通讯作者之一，与浙江大学和美国Stanford大学合作完成的研究成果《中国活性氮及其未来趋势》（Integrated reactive nitrogen budgets and future trends in China）在《美国科学院院刊》（PNAS）发表。

　　活性氮（除氮气以外的所有还原态和氧化态氮）既是资源又是污染物。人为源活性氮的产生主要包括：工业合成氨用于生产氮肥和其他含氮工业产品，化石能高温燃烧产生氧化态氮(NOx)，种植豆科作物固氮，随产品进口携带的氮；自然源主要包括：生物固氮和闪电固氮。不过，自然源固氮与人类活动联系并不紧密。作为资源，活性氮是农业和工业生产必不可少的物质；作为污染物，活性氮对大气、水体、土壤、生物多样性和人体健康都会产生重要影响。中国已成为世界上活性氮产生最多的国家， 这些活性氮除过对农业和工业生产、社会经济发展起到重要的推动作用外，还对大气、水体、生态环境和人体健康产生了重要的负面影响。

      如何合理使用活性氮、在促进食物和工业生产的同时、保护生态环境和人体健康，是各国面临的重大挑战。欧洲和美国相继完成了活性氮的评估。从活性氮的来源、流动、去向和影响对本地区或本国活性氮的过去、现在和未来进行了全面评估，从技术和政策方面提出了合理使用活性氮的措施。中国作为世界上活性氮产生和排放量最大的国家，相关研究还很零散，没有形成系统的评估报告。随着活性氮对空气质量、水环境和人体健康的影响日益增强，中国迫切需要全面的氮素评估和技术与政策措施。中国现阶段提出的到2020年，实现化肥“零增长”的目标，即是响应这种需求。但对如何实现化肥“零增长”？实现的约束条件是什么？是否会影响粮食安全？技术和政策措施是什么等问题，均需要进一步的科学论证。

      本研究通过国家尺度的大数据整合分析，建立了基于14个子系统（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）的活性氮物质流模型，分析了我国1980年到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。研究表明，从1980年到2010年，中国人为源活性氮产生量增加了近三倍（从1680万吨增加到4820万吨），其中主要增长来自于化肥和工业用氮（从1140万吨增加到3710万吨）。尽管粮食生产增加了148%，但中国依然需要进口约570万吨氮的粮食（主要用于动物饲料），对中国粮食安全和世界粮食市场都带来风险。向大气和水体排放的活性氮增速更快（从1300万吨增加到3838万吨），在中国陆地生态系统累积的活性氮也显著上升（从920万吨增加到2270万吨）。这些向大气和水体排放，以及累积的活性氮对生态系统和人体健康造成了某些程度的负面影响。

　　作为中国目前首份最完整的活性氮来源和排放数据，能使我们与美国和欧洲27国相应的活性氮数据进行对比分析。中国人为源产生的活性氮远高于上述地区或国家，甚至高于他们之和。排放到大气和水体中的活性氮也远高于上述国家或地区。本研究还就活性氮对人体健康（主要是NH3和NOx排放导致的PM2.5和近地面臭氧上升）产生的影响进行评估表明，中国目前因活性氮排放每年导致了1740万个年的寿命损失，折合每年人均折寿4.6天。

　　中国未来如何管理活性氮？本研究利用建立的数据库和模型，根据中国未来人口、人均GDP增长量、城市化趋势，对2050年期间中国活性氮的产生、利用和排放轮廓进行了刻画。如果我们放任自流，任凭现在的情况发展下去，中国人为源活性氮产生量将会从2010年的4820万吨增加到2050年的9840万吨，向大气和水体排放将会增加63%，这是生态环境和人体健康所不能承受的。如果我们从现在开始对活性氮的产生和排放在技术和政策层面进行干预，采用合理的膳食结构（即动物蛋白摄入量遵循中国膳食协会推荐），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%，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”（氮肥用量从2010年的3200万吨可以降低到2050年的1560万吨）。在保证食物供给的同时、实现生态环境安全和人体健康保护。但我们必须意识到，达到这样的目的，不仅仅需要好的科学，还需要社会、经济和政策方面的共同协调，将科学技术真正应用到生产实际中，还有很长的路要走。